第五章生物反應(yīng)器及其檢測與控制系統(tǒng)課件

第五章生物反應(yīng)器及其檢測

與控制系統(tǒng)

第五章生物反應(yīng)器及其檢測

與控制系統(tǒng)

第一節(jié)概述一、生物反應(yīng)器的含義廣義：利用微生物、動(dòng)植物細(xì)胞或酶等生物催化劑的功能進(jìn)行生物化學(xué)反應(yīng)的容器稱為生物反應(yīng)器。小至一支斜面和一只培養(yǎng)皿，達(dá)到幾千立方米的發(fā)酵罐。按所使用的催化劑，可將其分為酶反應(yīng)器和細(xì)胞生物反應(yīng)器。通常只把那些能控制各種參數(shù)的比較完善的容器系統(tǒng)才稱為生物反應(yīng)器，盡管它的體積有時(shí)也可以有0.5L或更小。第一節(jié)概述一、生物反應(yīng)器的含義目前市場上有各種規(guī)模的生物反應(yīng)器供應(yīng)，按其規(guī)模一般可以分為實(shí)驗(yàn)室規(guī)模：小于20L的反應(yīng)器，主要用于培養(yǎng)工藝的研究；中試規(guī)模：20~100L為中試規(guī)模，它主要用于提供一定量的產(chǎn)品，供純化、臨床前的各種檢測和臨床觀察，也包括進(jìn)一步的工藝優(yōu)化實(shí)驗(yàn)；生產(chǎn)規(guī)模：大于100L則為生產(chǎn)規(guī)模用生物反應(yīng)器，它主要用于生產(chǎn)，提供產(chǎn)品。劃分不是絕對(duì)的，尤其是對(duì)生物細(xì)胞培養(yǎng)和微生物培養(yǎng)是有一定區(qū)別的，對(duì)于前者來說，10L也可以稱為中試規(guī)模，而用于培養(yǎng)微生物的反應(yīng)器，有人將100L甚至1000L還看做中試規(guī)模。目前市場上有各種規(guī)模的生物反應(yīng)器供應(yīng)，按其規(guī)模一般可以分為二、生物反應(yīng)器的基本要求生物反應(yīng)器的用途：給動(dòng)植物細(xì)胞或微生物的生長代謝提供一個(gè)最優(yōu)的環(huán)境，從而促使其生長并在其生長代謝過程中產(chǎn)生出最大量最優(yōu)質(zhì)的所需產(chǎn)物。理想生物反應(yīng)器必須具備基本要求：①制造生物反應(yīng)器所采用的一切材料，尤其是與培養(yǎng)基，細(xì)胞直接接觸的材料對(duì)細(xì)胞必須無毒。②生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)必須使之具有良好的傳質(zhì)、傳熱和混合的性能。③密封性能良好，可避免一切外來的不需要的微生物污染。二、生物反應(yīng)器的基本要求④對(duì)培養(yǎng)環(huán)境中多種物理化學(xué)參數(shù)能自動(dòng)檢測和控制調(diào)節(jié)，控制的精確度高，而且能保持環(huán)境質(zhì)量的均一。⑤可長期連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，這對(duì)用于培養(yǎng)動(dòng)植物細(xì)胞的生物反應(yīng)器尤為重要。⑥容器加工制造時(shí)要求內(nèi)壁光滑，以減少細(xì)胞或微生物的沉積。⑦拆裝、連接和清洗方便，能耐高壓蒸汽消毒，便于操作維修。⑧設(shè)備成本要求盡可能低。④對(duì)培養(yǎng)環(huán)境中多種物理化學(xué)參數(shù)能自動(dòng)檢測和控制調(diào)節(jié)，控制的精第二節(jié)生物反應(yīng)器的類型及其基本結(jié)構(gòu)

隨著微生物發(fā)酵工業(yè)和動(dòng)植物細(xì)胞大量培養(yǎng)技術(shù)的發(fā)展，在傳統(tǒng)的攪拌式生物反應(yīng)器的基礎(chǔ)上，

出現(xiàn)的新型生物反應(yīng)器：氣升式生物反應(yīng)器固定床式生物反應(yīng)器流化床式生物反應(yīng)器袋式或模式生物反應(yīng)器中空纖維生物反應(yīng)器固定化培養(yǎng)的生物反應(yīng)器等。第二節(jié)生物反應(yīng)器的類型及其基本結(jié)構(gòu)隨著微生物發(fā)酵工一、攪拌式生物反應(yīng)器攪拌式生物反應(yīng)器是最經(jīng)典和最早被采用的一種生物反應(yīng)器，醫(yī)藥工業(yè)中第一個(gè)大規(guī)模微生物發(fā)酵生產(chǎn)青霉素的過程即是在機(jī)械攪拌式反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行。到目前為此，對(duì)于新的生物過程，首先的生物反應(yīng)器仍然是攪拌式反應(yīng)器。它適用于大多數(shù)的生物過程，形成標(biāo)準(zhǔn)化的大量培養(yǎng)。它主要有以下一些部分組成（見下圖P81）一、攪拌式生物反應(yīng)器第五章生物反應(yīng)器及其檢測與控制系統(tǒng)ppt課件1.罐體小于5L的實(shí)驗(yàn)規(guī)模是生物反應(yīng)器一般用玻璃制作，大于5L的則用不銹鋼。為了獲得較好的混合和溶氧效果，用于培養(yǎng)微生物的罐體其高徑（H/D)一般為2~3:1.但在培養(yǎng)動(dòng)物細(xì)胞時(shí)，由于它對(duì)攪拌的剪切力敏感，攪拌速度一般較低，因此其徑比一般采用1~1.5:1,以便增大液體與空氣的接觸面。采用不銹鋼制作罐體時(shí)，為便于觀察，內(nèi)部培養(yǎng)情況，常在罐體上裝有視孔。在培養(yǎng)微生物時(shí)，由于攪拌速度較高，為防止形成湍流，在罐體上常裝有擋板。1.罐體2.攪拌系統(tǒng)攪拌的目的是使細(xì)胞和養(yǎng)分在培養(yǎng)基中均勻分布，使養(yǎng)分能充分地被細(xì)胞利用，同時(shí)還可以使氣體分散成較小的氣泡，增大氣液界面，有利于氧的傳遞。目前采用的攪拌系統(tǒng)主要有兩種，一種是機(jī)械攪拌系統(tǒng)，另一種磁力攪拌系統(tǒng)，后者有利于罐體的密封，但不是用于大容量的攪拌式反應(yīng)器。在培養(yǎng)微生物的發(fā)酵罐內(nèi)，多數(shù)采用多層扁平葉片的渦輪式攪拌器，但在培養(yǎng)動(dòng)物細(xì)胞的生物反應(yīng)器內(nèi)，一般傾向于采用較大的傾斜槳式攪拌器，特別在培養(yǎng)微載體時(shí)更是如此，它可在較低的攪拌式速度下使載體懸浮。2.攪拌系統(tǒng)3.加溫和冷卻系統(tǒng)多數(shù)采用夾套和盤管系統(tǒng)，用于進(jìn)行加熱或冷卻，以滿足不同微生物和動(dòng)植物細(xì)胞生長對(duì)溫度的要求。3.加溫和冷卻系統(tǒng)4.進(jìn)出氣系統(tǒng)除厭氧菌的發(fā)酵培養(yǎng)外，其他的微生物和動(dòng)植物細(xì)胞都需要不斷供氧才能生長，空氣需過濾除菌。培養(yǎng)微生物空氣經(jīng)裝在罐體底部的氣體分布器噴嘴形成氣泡進(jìn)入培養(yǎng)基。培養(yǎng)基內(nèi)一般均含有蛋白質(zhì)，在鼓泡通氣時(shí)可產(chǎn)生大量泡沫，在罐體內(nèi)常裝有消泡槳。在培養(yǎng)動(dòng)植物細(xì)胞時(shí)，氣泡對(duì)細(xì)胞有一定的損壞，除改進(jìn)分布器使氣泡減少外，以開發(fā)多種無氣泡的通氣裝置?；虿捎镁郾┲锌绽w維膜或透氣的硅膠管。采用孔徑0.33μｍ的聚丙烯中空纖維膜，2.3m/L，其氧傳遞率為8~10.6mgO2/(L.h)。為避免排出氣體中的水汽使過濾器潮濕，在排氣管路中加有冷凝裝置。4.進(jìn)出氣系統(tǒng)5.進(jìn)出也系統(tǒng)生物反應(yīng)器生物反應(yīng)器的培養(yǎng)和連續(xù)培養(yǎng)，具體可分為5種：①批式培養(yǎng)：即將細(xì)胞和培養(yǎng)液一次性加入反應(yīng)器內(nèi)，待整個(gè)反映結(jié)束后將產(chǎn)物取出，②流加或補(bǔ)料培養(yǎng)：即在培養(yǎng)過程中根據(jù)培養(yǎng)物質(zhì)的代謝需要，補(bǔ)充某種或某些養(yǎng)料物質(zhì)，多數(shù)是葡萄糖或谷胺酰胺等能源物質(zhì)；③半連續(xù)培養(yǎng)：即在培養(yǎng)過程中間隙地收集部分反應(yīng)物，并補(bǔ)充部分新鮮培養(yǎng)基；5.進(jìn)出也系統(tǒng)④連續(xù)培養(yǎng)：即持續(xù)不斷地收集反應(yīng)物，同時(shí)持續(xù)不斷地加入新鮮培養(yǎng)基，從而反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)條件處于恒定條件。將物化參數(shù)均一的反應(yīng)器叫做恒化器，將保持細(xì)菌數(shù)目均一的叫做恒濁器；⑤灌流培養(yǎng)：他與連續(xù)培養(yǎng)的不同處在于收集反應(yīng)器時(shí)，細(xì)胞仍保留在反應(yīng)器內(nèi)，這樣可大大提高細(xì)胞密度，也就提高了反應(yīng)器的生產(chǎn)效率。為適應(yīng)這些培養(yǎng)方式的需要，生物反應(yīng)器需相應(yīng)的裝配必要的進(jìn)出液、收集、控制以及將細(xì)胞進(jìn)行分隔回流等的設(shè)備系統(tǒng)。④連續(xù)培養(yǎng)：即持續(xù)不斷地收集反應(yīng)物，同時(shí)持續(xù)不斷地加入新鮮培6.檢測和控制系統(tǒng)為了保證生物反應(yīng)器的物化參數(shù)處在微生物或細(xì)胞生長的最佳條件下，現(xiàn)在的攪拌式生物反應(yīng)器上均配備有各種傳感器和控制系統(tǒng)，包括溫度、Ph值、溶解氧、轉(zhuǎn)速、液位等，有的還裝備有測定罐壓、培養(yǎng)物粘度、濁度等傳感器。6.檢測和控制系統(tǒng)7.管線和接頭整套設(shè)備不可缺少的組成部分。實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的小罐一般采用硅膠管，接頭分別有內(nèi)外磨口的玻璃接頭、不銹鋼接頭等，它們都便于拆裝，并可直接用火焰消毒以防止連接時(shí)污染。中試生產(chǎn)規(guī)模的管道和接頭則均為不銹鋼管道和閥門連接。7.管線和接頭二、氣升式生物反應(yīng)器氣升式生物反應(yīng)器特點(diǎn)：氣體通過裝在罐低的噴管進(jìn)入反應(yīng)器的導(dǎo)流管、致使該部位液體的密度小于導(dǎo)管外部區(qū)域的導(dǎo)管密度。從而使液體循環(huán)流動(dòng)，它以氣體為動(dòng)力，靠導(dǎo)管裝置的應(yīng)道，形成氣液混合物的總體有序循環(huán)。氣內(nèi)分：上升管和下降管。向上升管通入氣體，使管內(nèi)含氣率升高，相對(duì)密度變輕，氣泡變大，至液面處部分氣泡破裂，氣體由排氣口排出。剩下氣液混合物相對(duì)密度較上升管內(nèi)的氣液混合物大，由下降管下沉，下沉循環(huán)氣升式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單，不需要攪拌。有兩種構(gòu)型，內(nèi)循環(huán)式和外循環(huán)式。與攪拌式生物反應(yīng)器相比，剪切力小，混合均一，氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)傳遞好，沒有機(jī)械攪拌結(jié)構(gòu)，有利設(shè)備密封，降低造價(jià)。二、氣升式生物反應(yīng)器見P83見P83為了培養(yǎng)基良好的循環(huán)和充分混合，反應(yīng)器的高徑比一般在10:1左右。在培養(yǎng)動(dòng)植物相比時(shí)，為了減少因氣泡的張力對(duì)成本造成的危害以及由此、產(chǎn)生的泡沫，要求通氣時(shí)產(chǎn)生了氣泡直徑為1~2mm，空氣流量為0.01~0.06vvm。該反應(yīng)器可用于微生物和懸浮成本的批式生產(chǎn)，也可用于貼壁細(xì)胞微載體培養(yǎng)，并進(jìn)行半連續(xù)、連續(xù)和灌流培養(yǎng)。為了培養(yǎng)基良好的循環(huán)和充分混合，反應(yīng)器的高徑比一般在10:1三、中空纖維式生物反應(yīng)器中空纖維式生物反應(yīng)器是由數(shù)百乃至數(shù)千根中空纖維集束組成的，該纖維材料為聚砜或丙烯共聚物。纖維壁厚50~75μｍ，呈多孔性，內(nèi)層為超濾膜，可以截留相對(duì)分子質(zhì)量為10000、50000或100000的物質(zhì)，內(nèi)腔直徑200μｍ，兩端用環(huán)氧樹脂等材料將纖維粘合在一起，并使內(nèi)腔開口與外加的塑料圓筒內(nèi)，形成兩個(gè)隔開的腔。內(nèi)腔用于灌流充有氧氣的培養(yǎng)基，外腔用于培養(yǎng)細(xì)胞。三、中空纖維式生物反應(yīng)器第五章生物反應(yīng)器及其檢測與控制系統(tǒng)ppt課件中空纖維反應(yīng)器既適應(yīng)于貼壁細(xì)胞培養(yǎng)，液適應(yīng)于懸浮細(xì)胞培養(yǎng)。當(dāng)細(xì)胞接種于外腔后，細(xì)胞可附著于纖維表面，也可滲入海綿狀纖維壁，1~3周后細(xì)胞可占據(jù)所有纖維間隙，并在纖維表面堆積，可達(dá)10多層細(xì)胞，細(xì)胞密度可保持較高的存活性、健康的形態(tài)和核型。該反應(yīng)器占地空間小，產(chǎn)物質(zhì)量高，生產(chǎn)成本低（生產(chǎn)ig純化的單克隆抗體的生產(chǎn)成本，為用小鼠腹生產(chǎn)成本的2/1，為攪拌式生物反應(yīng)器生產(chǎn)成本的1/6）。中空纖維反應(yīng)器既適應(yīng)于貼壁細(xì)胞培養(yǎng)，液適應(yīng)于懸浮細(xì)胞培養(yǎng)。當(dāng)四、透析袋或模式生物反應(yīng)器在微生物或動(dòng)物成本培養(yǎng)過程中，都會(huì)產(chǎn)生一些代謝產(chǎn)物，其中有些產(chǎn)物如乳酸、胺等會(huì)對(duì)細(xì)胞的生產(chǎn)產(chǎn)生抑制作用，因此設(shè)計(jì)出了透析袋或模式反應(yīng)器，可將這些有害代謝產(chǎn)物透析或過濾掉，從而使細(xì)胞生長至更高密度，同時(shí)可根據(jù)需要選用不同相對(duì)分子質(zhì)量的膜，使產(chǎn)物保留在膜內(nèi)或與細(xì)胞分開。最簡單是直接將細(xì)胞置于透析袋內(nèi)，并將其懸于一較大的盛有培養(yǎng)的容器內(nèi)，然后旋轉(zhuǎn)培養(yǎng)，容器內(nèi)的培養(yǎng)基可不斷更換，最后透析袋內(nèi)的細(xì)胞密度可達(dá)107/ml，袋內(nèi)單克隆抗體的濃度可達(dá)到1~2mg/ml。四、透析袋或模式生物反應(yīng)器第五章生物反應(yīng)器及其檢測與控制系統(tǒng)ppt課件模式生物反應(yīng)器可由雙式系統(tǒng)（培養(yǎng)基和細(xì)胞）或三式系統(tǒng)（培養(yǎng)基、細(xì)胞和產(chǎn)物）構(gòu)成，每室間隙高0.6mm，大小為28cmx32cm，面積約為500cm2（室內(nèi)有不同的氟碳填料，其表面積1400~7000cm2），根據(jù)需要可反復(fù)重疊成30~400層，總面積達(dá)7~35m2。室與室之間的膜，可采用微孔濾膜（用于保留細(xì)胞），也可采用允許不同相對(duì)分子質(zhì)量物質(zhì)通過的超濾膜（用于保留產(chǎn)物）。它既可用于培養(yǎng)貼壁細(xì)胞，也可培養(yǎng)懸浮細(xì)胞。該反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)是既可使細(xì)胞達(dá)到很高密度（細(xì)胞室內(nèi)達(dá)108/ml），又可隨意組合操作，從而達(dá)到保留和濃縮產(chǎn)品或及時(shí)分離提純產(chǎn)品的目的。模式生物反應(yīng)器可由雙式系統(tǒng)（培養(yǎng)基和細(xì)胞）或三式系統(tǒng)（培養(yǎng)基五、固定床或流化床式生物反應(yīng)器固定床和流化床反應(yīng)器：用于固定化酶反應(yīng)，固定化細(xì)胞反應(yīng)和固態(tài)發(fā)酵。固定化主要優(yōu)點(diǎn)：可以重復(fù)利用生物催化劑，便于將生物催化劑與反應(yīng)物分離。通過固定化酶技術(shù)可以將酶截流在反應(yīng)器內(nèi)以便連續(xù)進(jìn)行酶反應(yīng)。有些酶固化后化學(xué)和物理性質(zhì)發(fā)生變化，選擇性強(qiáng)，壽命延長。適用于固定床和流化床的固定方法有物理吸附、共價(jià)結(jié)合、交聯(lián)和包埋等。固定床反應(yīng)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較簡單，裝填的材料可以是一切對(duì)細(xì)胞無毒、又有利于細(xì)胞貼附的材料，如不銹鋼、有孔的玻璃、有孔的聚氨酯塑料等。前一類材料細(xì)胞只能生長在表面，因而細(xì)胞密度不會(huì)太高，但比較經(jīng)濟(jì)，液體流動(dòng)阻力較小，多數(shù)可重復(fù)使用，因而采用較多。后者由于有孔，細(xì)胞可進(jìn)入載體內(nèi)，因而可高密度培養(yǎng)細(xì)胞，但當(dāng)載體過大時(shí)，在載體內(nèi)的細(xì)胞常因營養(yǎng)物和氧的交換不夠充分而影響其生長和代謝。五、固定床或流化床式生物反應(yīng)器第五章生物反應(yīng)器及其檢測與控制系統(tǒng)ppt課件Verax公司推出的CF-IMMO培養(yǎng)系統(tǒng)—多級(jí)流化床生物反應(yīng)器及FS-2000流化床生物反應(yīng)器專用于多孔微球的培養(yǎng)，微球由膠原制成，直徑約500μm孔徑20~40μm，比重為1.6~1.8g/ml。當(dāng)培養(yǎng)液從流化床下部往上以一定流速輸入時(shí)，微球在一定范圍內(nèi)懸浮旋轉(zhuǎn)，從而保證了微球內(nèi)細(xì)胞可獲得充分的養(yǎng)分和氧氣。用sf-2000培養(yǎng)cho工程細(xì)胞產(chǎn)生t-PA，細(xì)胞密度和t-PA產(chǎn)量達(dá)到了很高水平（1×108/微球，94mg/L).Verax公司推出的CF-IMMO培養(yǎng)系統(tǒng)—多級(jí)流化床生物反Celligenplus生物反應(yīng)器是在原來的籠式通氣攪拌式反應(yīng)器基礎(chǔ)上，將通氣攪拌與固定床結(jié)合的一種生物反應(yīng)器。它在原來的Celligen罐體中部裝一籃筐，中間裝填由50%的聚酯纖維和50%的聚丙烯制備的直徑為6mm的小圓盤，稱為fibra-cel，它具有很大的比表面積（120cm2/cm3)和空體積，既可用于貼壁細(xì)胞的附著，又有利于懸浮細(xì)胞在纖維間被固定。由于其設(shè)計(jì)特殊的攪拌裝置，在攪拌中可產(chǎn)生負(fù)壓，迫使培養(yǎng)基不斷流經(jīng)填料，有利于營養(yǎng)物和氧的傳遞。該反應(yīng)器可使雜交瘤細(xì)胞和CHO工程細(xì)胞的密度達(dá)到108/cm3床體積，單抗和t-PA的產(chǎn)量較微載體培養(yǎng)分別高于12和27倍。Celligenplus生物反應(yīng)器是在原來的籠式通氣攪拌式第三節(jié)生物反應(yīng)器的控制和檢測系統(tǒng)一、培養(yǎng)過程中需檢測的物化參數(shù)在微生物和動(dòng)植物細(xì)胞的培養(yǎng)過程中需檢測的各種參數(shù)，其中有→直接在線經(jīng)傳感器檢出、需要取樣離線檢測、須經(jīng)檢測后計(jì)算才能獲得。為了反應(yīng)器個(gè)物化參數(shù)在細(xì)胞培養(yǎng)和產(chǎn)物分泌的最佳狀態(tài)，反應(yīng)器都裝有傳感器和控制系統(tǒng)。檢測參數(shù)的全面性和控制系統(tǒng)的精確性反映了生物反應(yīng)器的水平。第三節(jié)生物反應(yīng)器的控制和檢測系統(tǒng)一、培養(yǎng)過程中需檢測的物化第五章生物反應(yīng)器及其檢測與控制系統(tǒng)ppt課件二、生物傳感器生物傳感器涉及物理信息學(xué)、生物芯片、生物控制論、仿生學(xué)、生物計(jì)算機(jī)等學(xué)科，處在生物科學(xué)和信息科學(xué)的交叉區(qū)域它們探索和提示生命系統(tǒng)中信息的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、傳輸、加工、轉(zhuǎn)換和控制等基本規(guī)律，探討應(yīng)用于人類經(jīng)濟(jì)生活的基本方法。生物傳感器中應(yīng)用的生物活性材料包括生物大分子、細(xì)胞、細(xì)胞器、組織、器官等以及人工合成的分子印跡聚合物。二、生物傳感器生物傳感器的分析原理是把特異性的酶（或微生物）固相化成酶膜（或微生物膜）緊貼在探頭表面上，再用一種半滲透膜與被測溶液隔離。當(dāng)溶液中的待測成分越過半滲透膜時(shí)，就會(huì)被固相生物催化劑莫吸附，形成復(fù)合體，隨之進(jìn)行生物化學(xué)和電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生普通電化學(xué)裝置能夠感知的產(chǎn)物，如O2、H2、NH4+和CO2等，并通過電化學(xué)裝置轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。由于測得的電信號(hào)與待測物質(zhì)的濃度相關(guān)聯(lián)，故通過標(biāo)準(zhǔn)曲線或標(biāo)定過的指示儀表既可確定待測物質(zhì)的濃度。生物傳感器的分析原理是把特異性的酶（或微生物）固相化成酶膜（與生物材料組合的傳感器可以是多種類型的物理或化學(xué)傳感器，如電化學(xué)（點(diǎn)位測定、電導(dǎo)測定、抗阻測定）、光學(xué)、機(jī)械、熱、電等所有這些具有生物識(shí)別功能的組合體通稱為生物傳感器，包括核酸傳感器和DNA芯片、免疫傳感器、酶傳感器、組織和全細(xì)胞傳感器等。與生物材料組合的傳感器可以是多種類型的物理或化學(xué)傳感器，如電與生物反應(yīng)器相連的生物傳感器包括溫度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、PH傳感器、消泡傳感器、罐壓傳感器、溶氧傳感器、空氣傳感器、O2流量傳感器、CO2流量傳感器、N2流量傳感器、尾氣分析傳感器、葡萄糖傳感器、氨基氮傳感器、總氮傳感器等。分別使用力敏元件、光敏元件、磁敏元件、電化學(xué)傳感元件等。與生物反應(yīng)器相連的生物傳感器包括溫度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、PH三、主要參數(shù)的檢測和控制方法盡管各種參數(shù)對(duì)于了解微生物和細(xì)胞培養(yǎng)過程的優(yōu)劣，以及優(yōu)化培養(yǎng)工藝都很重要，但重要程度并不相同，也不是每個(gè)生物反應(yīng)器都必須能測定所有這些參數(shù)，其中以溫度、pH、溶氧、轉(zhuǎn)速和進(jìn)出液流量最為重要，控制了這些參數(shù)，加上培養(yǎng)基成分和細(xì)胞濃度，也就控制了其他各種參數(shù)和整個(gè)培養(yǎng)工藝。三、主要參數(shù)的檢測和控制方法1.溫度對(duì)微生物和動(dòng)植物細(xì)胞生長非常重要。培養(yǎng)物不同，溫度要求不同。如哺乳動(dòng)物細(xì)胞最佳溫度為37℃左右；昆蟲細(xì)胞則為27℃；微生物分為三類：低溫菌（如發(fā)光細(xì)菌）、中溫菌（如一般細(xì)菌、霉菌、酵母、放線菌）、高溫菌（如枯草菌、嗜熱脂肪芽孢桿菌、溫泉細(xì)菌），最適溫度分別為10~20℃、20~40℃、50~60℃。一般來說，當(dāng)溫度低于細(xì)胞的最佳生長溫度時(shí)，其代謝減弱但仍能存活，而溫度過高則使其死亡。1.溫度常用檢測溫度的傳感器：玻璃水銀溫度計(jì)、水銀接觸溫度計(jì)、電阻溫度計(jì)（銅電阻溫度計(jì)、鉑電阻溫度計(jì)）和熱敏半導(dǎo)體溫度計(jì)等。有的反應(yīng)器直接將探頭插入培養(yǎng)基，有的則通過一套管，在套管內(nèi)裝入傳熱介質(zhì)如甘油等，直接插入培養(yǎng)基內(nèi)的傳感器需耐高壓蒸汽消毒。通過控溫儀或微處理機(jī)以開關(guān)或三聯(lián)式控制反應(yīng)器的水套溫度，或通過加熱墊的開關(guān)達(dá)到對(duì)溫度的控制。在培養(yǎng)低于室溫的細(xì)胞和微生物時(shí)，常需配備冷卻設(shè)備或?qū)植渴覝剡M(jìn)行控制。常用檢測溫度的傳感器：玻璃水銀溫度計(jì)、水銀接觸溫度計(jì)、電阻溫2.pHpH對(duì)微生物和動(dòng)植物細(xì)胞各種酶活性，細(xì)胞壁通透性，以及許多蛋白質(zhì)的功能都有重要影響。目前普遍采用檢測培養(yǎng)基pH的傳感器是玻璃復(fù)合式參比電極，由玻璃電極和銀-氯化銀參比電極組成對(duì)培養(yǎng)基進(jìn)行pH檢測后，一般以比例控制或三聯(lián)控制的方式來控制培養(yǎng)基的pH。由于NaHCO3→Na++HCO3-，NaoH+H2CO3養(yǎng)初期，培養(yǎng)基通常偏堿性，此時(shí)主要靠電磁閥控制進(jìn)入培養(yǎng)基的CO2量。2.pH由于CO2+H2O←→H2CO3←→H++HCO-3，增加了氫離子濃度，使pH下降。隨著細(xì)胞密度提高，代謝產(chǎn)物乳酸不斷積累，pH開始下降，此時(shí)主要靠控制蠕動(dòng)泵的開關(guān)，控制加入NaHCO3(0.65mol/L)或NaoH(0.1~0.5mol/L→NaHCO3+H2O→Na++HCO-3+H2O,而HCO-3+H+→H2CO3→H2O+CO2，使PH上升。（見P87）由于CO2+H2O←→H2CO3←→H++HCO為了使培養(yǎng)基的PH得到更好的控制，常常在配置培養(yǎng)基時(shí)添加某些緩沖系統(tǒng)。如磷鹽酸緩沖系統(tǒng)；Na2CO3-CO2緩沖系統(tǒng)。還可加入緩沖劑如hepes、tricine和TES等。此外，用果糖代替葡萄糖作為碳源也有利于PH的穩(wěn)定。為了使培養(yǎng)基的PH得到更好的控制，常常在配置培養(yǎng)基時(shí)添加某些3.溶氧除了某些厭氧菌外，所有其他微生物和動(dòng)植物細(xì)胞的生長都需要氧，需氧量因種類不同而異。動(dòng)物細(xì)胞的氧消耗量為0.06~0.3μmol/106細(xì)胞/h或2.4mg/106細(xì)胞/d。在短時(shí)期的缺氧條件下，細(xì)胞通過酵解途徑繼續(xù)生存。純氧對(duì)細(xì)胞有毒害作用。微生物分為專性厭氧菌、耐氧厭氧菌、兼性厭氧菌、微需氧菌和專性需氧菌五大類。對(duì)于需氧菌來說，其臨界氧濃度，即所需的最低溶氧濃度一般在0.003~0.05mol/L（相當(dāng)于空氣中的氧在培養(yǎng)液中平衡濃度的1%~20%），其耗氧速率為0.050.25gO2/（g干菌體.h）。3.溶氧目前用于生物反應(yīng)器檢測溶氧的傳感器多數(shù)是極譜式或電流式覆膜電極，其原理都是：當(dāng)給浸入稀鹽溶液的兩根電極間加上合適電壓時(shí)氧被還原，是線路中產(chǎn)生電流。電極可純鉛或銀組成，也可由鉑和銀組成。為防止裸露的電極表面中毒，降低電流輸出，也為了防止培養(yǎng)基內(nèi)除氧以外的其他可溶成分被還原，以及攪拌對(duì)電極的干擾，在電極頂端加一透氣膜，并用一薄層電解液將其與電極分開，從而構(gòu)成了腹膜電極。為提高電極的敏感性需選擇薄而透氣性高度膜。目前用于生物反應(yīng)器檢測溶氧的傳感器多數(shù)是極譜式或電流式覆膜電由于氧屬于難容性氣體，在25℃、一個(gè)大氣壓時(shí)氧在純水中的平衡濃度為8.5g/m3，在培養(yǎng)液中則不高于8g/m3。而實(shí)際能被細(xì)胞和微生物利用的不到溶解氧的20%，大部分未被利用者從反應(yīng)器中排出，因此如何控制氧的供應(yīng)，提高氧傳遞，是化學(xué)工程研究的課題，是反映生物反應(yīng)器性能好壞的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。微生物發(fā)酵時(shí)，對(duì)溶氧的控制主要通過溶氧電極的信號(hào)，以三聯(lián)控制或簡單的開關(guān)控制方式控制氣體閥以及改變攪拌速度；在進(jìn)氣量增大引起大量泡沫時(shí)，可通過電接觸點(diǎn)式液位測量和控制系統(tǒng)，使自動(dòng)加泡沫劑裝置動(dòng)作，定時(shí)定量的加入泡沫劑。由于氧屬于難容性氣體，在25℃、一個(gè)大氣壓時(shí)氧在純水中的平對(duì)動(dòng)物細(xì)胞，由于對(duì)由氣泡和攪拌引起的剪切力都很敏感，因此要保持所需溶氧比較困難，采用措施有：①改變進(jìn)氣的組分。為適應(yīng)動(dòng)物細(xì)胞的生長需要，以三聯(lián)控制方式調(diào)節(jié)進(jìn)氣的比例。培養(yǎng)后期當(dāng)細(xì)胞密度很高時(shí)，可用氧氣代替空氣。②適當(dāng)提高罐壓，關(guān)