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1、1,第五章 生物反应器的检测及控制,2,主要内容,一. 生化过程主要检测的参变量 二. 生化过程常用检测方法及仪器 主要参数检测方法、原理及仪器 三. 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,3,检测和控制的目的： 在微生物发酵以及其他生物反应过程中，为了使生产稳产高产，降低原材料消耗，节省能源和劳动力，防止事故发生，实现安全生产，必须对生物反应过程和反应器系统实行检测和控制。 生物反应器的检测： 利用各种传感器及其他检测手段对反应器系统中各种参变量进行测量，并通过光电信号转换等技术用二次仪表显示或通过计算机处理打印出来。 检测和控制技术的发展趋势： 生物反应系统参数的特征是多
2、样性的，不仅随时间而变化，且变化规律也不是一成不变的，属于非线性系统。随着各类传感器的开发和计算机技术的广泛应用，检测和控制技术越来越趋向智能化和自动化，检测技术向快速、多样化发展。,4,（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，与生物反应效能如何相关对应。,生物反应过程及反应器的检测控制中应考虑的问题：,5,第一节. 生化过程主要检测的参变量,6,生物反应器中的参变量及其测试概况,（a）设定参数,7,（b）状态参数,8,第二
3、节 生化过程常用检测方法及仪器,9,一、检测方式及仪器的组成,在线检测（On-line measurement）： 仪器的电极可直接与反应器内的培养基接触或可连续从反应器中取样进行分析测定。 如发酵液的溶氧浓度、pH及温度、罐压等。有利于自动控制或优化控制。要求所用的传感器能耐受蒸汽加热灭菌，有较高的精度和稳定性，响应时间不能过长。 基本构成：传感器、信号转换、信号放大、输出显示。 离线检测（Off-line measurement）： 是从反应器中取样出来，然后用仪器分析或化学分析等方法进行检测。,10,二、主要参数检测原理及仪器,取样系统 温度测定 压强测定 液位,液体流量计 气体流量计
4、pH值的测定 溶氧浓度 细胞浓度,11,取样系统,微孔管在线取样装置,12,温度的测定 主要仪表有：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。,热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。,13,14,导体或半导体的电阻值随着温度的变化而变化的特性，具有灵敏度高，响应时间短，体积小、结构简单、耐腐蚀性好、寿命长。 但因其温度与电阻值的关系非线性，所以使用也不多。,半导体热敏电阻,15,A,B
5、,C,et,热 电 偶,热电效应：将两种不同的导体或半导体连接成闭合回路,当两个接点处的温度不同时,回路中将产生热电势,这种现象称为热电效应,又称为塞贝克效应。,16,17,罐压检测： 隔膜式压力表；,18,电容式液面计,液位和泡沫高度的检测,19,液位的检测 压差法,20,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,21,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。,22,电磁流量计是一种根据法拉第电磁感应定律来测量管内导电介质体积流量的感应式仪表。,23,气体流量计
6、 体积流量型气体流量计 根据流动气体动能的转换及流动类型改变而检测其流量,转子流量计,24,气体热质量流量传感器,气体流量测量,不平衡电桥输出的电势 E kcqm,25,发酵液黏度的检测,仪器由同步电机以稳定的速度旋转, 连接刻度圆盘,再通过游丝和转轴带动转子旋转,如果转子未受到液体的阻力,则游丝、指针与刻度盘同速旋转,指针在刻度盘上指出的读数为”0”.反之,如果转子受到液体的粘滞阻力,则游丝产生扭矩,与粘滞阻力抗衡最后达到平衡,这时与游丝连接的指针在刻度盘上指示一定的读数(即游丝的扭转角).将读数乘上特定的系数即得到液体的粘度。,26,搅拌转速和搅拌功率,1、搅拌转速的测定 磁感应式、光感应
7、式和测速电机 2、搅拌转速的调节 直流电机、调速电机及变频器 3、搅拌功率测定 测定驱动电机功率 P=2nM,27,pH的检测,pH测定仪：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：利用指示电极与参比电极浸泡于某一溶液时各具有一定的电位，其电位差与pH有关：,E= E0-（2.30259RT/F）PH,28,pH电极,注意电极的玻璃微孔膜的保护,29,溶氧浓度的检测,溶氧电极法,阴极还原: O2+2H2O+4e-4OH- 阳极氧化: 4Ag+4Cl-4Ag+4Cl-+4e- 总反应: O2+2H2O+4Ag+4Cl-4OH-+4AgCl,电子流动形成的电流与阴极上被还原的氧
8、量成正比,30,生化过程常用检测方法及仪器,主要参数检测原理及仪器,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,31,氧化还原电位（ORP）的检测,当溶液中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：,32,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
9、差：,33,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：,34,细胞浓度的测定,全细胞浓度的测定： 湿重法、干重法、浊度法、湿细胞体积,细胞浓度在线检测浊度计,流通式浊度计,注意事项： 适用于游离细胞，因丝状菌的测定误差大，应采用湿重法或干重法测定。 空气泡会干扰读数，使样液先经气液分离器脱气后再检测可减少误差。 传感器的比色皿会因细胞附壁而增大测定误差，为尽量使此误差减至最少，可适当提高发酵液流过光电比色皿
10、时的速度。,35,活细胞浓度的测定 测定原理：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。,荧光测量活细胞装置图,36,生物发酵溶液中营养成分与产物的分析,37,第三节 生物传感器 ( Biosensor) 的研究开发与应用,38,传感器：能感受(或响应)一种信息并转换成可测量信号(一般指电学量)的器件。 生物传感器：利用生物细胞自身或其中所含有的酶等有生物功能的物质制成的传感器，它是由固定化的生物材料和适当的换能器件相结合而构成的检测器件。这类检测仪器被称为生物传感器。 生物材料：固定化酶、微生物、抗原抗体、生物体组织或器官等。 换能器：电化学电极、热敏
11、电阻、离子敏感场效应管、光纤和压电晶体。,39,一）生物传感器的基本组成,敏感元件（分子识别元件）+ 信号转换器件,40,二）生物传感器的工作原理,将化学信号转变成电信号,2,2,3,41,生物传感器的分类,42,四）生物传感器的特点,由选择性好的主体材料构成分子识别元件，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为一体。 体积小、响应快、样品用量少，可以实现连续在位监测。 敏感材料是固定化的，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，便于推广普及。,43,第四节生化过程控制概论,44,生物反应过程检测的目的：是为了提供对生物反应有影响的信息
12、，便于对反应器进行适当的控制。 控制的目的：在于创造良好条件，使生物催化剂处于高效的催化活性状态，以使所进行的生物反应高速、高效、收率高，降低原材料和能量消耗，同时保证产品的质量。 生物反应器的控制主要包括：温度、pH、溶氧溶度（通气量与搅拌转速）、基质和细胞浓度等的控制。,45,生化过程的控制,46,生化过程的控制,47,二、控制系统概述 1、程序控制：把运行过程按时间先后预设定其操作顺序以进行控制，称此为程序控制。 包括：顺序控制、时间控制和条件控制。 2、发酵过程的常规控制与优化控制 生物发酵过程的优化控制包括下述几个方面： 明确控制目标，确定最优化原则。 建立数学模型，搞清楚各参变量之间的关系。 状态估计与参数识别，若目标状态函数不能在线监测，可利用与目标参变量有已知确定关系且可在线监测的参变量的定量关系，在线推算出目标参数的树值。 由推定的目标参变量，计算目标函数，进行反应过程的最优控制。,48,小 结,一. 生化过程主要检测的参变量 二. 生化过程常用检测方法及仪器* 主要参数检测方法、原理及仪器 三. 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,49,思考题,生物传感器有哪些类型？其工作原理分别是什么？,
