生物反应器的检测及控制VIP

1、生物反应器的检测,研11级发酵工程 陈珊,第一节 生物加工过程的参数,要对生化过程进行有效的操作和控制，首先要了解生化过程的状态变化，也就是要了解生化过程的各种信息。这些信息可以分为物理变量信息、化学变量信息、以及生物变量信息。,一、设定参数,1压强 对通气生物发酵反应，必须往反应器中通入无菌的洁净空气，一是供应生物细胞呼吸代谢所必须的氧，二是强化培养液的混合与传质，三是维持反应器有适宜的表压，以防止外界杂菌进入发酵系统。对气升式反应器，通气压强的适度控制是高效溶氧传质及能量消耗的关键因素之一。 2温度 不同的生物细胞，均有最佳的生长温度或产物生成温度，而酶也有最适的催化温度，所以必须使反应体

2、系控制在最佳的发酵反应温度范围。,3通气量 不论是液体深层发酵或是固体通风发酵，均要连续（或间歇）往反应器中通入大量的无菌空气。为达到预期的混合效果和溶氧速率，以及在固体发酵中控制发酵温度，必须控制工艺规定的通气量。 过高的通气量会引起泡沫增多，水分损失太大以及通风耗能上升等不良影响。,4液面 液面的高低决定了反应器装液系数即影响生产效率；对通风液体深层发酵，初装液量的多少即液面的高低需按工艺规定确定，否则通入空气后发酵液的含气率达一定值，液面就升高，加之泡沫的形成，故必须严格控制培养基液面。对气升内环流式反应器，由于导流筒应比液面低一适当高度才能实现最佳的环流混合与气液传质，但在通气发酵过程

3、中，排气会带出一定水分，故反应器内培养液会蒸发减少，因此液面的检测监控更重要，必要时需补加新鲜培养基或无菌水，以维持最佳液位。同理，连续发酵过程液位必须维持恒定，液面的检测控制也十分重要。,5搅拌转速与搅拌功率 搅拌转速对发酵液的混合状态、溶氧速率、物质传递等有重要影响，同时影响生物细胞的生长、产物的生成、搅拌功率消耗等。对某一确定的发酵反应器，当通气量一定时，搅拌转速升高，其溶氧速率增大，消耗的搅拌功率也越大。在完全湍流的条件下，搅拌功率与搅拌转速的三次方成正比。 某些生物细胞如动植物细胞、丝状菌等，对搅拌剪切敏感，故搅拌转速和搅拌叶尖线速度有其临界上限范围。 搅拌功率与搅拌转速的关系，是机

4、械搅拌通气发酵罐的比拟放大基准。,6泡沫高度 发酵液泡沫产生的原因是多方面的，最主要的是培养基中所固有的或是发酵过程中生成的蛋白质、菌体、糖类以及其他稳定泡沫的表面活性物质，加上通气发酵过程大量的空气泡以及厌气发酵过程中生成的CO2气泡，都会导致生物发酵液面上生成不同程度的泡沫层。 7培养基流加速度 对生物发酵的连续操作或流加操作过程，均需连续或间歇往反应器中加入新鲜培养基，且要控制加入量和加入速度，以实现优化的连续发酵或流加操作，获得最大的发酵速率和生产效率。,8冷却介质流量与速度 为保持反应器系统的温度在工艺规定的范围内，必须用水等冷却介质通过热交换器把发酵热移走。根据生化反应器的热量平衡

5、算式：,9培养基质浓度和产物浓度 培养液基质浓度则是发酵转化率及产物得率的重要衡量。 掌握了发酵液中的产物浓度，就可确定发酵的进程以及决定发酵是否正常及是否需要结束发酵。 基质与产物浓度的检测、控制对各种发酵均是必要的。,二、状态参数,1黏度（或表观黏度） 培养基的黏度主要受培养基的成分及浓度、细胞浓度、温度、代谢产物等影响。而发酵液的黏度（或表观黏度）对溶液的搅拌与混合、溶氧速率、物质传递等有重要影响，同时对搅拌功率消耗及发酵产物的分离纯化均起着重要作用。 2pH 每一种生物细胞均有最佳的生长增殖pH值，细胞及酶的生物催化反应也有相应的最佳pH范围。而在培养基制备及产物提取、纯化过程也必须控

6、制适当的pH。因此生物反应生产对pH的检测控制极为重要。,3溶氧浓度和氧化还原电位 好气性发酵过程中，液体培养基中均需维持一定水平的溶解氧，以满足生物细胞呼吸、生长及代谢需要。溶解氧水平和溶氧效率往往是发酵生产水平和技术经济指标的重要影响因素。 对一些亚好氧的生物发酵反应如某些氨基酸发酵生产，在产物积累时，只需很低的溶解氧水平。这样低的溶解氧浓度使用氧化还原电极电位计（ORP仪）来测定微小的溶氧值。 4发酵液中溶解CO2浓度 对通气发酵生产，由于生物细胞的呼吸和生物合成，培养液中的氧会被部分消耗，而溶解的CO2含量会升高。对大部分的好氧发酵，当发酵液中溶解CO2浓度增至某值时，就会使细胞生长和

7、产物生成速率下降。,5细胞浓度及酶活特性 菌体的浓度与酶的活动中心密切相关。通过菌体干重的测定，可以了解生物的生长状态，从而控制和改变生产工艺或补料和供氧，保证达到较好的生产水平。 酶做催化剂的生化反应，则酶浓度（活度）是必须检测监控的参变量。 6菌体形态 菌体形态的变化也是反应它的代谢变化的重要特征。可以根据菌体的形态不同，区分出不同的发酵阶段和菌体的质量。,三、间接参数,1呼吸代谢参数 微生物的氧利用速率，二氧化碳释放速率，和呼吸熵。 假设流出反应器的气体流量与空气流入量相等，空气中氧浓度为21%，二氧化碳的浓度为零，测量到排出气体的氧浓度为 ，二氧化碳的浓度为 ，则由气相物料平衡计算可得

8、： 氧利用速率（OUR） 二氧化碳释放速率（CER） 呼吸熵（ ）,2菌体比生长速率 每小时每单位重量的菌体所增加的菌体量称为菌体的比生长速率，单位为1/h。菌体的比生长速率与生物的代谢有关。 3氧比消耗速率（rO2） 氧比消耗速率称为菌体的呼吸强度，即每小时每单位重量的菌体所消耗的氧的数量，其单位为毫克分子氧/克干菌体小时。,第二节 检测方法与仪器,研究微生物生长过程所需要的检测参数大多是通过在反应器中配置各种传感器和自动分析仪来实现的。这些装置能把非电量参数转化为电信号，这些信号经适当处理后，可用于监测发酵的状态、直接作发酵闭环控制和计算间接参数。,在线检测 离线检测,发酵过程对传感器的要

9、求：,1.发酵过程对传感器的常规要求为准确性、精确度、灵敏度、分辨能力要高，响应时间滞后要小，能够长时间稳定工作，可靠性好，具有可维修性。 2. 必须考虑卫生要求，发酵过程中不允许有其他杂菌污染。 3. 一般要求传感器能与发酵液同时进行高压蒸汽灭菌，不耐受蒸汽灭菌的传感器可在罐外用其他方法灭菌后无菌装入。 4. 要求传感器与外界大气隔绝，采用的方法有蒸汽汽封、O形圈密封、套管隔断等。 5. 应选用不易污染的材料如不锈钢，防止微生物附着及干扰，便于清洗，不允许泄漏。 6.传感器只与被测变量有关而不受过程中其他变量和周围环境条件变化影响的能力，如抗气泡及泡沫干扰等。,一、主要参数检测原理及应用,1

10、温度的测量 常用的温度检测仪表有热电阻检测器（RTD）、半导体热敏电阻、热电偶和玻璃温度计等。其中热电阻是中低温区最常用的温度检测元件，具有性能稳定、测量精度高、在中低温区输出信号大、信号可以远传等优点。,2压强的检测 压力、压差传感器的测量原理 （1）压力与弹性体的变形应力相平衡，并转换成弹性体的位移； （2）压力与别的流体压力或电磁力等相平衡，并将其变换成力或电流，这种原理多用于工业生产过程压力测量变送传感器； （3）压力与流体的重量相平衡，由对应的液体量求得压力，如U形管压力计； （4）压力与固体的重量相平衡，由对应的固体重量求得压力，多用来标定压力计。,3液位和泡沫高度的检测 导电电极

11、法。该测量方法可由一支或两支电极所组成，若罐体是金属材料制成的，可只用一支电极。当液面或泡沫达到不绝缘的金属棒的端点时，就会有电流信号产生，指示出液体或泡沫的存在。这种液位电极传感器所施加的电压一般不超过24V，电流大约为15mA。比较安全可靠的电压为交流10V。采用交流的目的是防止被测液体的极化。,电阻式泡沫电极 :当电极垂直安装在罐体上时，其电极电流正比于不绝缘电极棒浸没入液体的长度，由此来测量泡沫液位高度。,4流量测量:容积式、速度式和质量式流量计 容积式流量计:以单位时间内所排出流体的固定容积数目作为测量依据来计算流量.,（1）差压式流量计 差压式流量计也叫节流式流量计，是流量测量中最

12、成熟、最常用的一种流量计，它依据流体流动的节流原理，利用流体流经节流装置时产生的压力差来实现流量测量，其压力差与流体流量成对应关系。,转子流量计由一根上粗下细的锥形管和一个能在其内上下浮动的转子所组成。被测流体自下而上从转子和锥形管内壁之间的环隙中通过，由于流体通过环隙时被突然收缩，在转子上下两侧就产生了压差，使转子受到一个向上的冲力而浮起。当这个力正好等于浸没在流体中的转子的重量时，则作用在转子上的上、下两个作用力达到平衡，转子就停留在某一高度上。根据转子平衡位置的高低，就可得知流量的大小。,（2）转子流量计,（3）电磁流量计 电磁流量计由检测和转换两部分组成，前者将被测介质流量转换成感应电

13、势，然后由后者转换成420mA直流电流作为输出，在一段非导磁材料制成的管道外面，安装有一对磁极N和S，用以产生磁场，当导电液体流过管道时，因流体在磁场中作垂直方向流动而切割磁力线。,5发酵液黏度的测量 发酵上常用的黏度测定仪毛细管黏度计、回转式黏度计和涡轮黏度计等。 6搅拌转速和搅拌功率 磁感应式、光感应式测速仪:是利用搅拌轴或电机轴上装设的感应片切割磁场或光束而产生脉冲信号，此信号即脉冲频率与搅拌转速相同。而测速发电机是利用在搅拌轴上或电机轴上装设一小型发电机， 测速发电机:输出电压与搅拌速率成线性关系。搅拌功率直接影响发酵液的混合与溶氧、细胞分散及物质传递、热量传递等特性。,7pH值的测量

14、 为了测量pH值，需要一个测量电极和一个参比电极，其工作原理是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： pH,现在一般采用复合电极。在复合电极中，玻璃电极由参比电极包裹着。温度对pH值的准确测量有很大的影响，为了补偿温度的影响，在pH复合电极中加一温度敏感元件，从而构成测量电极、参比电极和温度传感元件三位一体的三合一电极，对环境温度有很好的补偿作用。,8.溶氧浓度的检测,亚硫酸盐氧化法 极谱法 氧化还原电极电位仪(亚好氧发酵过程 ) 溶氧电极法,测定的三个用途,1对生物反应器的传氧性能进行测定，以便选择最佳条件进行操作，并对其进行评价。 2对发酵过程传氧性情况进行

15、了解，以便判断发酵过程的供氧情况。 3为通风罐的研究过程找出设备参数（如），操作参数（如N搅拌器转数 Q通风量）的关系，以便进行发酵罐的放大和合理设计。,亚硫酸盐氧化法 用铜离子作为催化剂，溶解在水中的氧能立即氧化其中的亚硫酸根离子，使之成为硫酸根离子，其氧化反应的速度在较大的范围内与亚硫酸根离子的浓度无关。实际上是氧分子一经溶入液相，立即就被还原掉。,溶氧电极法,测量溶氧浓度的原理 溶氧电极可以看作 是一种电解电池，它有 两只具有不同电性的 电极，一只是银丝做成 的阴极，另一只是铅皮 卷成的阳极，这对电极装置在两端开口的细的玻璃套管内，在靠 近的阴极的一端用一种耐热的，只允许气体透过而不透过

16、水及离 子的半渗透塑料膜覆盖。形成一个有一定容积的电池，在电池中 加入数毫升电解质溶液。在两极之间产生一个电位，使阳极铅变 成铅离子进入电解质溶液，同时放出的电子在阴极上把透过半透 膜进入电池的氧立即还原成氢氧根离子。,用溶氧电极测量a 用溶氧电极与氧气分析仪相配合，可直接测量实际发酵液中的体积溶氧系数Kla 式中进，为常量：出可用氧气分析仪自排出气体测得，为培养液中的溶氧浓度用溶氧电极测得。,9溶解CO2浓度的检测 利用对CO2有特殊选择渗透通过特性的微孔膜，使扩散通过的CO2进入饱和碳酸氢钠缓冲溶液中，平衡后显示的pH与溶解的CO2浓度成正比，由此原理并通过变换就可测出溶解CO2浓度。 1

17、0细胞浓度的测定 全细胞浓度：其测量方法可分为湿重法、干重法、浊度法、湿细胞体积法等。其中干重法准确度最高。 活细胞浓度的测定：发酵液中活细胞浓度的测定原理是利用活生物细胞催化的反应或活细胞本身特有的物质而使用生物发光或化学发光法进行测定。,11高压液相分析系统（HPLC） 利用HPLC在线测量物质浓度，并配有发酵出口气体CO2分析仪和pH与氧化还原电极的发酵系统。产物的浓度，如木糖、乙醇和有机酸等，通过对发酵液采样过滤后进入过滤取样模件FAM（Filter Acquisition Module），再由HPLC系统进行分析。,12流动注射式分析系统,13映像在线监控系统 在线监测细胞数目、尺寸

18、和形态的系统，即直接将光学显微镜安装在反应器中，通过此系统可以观察到细胞的数目，单个细胞的尺寸和形态，还可利用荧光显微镜同时估计细胞代谢过程。,二、在线发酵仪器的研究进展,1红外光谱技术 红外线被吸收的数量与吸收介质的浓度有关，当其通过待测介质后，其强度按指数规律减弱，符合朗伯比尔定律。 将光源的连续谱辐射全部投射到被测样品上，根据样品吸收辐射能的情况来判定被测成分的含量。 一直以来，原位过程监测中红外光的传递和高性能红外探头的研制是难以解决的问题。 近几年通过研究取得了巨大的突破，如借助光路系统或光导纤维来传递红外光，利用衰减全反射(ATR)原理，采用多次反射复合金刚石、锆等材料制做的红外探

19、头，可适用于包括水溶液或其它强红外吸收溶剂、固体粉末或红外强吸收的样品，红外光进入样品的光程恒定，样品只要与全反射晶体材料紧密贴合即可。,2荧光检测技术 荧光检测可分为酶键合标记法、直接荧光测量法、荧光试剂测量法。 酶键合标记法采用专一性强的键合剂，根据标记与非标记物在键合中心的竞争性反应，测定由键合剂置换下来的溶液含量，由此测知代谢中间物或基质的含量。 当采用荧光标记物时，就可以用荧光分析法进行测定。 此种测定法多用光导纤维探头。二股光导纤维中的一股用来传输激发用的紫外光，另一股用来接收并传输测定室内激发出的荧光，荧光经滤光片后由光敏器件接收，根据光强即可测知待测液中代谢物的浓度。,3离子敏

20、场效应晶体管传感技术 是利用离子敏感薄膜或生物活性功能膜代替金属构成的新型有源半导体化学敏感器件。 它与普通的场效晶体管的不同之处在于前者没有金属栅电极，栅极介质裸露或在其表面上覆盖对不同离子敏感的膜。 当将器件置于待测溶液中时，栅介质直接与待测溶液接触。传感器对离子活度的响应可由栅介质与电解液界面处的电化学势对阈电压的影响来说明.,第三节 控制理论与应用,一、生物过程的控制特征 发酵过程的一些特征使其比化学反应过程更易受控制。 生物反应器在很大程度上能自我调节，这是微生物靠长期进化培养出来的适应环境的能力。故突然消失的反应在生物过程中是不存在的，当遇条件不适，反应过程会自然衰减。 许多生物过

21、程运行并非绝对依赖过程的控制，但这并不等于不能通过优化控制来改进生物过程。 例如，调节得很好的控制回路通常可以维持过程温度或pH条件很接近所需值（如0.3， pH0.2）。,（一）温度的控制,生物反应的最佳温度范围是比较狭窄的，所以发酵过程需把生物反应器的温度控制在某一定值或区间内。 在冷却水温度比较稳定的情况下，生化反应器的温度常采用单回路的PID控制。这样的温度控制系统由四个环节组成，即温度测量元件，通常用铂热电阻温度计T，控制器，调节阀和被控过程的生化反应器（发酵罐）。,（二）pH的控制 pH是发酵过程中代谢平衡，特别是碳、氮平衡的反映。 系统由pH测量电极和变送器、pH控制器、空气开关和气动开关阀组成。氨水不是直接加入反应器，而是通过空气管道与空气一起送入反应器，这样使氨水充分分散于发酵液中，不会造成局部pH值的偏高或偏低。为了防止调节阀门的泄漏，调节阀采用气动开关阀，它由电磁空气开关来控制。所以，pH控制系统是一开关控制系统，控制器根据pH偏差信号计算出开关阀门开关周期和开与关的时间长短，来控制输入的氨水的量，从而达到控制pH的目的。,（三）溶氧控制 由于溶氧浓度受到传氧与耗