生物反應(yīng)器的檢測及控制

關(guān)于生物反應(yīng)器的檢測及控制第1頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三生物反應(yīng)器的檢測及控制在微生物發(fā)酵以及其他生物反應(yīng)過程中，為了使生產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，降低原材料消耗，節(jié)省能量和勞動力，防止事故發(fā)生，實現(xiàn)安全生產(chǎn)，必須對生物反應(yīng)過程和反應(yīng)器系統(tǒng)實行檢測和控制。生物反應(yīng)器的檢測是利用各種傳感器及其他檢測手段對反應(yīng)器系統(tǒng)中各種參變量進行測量，并通過光電轉(zhuǎn)換等技術(shù)用二次儀表顯示或通過計算機處理。第2頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三檢測控制中要明了下述幾點：

（1）進行檢測的目的；（2）有多少必須檢測的狀態(tài)參數(shù)，這些參變量能否測量檢出？（3）能測定的參數(shù)可否在線檢測，其響應(yīng)滯后是否太大？（4）從狀態(tài)參數(shù)的檢測結(jié)果，如何判斷該生物反應(yīng)器及生物細胞本身的狀態(tài)；（5）反應(yīng)系統(tǒng)中需控制的主要參變量是什么？這些需控制的參變量與生物反應(yīng)效能如何相關(guān)對應(yīng)？第3頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三第一節(jié)生化過程主要檢測的參變量物理參數(shù)

1．溫度

2．壓強

3．液面（或漿液量）

4．泡沫高度

5．培養(yǎng)基流加速度

6．通氣量

7．粘度（或表觀粘度）第4頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三物理參數(shù)

8．攪拌轉(zhuǎn)速與攪拌功率9．冷卻介質(zhì)流量與溫度10．蒸汽壓強11．濕度12．酸、堿及消泡劑用量第5頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三化學參數(shù)1.pH2.溶氧濃度3.溶解CO2濃度4.氧化還原電位5.排氣的氧分壓6.排氣的CO2分壓7.培養(yǎng)基質(zhì)濃度8.產(chǎn)物濃度9.前體濃度第6頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三生物量細胞濃度酶活性細胞生長速率第7頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三第二節(jié)生化過程常用檢測方法及儀器一、檢測方式及儀器的組成在線（On—line）檢測：儀器的電極等可直接與反應(yīng)器內(nèi)的培養(yǎng)基接觸或可連續(xù)從反應(yīng)器中取樣進行分析測定；離線（Off—line）檢測：從反應(yīng)器中取樣出來，然后用儀器分析或化學分析等方法進行檢測。對生物發(fā)酵過程的控制來講，在線檢測是首選方式。第8頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三生物反應(yīng)檢測儀器的基本構(gòu)成

l.傳感器2.信號轉(zhuǎn)換3.信號放大4.輸出顯示第9頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三二、主要參數(shù)檢測原理及儀器杜絕雜菌污染。無論是在線檢測或取樣分析，均應(yīng)盡可能不影響反應(yīng)器系統(tǒng)的運行狀態(tài)。對于揮發(fā)性物質(zhì)的檢測，可采用微孔管在線取樣檢測法。第10頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三發(fā)酵罐內(nèi)無菌取樣系統(tǒng)

（1）陶瓷微孔膜取樣系統(tǒng)第11頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三

（2）滲透膜取樣系統(tǒng)

第12頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三微孔管在線取樣裝置

第13頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三

1.溫度的測定

溫度檢測儀表有熱電阻檢測器（RTD）、半導體熱敏電阻、熱電偶和玻璃溫度計等。最常用的是金屬熱電阻溫度計，其中以鉑電阻溫度計最常用，其次銅電阻溫度計也可選擇。

鉑電阻溫度計可耐熱殺菌，耐腐蝕，精度高，但價錢較貴。銅電阻溫度計價格較便宜，但容易氧化，且溫度計的體積也較大。

半導體熱敏電阻具有靈敏度高、響應(yīng)時間短的優(yōu)點，但體積小、結(jié)構(gòu)簡單、耐腐蝕性好、壽命長，但因其溫度與電阻值的關(guān)系非線性，所以使用不多

第14頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三2．壓強的檢測

最常用的壓強檢測儀是隔膜式壓力表。在生物反應(yīng)器中，在壓力表安裝時必須注意使儀表的管路能夠加熱滅菌，盡量不存在死角，這樣才能保證反應(yīng)器的無菌操作。第15頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三3．液位和泡沫高度的檢測液位的檢測主要方法有壓差法、電容法和電導法等。第16頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三電容式液面計示意圖

第17頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三壓差法測量液位原理

第18頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三泡沫高度的測定最常用的方法是電極探針測定法：當泡沫產(chǎn)生增多，其表面上升與電極探針接觸從而產(chǎn)生電信號。泡沫高度的檢測還可應(yīng)用聲波法，即利用裝于罐頂?shù)难b置發(fā)射聲波，檢測此聲波經(jīng)液面反射后返回罐頂所需的時間，就可推出泡沫表面高度。第19頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三4．培養(yǎng)基和液體流量測定橢圓流量計效應(yīng)流量計

第20頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三

科里奧利（Coriolis）效應(yīng)流量計

第21頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三5．氣體流量計（1）體積流量型氣體流量計原理：根據(jù)流動氣體動能的轉(zhuǎn)換及流動類型改變而檢測其流量。實驗室小試和中試發(fā)酵系統(tǒng)幾乎都應(yīng)用轉(zhuǎn)子流量計。

同心孔板壓差式流量計，可用于工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模上。第22頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三氣體流量計（2）質(zhì)量流量型氣體流量計檢測原理是利用流體的固有性質(zhì)，如質(zhì)量、導電性、電磁感應(yīng)及導熱等特性而進行設(shè)計的。對氣體流量測定，最常用的是利用其導熱性能。第23頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三氣體熱質(zhì)量流量傳感器結(jié)構(gòu)

第24頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三氣體熱質(zhì)量流量計工作原理

第25頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三6．發(fā)酵液粘度的檢測發(fā)酵工業(yè)上常用的粘度測定儀有振動式粘度傳感儀、毛細管粘度計、回轉(zhuǎn)式粘度計以及渦輪旋轉(zhuǎn)粘度計等。第26頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三（1）振動式粘度傳感儀可保證無菌操作，但只能測定粘度的相對值，且精確度較差，仍有待改進提高。第27頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三（2）發(fā)酵液循環(huán)粘度測定裝設(shè)自動無菌取樣循環(huán)系統(tǒng)，使發(fā)酵液通過取樣管路流過旋轉(zhuǎn)式粘度計或毛細管粘度計，以實現(xiàn)發(fā)酵液粘度的連續(xù)在線檢測。第28頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三7．攪拌轉(zhuǎn)速和攪拌功率（1）攪拌轉(zhuǎn)速攪拌轉(zhuǎn)速的檢測常用方法有磁感應(yīng)式、光感應(yīng)式和測速發(fā)電機等三種。前兩種測速儀是利用攪拌軸或電機軸上裝設(shè)的感應(yīng)片切割磁場或光束而產(chǎn)生脈沖信號，此信號即脈沖頻率與攪拌轉(zhuǎn)速相同。測速發(fā)電機是利用在攪拌軸上或電機軸上裝設(shè)一小型發(fā)電機，后者的輸出電壓與攪拌轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系。第29頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三

（2）發(fā)酵攪拌功率生產(chǎn)規(guī)模的發(fā)酵罐攪拌功率只是測定驅(qū)動電機的電壓與電流，或直接測定電機攪拌功率。第30頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三8.PH的檢測最通用的pH測定儀是復(fù)合pH電極，因其具有結(jié)構(gòu)緊湊，可蒸汽加熱滅菌的優(yōu)點。第31頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三復(fù)合PH電極結(jié)構(gòu)

第32頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三復(fù)合PH電極為了使PH電極適應(yīng)工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)的要求，通常加裝不銹鋼保護套才能插入發(fā)酵罐中使用。具有溫度補償系統(tǒng)。在每批發(fā)酵滅菌操作前后進行標定。通常PH計的測定范圍是0～14，精度達10.05～0.1PH，響應(yīng)時間數(shù)秒至數(shù)十秒，靈敏度為0.1PH。第33頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三9．溶氧濃度的檢測通常用溶氧電極法，其化學基礎(chǔ)是氧分子在陰極上還原，因而有電流產(chǎn)生，所產(chǎn)生的電流和被還原的氧量成正比，故設(shè)法測定此電流值就可確定發(fā)酵液的溶氧濃度。第34頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三溶氧電極實際上，用一層高分子膜使電極與被測溶液分隔開，具有如下特點：（1）氧分子擴散透過膜是限速步驟，故測出的電流值與溶氧濃度成正比；（2）溫度變化1℃，則產(chǎn)生4％的變化，故必須裝設(shè)溫度補償線路；（3）電流值和氧的擴散系數(shù)與溶解度的乘積成正比關(guān)系；（4）這類溶氧電極的陽極面積應(yīng)比陰極面積大得多，這樣可減小誤差。

第35頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三溶氧電極溶氧電極的溶氧值有兩種表示方法，即飽和溶氧的百分數(shù)和溶氧值，前者最常用。值得注意的是，測定時要使電極周圍的液體適度流動，以加強傳質(zhì)，盡量減小與電極膜接觸的液膜滯流層厚度，并減少氣泡和生物細胞在膜上積存，以保證溶氧測定的準確。第36頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三10．溶解CO2濃度的檢測測定原理利用對CO2分子有特殊選擇滲透通過特性的微孔膜，使擴散通過的CO2進入飽和碳酸氫鈉緩沖溶液中，平衡后顯示的pH與溶解的CO2濃度成正比，由此原理并通過變換就可測出溶解CO2濃度。第37頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三溶解CO2濃度的檢測溶解CO2濃度測定儀的工作原理和pH計類似不同點是電極內(nèi)裝了飽和的碳酸氫鈉溶液，在高溫滅菌時會部分分解，故要每次滅菌后均需校準才能測定。第38頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三11．氧化還原電位（ORP）的檢測檢測原理：基于溶液中的金屬電極上進行的電子交換達到平衡時，具有相應(yīng)的氧化還原電位值，此值與溶液的PH和溫度有關(guān)。溶液的氧化還原電位值不僅取決于溶氧值，還與溫度T和PH有關(guān)。目前常用的氧化還原電極的檢測范圍在一700～＋700mV，靈敏度110mV，響應(yīng)時間數(shù)十秒至數(shù)分鐘，精度為±0.1l％FS。第39頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三12．排氣的氧分壓和CO2分壓的檢測

（1）排氣的氧分壓的檢測：氣體中氧濃度的檢測，主要有磁氧分析、極譜電位法和質(zhì)譜法。磁氧分析儀的檢測原理：氧是順磁性的，它的磁化率較大，在所有氣體中占有重要地位；而大多數(shù)氣體具有抗磁性，而且有較小的磁化率。

第40頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三

磁氧分析儀結(jié)構(gòu)原理圖第41頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三（2）排氣中CO2分壓的檢測

常用的排氣中CO2分壓（濃度）檢測儀為紅外線二氧化碳測定儀和二氧化碳電極。紅外線二氧化碳分析儀原理：CO2的紅外吸收峰在2.6～2.9×103和4.1～4.5×103nm之間。在上述兩個波段的近紅外線通過含有CO2的氣體時，光強度衰減，其衰減量依從Lambert－Beer的規(guī)則。第42頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三

通氣發(fā)酵罐排氣檢測流程圖l.粗濾器2.膜片泵3.貯氣瓶4.除水器5.流量計6.精過濾器7.CO2檢測儀8.氧分析儀第43頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三13．細胞濃度測定

生物細胞濃度的測定有全細胞濃度和活細胞濃度之分。（1）全細胞濃度的測定：可分濕重法、干重法、濁度法、濕細胞體積等。以準確度來說，干重法最好，但其余三種方法簡便易行，節(jié)省時間，有利于生產(chǎn)過程的監(jiān)測控制，尤其是對發(fā)酵流加操作和連續(xù)操作過程。第44頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三在線檢測

對于生物反應(yīng)器在線檢測用的生物傳感器或普通的傳感器，必須盡可能滿足下述要求：①響應(yīng)要連續(xù)、迅速；②靈敏度應(yīng)在0.02g/L以上；③電極本身對生物細胞無影響；④檢測過程對細胞無損傷，不必加藥物；⑤可檢測含固體微粒營養(yǎng)物質(zhì)的發(fā)酵液；⑥易于清洗、滅菌。第45頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三細胞濃度在線檢測濁度計

流通式濁度計第46頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三流通式濁度計用流通式濁度計檢測細胞濃度，必須注意：

A．適用于游離細胞，細胞形狀為球狀、桿狀的酵母、細菌、綠藻等。

B．空氣泡會干擾讀數(shù)，使樣液先經(jīng)氣液分離器脫氣后才檢測可減少誤差。

C.傳感器的比色皿會因細胞附壁而增大測定誤差，為盡量使此誤差減至最小，可適當提高發(fā)酵液流過光電比色皿時的速度。第47頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三（2）活細胞濃度測定測定原理：利用活生物細胞催化的反應(yīng)或活細胞本身特有的物質(zhì)而使用生物發(fā)光或化學發(fā)光法進行測定。對于取樣離線測試方法還有染色計數(shù)法檢測活細胞數(shù)，這可用于多數(shù)的微生物和動植物細胞。第48頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三熒光測量活細胞裝置簡圖

第49頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三流動細胞計數(shù)法測定原理被檢測的含細胞的試樣流過檢測器，使細胞逐個滴下，由激光檢出，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的各種細胞的電特性進行識別，由此可統(tǒng)計出細胞的尺寸分布及細胞齡等特性。第50頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三流式細胞儀結(jié)構(gòu)示意圖

第51頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三三、生物發(fā)酵溶液中營養(yǎng)成分與產(chǎn)物的分析反應(yīng)溶液