第五章 生物反應(yīng)器的檢測(cè)及控制

1、第五章 生物反應(yīng)器的檢測(cè)及控制引言1.檢測(cè)的目的：（1）穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)（2）經(jīng)濟(jì)（3）安全2. 進(jìn)行生物反應(yīng)器檢測(cè)控制需要明確的幾點(diǎn)進(jìn)行生物反應(yīng)器檢測(cè)控制需要明確的幾點(diǎn)：（1）檢測(cè)的具體目的（2）必須檢測(cè)的參數(shù)有那些，能否通過(guò)測(cè)量檢出（3）是否可在線檢測(cè)，其滯后是否太大。（4）從檢測(cè)結(jié)果，怎么判斷生物反應(yīng)及細(xì)胞本身的狀態(tài)（5）需要控制的主要參數(shù)是什么，它與生物反應(yīng)器的效能有何關(guān)系。第一節(jié)第一節(jié) 生化過(guò)程主要檢測(cè)的參數(shù)生化過(guò)程主要檢測(cè)的參數(shù)1. 溫度（Temperature） 細(xì)胞生長(zhǎng)、酶的催化、產(chǎn)物的形成都有最佳溫度范圍。2. 壓強(qiáng) 壓強(qiáng)主要影響溶氧傳質(zhì)、并且維持適當(dāng)?shù)恼龎阂悦馊揪?. 液面高度（

2、1）決定裝料系數(shù)（2）而且通氣和不通氣的液面相差很大（3）隨著反應(yīng)進(jìn)行液面也會(huì)變化（如泡沫、蒸發(fā)等）因此必需檢測(cè)液面并保持最佳液面高度。4. 泡沫高度 泡沫會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)器有效體積減少、染菌、跑料因此必須嚴(yán)格控制。5. 培養(yǎng)基流加速度主要是連續(xù)和半連續(xù)發(fā)酵過(guò)程。6. 通氣量（1）溶氧（2）泡沫（3）能耗因此必須加以檢測(cè)控制7.黏度主要影響：（1）攪拌混合（2）溶氧、物質(zhì)傳遞（3）能耗和下游過(guò)程8.攪拌轉(zhuǎn)速和功率主要影響：（1）混合、溶氧、物質(zhì)傳遞（2）能耗（3）細(xì)胞生長(zhǎng)、產(chǎn)物生成。9. 冷卻介質(zhì)流量和進(jìn)出口溫度 不同發(fā)酵時(shí)期、對(duì)于不同溫度的冷卻介質(zhì)。其流量也應(yīng)不同，因此需檢測(cè)控制。10.蒸汽壓（1

3、）影響溫度（如殺菌）（2）跟安全有關(guān)因此需保持適當(dāng)?shù)恼羝麎骸?1.濕度（1）固體發(fā)酵需保持適當(dāng)?shù)臐穸龋?）包裝車間也要求有適當(dāng)?shù)臐穸?2. pH（1）細(xì)胞生長(zhǎng)、酶催化有其最佳pH范圍（2）產(chǎn)物生成也有其最佳pH范圍（3）通常pH是生物反應(yīng)的指示劑，可據(jù)此判斷一些反應(yīng)情況。13. 容氧濃度和氧化還原電位 （1）細(xì)胞生長(zhǎng)代謝需要適宜的溶氧（2）不同發(fā)酵時(shí)期容氧要求通常不同（3）它是判斷反應(yīng)是否受到污染（雜菌、噬菌體）的間接參數(shù)。 在測(cè)定微小的溶氧時(shí)候通常不能直接測(cè)定，而是通過(guò)測(cè)定氧化還原電位來(lái)間接測(cè)定。14. 發(fā)酵液中的CO2濃度對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)、產(chǎn)物生成有影響15.培養(yǎng)基質(zhì)濃度和產(chǎn)物濃度 基質(zhì)和產(chǎn)物濃

4、度的檢測(cè)可以判斷發(fā)酵進(jìn)行的情況（是否異常、是否可以結(jié)束）16. 細(xì)胞濃度 細(xì)胞濃度是影響發(fā)酵生產(chǎn)速率和效率的最關(guān)鍵的因素，所有與細(xì)胞有關(guān)的反應(yīng)體系均需測(cè)定cell concentration。17. 酶活性 酶反應(yīng)中，酶活性測(cè)定與細(xì)胞反應(yīng)體系中細(xì)胞濃度的測(cè)定具有同等的重要性。第二節(jié) 生化過(guò)程常用檢測(cè)方法及儀器一. 檢測(cè)方法及儀器組成1. 在線檢測(cè): 儀器的電極或探頭可與培養(yǎng)基直接接觸而連續(xù)的讀取數(shù)據(jù), 利于自動(dòng)化, 但傳感器必須耐高溫, 精度和穩(wěn)定性高, 響應(yīng)時(shí)間不能太長(zhǎng)。2. 離線檢測(cè): 取樣出來(lái)后, 進(jìn)行檢測(cè).在線檢測(cè)基本原理：在線檢測(cè)基本原理：被測(cè)量傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換信號(hào)放大輸 出 顯示二.

5、 常用儀器及原理:1. 無(wú)菌取樣器(1) 微孔陶瓷管取樣器(2) 滲透膜管取樣器2. 溫度測(cè)定(1) 熱電阻檢測(cè)器: 鉑電阻銅電阻半導(dǎo)體熱敏電阻 (2) 玻璃溫度計(jì)3. 壓強(qiáng)的檢測(cè)常用隔膜式壓力表4. 液位檢測(cè)(1) 電容法(2) 壓差法 利用三點(diǎn)壓強(qiáng)差測(cè)定: A, B, C, PAC/PBC=H/HBC5. 培養(yǎng)基和液體流量的測(cè)定(1) 液體質(zhì)量流量計(jì)(2) 電磁流量計(jì) (3) 漩渦流量計(jì)(4) 轉(zhuǎn)子流量計(jì)等.6. 氣體流量計(jì)(1) 體積流量型氣體流量計(jì): 依據(jù)氣體流動(dòng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換和流動(dòng)類型的變化來(lái)測(cè)定. (2) 質(zhì)量流量型氣體流量計(jì): 依據(jù)氣體固有性質(zhì): 導(dǎo)熱, 導(dǎo)電, 電磁感應(yīng)等來(lái)測(cè)定.

6、(常用導(dǎo)熱性能) 7. 發(fā)酵液粘度的檢測(cè)(1) 振動(dòng)式粘度計(jì)金屬棒的振動(dòng)特性和粘度有關(guān).(2) 毛細(xì)管粘度計(jì)(3) 回轉(zhuǎn)式粘度計(jì)(4) 渦輪旋轉(zhuǎn)流量計(jì) 8. 攪拌器轉(zhuǎn)速和攪拌功率的檢測(cè)轉(zhuǎn)速：(攪拌軸上裝設(shè)感應(yīng)片切割磁光場(chǎng),產(chǎn)生的脈沖信號(hào)頻率與轉(zhuǎn)速相同)(1)磁感應(yīng)(2)光感應(yīng)(3)測(cè)速發(fā)電機(jī)( 輸出電壓和轉(zhuǎn)速為線性關(guān)系)（2）攪拌功率9.pH的檢測(cè)10. 溶氧濃度的檢測(cè)(1) 溶氧電極: 利用氧在陰極上得到電子被還原而產(chǎn)生的電流和被還原的氧成正比,因此可確定氧濃度Ag+Cl- AgCl+ e.陽(yáng)極O2+2H2O+ 4e 4OH- 陰極11 溶解二氧化碳濃度的檢測(cè) 用對(duì)二氧化碳分子具有獨(dú)特選擇性

7、滲透的微孔膜，使二氧化碳通過(guò)并進(jìn)入飽和的碳酸氫鈉緩沖液中，平衡后pH和溶解的CO2濃度有確定的數(shù)學(xué)關(guān)系。12. 排氣中氧分壓和二氧化碳分壓測(cè)定（1） 氧分壓測(cè)定：磁氧分析法，極譜電位法和質(zhì)譜法。222012()100MOMOBBpHc 222012()100MOMOBBpHc P.排氣在磁場(chǎng)中和無(wú)磁場(chǎng)空間的壓強(qiáng)差0常數(shù)H.磁場(chǎng)強(qiáng)度M排出氣體的磁化率O2氧氣的磁化率B背景氣體磁化率co2 氧氣濃度（2）二氧化碳分壓的檢測(cè)： 紅外線測(cè)定儀，二氧化碳電極 紅外線測(cè)定儀：CO2在近紅外線中有最大吸收峰， 如果在這峰波段中通過(guò)含CO2的氣體時(shí)，光強(qiáng)度減弱，減弱量和二氧化碳濃度相關(guān)。13細(xì)胞濃度測(cè)定。（1

8、） 全細(xì)胞濃度的測(cè)定：濕重法，干重法，濁度法，濕細(xì)胞體積法。在線檢測(cè)要求： 響應(yīng)快，而連續(xù)；靈敏度高0.02g/L以上；對(duì)細(xì)胞無(wú)害；易于清洗滅菌。 能滿足在線檢測(cè)的儀器為：流通式濁度儀 原理：當(dāng)一定波長(zhǎng)的光通過(guò)發(fā)酵液時(shí)，在一定的胞濃度范圍內(nèi)，細(xì)胞濃度與OD（吸光度）成線性關(guān)系。 （2）活細(xì)胞的測(cè)定： 利用活細(xì)胞催化的反應(yīng)或活細(xì)胞本身特有的物質(zhì)來(lái)間接測(cè)定活細(xì)胞濃度。 如：ATP和NADH第三節(jié) 生物傳感器的類型及原理一酶電極1原理：物質(zhì)通過(guò)固定化酶的膜反應(yīng)后其產(chǎn)物發(fā)生電極反應(yīng)，產(chǎn)生電流。 GH2O 葡萄糖酸H2O2H2O2 O22H2e2概念（1） 穩(wěn)態(tài)響應(yīng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)： 當(dāng)酶電極置于被檢測(cè)溶液時(shí)，

9、電信號(hào)就隨時(shí)間而逐漸增加，最后趨于穩(wěn)定，稱此為穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。（2）響應(yīng)時(shí)間：響應(yīng)時(shí)間：當(dāng)酶電極置于被檢測(cè)溶液時(shí)，待測(cè)物質(zhì)濃度改變后，電信號(hào)輸出達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)所需時(shí)間。3存在問(wèn)題（1）有些情況下酶的非專一性（結(jié)構(gòu)類似物，離子干擾）（2）壽命短壽命（酶本身的穩(wěn)定性，使失活的物質(zhì)，pH）二微生物電極1呼吸測(cè)定型（1）原理利用微生物吸收并代謝待測(cè)有機(jī)物質(zhì)而消耗氧氣或產(chǎn)生二氧化碳來(lái)間接測(cè)定待測(cè)物質(zhì)。2代謝產(chǎn)物測(cè)定型 通過(guò)測(cè)定微生物分解待測(cè)有機(jī)物而產(chǎn)生的物質(zhì)，來(lái)間接測(cè)定有機(jī)物。1. 鉑電極 2. 聚PTFE膜 3. 固定化微生物膜 4.尼龍網(wǎng) 5.鉑電極 6. O型環(huán) 7. 電解液呼吸測(cè)定型微生物傳感器代謝測(cè)定型

10、1.過(guò)氧化銀電極2.電解液3.O形環(huán)4.鉑電極5.固定化微生物膜6.陰離子交換膜三免疫電極1.標(biāo)記免疫電極 固定化（抗原或抗體）后，利用標(biāo)記的抗原或抗體和發(fā)酵液中相應(yīng)的抗原或抗體和固定化的抗原或抗體競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合反應(yīng)， 然后分離測(cè)定標(biāo)記物的含量，從而推測(cè)出抗原或抗體反應(yīng)前所加入的未標(biāo)記物的量，即發(fā)酵液中某物質(zhì)（未標(biāo)記）含量。 2非標(biāo)記免疫電極(1)膜免疫電極： 抗體或抗原固定在膜上， 使抗原抗體反應(yīng)在膜表面進(jìn)行，測(cè)定反應(yīng)前后膜電位的變化。(2)化學(xué)修飾電極： 用化學(xué)修飾法固定抗原或抗體在金屬電極表面，電極電位就因表面的抗原抗體反應(yīng)而發(fā)生改變，由此測(cè)定待測(cè)溶液抗體或抗原濃度。 四生物傳感器的換能器件 1.以電化學(xué)為基礎(chǔ)的技能器件：電流型和電位型電極2. 熱敏器件3. 半導(dǎo)體生物傳感器4.介體生物傳感器 以電子介體為生物傳感器的電子受體，從而取代通常的以O(shè)2或H 2O2，在酶反應(yīng)所起的電子傳遞作用。5.光生物傳感器原理：（1）生物發(fā)光反應(yīng)的測(cè)量。（2）生物物質(zhì)的光吸收、光激發(fā)等生物質(zhì)中光的能量傳遞為基礎(chǔ)。（3）生物反應(yīng)物質(zhì)對(duì)光傳播的干擾原理。第四節(jié)第四節(jié) 生化過(guò)程控制概論生化過(guò)程控制概論一、生化反應(yīng)過(guò)程主要參數(shù)的控制1. 溫度控制2. pH控制3. 溶解氧控制4. 泡沫控制5. 糖等基質(zhì)濃度的控制二、