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1、第五章第五章 生物反应器的检测及控制生物反应器的检测及控制第一节第一节 生化过程主要检测的参变量生化过程主要检测的参变量（1 1）温度温度 ：整个发酵过程整个发酵过程不同阶段不同阶段所维持的温度。所维持的温度。其其高低与发酵中酶反应速率、氧溶解度和传递速高低与发酵中酶反应速率、氧溶解度和传递速率、菌体生长速率和产物合成速率等密切率、菌体生长速率和产物合成速率等密切相关相关。（2 2）压力压力: :发酵过程中发酵罐维持压力。发酵过程中发酵罐维持压力。供给细胞呼供给细胞呼吸代谢所必需的氧，强化培养液的混合与传质，吸代谢所必需的氧，强化培养液的混合与传质，可防止外界空气中杂菌侵入可防止外界空气中杂菌
2、侵入, ,避免污染。一般维持避免污染。一般维持在在0.0.0 02 2- -0.0.0505MPMPa a。（3 3）液面（或浆液量）：液面的高低决定反应器的装液面（或浆液量）：液面的高低决定反应器的装料系数即影响生产效率。特别是通气发酵过程，排料系数即影响生产效率。特别是通气发酵过程，排气会带走一定水分，影响液面。气会带走一定水分，影响液面。（4） 泡沫高度：无论厌气还是通气发酵均有不同程泡沫高度：无论厌气还是通气发酵均有不同程度的泡沫产生。控制不好，影响装料系数，降低生度的泡沫产生。控制不好，影响装料系数，降低生产率，同时可能造成染菌。产率，同时可能造成染菌。（5）培养基流加速度：）培养基
3、流加速度：实现优化连续发酵或流加操实现优化连续发酵或流加操作，获得最大发酵速率和生产效率的控制参数。作，获得最大发酵速率和生产效率的控制参数。（6 6）通气量：）通气量：每分钟内每单位体积发酵液通每分钟内每单位体积发酵液通入入空气的空气的体积体积, ,也叫也叫通风比通风比, ,也是需氧发酵的控制参数。也是需氧发酵的控制参数。其其大大小与氧传递和其他控制参数有关小与氧传递和其他控制参数有关, ,一般控制在一般控制在0.50.5- -1.0L1.0L/(L/(L. .min)min)。（7）黏度（或表观黏度）：）黏度（或表观黏度）：其其大小可作细胞生长或大小可作细胞生长或细胞形态的一项标志细胞形态
4、的一项标志, ,也能反映罐中菌丝分裂过程也能反映罐中菌丝分裂过程情况情况, ,通常用表观通常用表观黏黏度表示。度表示。其其大小可改变氧传递大小可改变氧传递阻力阻力, , 物质传递等。物质传递等。（8 8）搅拌转速与搅拌功率：两者）搅拌转速与搅拌功率：两者与氧传递速率和发与氧传递速率和发酵液酵液混合状态以及物质传递等混合状态以及物质传递等有关。好氧性发酵不有关。好氧性发酵不同阶段控制不同转数同阶段控制不同转数, ,以调节培养基中溶氧。以调节培养基中溶氧。（9）冷却介质流量与温度：不同发酵时期的发酵热）冷却介质流量与温度：不同发酵时期的发酵热不同，要维持正常的发酵温度，需要的冷却介质的不同，要维持
5、正常的发酵温度，需要的冷却介质的流量和温度也有所不同。需要通过测定和控制冷却流量和温度也有所不同。需要通过测定和控制冷却介质的进出口温度和流量。介质的进出口温度和流量。（10）蒸气压强：无论是发酵培养基还是发酵罐体等）蒸气压强：无论是发酵培养基还是发酵罐体等都需要饱和蒸气进行高温高压灭菌。都需要饱和蒸气进行高温高压灭菌。（11）湿度：对于固体通风发酵，需要对通入发酵反）湿度：对于固体通风发酵，需要对通入发酵反应器的空气温度和湿度进行调控。另外，成品包装应器的空气温度和湿度进行调控。另外，成品包装车间的湿度也需要控制。车间的湿度也需要控制。（12）pHpH值值 ：发酵过程中各种生化反应的综合结果
6、发酵过程中各种生化反应的综合结果，是发酵工艺控制的重要参数之一。是发酵工艺控制的重要参数之一。 pHpH值高低与菌体值高低与菌体生长和产物合成重要生长和产物合成重要相关相关。（13）溶氧浓度和氧化还原电位：）溶氧浓度和氧化还原电位：需氧发酵需氧发酵中，中，不同发不同发酵及发酵时期有不同溶氧水平酵及发酵时期有不同溶氧水平，通过检测，通过检测溶氧浓度变溶氧浓度变化化，了解发酵了解发酵是否是否异常异常，进行，进行发酵中间控制发酵中间控制。对亚好。对亚好氧发酵则通过氧发酵则通过氧化还原电位计来确定微小溶氧值。氧化还原电位计来确定微小溶氧值。（14）发酵液中）发酵液中CO2溶解浓度：通气发酵中，溶解浓度
7、：通气发酵中， CO2溶解溶解浓度过高抑制细胞生长和产物形成；对光照自养的微浓度过高抑制细胞生长和产物形成；对光照自养的微藻培养，适当提高藻培养，适当提高CO2溶解浓度有助于细胞生长。溶解浓度有助于细胞生长。（15）培养基质浓度和产物浓度：）培养基质浓度和产物浓度：发酵液中糖、氮、发酵液中糖、氮、磷等对菌生长和产物合成有重要影响磷等对菌生长和产物合成有重要影响, , 也是提高代也是提高代谢产物产量的重要控制手段。谢产物产量的重要控制手段。产物浓度产物浓度是发酵产物是发酵产物产量高低或合成代谢正常与否的重要参数产量高低或合成代谢正常与否的重要参数 , , 也是决也是决定发酵周期长短的根据。定发酵
8、周期长短的根据。（1616）细胞浓度及酶活性：）细胞浓度及酶活性：是控制发酵是控制发酵速率和效率速率和效率的的重要参数之一重要参数之一。生产上生产上, ,常根据常根据细胞细胞浓度决定补料量浓度决定补料量和供氧量和供氧量, ,以保证生产达预期水平以保证生产达预期水平。对酶的催化反应，。对酶的催化反应，酶活性也同等重要。酶活性也同等重要。第二节第二节 生化过程常用检测方法及仪器生化过程常用检测方法及仪器 要求：传感器耐蒸气加热灭菌，较高精度要求：传感器耐蒸气加热灭菌，较高精度和稳定性，和稳定性， 响应时间短。响应时间短。一、检测方式及仪器组成一、检测方式及仪器组成在线检测：仪器的电极等可直接与反应
9、器内的培在线检测：仪器的电极等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检测。养基接触或可连续从反应器中取样进行分析检测。如溶氧、温度、如溶氧、温度、pH、压力等。一般首选。、压力等。一般首选。检测仪器的基本构成：检测仪器的基本构成：被测样品被测样品 传感器传感器 信号转换器信号转换器 输出显示器输出显示器 信号放大器信号放大器离线测量：从反应器中取样出来后，用仪器或化学离线测量：从反应器中取样出来后，用仪器或化学分析检测。分析检测。二、主要参数检测原理及仪器二、主要参数检测原理及仪器在线无菌取样系统：在线无菌取样系统：（非挥发性物质检测取样）（非挥发性物质检测取样）挥发性物质
10、检测取样挥发性物质检测取样1.温度的测定温度的测定温度检测仪包括：热电阻检测器、半导体热敏电阻、温度检测仪包括：热电阻检测器、半导体热敏电阻、热电偶和玻璃温度计。热电偶和玻璃温度计。常用常用金属热电阻金属热电阻温度计，以温度计，以铂电阻铂电阻最常用，其次是铜最常用，其次是铜电阻。电阻。铂电阻耐热、耐腐蚀、精度高、价高；铜电阻价低、铂电阻耐热、耐腐蚀、精度高、价高；铜电阻价低、易氧化、体积大。易氧化、体积大。半导体热敏电阻灵敏度高、响应时间短、体积小、结半导体热敏电阻灵敏度高、响应时间短、体积小、结构简单、耐腐蚀、寿命长，但温度与电阻值的关系构简单、耐腐蚀、寿命长，但温度与电阻值的关系非非线性线
11、性，使用不多。，使用不多。温度测量与控制：温度测量与控制：小型发酵罐：半导体或水银触点温度计小型发酵罐：半导体或水银触点温度计大型发酵罐：铂金电阻或半导体温度计大型发酵罐：铂金电阻或半导体温度计控温方式：用简单的控温方式：用简单的On-Off或效果更佳的或效果更佳的PID（画（画面信息数字化）控制面信息数字化）控制控温介质：冷、热水。控温介质：冷、热水。2.压强检测压强检测最常用的是最常用的是隔膜式压力表隔膜式压力表。工业规模生产时，通常把压力信号转换成电信号，工业规模生产时，通常把压力信号转换成电信号，以便远距离监控。以便远距离监控。3.液位和泡沫高度检测液位和泡沫高度检测液位检测法主要有：
12、压差法、电容法和电导法，前液位检测法主要有：压差法、电容法和电导法，前两种最常用。两种最常用。（1）电容式液面计（）电容式液面计（液位不同，两根金属电极间电液位不同，两根金属电极间电位不同位不同）（2）压差法（）压差法（反应器内上下两点或三点间不同压强反应器内上下两点或三点间不同压强计算出料液量和液面高度计算出料液量和液面高度）泡沫高度测定：最常用电极探针测定，泡沫产生增泡沫高度测定：最常用电极探针测定，泡沫产生增多，其表面上升与电极探针接触而产生电信号。多，其表面上升与电极探针接触而产生电信号。另用超声波测定泡沫高度。另用超声波测定泡沫高度。泡沫控制：化学消泡和机械消泡泡沫控制：化学消泡和机
13、械消泡4.培养基和液体流量测定培养基和液体流量测定最常用流量计，如液体质量流量计、电磁流量计、漩最常用流量计，如液体质量流量计、电磁流量计、漩涡流量计和转子流量计。涡流量计和转子流量计。5.气体流量计气体流量计实用类型分为：实用类型分为：（1）体积流量型：根据流动气体动能的转换及流）体积流量型：根据流动气体动能的转换及流动类型改变而检测流量。（小实验室用转子流量动类型改变而检测流量。（小实验室用转子流量计）计）（2）质量流量型：利用流体的固有性质如质量、）质量流量型：利用流体的固有性质如质量、导电性、电磁感应及导热等特性设计。最常用的导电性、电磁感应及导热等特性设计。最常用的是利用其导热性。是
14、利用其导热性。6.发酵液黏度检测发酵液黏度检测常用的黏度仪有：振动式常用的黏度仪有：振动式黏度传感仪、毛细管黏度黏度传感仪、毛细管黏度计、回转式黏度计以及涡计、回转式黏度计以及涡轮旋转黏度计等。轮旋转黏度计等。（1）振动式黏度传感仪：）振动式黏度传感仪：特制金属棒插入反应器溶特制金属棒插入反应器溶液，强制振动，其振动特液，强制振动，其振动特性与液体黏度有关。（可性与液体黏度有关。（可保证无菌操作，但测定黏保证无菌操作，但测定黏度相对值，精确度较差。）度相对值，精确度较差。）（2）发酵液循环黏度测定：）发酵液循环黏度测定： 在反应器中装自动无菌取样循环系统，发酵液通过在反应器中装自动无菌取样循环
15、系统，发酵液通过取样管路流过旋转式黏度计或毛细管黏度计，实现取样管路流过旋转式黏度计或毛细管黏度计，实现连续在线检测。连续在线检测。（测定范围：（测定范围：0.015-100Pa.s，响应时间，响应时间10s，灵敏度，灵敏度为满刻度的为满刻度的1）7.搅拌转速和搅拌功率搅拌转速和搅拌功率（1）搅拌转速：罐容越小，转速越高。）搅拌转速：罐容越小，转速越高。检测常用法检测常用法磁感应式、光感应式：在搅拌或电极轴上装设感应磁感应式、光感应式：在搅拌或电极轴上装设感应片切割磁场或光速而产生脉冲信号，脉冲频率与转片切割磁场或光速而产生脉冲信号，脉冲频率与转速相同。速相同。测速发电机：在搅拌或电极轴上装设
16、一小型发电机，测速发电机：在搅拌或电极轴上装设一小型发电机，输出电压与转速成线性关系。输出电压与转速成线性关系。搅拌转速调节：小罐采用直流电机、调速电机和变搅拌转速调节：小罐采用直流电机、调速电机和变频器等实行无级调速，大罐调速设备投入大，目前频器等实行无级调速，大罐调速设备投入大，目前固定转速。固定转速。（2）搅拌功率）搅拌功率生产规模的搅拌功率只测定驱动电机电压与电流，生产规模的搅拌功率只测定驱动电机电压与电流，或直接测定电机搅拌功率，但此功率包含传动减速或直接测定电机搅拌功率，但此功率包含传动减速机构的功率损失。机构的功率损失。实验研究采用轴转矩测定法。实验研究采用轴转矩测定法。 P=2nM8.pH检测检测最常用的是复合最常用的是复合pH电极，电极，结构紧凑，耐高热。结构紧凑，耐高热。原理：玻璃电极和参比原理：玻璃电极和参比电极浸泡于某一溶液时，电极浸泡于某一溶液时，具有一定电位。具有一定电位。注意：电极保护和标定。注意：电极保护和标定。pH控制：控制：加入酸碱试剂加入酸碱试剂调节培养基中碳氮源的添加调节培养基中碳氮源的添加9.溶氧浓度检测溶氧浓度检测常用溶氧电极测定常用溶氧电极
