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

生物反應(yīng)器的檢測(cè)及控制在微生物發(fā)酵以及其他生物反應(yīng)過(guò)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(dòng)力，防止事故發(fā)生，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)，必須對(duì)生物反應(yīng)過(guò)程和反應(yīng)器系統(tǒng)實(shí)行檢測(cè)和控制。生物反應(yīng)器的檢測(cè)是利用各種傳感器及其他檢測(cè)手段對(duì)反應(yīng)器系統(tǒng)中各種參變量進(jìn)行測(cè)量，并通過(guò)光電轉(zhuǎn)換等技術(shù)用二次儀表顯示或通過(guò)計(jì)算機(jī)處理。檢測(cè)控制中要明了下述幾點(diǎn)：

（1）進(jìn)行檢測(cè)的目的；（2）有多少必須檢測(cè)的狀態(tài)參數(shù)，這些參變量能否測(cè)量檢出？（3）能測(cè)定的參數(shù)可否在線檢測(cè)，其響應(yīng)滯后是否太大？（4）從狀態(tài)參數(shù)的檢測(cè)結(jié)果，如何判斷該生物反應(yīng)器及生物細(xì)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(duì)應(yīng)？第一節(jié)生化過(guò)程主要檢測(cè)的參變量物理參數(shù)

1．溫度2．壓強(qiáng)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）物理參數(shù)

8．?dāng)嚢柁D(zhuǎn)速與攪拌功率9．冷卻介質(zhì)流量與溫度10．蒸汽壓強(qiáng)11．濕度12．酸、堿及消泡劑用量化學(xué)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.前體濃度生物量細(xì)胞濃度酶活性細(xì)胞生長(zhǎng)速率第二節(jié)生化過(guò)程常用檢測(cè)方法及儀器一、檢測(cè)方式及儀器的組成在線（On—line）檢測(cè)：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(jìn)行分析測(cè)定；離線（Off—line）檢測(cè)：從反應(yīng)器中取樣出來(lái)，然后用儀器分析或化學(xué)分析等方法進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)生物發(fā)酵過(guò)程的控制來(lái)講，在線檢測(cè)是首選方式。生物反應(yīng)檢測(cè)儀器的基本構(gòu)成

l.傳感器2.信號(hào)轉(zhuǎn)換3.信號(hào)放大4.輸出顯示二、主要參數(shù)檢測(cè)原理及儀器杜絕雜菌污染。無(wú)論是在線檢測(cè)或取樣分析，均應(yīng)盡可能不影響反應(yīng)器系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。對(duì)于揮發(fā)性物質(zhì)的檢測(cè)，可采用微孔管在線取樣檢測(cè)法。發(fā)酵罐內(nèi)無(wú)菌取樣系統(tǒng)

（1）陶瓷微孔膜取樣系統(tǒng)

（2）滲透膜取樣系統(tǒng)

微孔管在線取樣裝置

1.溫度的測(cè)定溫度檢測(cè)儀表有熱電阻檢測(cè)器（RTD）、半導(dǎo)體熱敏電阻、熱電偶和玻璃溫度計(jì)等。最常用的是金屬熱電阻溫度計(jì)，其中以鉑電阻溫度計(jì)最常用，其次銅電阻溫度計(jì)也可選擇。

鉑電阻溫度計(jì)可耐熱殺菌，耐腐蝕，精度高，但價(jià)錢較貴。銅電阻溫度計(jì)價(jià)格較便宜，但容易氧化，且溫度計(jì)的體積也較大。

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

2．壓強(qiáng)的檢測(cè)最常用的壓強(qiáng)檢測(cè)儀是隔膜式壓力表。在生物反應(yīng)器中，在壓力表安裝時(shí)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(wú)菌操作。3．液位和泡沫高度的檢測(cè)液位的檢測(cè)主要方法有壓差法、電容法和電導(dǎo)法等。電容式液面計(jì)示意圖

壓差法測(cè)量液位原理

泡沫高度的測(cè)定最常用的方法是電極探針測(cè)定法：當(dāng)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(hào)。泡沫高度的檢測(cè)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(cè)此聲波經(jīng)液面反射后返回罐頂所需的時(shí)間，就可推出泡沫表面高度。4．培養(yǎng)基和液體流量測(cè)定橢圓流量計(jì)效應(yīng)流量計(jì)

科里奧利（Coriolis）效應(yīng)流量計(jì)

5．氣體流量計(jì)（1）體積流量型氣體流量計(jì)原理：根據(jù)流動(dòng)氣體動(dòng)能的轉(zhuǎn)換及流動(dòng)類型改變而檢測(cè)其流量。實(shí)驗(yàn)室小試和中試發(fā)酵系統(tǒng)幾乎都應(yīng)用轉(zhuǎn)子流量計(jì)。

同心孔板壓差式流量計(jì)，可用于工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模上。氣體流量計(jì)（2）質(zhì)量流量型氣體流量計(jì)檢測(cè)原理是利用流體的固有性質(zhì)，如質(zhì)量、導(dǎo)電性、電磁感應(yīng)及導(dǎo)熱等特性而進(jìn)行設(shè)計(jì)的。對(duì)氣體流量測(cè)定，最常用的是利用其導(dǎo)熱性能。氣體熱質(zhì)量流量傳感器結(jié)構(gòu)

氣體熱質(zhì)量流量計(jì)工作原理

6．發(fā)酵液粘度的檢測(cè)發(fā)酵工業(yè)上常用的粘度測(cè)定儀有振動(dòng)式粘度傳感儀、毛細(xì)管粘度計(jì)、回轉(zhuǎn)式粘度計(jì)以及渦輪旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)等。（1）振動(dòng)式粘度傳感儀可保證無(wú)菌操作，但只能測(cè)定粘度的相對(duì)值，且精確度較差，仍有待改進(jìn)提高。（2）發(fā)酵液循環(huán)粘度測(cè)定裝設(shè)自動(dòng)無(wú)菌取樣循環(huán)系統(tǒng)，使發(fā)酵液通過(guò)取樣管路流過(guò)旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)或毛細(xì)管粘度計(jì)，以實(shí)現(xiàn)發(fā)酵液粘度的連續(xù)在線檢測(cè)。7．?dāng)嚢柁D(zhuǎn)速和攪拌功率（1）攪拌轉(zhuǎn)速攪拌轉(zhuǎn)速的檢測(cè)常用方法有磁感應(yīng)式、光感應(yīng)式和測(cè)速發(fā)電機(jī)等三種。前兩種測(cè)速儀是利用攪拌軸或電機(jī)軸上裝設(shè)的感應(yīng)片切割磁場(chǎng)或光束而產(chǎn)生脈沖信號(hào)，此信號(hào)即脈沖頻率與攪拌轉(zhuǎn)速相同。測(cè)速發(fā)電機(jī)是利用在攪拌軸上或電機(jī)軸上裝設(shè)一小型發(fā)電機(jī)，后者的輸出電壓與攪拌轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系。

（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(cè)定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電壓與電流，或直接測(cè)定電機(jī)攪拌功率。8.PH的檢測(cè)最通用的pH測(cè)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(diǎn)。復(fù)合PH電極結(jié)構(gòu)

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(hù)套才能插入發(fā)酵罐中使用。具有溫度補(bǔ)償系統(tǒng)。在每批發(fā)酵滅菌操作前后進(jìn)行標(biāo)定。通常PH計(jì)的測(cè)定范圍是0～14，精度達(dá)10.05～0.1PH，響應(yīng)時(shí)間數(shù)秒至數(shù)十秒，靈敏度為0.1PH。9．溶氧濃度的檢測(cè)通常用溶氧電極法，其化學(xué)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(cè)定此電流值就可確定發(fā)酵液的溶氧濃度。溶氧電極實(shí)際上，用一層高分子膜使電極與被測(cè)溶液分隔開(kāi)，具有如下特點(diǎn)：（1）氧分子擴(kuò)散透過(guò)膜是限速步驟，故測(cè)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(bǔ)償線路；（3）電流值和氧的擴(kuò)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(yáng)極面積應(yīng)比陰極面積大得多，這樣可減小誤差。

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?jǐn)?shù)和溶氧值，前者最常用。值得注意的是，測(cè)定時(shí)要使電極周圍的液體適度流動(dòng)，以加強(qiáng)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(xì)胞在膜上積存，以保證溶氧測(cè)定的準(zhǔn)確。10．溶解CO2濃度的檢測(cè)測(cè)定原理利用對(duì)CO2分子有特殊選擇滲透通過(guò)特性的微孔膜，使擴(kuò)散通過(guò)的CO2