生物反應(yīng)器的檢測(cè)和控制課件

1、生物工程設(shè)備第七章生物反應(yīng)器的檢測(cè)和控制 生物反應(yīng)器的檢測(cè)和控制 7.1 概述 7.2 生物反應(yīng)過程常用檢測(cè)方法及儀器 7.3 生物反應(yīng)器的控制 7.1 概述 根據(jù)目前人們對(duì)生物反應(yīng)過程的理解，生物反應(yīng)器的檢測(cè)和控制對(duì)象主要包括三個(gè)部分的參數(shù)，即，生物反應(yīng)進(jìn)程中的物理?xiàng)l件，如溫度、壓力、攪拌速度等；生物反應(yīng)器進(jìn)程中的化學(xué)條件，如液相pH、氧氣和二氧化碳的濃度等；生物反應(yīng)器進(jìn)程中的生化參數(shù)，如生物體量，生物體營(yíng)養(yǎng)和代謝產(chǎn)物濃度等。表7-1 詳細(xì)的列出了需要檢測(cè)和控制的操作參數(shù)。 7.1 概述 表7-1 需要檢測(cè)和控制的各種參數(shù) 參數(shù)類別參數(shù)名稱物理參數(shù)時(shí)間，溫度，壓力，攪拌速度，總質(zhì)量（Tota

2、l mass），總體積（Total volume）質(zhì)量補(bǔ)料速率（Mass feed rate），體積補(bǔ)料速率（Volume feed rate），粘度光密度（Optical density）, 功率輸入、泡沫、剪切力、混合時(shí)間（Mixing time）氧傳質(zhì)速率，循環(huán)時(shí)間，持氣量（Gas holdup）, 氣泡大小分布圖（Bubble size distribution）攪拌溢出（Impeller flooding），營(yíng)養(yǎng)液流變圖（Broth rheology）氣體混合模式（Gas mixing patterns）化學(xué)參數(shù)pH, 溶氧濃度(Dissolved O2)，溶解二氧化碳濃度(Diss

3、olved CO2)，氣相氧氣濃度氣相二氧化碳濃度，呼吸商（respiratory quotient），耗氧速率（O2 Uptake rate）CO2生成速率（CO2 production rate）。生化參數(shù)細(xì)胞濃度， 細(xì)胞存活率（Cell viability），細(xì)胞形態(tài)（Cell morphology）細(xì)胞成分（Cellular composition）， 蛋白質(zhì)， DNA， RNA， 脂質(zhì)（lipid）糖，NAD/NADH， ATP/ADP/AMP， 酶活力（Enzyme activities）整體細(xì)胞活力（Activities of whole cells），比生長(zhǎng)速率（Specifi

4、c growth rate）比產(chǎn)物形成速率（Specific rate of product formation）比耗氧速率（Specific oxygen uptake rate）比營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消耗速率（Specific substrate rate）溶解糖濃度， 氮源濃度，礦物質(zhì)濃度， 前體濃度（Precursors），誘導(dǎo)物濃度（Inducers）代謝物濃度（Metabolites），易揮發(fā)物濃度（Volatile products） 7.1 概述 在以上參數(shù)中，大部分物理和化學(xué)參數(shù)都能夠使用一般的手段進(jìn)行在線檢測(cè)和控制。比如，檢測(cè)溫度、壓力、攪拌轉(zhuǎn)速、功率輸入、質(zhì)量等儀器都是工業(yè)上常用的標(biāo)

5、準(zhǔn)化設(shè)備，在生物反應(yīng)中只要稍加改造就能使用，檢測(cè)氧氣和二氧化碳在氣液相中的濃度以及液相pH值和氧化還原電位也有成熟的方法。但是，進(jìn)行生化參數(shù)的在線檢測(cè)和控制卻非常困難，因此，生化參數(shù)只能根據(jù)一些能夠測(cè)量的物理和化學(xué)參數(shù)，依靠物料衡算的方法，從中推導(dǎo)計(jì)算出來。返回 7.2 生物反應(yīng)過程常用檢測(cè)方法及儀器 7.2.1 檢測(cè)方法及儀器組成 生物反應(yīng)過程參數(shù)檢測(cè)方法一般是在線檢測(cè)（On line measurement）, 即將能夠感應(yīng)檢測(cè)參數(shù)變化的傳感器直接放到生物反應(yīng)器中的測(cè)量點(diǎn)上，傳感器將測(cè)量點(diǎn)的待測(cè)參數(shù)變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)放大，送到顯示系統(tǒng)和控制單元。離線檢測(cè)方法，即先從反應(yīng)器內(nèi)取出物料，然后

6、再用儀器分析和化學(xué)分析的方法進(jìn)行檢測(cè)，不是本章的主要內(nèi)容，因?yàn)殡x線檢測(cè)容易引起染菌，出結(jié)果需要一定的時(shí)間。 7.2 生物反應(yīng)過程常用檢測(cè)方法及儀器 1、傳感器 傳感器的功能是感應(yīng)生物反應(yīng)過程的各種物理和化學(xué)變化，并將這些變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，供放大、顯示、記錄以及送到反應(yīng)器的控制單元。能夠在生物反應(yīng)器上有效使用的傳感器應(yīng)滿足以下條件：（1）反應(yīng)靈敏快速。傳感器是否靈敏對(duì)生物反應(yīng)過程的檢測(cè)和控制非常重要。如果傳感器的反應(yīng)滯后于生物反應(yīng)器內(nèi)部的變化就意味著傳感器得到的數(shù)值與實(shí)際情況有一個(gè)時(shí)間差，這個(gè)時(shí)間差對(duì)生物傳感器的控制將造成很大困難，甚至控制錯(cuò)誤。 7.2 生物反應(yīng)過程常用檢測(cè)方法及儀器 （2）傳

7、感器結(jié)構(gòu)應(yīng)簡(jiǎn)單整潔，不能有清洗死角以免帶菌產(chǎn)生污染。一般的生物反應(yīng)器都要求無(wú)菌操作，一旦污染雜菌將給生產(chǎn)造成非常大的損失。因此，應(yīng)盡量切斷任何可能的染菌渠道。在生物反應(yīng)器上的傳感器常使用O型密封圈進(jìn)行密封，并使用蒸汽進(jìn)行反復(fù)消毒。 （3）傳感器應(yīng)當(dāng)有很高的可靠性和長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定性。生產(chǎn)過程中不允許中途更換或者是重新標(biāo)定傳感器。為了保險(xiǎn)，反應(yīng)器中常常按裝兩個(gè)傳感器以避免由于一個(gè)傳感器的失效對(duì)生產(chǎn)造成災(zāi)難性后果。 7.2 生物反應(yīng)過程常用檢測(cè)方法及儀器 （4）傳感器應(yīng)當(dāng)能夠耐受消毒蒸汽的溫度和壓力。生物反應(yīng)器在使用蒸汽消毒時(shí)一般溫度在130多度以上，壓力也在1.5個(gè)大氣壓左右，很多傳感器因?yàn)闊o(wú)法在消

8、毒過程中耐受這么高的溫度和壓力而不能在生物反應(yīng)器上使用。（5）傳感器對(duì)所測(cè)參數(shù)的感應(yīng)選擇性要非常高。這是由于傳感器直接插到培養(yǎng)液中，培養(yǎng)液的成分很復(fù)雜，加上里面既有氣體也有固體，形成三相并存的復(fù)雜體系，而在傳感器表面上的結(jié)垢和細(xì)胞碎片的沉積更增加了體系的復(fù)雜性。 7.2 生物反應(yīng)過程常用檢測(cè)方法及儀器 2、傳感器性能指標(biāo)（1）準(zhǔn)確度（Accuracy） 準(zhǔn)確度是指真實(shí)數(shù)據(jù)和測(cè)量數(shù)據(jù)之間的差別。由于很難獲得絕對(duì)意義上的真實(shí)數(shù)據(jù)，因此也就很難獲得絕對(duì)的準(zhǔn)確度。準(zhǔn)確度高低依賴于精確的標(biāo)定過程和一些外部條件，如，傳感器在反應(yīng)器內(nèi)的放置位置等。當(dāng)傳感器從一個(gè)反應(yīng)器移到另一個(gè)反應(yīng)器，或者反應(yīng)器內(nèi)情況發(fā)生改

9、變，或者傳感器改變了放置位置，都需要重新標(biāo)定，否則將產(chǎn)生測(cè)量誤差。 7.2 生物反應(yīng)過程常用檢測(cè)方法及儀器 （2）精確度（precision） 精確度和對(duì)同一個(gè)參數(shù)在同樣條件下測(cè)量值的重復(fù)性有關(guān)，能夠重復(fù)的數(shù)據(jù)越多，精確度越高。在實(shí)際測(cè)量中，測(cè)量值分布在一個(gè)平均值周圍，測(cè)量的精確度可以用測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)差表示（Standard deviation）。（3）分辨率（resolution） 分辨率指?jìng)鞲衅鲄^(qū)分非常相近的參數(shù)變化值的能力。傳感器靈敏度越高，分辨率越高。傳感器輸出的信號(hào)比和零點(diǎn)漂移也影響分辨率。將傳感器放在生物反應(yīng)器上的適當(dāng)位置并加以屏蔽可以改善傳感器的分辨率。 7.2 生物反應(yīng)過程常用檢

10、測(cè)方法及儀器 （4）響應(yīng)時(shí)間 響應(yīng)時(shí)間代表了傳感器對(duì)測(cè)量參數(shù)變化響應(yīng)的快慢，可以簡(jiǎn)單地用時(shí)間常數(shù)表示。時(shí)間常數(shù)是以下方程中（7-1）的常數(shù)：y=y01-e-t/ (7-1) 這個(gè)方程表示了當(dāng)傳感器從被測(cè)參數(shù)為0的系統(tǒng)中快速轉(zhuǎn)移到被測(cè)參數(shù)為y0的體系，測(cè)量顯示值y和時(shí)間t 的變化關(guān)系。其中的就是時(shí)間常數(shù)。顯然，時(shí)間常數(shù)越大，傳感器的響應(yīng)越慢，反之越快。 7.2 生物反應(yīng)過程常用檢測(cè)方法及儀器 7.2.2 主要參數(shù)的檢測(cè)原理及儀器1、溫度檢測(cè) 所有的生物過程都需要一個(gè)較適宜的溫度條件，而且溫度范圍比較窄，一般在3036攝氏度，更嚴(yán)格要求控制誤差為+0.5 度，因此，需要對(duì)反應(yīng)器的溫度進(jìn)行不停的檢測(cè)

11、。一般生物反應(yīng)器都裝有各種溫度檢測(cè)裝置，有些還設(shè)有多個(gè)溫度檢測(cè)點(diǎn)，使用多種辦法進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)溫度的方法很多，包括玻璃溫度計(jì)，熱電偶，半導(dǎo)體熱敏電阻溫度計(jì)，電阻溫度計(jì)。 7.2 生物反應(yīng)過程常用檢測(cè)方法及儀器 2、溶解氧濃度的檢測(cè) 生物培養(yǎng)液中溶解氧濃度是另一個(gè)重要的培養(yǎng)參數(shù)，直接影響細(xì)胞的生長(zhǎng)和產(chǎn)物的生成，原因在于生物培養(yǎng)一般使用水基培養(yǎng)液，由于氧氣在水中溶解度很小，如果不及時(shí)提供的話，培養(yǎng)液中的氧很快被消耗殆盡（厭氧培養(yǎng)除外），造成生物停止生長(zhǎng)甚至死亡。因此，溶解氧濃度的及時(shí)檢測(cè)就變得相當(dāng)重要。 7.2 生物反應(yīng)過程常用檢測(cè)方法及儀器 溶解氧的檢測(cè)一般使用電化學(xué)電極檢測(cè)方法。工業(yè)上使用的溶解

12、氧檢測(cè)電極有兩種，一種是電流電極（Galvanic detector）,另一種是極譜電極（Polarographic detector）,他們具有基本相同的結(jié)構(gòu)，區(qū)別在于測(cè)量原理及電解液和電極組成不同，他們的結(jié)構(gòu)如圖7-1所示。 由圖可見，兩種電極都是由陰極、陽(yáng)極組成，在陰極和陽(yáng)極之間有絕緣介質(zhì)相隔，陰極和陽(yáng)極都與電解液相接。在電極的頭部有一層非常薄的薄膜將電解液與環(huán)境隔開，這層薄膜非常特殊，我們把它稱為透氧膜。 7.2 生物反應(yīng)過程常用檢測(cè)方法及儀器 圖7-1 生物培養(yǎng)液測(cè)氧電極結(jié)構(gòu)示意圖 7.2 生物反應(yīng)過程常用檢測(cè)方法及儀器 在電流電極中，測(cè)量時(shí)，溶解在生物培養(yǎng)液中的氧穿過透氧膜進(jìn)入電極

13、，經(jīng)過電解液薄層到達(dá)陽(yáng)極，氧氣在陽(yáng)極獲得電子生成氫氧根離子，同時(shí)在陰陽(yáng)極間產(chǎn)生可以測(cè)量的電流或電壓。這個(gè)電流或電壓的大小與到達(dá)陽(yáng)極進(jìn)行反應(yīng)的氧氣分子的數(shù)量成正比。這樣，被測(cè)培養(yǎng)液中溶解氧的濃度越高，穿過透氧膜和電解液到達(dá)陽(yáng)極的氧分子越多，產(chǎn)生的電流或電壓越大，從而建立了傳感器產(chǎn)生的電流與培養(yǎng)液中溶解氧濃度的關(guān)系，達(dá)到測(cè)量目的。 7.2 生物反應(yīng)過程常用檢測(cè)方法及儀器 測(cè)量時(shí)在陽(yáng)極液陰極發(fā)生的反應(yīng)如下：陽(yáng)極反應(yīng) O2+2H20+4e4OH-陰極反應(yīng) PbPb+ +2e總反應(yīng) O2+2Pb +2H20 2Pb (OH)2 由上面反應(yīng)可見，陰極上的鉛逐漸被氧化消耗掉，因此這種電極有一定的使用壽命，其

14、長(zhǎng)短由陰極表面上的鉛量決定。 7.2 生物反應(yīng)過程常用檢測(cè)方法及儀器 極譜電極的測(cè)氧原理與電流電極有區(qū)別，其陽(yáng)極由金或者鉑，陰極由銀/氯化銀組成，電解液一般是由KCl、AgCl 和一些高分子化合物組成，高分子化合物的作用是防止在蒸汽消毒時(shí)引起電解液損失。極譜電極在測(cè)量時(shí)需要在其正負(fù)極之間加上一個(gè)反向偏移電壓（negative bias voltage）,當(dāng)氧氣到達(dá)陰極時(shí)得到電子，產(chǎn)生電信號(hào)。在陰陽(yáng)極的反應(yīng)如下：陽(yáng)極反應(yīng) O2+2H2O+2e H2 O2+2OH- H2 O2+2e2OH-陰極反應(yīng) Ag + Cl-AgCl+e總反應(yīng) 4Ag+ O2+2H2O+ 4Cl-4AgCl + 4OH-

15、7.2 生物反應(yīng)過程常用檢測(cè)方法及儀器 從以上反應(yīng)可以看到， 在使用過程中，陰極上的Ag將被逐漸消耗掉，因此這種電極的壽命取決于陰極表面Ag的多少。 不管是極譜電極或者是電流電極，在測(cè)量以前都必須進(jìn)行標(biāo)定。用于標(biāo)定的氧濃度有兩個(gè)，零和飽和氧濃度，前者通過反應(yīng)開始前通過進(jìn)行氮?dú)庵脫Q時(shí)建立，由于這時(shí)反應(yīng)罐內(nèi)充滿氮?dú)猓囵B(yǎng)液中氧氣濃度可以認(rèn)為是零，后者通過長(zhǎng)時(shí)間向生物培養(yǎng)液中通入空氣確定，由于此時(shí)溶解氧不被消耗，時(shí)間長(zhǎng)了液體內(nèi)的氧氣可以認(rèn)為達(dá)到飽和。 7.2 生物反應(yīng)過程常用檢測(cè)方法及儀器 圖7-2是某種商業(yè)溶解氧濃度電極外觀圖和安裝在生物反應(yīng)器上進(jìn)行測(cè)量時(shí)的情況。 圖7-2 某種商業(yè)溶氧測(cè)量電極外

16、觀和使用時(shí)的情況 7.2 生物反應(yīng)過程常用檢測(cè)方法及儀器 3、pH值的測(cè)量 生物在反應(yīng)器中生長(zhǎng)時(shí)要消耗培養(yǎng)液的營(yíng)養(yǎng)成分，代謝一些酸或堿類的物質(zhì)，使培養(yǎng)液的pH值發(fā)生改變。這時(shí)，如果不及時(shí)調(diào)節(jié)培養(yǎng)液的pH值，生物的生長(zhǎng)環(huán)境就會(huì)因此惡化，使生物停止生長(zhǎng)，嚴(yán)重的還可能導(dǎo)致生物死亡。因此，及時(shí)檢測(cè)培養(yǎng)液中的pH值對(duì)生物培養(yǎng)過程至關(guān)重要。 7.2 生物反應(yīng)過程常用檢測(cè)方法及儀器 玻璃氫電極是生物反應(yīng)器上使用的標(biāo)準(zhǔn)pH值檢測(cè)裝備，它的結(jié)構(gòu)原理如圖7-3所示。由圖可以看出，玻璃電極由兩部分組成，一部分由一個(gè)玻璃球連接一個(gè)柱狀玻璃管組成的容器，里面裝滿了緩沖溶液，另一部分在玻璃球的上方圍繞柱狀玻璃管形成的另一

17、個(gè)環(huán)狀空間，里面充滿了電解液，環(huán)狀空間底部靠近玻璃球的地方有一個(gè)隔膜小窗口，隔膜的作用是既將電解液與外部隔開又允許電解液與外部環(huán)境進(jìn)行離子交換以保持內(nèi)外聯(lián)系，實(shí)際上電解液可以透過隔膜滲出而外部液體無(wú)法進(jìn)入。 7.2 生物反應(yīng)過程常用檢測(cè)方法及儀器 玻璃氫電極能夠測(cè)量pH值的關(guān)鍵在于玻璃球的底部一層非常薄的特殊玻璃膜，厚度在0.20.5毫米之間。這層玻璃膜與水溶液接觸時(shí)能夠與水作用在其表面上形成厚達(dá)505000的水化凝膠層，在這層凝膠層里存在可以活動(dòng)的氫離子。在玻璃膜的內(nèi)部，也存在同樣的一層凝膠層，但由于緩沖溶液的存在，該凝膠層氫離子的濃度基本保持不變。這樣玻璃膜外面氫離子濃度發(fā)生改變時(shí)，玻璃膜

18、內(nèi)外電位差就發(fā)生改變。 7.2 生物反應(yīng)過程常用檢測(cè)方法及儀器 圖7-3 玻璃電極結(jié)構(gòu)原理示意圖 7.2 生物反應(yīng)過程常用檢測(cè)方法及儀器 圖7-4是商業(yè)上使用的pH電極的外觀和各部分組成。 這種電極將測(cè)量極和參比極做到一起，又稱復(fù)合pH電極。安裝在生物反應(yīng)器上的復(fù)合pH電極都帶有不銹鋼保護(hù)套，以免培養(yǎng)液內(nèi)固體傷害電極頭部。 像溶氧電極一樣，pH電極也需要進(jìn)行原位標(biāo)定，在蒸汽滅菌前進(jìn)行。玻璃pH電極在使用前先要浸泡在水溶液中一段時(shí)間使玻璃膜充分潤(rùn)濕，保存時(shí)要將探頭浸泡在和參比電解質(zhì)相同的緩沖溶液中以免玻璃膜過于干燥影響日后使用。 7.2 生物反應(yīng)過程常用檢測(cè)方法及儀器 圖 7-4 工業(yè)上使用的p

19、H玻璃電極的外型和結(jié)構(gòu) 7.2 生物反應(yīng)過程常用檢測(cè)方法及儀器 4、氧化還原電位（Redox potential）測(cè)定生物在培養(yǎng)液中生長(zhǎng)過程中，伴隨著很多物質(zhì)的氧化還原反應(yīng)，有些物質(zhì)被氧化得到電子，有些被還原失去電子，形成如下的平衡：物質(zhì)的還原形態(tài) 物質(zhì)的氧化形態(tài) + 電子 培養(yǎng)液的氧化還原電位可以認(rèn)為是對(duì)培養(yǎng)液中電子活性的一種度量。培養(yǎng)液氧化還原電位可定義為一個(gè)電壓值，當(dāng)這個(gè)電壓施加在培養(yǎng)液里的陽(yáng)極和陰極時(shí)，在陰極上開始發(fā)生氧化反應(yīng)，在陽(yáng)極上開始發(fā)生還原反應(yīng)。 7.2 生物反應(yīng)過程常用檢測(cè)方法及儀器 培養(yǎng)液氧化還原電位的測(cè)定也是使用復(fù)合電極進(jìn)行，結(jié)構(gòu)和原理與溶氧電極類似，不同的是氧化還原電極

20、的探頭頂端沒有透氧膜，作為陽(yáng)極的鉑直接暴露在培養(yǎng)液中，任何物質(zhì)都可能在陽(yáng)極上失去電子被氧化。 氧化還原電極也需要在使用前進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定方法與pH電極的標(biāo)定方法類似，使用已知氧化還原電位的緩沖溶液。氧化還原電極的標(biāo)定值很穩(wěn)定，但是，響應(yīng)較慢，需要等待相對(duì)較長(zhǎng)的一段時(shí)間才能讀數(shù)。 7.2 生物反應(yīng)過程常用檢測(cè)方法及儀器 5、泡沫的檢測(cè) 在大多數(shù)的生物培養(yǎng)過程中需要不斷地向培養(yǎng)液通入氣體，由于培養(yǎng)液中含有蛋白質(zhì)和生物體等物質(zhì)，如果條件控制不好，非常容易在培養(yǎng)液表面產(chǎn)生大量泡沫。這些泡沫一旦出現(xiàn)常常急速膨脹，在很短的時(shí)間內(nèi)充滿整個(gè)反應(yīng)器并堵塞出氣口，浸濕出氣過濾紙，并有可能造成染菌，使生物培養(yǎng)過程無(wú)法

21、進(jìn)行下去。此外，大量泡沫溢出也造成培養(yǎng)液的損失。因此，當(dāng)泡沫剛一出現(xiàn)時(shí)就及時(shí)采取措施消除泡沫對(duì)生物培養(yǎng)過程的正常順利完成至關(guān)重要。 7.2 生物反應(yīng)過程常用檢測(cè)方法及儀器 檢測(cè)泡沫的裝置主要有四種，分述如下：（1）電容探頭 電容探頭由兩個(gè)電極組成，分別安裝在反應(yīng)器內(nèi)液面上方有可能出現(xiàn)泡沫的空間的兩端，在這兩個(gè)電極上加上一個(gè)適當(dāng)?shù)慕涣麟妷?。?dāng)泡沫出現(xiàn)時(shí)，兩個(gè)電極之間的部分空間被泡沫占據(jù)，從而改變兩個(gè)電極之間的電容，引起通過該電容的交流電流產(chǎn)生變化，將氣泡的出現(xiàn)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，達(dá)到檢測(cè)氣泡的目的。 7.2 生物反應(yīng)過程常用檢測(cè)方法及儀器 （2）電阻探頭 電阻探頭其實(shí)就是一根導(dǎo)線，這根導(dǎo)線的其他部分都

22、由絕緣材料包裹，只剩頭部裸露。它安裝在反應(yīng)器內(nèi)可能出現(xiàn)泡沫的地方，并施加一定的電壓。當(dāng)泡沫產(chǎn)生是，泡沫浸沒導(dǎo)線的頭部形成回路產(chǎn)生電流，泡沫消失時(shí)回路斷開，電流消失。這種探頭的缺點(diǎn)是只能檢測(cè)泡沫的生成和消失，無(wú)法測(cè)定泡沫生成速度以及泡沫量。這種檢測(cè)方法需要有一定的電流通過泡沫，可能對(duì)有些生物培養(yǎng)不利。 7.2 生物反應(yīng)過程常用檢測(cè)方法及儀器 （3）電熱探頭 電熱探頭是一個(gè)有恒定電流流過的電熱元件， 當(dāng)有泡沫接觸它時(shí)，其溫度會(huì)突然降低，從而感知是否有泡沫產(chǎn)生。電熱探頭也存在結(jié)垢和培養(yǎng)液外濺引起誤判問題。 （4）泡沫檢測(cè)轉(zhuǎn)盤 這是安裝在一些生物反應(yīng)器內(nèi)泡沫可能出現(xiàn)地方的一個(gè)轉(zhuǎn)盤裝置，正常情況下轉(zhuǎn)盤不

23、停地轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)有泡沫出現(xiàn)時(shí)，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)的阻力加大，轉(zhuǎn)速減小或者耗能增加，從而檢測(cè)到泡沫存在。轉(zhuǎn)盤在起檢測(cè)作用的同時(shí)，也可以起消除泡沫的作用。 7.2 生物反應(yīng)過程常用檢測(cè)方法及儀器 （5）超聲探頭 超聲探頭有一個(gè)超聲波發(fā)射端和一個(gè)接受端，分別安裝在反應(yīng)器內(nèi)泡沫可能出現(xiàn)的空間兩端相對(duì)位置。使用時(shí)，發(fā)射端不斷發(fā)出頻率在2540Hz的超聲波，在沒有泡沫的情況下，大部分超聲波被接受端接受。當(dāng)有泡沫出現(xiàn)時(shí)，由于泡沫能夠吸收2540Hz的超聲波，抵達(dá)接收端的超聲波相應(yīng)減少，從而能夠檢測(cè)泡沫的出現(xiàn)。 7.2 生物反應(yīng)過程常用檢測(cè)方法及儀器 6、溶解二氧化碳的檢測(cè) 二氧化碳是生物在培養(yǎng)過程中的代謝產(chǎn)物之一，它在培

24、養(yǎng)液中的濃度是生產(chǎn)中操作者關(guān)心的重要指標(biāo)之一。工業(yè)上測(cè)量二氧化碳在培養(yǎng)液中的濃度一般使用二氧化碳測(cè)量電極，它的結(jié)構(gòu)如圖7-5所示。溶解二氧化碳測(cè)量電極的核心是一個(gè)pH電極，它的頭部浸泡在一個(gè)充滿碳酸鹽水溶液的電解液室內(nèi)，電解液室與外界由一個(gè)氣體通透膜（Gas-permeable membrane）隔開。 7.2 生物反應(yīng)過程常用檢測(cè)方法及儀器 圖 7-5 二氧化碳電極結(jié)構(gòu) 1液體移出注射器 2耐高溫電纜 3電纜固定螺母 4內(nèi)部pH探頭移動(dòng)螺母 5密封柱 6液體導(dǎo)管 7固定座 8外套管 9pH探頭連接柱 10pH探頭 11標(biāo)定時(shí)緩沖溶液（電解液室） 12電解液室 13探頭保護(hù)套 14氣體通透膜（

25、Gas permeable membrane） 15硅脂膜 7.2 生物反應(yīng)過程常用檢測(cè)方法及儀器 顯然， 在這種電極中，氣體通透膜起著關(guān)鍵作用，因此需要對(duì)其進(jìn)行保護(hù)。商業(yè)上出售的電極一般用一層硅脂膜（silicone membrane）罩在氣體通透膜的外面以加強(qiáng)對(duì)該膜的保護(hù)。 這種電極也可以進(jìn)行原位標(biāo)定。圖7-5右側(cè)是二氧化碳電極標(biāo)定時(shí)的情況。在進(jìn)行原位標(biāo)定時(shí)，將pH電極稍微抽出一點(diǎn)，使電極探頭與氣體通透膜離開一定的距離，然后將使用注射器（1）將電解液抽走，（2）將具有一定pH值的緩沖溶液注入電解液室以代替抽走的電解液，然后進(jìn)行標(biāo)定。 7.2 生物反應(yīng)過程常用檢測(cè)方法及儀器 7、培養(yǎng)液尾氣分

26、析 在生物培養(yǎng)過程中，由于生物的碳源代謝造成氧的消耗和二氧化碳的生成，使尾氣中氧的含量下降，二氧化碳的含量上升。這兩種氣體在培養(yǎng)尾氣中含量的在線分析可以為掌握生物的代謝活動(dòng)提供重要信息。此外，由于生物培養(yǎng)中很多生化指標(biāo)不能在線檢測(cè)，尾氣分析為間接計(jì)估計(jì)這些參數(shù)提供數(shù)據(jù)。工業(yè)上進(jìn)行分析的參數(shù)一般有尾氣總流量、尾氣中二氧化碳的含量，尾氣中的氧含量。 7.2 生物反應(yīng)過程常用檢測(cè)方法及儀器 （1）尾氣總流量檢測(cè) 工業(yè)上常用轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量尾氣的總流量，轉(zhuǎn)子流量計(jì)結(jié)構(gòu)原理如圖7-6所示。在一定的流量下轉(zhuǎn)子在測(cè)量管中的懸浮高度不同，讀出相應(yīng)的刻度即可得到流量值。轉(zhuǎn)子流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量可靠，因此廣泛應(yīng)用于

27、工業(yè)生產(chǎn)中。但是，轉(zhuǎn)子流量計(jì)的讀數(shù)值隨壓力和尾氣中的水汽含量而變，而一般從生物反應(yīng)器中出來的氣體的壓力和水汽含量都有一定的波動(dòng)，因此，在轉(zhuǎn)子流量計(jì)的后面安裝一個(gè)穩(wěn)壓閥，在前面安裝一個(gè)冷凝器將濕氣冷凝下來以消除以上影響。 7.2 生物反應(yīng)過程常用檢測(cè)方法及儀器 圖7-6 轉(zhuǎn)子流量計(jì) 7.2 生物反應(yīng)過程常用檢測(cè)方法及儀器 實(shí)驗(yàn)室一般采用質(zhì)量流量計(jì)對(duì)尾氣流量進(jìn)行精確的測(cè)量。質(zhì)量流量計(jì)的結(jié)構(gòu)原理如圖7-7所示，在氣體的流通方向上纏繞三個(gè)線圈，中間的線圈以恒定的功率加熱，兩邊的線圈分別測(cè)量溫度。顯然，流過管道的流量不同，從上游線圈到下游線圈之間的溫度差不同，當(dāng)流量改變時(shí)這個(gè)溫度差也隨之改變，因此可以用

28、來測(cè)量流過的質(zhì)量流量。 7.2 生物反應(yīng)過程常用檢測(cè)方法及儀器 圖7-7質(zhì)量流量計(jì) 7.2 生物反應(yīng)過程常用檢測(cè)方法及儀器 （2）尾氣中二氧化碳含量的測(cè)定圖7-8是一種常用的非色散紅外二氧化碳分析儀。圖中，兩條相同的入射紅外光束分別通過氣樣室和參比室。在氣養(yǎng)室內(nèi)，由于二氧化碳吸收紅外線發(fā)生衰減，通過與參比室的紅外線比較得出衰減程度，從而確定氣樣室中的二氧化碳含量。 這種紅外分析儀由于所用入射紅外光的譜帶較寬而落入其他成分特別是水的吸收區(qū)，因此需要對(duì)氣流預(yù)先進(jìn)行除濕處理，這延長(zhǎng)了響應(yīng)時(shí)間。 7.2 生物反應(yīng)過程常用檢測(cè)方法及儀器 圖7-8 非色散紅外氣體分析儀A光源 SA分析光束 SB參比光束

29、R旋轉(zhuǎn)遮光片 CA CB CC分析室 CR參比室 TA分析檢測(cè)室 TR參比檢測(cè)室 Z調(diào)零遮光片 B平衡遮光片 F平衡遮光片操縱支撐點(diǎn) M伺服電極 A1 A2放大器 P記錄筆 7.2 生物反應(yīng)過程常用檢測(cè)方法及儀器 （3） 尾氣中氧氣含量的分析 測(cè)量尾氣中氧氣的含量一般使用如圖7-9所示的順磁氧分析儀。順磁氧分析根據(jù)氧氣分子具有很強(qiáng)的順磁性，容易被磁場(chǎng)吸引，而其他氣體分子的順磁性弱，或者具有抗磁性的原理測(cè)量氣體中的氧含量。順磁氧含量分析儀里有兩個(gè)抗磁性玻璃球組成的啞鈴狀物體用石英線懸掛在一個(gè)恒定的磁場(chǎng)中，由于玻璃球的抗磁性，它受到磁場(chǎng)的排斥力發(fā)生扭轉(zhuǎn)，排斥力的大小取決于磁場(chǎng)強(qiáng)度和周圍氣體的磁效應(yīng)

30、。 7.2 生物反應(yīng)過程常用檢測(cè)方法及儀器 圖7-9 啞鈴型順磁氧分析儀 7.2 生物反應(yīng)過程常用檢測(cè)方法及儀器 （4） 尾氣中的其他氣體分析 工業(yè)生產(chǎn)中一般使用工業(yè)質(zhì)譜儀對(duì)發(fā)酵尾氣的多種成分進(jìn)行在線檢測(cè)。常用的工業(yè)質(zhì)譜儀有掃描質(zhì)譜和非掃描質(zhì)譜兩種，它們都由高真空取樣口、分子離子化裝置、高真空下的封閉磁場(chǎng)和檢測(cè)器四部分組成。圖7-10示意了一種非掃描質(zhì)譜儀的結(jié)構(gòu)原理，樣氣通過毛細(xì)管和分子漏進(jìn)入離子化區(qū)，由發(fā)射燈絲發(fā)出的20eV電子束將進(jìn)來的氣體分子離子化，離子化的分子在永久磁場(chǎng)的作用下加速進(jìn)入扇形分析器，在分析器里，這些離子化分子按照質(zhì)量/電荷的大小分離，進(jìn)入一排環(huán)形法拉第捕集器并產(chǎn)生電信號(hào)。

31、 7.2 生物反應(yīng)過程常用檢測(cè)方法及儀器 圖7-10 非掃描多捕集器磁扇型工業(yè)質(zhì)譜儀 7.2 生物反應(yīng)過程常用檢測(cè)方法及儀器 質(zhì)譜儀雖然價(jià)格較貴，但卻具備以下優(yōu)點(diǎn)：a 響應(yīng)速度快，測(cè)量時(shí)間只有12秒，比紅外氣體分析儀快十倍；靈敏度強(qiáng)，可測(cè)二氧化碳的最低濃度為10-5升/升尾氣.b穩(wěn)定性好。一般正常情況下6個(gè)月無(wú)需調(diào)整。c可測(cè)多種氣體濃度。比如氮?dú)夂?，氨氣含量等?返回 7.3 生物反應(yīng)器的控制 7.3.1 生物反應(yīng)過程主要參數(shù)的控制 生物反應(yīng)器檢測(cè)的目的是為了控制，而控制的目的是為了使生物反應(yīng)處于最佳的反應(yīng)條件下，反映在生產(chǎn)上就是以最少的消耗產(chǎn)生最優(yōu)、最多的合格產(chǎn)品。在實(shí)際運(yùn)行過程中，生物反

32、應(yīng)器的主要控制參數(shù)包括溫度、pH值（酸度）、溶氧、泡沫、生物體（菌體）濃度、生物體（菌體）比生長(zhǎng)速率、呼吸商。以下詳細(xì)介紹工業(yè)上對(duì)這些參數(shù)的控制。 7.3 生物反應(yīng)器的控制 （1）溫度的控制 溫度是影響發(fā)酵過程的一個(gè)重要參數(shù)，不僅因?yàn)樯锉旧韺?duì)溫度敏感，而且，生物生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成的所必需的酶在一定的溫度下才能發(fā)揮較高的活性。圖7-11小規(guī)模生物反應(yīng)器的溫度控制如圖7-11 所示， 控制器使用溫度探頭感應(yīng)反應(yīng)器內(nèi)的溫度，當(dāng)溫度大于設(shè)定值時(shí)，將電加熱器關(guān)閉，通入的冷水很快使溫度降低。當(dāng)溫度低于設(shè)定值時(shí)，控制儀打開電加熱器，使溫度升高?？刂苾x使用開、關(guān)控制的辦法，配合冷水將溫度控制在一定的范圍，溫度控

33、制精度可小于+0.5度。 7.3 生物反應(yīng)器的控制 圖7-11小規(guī)模生物反應(yīng)器的溫度控制 7.3 生物反應(yīng)器的控制 在比較大的生物反應(yīng)器中，使用內(nèi)置換熱器，包括內(nèi)置蛇管換熱器和空心隔板，或者夾套換熱器調(diào)節(jié)反應(yīng)器內(nèi)的溫度。如圖 7-12 所示，溫度控制儀使用鉑電阻探頭感知生物反應(yīng)器內(nèi)的溫度，與設(shè)定溫度比較后，調(diào)節(jié)外置水浴的冷水進(jìn)口閥門和加熱裝置以改變水浴內(nèi)的溫度，水浴內(nèi)的換熱介質(zhì)通過生物反應(yīng)器的內(nèi)置換熱器，或者夾套換熱器與培養(yǎng)液進(jìn)行熱交換，從而維持反應(yīng)器溫度在一定范圍。 7.3 生物反應(yīng)器的控制 圖7-12 規(guī)模較大的生物反應(yīng)器的溫度控制 7.3 生物反應(yīng)器的控制 （2）溶氧濃度的控制溶氧的濃度

34、取決于氧氣進(jìn)入培養(yǎng)液的速度和生物消耗氧氣的速度，如果前者大于后者，氧氣濃度增加，否則降低，而在這兩者中，我們能夠控制的只有氧氣進(jìn)入培養(yǎng)液的速度。氧氣進(jìn)入培養(yǎng)液的速度取決于四個(gè)因素：攪拌速度、鼓入的空氣的速度、鼓入氣體中氧氣的含量和反應(yīng)器內(nèi)氧氣的分壓。增加氧氣的濃度和增加反應(yīng)器內(nèi)氧氣的分壓具有類似的效果，都能夠提高氧氣進(jìn)入液相的推動(dòng)力。圖7-13 給出了兩種溶氧濃度控制方案示意圖。 7.3 生物反應(yīng)器的控制 圖7-13 溶氧濃度控制方案示意圖 7.3 生物反應(yīng)器的控制 圖7-13中的A方案使用了三個(gè)閥門分別調(diào)節(jié)高濃度氧、氮?dú)狻⒑涂諝膺M(jìn)入速度。在生物培養(yǎng)的開始和結(jié)尾階段，生物的耗氧量比較少，采取同

35、時(shí)通入空氣和氮?dú)獾姆椒?，以稀釋空氣中氧的濃度。在生物高速生長(zhǎng)階段，可以單獨(dú)通入空氣，或者空氣和高純度氧氣同時(shí)通入以增加氧氣的濃度。生物反應(yīng)器內(nèi)的溶氧濃度由溶氧電極傳到溶氧濃度信號(hào)放大和控制儀，然后由控制儀分別調(diào)節(jié)三個(gè)閥門的開度。在這個(gè)方案中，不調(diào)節(jié)攪拌速度，適用于動(dòng)物和植物細(xì)胞等對(duì)攪拌剪切力比較敏感的生物培養(yǎng)。 7.3 生物反應(yīng)器的控制 圖7-13中的B方案適合微生物及其他對(duì)攪拌剪切力不太敏感的生物培養(yǎng)，是最為廣泛應(yīng)用的溶氧濃度控制方案。這個(gè)方案采用攪拌優(yōu)先的控制方法，即，當(dāng)溶氧濃度低于設(shè)定值時(shí)，先增加攪拌速度，如果攪拌速度增加到某個(gè)最大值后還達(dá)不到要求，再增加氣體通入速度。 在實(shí)際操作中，溶

36、氧濃度的控制有一定的難度，原因在于溶氧探頭在經(jīng)過高溫消毒后其重現(xiàn)性和持續(xù)性都有所下降, 再加上反應(yīng)器內(nèi)各處不均勻?qū)е戮植咳苎鯘舛冗^低而其他部分卻正常。 7.3 生物反應(yīng)器的控制 （3）pH的控制生物反應(yīng)器中pH的控制依靠向反應(yīng)器內(nèi)滴加酸或堿溶液完成，如圖 7-14，當(dāng)pH探頭測(cè)得反應(yīng)器內(nèi)pH高于設(shè)定值時(shí)，pH放大控制儀向酸泵發(fā)出信號(hào)滴加酸溶液，否則，向堿泵發(fā)出信號(hào)滴加堿溶液。pH控制儀使用比例，或者PI，或者PID方式調(diào)節(jié)酸堿加入的頻度、滴入持續(xù)時(shí)間來進(jìn)行控制。在有些情況下，可將培養(yǎng)液的pH值控制在一定的范圍內(nèi)， 即允許培養(yǎng)液的pH值在一定的上下限內(nèi)波動(dòng)，pH值超過上限或低于下限時(shí)才加入酸或者

37、堿溶液。 7.3 生物反應(yīng)器的控制 圖7-14 生物方應(yīng)器的pH值控制 7.3 生物反應(yīng)器的控制 （4）泡沫的控制過度、持久的穩(wěn)定性泡沫對(duì)生物培養(yǎng)過程造成一系列傷害：1、大量的泡沫充斥反應(yīng)器內(nèi)，降低了反應(yīng)器可用操作容量。2、由于泡沫的飄浮作用，降低營(yíng)養(yǎng)液層內(nèi)生物體和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的濃度，影響產(chǎn)率。3、附著在泡沫層上的生物體由于缺氧容易死亡自溶，釋放出的生物體蛋白將進(jìn)一步促使泡沫的形成。4、泡沫層不容易被攪動(dòng)，覆蓋在培養(yǎng)液的上方，造成局部生物生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成的損害。5、泡沫容易進(jìn)入攪拌軸密封及反應(yīng)器排氣管道增加染菌的機(jī)會(huì)。6、泡沫容易夾帶培養(yǎng)液從排氣管道溢出造成所謂“逃液”現(xiàn)象，給生產(chǎn)帶來?yè)p失。因此必須

38、對(duì)泡沫進(jìn)行控制。 7.3 生物反應(yīng)器的控制 工業(yè)生產(chǎn)中一般使用以下辦法控制泡沫： 化學(xué)消沫消沫劑是一種表面活性物質(zhì)，具有較低的表面張力，能夠競(jìng)爭(zhēng)性地取代泡沫中使泡沫保持穩(wěn)定的蛋白質(zhì)類表面活性化合物，降低泡沫的局部表面張力，使其受力不均勻而破裂。工業(yè)上使用的化學(xué)消沫劑一般應(yīng)滿足的要求是：1、在培養(yǎng)液中不溶解，但容易分散；2、對(duì)所培養(yǎng)的生物沒有毒性；3、對(duì)熱穩(wěn)定，主要指在高溫滅菌時(shí)不產(chǎn)生變化；4、不影響產(chǎn)物的生物合成；5、不對(duì)下游過程的提取造成困難；6、消泡能力強(qiáng)，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)；7、無(wú)爆炸性、揮發(fā)性和腐蝕性。8、消沫成本低。 7.3 生物反應(yīng)器的控制 使用消沫劑消沫時(shí)，生物反應(yīng)器上的泡沫探頭首先檢測(cè)

39、到泡沫的出現(xiàn)產(chǎn)生電信號(hào)，這個(gè)電信號(hào)立即開啟電磁閥使消沫劑自動(dòng)加入將泡沫消滅在開始生成階段中。 機(jī)械消泡 急劇變化的壓力、剪切力、壓縮力和沖擊力可以起到破碎泡沫的作用。最常用的機(jī)械消泡裝置是安裝在攪拌軸上的消沫碟片，旋轉(zhuǎn)葉片（消沫碟片）隨攪拌軸轉(zhuǎn)動(dòng)，以沖擊力和剪切力將泡沫破碎。 7.3 生物反應(yīng)器的控制 （5）生物體濃度的控制 在生物培養(yǎng)過程中，生物體是生產(chǎn)的核心，當(dāng)然它們?cè)谂囵B(yǎng)液中的濃度不能太低，太低的濃度會(huì)造成生物產(chǎn)品的產(chǎn)量降低從而增加成本，但是生物體的濃度也不能太高，否則將因生物反應(yīng)器傳氧能力的限制無(wú)法滿足生物體呼吸的需要，造成它們生長(zhǎng)與代謝的抑制，從而降低生產(chǎn)能力。因此生物體濃度必須在培

40、養(yǎng)過程中加以適當(dāng)控制，以使生產(chǎn)能力最大，消耗最少。 7.3 生物反應(yīng)器的控制 7.3.2 控制系統(tǒng)概述1、基本反饋控制系統(tǒng) 基本反饋控制系統(tǒng)由控制器和控制對(duì)象兩個(gè)基本元素組成。圖7-15是一個(gè)溫度反饋控制系統(tǒng)，溫度傳感器檢測(cè)到控制對(duì)象值為T并反饋到控制器中， 控制器將反饋值T與設(shè)定值Ts進(jìn)行比較得出一個(gè)偏差e, 然后根據(jù)這個(gè)偏差輸出一個(gè)控制信號(hào)大小為P，自動(dòng)閥門根據(jù)P的大小控制閥門的開度。測(cè)量值T如果高于設(shè)定值Ts，閥門開大，偏差越大，信號(hào)P越大，閥門的開度愈大。 7.3 生物反應(yīng)器的控制 圖7-15 反饋控制系統(tǒng) 7.3 生物反應(yīng)器的控制 在這種控制系統(tǒng)中，控制器將根據(jù)偏差e通過計(jì)算給出一個(gè)控制信號(hào)P，P計(jì)算方式一般有以下三種： P=ke 其中k為常數(shù)。圖7-15 反饋控制系統(tǒng) 在以上公式中，輸出的控制信號(hào)的大小與偏差e成正比，因此，這種控制方式又稱為比例控制，或P控制方式。 7.3 生物反應(yīng)器的控制 在以上公式中，k 為常數(shù)，Ti為積分時(shí)間。P不僅與e有關(guān)，而且與e對(duì)