第四章生物反应器的检测及控制-PowerPoint演示

第四章生物反应器的检测及控制生化过程主要检测参变量生化过程常用检测方法及仪器第一节生物加工过程的参数要对生化过程进行有效的操作和控制，首先要了解生化过程的状态变化，也就是要了解生化过程的各种信息。这些信息可以分为物理变量信息、化学变量信息、以及生物变量信息。一、设定参数1．压强对通气生物发酵反应，必须往反应器中通入无菌的洁净空气，一是供应生物细胞呼吸代谢所必须的氧，二是强化培养液的混合与传质，三是维持反应器有适宜的表压，以防止外界杂菌进入发酵系统。对气升式反应器，通气压强的适度控制是高效溶氧传质及能量消耗的关键因素之一。2．温度不同的生物细胞，均有最佳的生长温度或产物生成温度，而酶也有最适的催化温度，所以必须使反应体系控制在最佳的发酵反应温度范围。3．通气量不论是液体深层发酵或是固体通风发酵，均要连续（或间歇）往反应器中通入大量的无菌空气。为达到预期的混合效果和溶氧速率，以及在固体发酵中控制发酵温度，必须控制工艺规定的通气量。过高的通气量会引起泡沫增多，水分损失太大以及通风耗能上升等不良影响。4．液面液面的高低决定了反应器装液系数即影响生产效率；对通风液体深层发酵，初装液量的多少即液面的高低需按工艺规定确定，否则通入空气后发酵液的含气率达一定值，液面就升高，加之泡沫的形成，故必须严格控制培养基液面。对气升内环流式反应器，由于导流筒应比液面低一适当高度才能实现最佳的环流混合与气液传质，但在通气发酵过程中，排气会带出一定水分，故反应器内培养液会蒸发减少，因此液面的检测监控更重要，必要时需补加新鲜培养基或无菌水，以维持最佳液位。同理，连续发酵过程液位必须维持恒定，液面的检测控制也十分重要。5．搅拌转速与搅拌功率搅拌转速对发酵液的混合状态、溶氧速率、物质传递等有重要影响，同时影响生物细胞的生长、产物的生成、搅拌功率消耗等。对某一确定的发酵反应器，当通气量一定时，搅拌转速升高，其溶氧速率增大，消耗的搅拌功率也越大。在完全湍流的条件下，搅拌功率与搅拌转速的三次方成正比。某些生物细胞如动植物细胞、丝状菌等，对搅拌剪切敏感，故搅拌转速和搅拌叶尖线速度有其临界上限范围。搅拌功率与搅拌转速的关系，是机械搅拌通气发酵罐的比拟放大基准。53iPDNNP6．泡沫高度发酵液泡沫产生的原因是多方面的，最主要的是培养基中所固有的或是发酵过程中生成的蛋白质、菌体、糖类以及其他稳定泡沫的表面活性物质，加上通气发酵过程大量的空气泡以及厌气发酵过程中生成的CO2气泡，都会导致生物发酵液面上生成不同程度的泡沫层。7．培养基流加速度对生物发酵的连续操作或流加操作过程，均需连续或间歇往反应器中加入新鲜培养基，且要控制加入量和加入速度，以实现优化的连续发酵或流加操作，获得最大的发酵速率和生产效率。8．冷却介质流量与速度为保持反应器系统的温度在工艺规定的范围内，必须用水等冷却介质通过热交换器把发酵热移走。根据生化反应器的热量平衡算式：冷却发酵QQQ0)(12TTcFQW冷却9．培养基质浓度和产物浓度培养液基质浓度则是发酵转化率及产物得率的重要衡量。掌握了发酵液中的产物浓度，就可确定发酵的进程以及决定发酵是否正常及是否需要结束发酵。基质与产物浓度的检测、控制对各种发酵均是必要的。二、状态参数1．黏度（或表观黏度）培养基的黏度主要受培养基的成分及浓度、细胞浓度、温度、代谢产物等影响。而发酵液的黏度（或表观黏度）对溶液的搅拌与混合、溶氧速率、物质传递等有重要影响，同时对搅拌功率消耗及发酵产物的分离纯化均起着重要作用。2．pH每一种生物细胞均有最佳的生长增殖pH值，细胞及酶的生物催化反应也有相应的最佳pH范围。而在培养基制备及产物提取、纯化过程也必须控制适当的pH。因此生物反应生产对pH的检测控制极为重要。3．溶氧浓度和氧化还原电位好气性发酵过程中，液体培养基中均需维持一定水平的溶解氧，以满足生物细胞呼吸、生长及代谢需要。溶解氧水平和溶氧效率往往是发酵生产水平和技术经济指标的重要影响因素。对一些亚好氧的生物发酵反应如某些氨基酸发酵生产，在产物积累时，只需很低的溶解氧水平。这样低的溶解氧浓度使用氧化还原电极电位计（ORP仪）来测定微小的溶氧值。4．发酵液中溶解CO2浓度对通气发酵生产，由于生物细胞的呼吸和生物合成，培养液中的氧会被部分消耗，而溶解的CO2含量会升高。对大部分的好氧发酵，当发酵液中溶解CO2浓度增至某值时，就会使细胞生长和产物生成速率下降。5．细胞浓度及酶活特性菌体的浓度与酶的活动中心密切相关。通过菌体干重的测定，可以了解生物的生长状态，从而控制和改变生产工艺或补料和供氧，保证达到较好的生产水平。酶做催化剂的生化反应，则酶浓度（活度）是必须检测监控的参变量。6．菌体形态菌体形态的变化也是反应它的代谢变化的重要特征。可以根据菌体的形态不同，区分出不同的发酵阶段和菌体的质量。三、间接参数1．呼吸代谢参数微生物的氧利用速率，二氧化碳释放速率，和呼吸熵。假设流出反应器的气体流量与空气流入量相等，空气中氧浓度为21%，二氧化碳的浓度为零，测量到排出气体的氧浓度为，二氧化碳的浓度为，则由气相物料平衡计算可得：氧利用速率（OUR）二氧化碳释放速率（CER）呼吸熵（）%2出O%2出COVFOOURRAO/%)%21(22出RQ%/%%212222出出）（COORRRQCOOVFCOCERRACO/%22出2．菌体比生长速率每小时每单位重量的菌体所增加的菌体量称为菌体的比生长速率，单位为1/h。菌体的比生长速率与生物的代谢有关。3．氧比消耗速率（rO2）氧比消耗速率称为菌体的呼吸强度，即每小时每单位重量的菌体所消耗的氧的数量，其单位为毫克分子氧/克干菌体小时。第二节检测方法与仪器研究微生物生长过程所需要的检测参数大多是通过在反应器中配置各种传感器和自动分析仪来实现的。这些装置能把非电量参数转化为电信号，这些信号经适当处理后，可用于监测发酵的状态、直接作发酵闭环控制和计算间接参数。在线检测离线检测发酵过程对传感器的要求：1.发酵过程对传感器的常规要求为准确性、精确度、灵敏度、分辨能力要高，响应时间滞后要小，能够长时间稳定工作，可靠性好，具有可维修性。2.必须考虑卫生要求，发酵过程中不允许有其他杂菌污染。3.一般要求传感器能与发酵液同时进行高压蒸汽灭菌，不耐受蒸汽灭菌的传感器可在罐外用其他方法灭菌后无菌装入。4.要求传感器与外界大气隔绝，采用的方法有蒸汽汽封、O形圈密封、套管隔断等。5.应选用不易污染的材料如不锈钢，防止微生物附着及干扰，便于清洗，不允许泄漏。6.传感器只与被测变量有关而不受过程中其他变量和周围环境条件变化影响的能力，如抗气泡及泡沫干扰等。一、主要参数检测原理及应用1．温度的测量常用的温度检测仪表有热电阻检测器（RTD）、半导体热敏电阻、热电偶和玻璃温度计等。其中热电阻是中低温区最常用的温度检测元件，具有性能稳定、测量精度高、在中低温区输出信号大、信号可以远传等优点。2．压强的检测压力、压差传感器的测量原理（1）压力与弹性体的变形应力相平衡，并转换成弹性体的位移；（2）压力与别的流体压力或电磁力等相平衡，并将其变换成力或电流，这种原理多用于工业生产过程压力测量变送传感器；（3）压力与流体的重量相平衡，由对应的液体量求得压力，如U形管压力计；（4）压力与固体的重量相平衡，由对应的固体重量求得压力，多用来标定压力计。3．液位和泡沫高度的检测导电电极法。该测量方法可由一支或两支电极所组成，若罐体是金属材料制成的，可只用一支电极。当液面或泡沫达到不绝缘的金属棒的端点时，就会有电流信号产生，指示出液体或泡沫的存在。这种液位电极传感器所施加的电压一般不超过24V，电流大约为15mA。比较安全可靠的电压为交流10V。采用交流的目的是防止被测液体的极化。电阻式泡沫电极:当电极垂直安装在罐体上时，其电极电流正比于不绝缘电极棒浸没入液体的长度，由此来测量泡沫液位高度。4．流量测量:容积式、速度式和质量式流量计容积式流量计:以单位时间内所排出流体的固定容积数目作为测量依据来计算流量.（1）差压式流量计差压式流量计也叫节流式流量计，是流量测量中最成熟、最常用的一种流量计，它依据流体流动的节流原理，利用流体流经节流装置时产生的压力差来实现流量测量，其压力差与流体流量成对应关系。转子流量计由一根上粗下细的锥形管和一个能在其内上下浮动的转子所组成。被测流体自下而上从转子和锥形管内壁之间的环隙中通过，由于流体通过环隙时被突然收缩，在转子上下两侧就产生了压差，使转子受到一个向上的冲力而浮起。当这个力正好等于浸没在流体中的转子的重量时，则作用在转子上的上、下两个作用力达到平衡，转子就停留在某一高度上。根据转子平衡位置的高低，就可得知流量的大小。（2）转子流量计（3）电磁流量计电磁流量计由检测和转换两部分组成，前者将被测介质流量转换成感应电势，然后由后者转换成4~20mA直流电流作为输出，在一段非导磁材料制成的管道外面，安装有一对磁极N和S，用以产生磁场，当导电液体流过管道时，因流体在磁场中作垂直方向流动而切割磁力线。5．发酵液黏度的测量发酵上常用的黏度测定仪毛细管黏度计、回转式黏度计和涡轮黏度计等。6．搅拌转速和搅拌功率磁感应式、光感应式测速仪:是利用搅拌轴或电机轴上装设的感应片切割磁场或光束而产生脉冲信号，此信号即脉冲频率与搅拌转速相同。而测速发电机是利用在搅拌轴上或电机轴上装设一小型发电机，测速发电机:输出电压与搅拌速率成线性关系。搅拌功率直接影响发酵液的混合与溶氧、细胞分散及物质传递、热量传递等特性。7．pH值的测量为了测量pH值，需要一个测量电极和一个参比电极，其工作原理是利用玻璃电极与参比电极浸泡于某一溶液时具有一定的电位，其pH可表示为：pH0()0.43FEERT现在一般采用复合电极。在复合电极中，玻璃电极由参比电极包裹着。温度对pH值的准确测量有很大的影响，为了补偿温度的影响，在pH复合电极中加一温度敏感元件，从而构成测量电极、参比电极和温度传感元件三位一体的三合一电极，对环境温度有很好的补偿作用。8.溶氧浓度的检测①亚硫酸盐氧化法②极谱法③氧化还原电极电位仪(亚好氧发酵过程)④溶氧电极法测定的三个用途1．对生物反应器的传氧性能进行测定，以便选择最佳条件进行操作，并对其进行评价。2．对发酵过程传氧性情况进行了解，以便判断发酵过程的供氧情况。3．为通风罐的研究过程找出设备参数（如），操作参数（如N－搅拌器转数Q－通风量）的关系，以便进行发酵罐的放大和合理设计。9．溶解CO2浓度的检测利用对CO2有特殊选择渗透通过特性的微孔膜，使扩散通过的CO2进入饱和碳酸氢钠缓冲溶液中，平衡后显示的pH与溶解的CO2浓度成正比，由此原理并通过变换就可测出溶解CO2浓度。10．细胞浓度的测定全细胞浓度：其测量方法可分为湿重法、干重法、浊度法、湿细胞体积法等。其中干重法准确度最高。活细胞浓度的测定：发酵液中活细胞浓度的测定原理是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。11．高压液相分析系统（HPLC）利用HPLC在线测量物质浓度，并配有发酵出口气体CO2分析仪和pH与氧化还原电极的发酵系统。产物的浓度，如木糖、乙醇和有机酸等，通过对发酵液采样过滤后进入过滤取样模件FAM（FilterAcquisitionModule），再由HPLC系统进行分析。12．流动注射式分析系统13．映像在线监控系统在线监测细胞数目、尺寸和形态的系统，即直接将光学显微镜安装在反应器中，通过此系统可以观察到细胞的数目，单个细胞的尺寸和形态，还可利用荧光显微镜同时估计细胞代谢过程。二、在线发酵仪器的研究进展1．红外光谱技术红外线被吸收的数量与吸收介质的浓度有关，当其通过待测介质后，其强度按指数规律减弱，符合朗伯比尔定律。将光源的连续谱辐射全部投射到被测样品上，根据样品吸收辐射能的情况来判定被测成分的含量。一直以来，原位过程监测中红外光的传递和高性能红外探头的研制是难以解决的问题。近几年通过