生物反应器参数控制综述课件

1、发酵机械与设备徐 明 芳 博 士教 授暨 南 大 学 生 科 院2015-12-4目录绪论第一篇 生物质原料处理设备第二篇 生物反应设备第三篇 产物分离设备第四篇 其他设备底物生物反应器检测控制仪表培养基（灭菌）经加工原料酶细胞生物催化剂（游离或固定化）机械能除菌空气产品提取纯化副产品产品废物热能原材料营养物典型工业生物技术过程核心技术？第一篇 生物质原料处理设备第一章 生物质原料预处理设备第二章 生物细胞培养基制备设备第三章 生物培养基灭菌设备第四章 原料（物料）输送设备第二篇 生物反应设备第一节 发酵设备概述第二节 通风发酵罐结构与工作原理第三节 自吸式发酵罐结构与工作原理第四节 气升式发

2、酵罐(ALR)结构与工作原理第五章 生物反应器通风搅拌发酵罐第六章厌氧（嫌气）发酵设备 第一节 酒精发酵设备第二节 啤酒发酵设备第三节连续发酵设备第七章 生物反应器细胞培养反应器第一节 植物细胞反应器第二节 动物细胞反应器第三节 微藻培养反应器第二篇 生物反应设备第七章 生物反应器细胞培养反应器第八章 生物反应器的检测及控制第一节生化过程主要参数 第二节常用检测方法及仪器 主要参数检测原理及仪器 发酵液中营养成分与产物的分析 第三节生物传感器的研究开发与应用 生物传感器的类型及结构原理第四节 计算机自动控制第六章厌氧（嫌气）发酵设备第五章 生物反应器通风搅拌发酵罐底物生物反应器检测控制仪表培养

3、基（灭菌）经加工原料酶细胞生物催化剂（游离或固定化）机械能除菌空气产品提取纯化副产品产品废物热能原材料营养物典型工业生物技术过程核心技术？思考题1、发酵过程检测控制的主要的参数与作用2、温度的 检测仪表有哪几类？3、热量测定装置有哪几类？4、 简述压差法测定液位的原理5、泡沫高度的检测采用那些方法？6、发酵液黏度的检测采用那些仪器7、pH的检测计的结构及其工作原理8、简述溶解CO2浓度的测定原理9、简述氧化还原电位（ORP）的检测原理10、简述排气的氧分压的测定的方法与原理11、简述排气的CO2分压的测定的方法与原理12、生物发酵溶液中营养成分与产物的分析主要包括那些？13、生物传感器的基本组

4、成包括那些部分？简述其工作原理。14、列表分析生物传感器的分类。15、生物传感器的信号转换器有哪几类？16、敏感器件（分子识别元件)有哪几类？17、般检控系统包括那几个部分？18、如何实现温度、pH、溶解氧、泡沫控制？第八章生物反应器的检测及自动控制 第一节生化过程主要参数 第二节常用检测方法及仪器 主要参数检测原理及仪器 发酵液中营养成分与产物的分析 第三节生物传感器的研究开发与应用 生物传感器的类型及结构原理生物反应过程及反应器的检测控制中应考虑的问题：（1）进行检测的目的；（2）有多少必须检测的状态参数，参变量能否检测；（3）参数能否在线检测，其响应滞后是否太长；（4）利用检测结果怎样判

5、断生物反应器及生物细胞本身的状态；（5）需控制的主要参变量是哪些。生物反应器的检测及控制第一节生化过程主要参数参数名称测试方法意义、主要作用温度传感器维持生长、合成罐压压力表维持正压、增加DO空气流量传感器供氧、排泄废气、提高KLa搅拌速率传感器物料混合、提高KLa粘度粘度计反映细胞生长、 KLa液面传感器反映操作稳定性、生产率浊度传感器反映细胞生长情况泡沫传感器反映发酵代谢、操作稳定性传质系数间接计算，在线检测反映供氧效率加糖速率传感器反映耗氧情况加消泡剂速率传感器反映泡沫情况加其它基质速率传感器反映基质利用情况生化过程各参数及其测试概况（a）物理、工程参数 12参数名称测试方法意义、主要作

6、用细胞浓度取样了解生长情况细胞中ATP、ADP取样了解细胞的能量代谢活力细胞中NADH2在线荧光法了解细胞的合成能力溶解氧浓度传感器反映供氧情况排气O2浓度传感器了解耗氧情况溶解CO2浓度传感器了解CO2对发酵的影响排气CO2浓度传感器（红外吸收）了解细胞的呼吸情况酸碱度传感器反映细胞的代谢途径产物浓度取样（传感器）产物合成情况基质浓度取样了解基质的利用情况第一节生化过程各参数及其测试概况（b）生物、化学参数 10第一节、发酵过程检测控制的主要的参数1、物理参数8个检测参数检测方法 单位 影响温度铂电阻 热敏电阻 qP c* 罐压(0.20.5105Pa)隔膜传感器 压敏电阻 Pa保持正压，防

7、止染菌 O2 及 CO2 的溶解度 搅拌转数频率计数器 r/min Kla 发酵液的均匀性 搅拌功率(2 -4KW/m3)功率计KwKla空气流量浮子流量计 孔板差压计 m3h-1 vvm Kla 粘度旋转粘度计 Pas Kla 浊度浊度计%反映单细胞的生长 料液的流量蠕动泵 荷重传感器 量筒 Lh-1 S 发酵过程检测控制的主要的参数2、化学参数 7个检测参数检测方法 单位 影响及作用PH复合玻璃电极 菌体和产物合成速度 酶促反应的方向 基质浓度 产物浓度HPLC 离子选择电极 生物传感器 取样gL-1 qP 发酵周期的长短氧化还原电位氧化还原电位电极 mV 生长和生化活性 溶氧浓度覆膜氧电

8、极 % qo2气相O2含量 顺磁氧分析仪 Pa反映OUR 和 Kla 气相CO2含量 红外气体分析仪 %反映OUR 和 Kla发酵过程检测控制的主要的参数3、生物参数检测参数检测方法 单位 影响菌丝形态摄像显微镜 取样镜检 反映菌体发育阶段 和正常与否 菌体浓度取样 ：干重、浊度、活菌计数、离心沉降gL-1 影响菌体的生化反应 Kla第二节生化过程常用检测方法及仪器 主要参数检测原理及仪器 1取样系统生化过程常用检测方法及仪器 主要参数检测原理及仪器 2温度的测定 检测仪表有：热电阻检测器（resistance thermal detector，RTD）、半导体热敏电阻、热电偶、玻璃温度计。温

9、度传感器生化过程常用检测方法及仪器 主要参数检测原理及仪器 3热量的测定 热交换器发酵热测量 微热量测量装置：绝热式微量热计、热流量热计、流通式量热计。热交换器发酵热测量 量热计反应平衡 零检测器不平衡信号计算器记录器不平衡信号标定t反t平绝热式微量热计原理图绝热式热量计的外筒温度能自动跟踪内筒温度，始终与内筒温度保持一致，内外筒间不存在温差，因而没有热交换，不需要进行冷却校正。因而，使用绝热式热量计，操作和计算都比较简单，但仪器结构较为复杂，不易维护。恒温式热量计的外筒温度恒定不变，内外筒间存在温差，因而内外筒有热交换，需要进行冷却校正。使用恒温式热量计，操作步骤和计算都比较复杂，但仪器构造

10、简单，容易维护。微机量热仪 生化过程常用检测方法及仪器 主要参数检测原理及仪器 热量的测定热流量热计Calvet微量热器流通式量热计生化过程常用检测方法及仪器 主要参数检测原理及仪器 4罐压检测： 隔膜式压力表； 压力信号转换器：电阻式、电感式、电容式和半导体式等。测压点和控制点的选择应考虑的因素： 1）防止染菌，避免死角，防止固形物的堆积； 2）注意气源波动对压力的影响。生化过程常用检测方法及仪器 主要参数检测原理及仪器 5液位的检测 检测方法：电容法、压力法和电导法等。电容式液面计示意图 电容法生化过程常用检测方法及仪器 主要参数检测原理及仪器 液位的检测 压差法p1=Pc-Pbp2=Pc

11、-Pa生化过程常用检测方法及仪器 主要参数检测原理及仪器5液位的检测 液位探针 6泡沫高度的检测 常用检测方法：电极探针测定法和声波法。生化过程常用检测方法及仪器 主要参数检测原理及仪器 7培养基和液体流量测定椭圆流量计工作原理图 椭圆流量计 生化过程常用检测方法及仪器 主要参数检测原理及仪器 6培养基和液体流量测定 科里奥利质量流量计（CMF） 利用流体在直线运动的同时处于一旋转系中，产生与质量流量成正比的科里奥利力原理制成的一种直接式质量流量仪表。生化过程常用检测方法及仪器 主要参数检测原理及仪器 6培养基和液体流量测定 电磁流量计（EMF） 利用法拉第电磁感应定律制成的一种测量导电液体体

12、积流量的仪表。生化过程常用检测方法及仪器 主要参数检测原理及仪器6常用培养基和液体流量计动画演示动画演示动画演示生化过程常用检测方法及仪器 主要参数检测原理及仪器 7 气体流量测量 根据作用原理，流量计可分为：体积流量型和质量流量型。 体积流量型 根据流体动能的转换以及流体流动类型的改变而设计的测量装置。主要类型有同心孔板压差流量计和转子流量计。生化过程常用检测方法及仪器 主要参数检测原理及仪器 质量流量型 根据流体的固有性质（如质量、导电性、电磁感应性、离子化和热传导性能）等设计的气体流量计。主要类型有同心孔板压差流量计和转子流量计。气体热质量流量传感器生化过程常用检测方法及仪器 主要参数检

13、测原理及仪器 8 发酵液黏度的检测 常用的黏度测定仪有：振动式黏度传感仪、毛细管黏度计、回转式黏度计和涡轮旋转黏度计等。振动式黏度计生化过程常用检测方法及仪器 主要参数检测原理及仪器 8发酵液黏度的检测毛细管黏度计生化过程常用检测方法及仪器 主要参数检测原理及仪器 8发酵液黏度的检测回转式黏度计生化过程常用检测方法及仪器 主要参数检测原理及仪器 9 搅拌转速和搅拌功率 搅拌转速的检测常用方法：磁感应式、光感应式和测速发电机等。 10 搅拌功率的常用方法：功率表测定电动机进线功率； 搅拌功率的精确检测方法：电机反转矩测定法、轴功率和应变片法；多数采用测定力矩来得功率，其计算公式为：生化过程常用检

14、测方法及仪器 主要参数检测原理及仪器 11 pH的检测常用pH检定仪为复合pH电极，具有结构紧凑，可蒸汽加热灭菌的优点。 工作原理：利用玻璃电极与参比电极浸泡于某一溶液时具有一定的电位，其pH可表示为：生化过程常用检测方法及仪器 主要参数检测原理及仪器 11 pH的检测生化过程常用检测方法及仪器 主要参数检测原理及仪器 11 pH的检测生化过程常用检测方法及仪器 主要参数检测原理及仪器 pH的检测生化过程常用检测方法及仪器 主要参数检测原理及仪器 pH的检测生化过程常用检测方法及仪器 主要参数检测原理及仪器 12 溶氧浓度的检测常用检测方法为溶氧电极法。阴极还原: O2+2H2O+4e-4OH

15、-阳极氧化: 4Ag+4Cl-4Ag+4Cl-+4e-总反应: O2+2H2O+4Ag+4Cl-4OH-+4AgCl生化过程常用检测方法及仪器 主要参数检测原理及仪器 12 溶氧浓度的检测生化过程常用检测方法及仪器 主要参数检测原理及仪器 12溶氧浓度的检测生化过程常用检测方法及仪器 主要参数检测原理及仪器 13溶解CO2浓度的测定 溶解CO2浓度的检测原理是利用对CO2分子有特殊选择渗透性的微孔膜，并使扩散通过的CO2进入饱和碳酸钠缓冲液中，平衡后显示的pH与溶解的CO2浓度成正比，由此可测出溶解CO2浓度。CO2电极结构生化过程常用检测方法及仪器主要参数检测原理及仪器 14 氧化还原电位（

16、ORP）的检测 ORP的检测原理是基于溶液中的金属电极上进行的电子交换达到平衡时，具有相应的氧化还原电位值。表示式为： 15 排气的氧分压的测定生化过程常用检测方法及仪器主要参数检测原理及仪器 气体中氧浓度的检测方法主要有磁氧分析、极谱电位法和质谱法。被检测排气的磁化率为： 在均匀磁场与无磁场的空间存在压强差： 16 排气的CO2分压的测定生化过程常用检测方法及仪器主要参数检测原理及仪器 排气中CO2浓度常用检测仪有红外线二氧化碳测定仪和二氧化碳电极。 CO2气体在红外2.62.9103和4.14.5103nm之间有吸收峰，根据朗伯比尔定律： 17 细胞浓度的测定生化过程常用检测方法及仪器主要

17、参数检测原理及仪器 全细胞浓度的测定细胞浓度在线检测浊度计17 细胞浓度的测定生化过程常用检测方法及仪器主要参数检测原理及仪器 活细胞浓度的测定荧光测量活细胞装置图生物发酵溶液中营养成分与产物的分析类别检测物质发酵液待检测的物质成分微生物细胞营养基质葡萄糖、麦芽糖、乳糖、醋酸、BOD等产物及副产物乙醇、氨、蛋白质、抗生素、氨基酸、有机酸、酶、CH4、氢等营养盐生长因子无机盐(K+、Ca2+、NH+、NO3-等)、生物素、维生素动物细胞营养基质葡萄糖、氨基酸等产物及副产物蛋白质类（t-PA、GCSF、EPO、INF等)、乳酸、氨生长因子维生素、激素、抗生素植物细胞营养基质糖类、醋酸、硝酸盐、氨基

18、酸等产物及副产物次生代谢产物（植物色素、皂甙等）、氨、CO2生长素维生素、植物激素（2,4-D、NAA、6-BA等）生物传感器 ( Biosensor) 传感器：能感受(或响应)一种信息并变换成可测量信号(一般指电学量)的器件。 生物传感器：将生物体的成份（酶、抗原、抗体、激素）或生物体本身（细胞、细胞器、组织）固定化在一器件上作为敏感元件的传感器称为生物传感器。生物传感器的基本组成组成：敏感元件（分子识别元件）和信号转换器件生物传感器的工作原理将化学信号转变成电信号将热能变化转换为电信号将光效应转换为电信号直接产生电信号生物传感器的工作原理根据输出信号方式分类 a生物亲合型传感器 被测物质与

19、分子识别元件上的敏感物质具有生物亲合作用，即二者能特异地相结合，同时引起敏感材料的分子结构和/或固定介质发生变化。例如：电荷温度光学性质等的变化。反应式可表示为： S（底物）+R（受体） = SR生物传感器的分类b代谢型或催化型传感器 底物（被测物）与分子识别元件上的敏感物质相作用并生成产物，信号转换器将底物的消耗或产物的增加转变为输出信号，这类传感器称为代谢型或催化型传感器，其反应形式可表示为：S（底物）R（受体） = SRP（生成物） 生物传感器的分类根据分子识别元件上的敏感物质分类 生物传感器中分子识别元件上所用的敏感物质有酶、微生物、动植物组织、细胞器、抗原和抗体等； 根据所用的敏感物

20、质可将生物传感器分为酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞器传感器、免疫传感器等。生物传感器的分类 根据信号转换器分类 生物传感器的信号转换器有：电化学电极、离子敏场效应晶体管、热敏电阻、光电转换器等据此又将生物传感器分为电化学生物传感器、半导体生物传感器、测热型生物传感器、测光型生传感器、测声型生物传感器等生物传感器的分类生物传感器的分类 生物传感器的特点 由选择性好的主体材料构成的分子识别元件，一般不需进行样品的预处理； 利用优异的选择性把样品中被测组分的分离和检测统一为一体；测定时一般不需另加其它试剂； 由于它的体积小、可以实现连续在位监测； 响应快、样品用量少，且由于敏感材料是固定化

21、的，可以反复多次使用。 传感器连同测定仪的成本远低于大型的分析仪器，因而便于推广普及。 生物传感器的信号转换器 生物传感器中的信号转换器是将分子识别元件进行识别时所产生的化学的或物理的变化转换成可用信号的装置。常用的生物传感器换能器件有电化学电极、热敏器件、半导体器件、光电原理器件等，目前以电化学电极应用最广且比较成熟。 电化学电极可用作生物传感器的信号转换器的电化学电极一般可以分为两种类型。电位型电极和电流型电极 电位型电极 离子选择电极 离子选择性电极是一类对特定的阳离子或阴离子呈选择性响应的电极，具有快速、灵敏、可靠、价廉等优点，因此应用范围很广离子选择性电极作为生物传感器的信号转换器只

22、是它的一种应用，在生物医学领域也常直接用它测定体液中的一些成分（如H+， K+， Na+、Ca2+等）。 生物传感器的信号转换器 生物传感器的信号转换器氧化还原电极 生物传感器的信号转换器 生物传感器的信号转换器 电流型电极 电化学生物传感器中采用电流型电极为信号转换器的趋势日益增加，这是因为这类电极和电位型电极相比有以下优点： （1）电极的输出直接和被测物的浓度呈线性关系，而电位型电极那样和被测物浓度的对数呈线性关系； （2）电极输出值的读数误差所对应的待测物浓度的相对误差比电位型电极的小； （3）电极的灵敏度比电位型电极的高。 生物传感器的信号转换器 生物热敏器件 基于温度测量原理，把生物

23、功能材料和高性能检测器件结合而成，如酶热敏电阻。 酶热敏电阻可分为密接型和反应器型。酶热敏电阻检测系统 生物传感器的信号转换器离子敏场效应晶体管 传感器应具有以下特点： （l）小型化，便于携带，易于使用，非专业人员也能操作； （2）响应快，可应用于微小区域，如生物细胞内成分的测定； （3）能同时完成多种成分测定； （4）能够直接连接在计算机的输入端； （5）输出阻抗低，可避免外界感应以及下级电路的干扰。 由于绝缘栅场效应管的应用，制造具有以上特点的离子敏感元件及生物敏感元件已成为现实敏场效应晶体管的结构和工作原理 离子敏场效应晶体管（ISFET）： 它与常用的绝缘栅型场效应晶体管构造相同在输入

24、栅极做了一些改进，以能与特定的化学物质反应，产生电位的敏感膜取代金属极让敏感膜直接与溶液接触，由于敏感膜对溶液中的离子有选择作用，从而调制ISFET的漏电流变化，利用这个特性就能检测一溶液中的离子活度。 生物传感器的信号转换器Ion-sensitive field-effect transistor(ISFET)敏场效应晶体管的结构和工作原理 生物传感器的信号转换器 生物传感器的信号转换器 光生物电极 光生物电极的测量原理：生物发光反应的测量原理；生物物质的光吸收、光激发；生物反应物质对光传播对干扰原理。 竞争结合型、光吸收型、荧光淬灭型、指示剂型、生物发光型和光传递干扰型。敏感器件（分子识别元件) 酶电极酶电极结构原理示意图敏感器件（分子识别元件) 微生物电极呼吸性测定型微生物传感器代谢产物测定型微生物传感器免疫传感器(Immunosensor) 免疫电极敏感器件（分子识别元件)酶标记免疫传感器原理示意图 组织传感器 以动植物组织薄片材料作为生物敏感膜的电化学传感器称为组织电极，此系酶电极的衍生型电极动植物组织中的酶是反应的催化剂与酶电极比较，组织电极具有如下优点： 1.酶活性较离析酶高. 2.酶的稳定性增大. 3.材料易于获得.植物组织膜电极结构图解