生物工程设备5-第五章-生物反应器的检测与控制设备课件.ppt

1、第五章第五章 生物反应器的检测与控制生物反应器的检测与控制第一节第一节 生化过程主要检测的参变量生化过程主要检测的参变量第二节第二节 生化过程的检测方法、仪器与应用生化过程的检测方法、仪器与应用第三节第三节 生物反应器的优化控制生物反应器的优化控制u要对生化过程进行有效的操作和控制，首先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、以及生物变量理变量信息、化学变量信息、以及生物变量信息。信息。第一节第一节 生化过程主要检测的参

2、变量生化过程主要检测的参变量u检测的目的；检测的目的；u有多少必须检测的状态参数，这些参变量能否测量检出有多少必须检测的状态参数，这些参变量能否测量检出?u能测定的参数可否在线检测，其响应滞后是否太大能测定的参数可否在线检测，其响应滞后是否太大?u从状态参数的检测结果，如何判断该生物反应器及生物细从状态参数的检测结果，如何判断该生物反应器及生物细胞本身的状态；胞本身的状态；u反应系统中需控制的主要参变量是什么反应系统中需控制的主要参变量是什么?这些需控制的参这些需控制的参变量与生物反应效能如何相关对应变量与生物反应效能如何相关对应?生物反应过程检测的基本要求生物反应过程检测的基本要求过程检测参

3、数的类型过程检测参数的类型u物理参数物理参数温度、压力、搅拌器转速、动力消耗、通气量、流加物料量、料液总质量、料液体积、发酵液黏度、流动特性、放热量、添加物质的累积量u化学、生物参数化学、生物参数氧化还原电位、DO、DCO2浓度、尾气氧分压和PCO2分压、KLa、菌体浓度、细胞内物质组成、碳源、氮源、金属离子、诱导物质、目的代谢产物、副产物等的浓度、酶的比活力、各种比速率、呼吸熵物理参数的作用与检测方法物理参数的作用与检测方法化学、物理参数的作用与检测方法化学、物理参数的作用与检测方法比生长速率比生长速率1.温度温度u 不同的生物细胞，均有最佳的生长温度或不同的生物细胞，均有最佳的生长温度或产

4、物生成温度，而酶也有最适的催化温度，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所以必须使反应体系控制在最佳的发酵反应温度范围。应温度范围。一、物理参数一、物理参数典型啤酒发酵温度曲线典型啤酒发酵温度曲线2.压强压强u 对通气生物发酵反应，必须往反应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，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。止外界杂菌进入发酵系统。u

5、对气升式反应器，通气压强的适度对气升式反应器，通气压强的适度控制是高效溶氧传质及能量消耗的控制是高效溶氧传质及能量消耗的关键因素之一。关键因素之一。3.通气量通气量u 不论是液体深层发酵或是固不论是液体深层发酵或是固体通风发酵，均要连续（或间体通风发酵，均要连续（或间歇）往反应器中通入大量的无歇）往反应器中通入大量的无菌空气。为达到预期的混合效菌空气。为达到预期的混合效果和溶氧速率，以及在固体发果和溶氧速率，以及在固体发酵中控制发酵温度，必须控制酵中控制发酵温度，必须控制工艺规定的通气量。工艺规定的通气量。u 过高的通气量会引起泡沫增过高的通气量会引起泡沫增多，水分损失太大以多，水分损失太大以

6、 及通风及通风耗能上升等不良影响耗能上升等不良影响。通气量和通气量和pH对苹果酸发酵的影响对苹果酸发酵的影响4.液位液位u 液液位位的的高低决定了反应器装液系数即影响生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，初装液量的多产效率；对通风液体深层发酵，初装液量的多少即少即液位的液位的高低需按工艺规定确定，否则通入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，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加之泡沫的形成，故必须严格控制培养基液位。液位。u 对对气升内环流式反应器，由于导流筒应比液面气升内环流式反应器，由于导

7、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，以维持最佳液位基或无菌水，以维持最佳液位。u 连连续发酵过程液位必须维持恒定，液面的检测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。控制也十分重要。5.5.搅搅拌转速与搅拌功率拌转速与搅拌功率u 搅拌转速对发酵液的混合状态、溶氧速率、搅拌转速对发

8、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。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。下，搅拌功率与搅拌转速的三次方成正比。u 某些生物细胞如动植物细胞、丝状菌等，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对搅拌剪切敏感，故搅拌

9、转速和搅拌叶尖线速度有其临界上限范围。线速度有其临界上限范围。u 搅拌功率与搅拌转速的关系，是机械搅拌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。通气发酵罐的比拟放大基准。6.泡沫高度泡沫高度u发酵液泡沫产生的原因是多方面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，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、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大量的空气泡以及厌气发酵过程中生成的程中生成的CO2气泡，都会导致气泡，都

10、会导致生物发酵液面上生成不同程度的生物发酵液面上生成不同程度的泡沫层。泡沫层。7.培培养基流加速度养基流加速度u对对生物发酵的连续操作或生物发酵的连续操作或流加操作过程，均需连续流加操作过程，均需连续或间歇往反应器中加入新或间歇往反应器中加入新鲜培养基，且要控制加入鲜培养基，且要控制加入量和加入速度，以实现优量和加入速度，以实现优化的连续发酵或流加操作，化的连续发酵或流加操作，获得最大的发酵速率和生获得最大的发酵速率和生产效率。产效率。流加培养流加培养8.黏度（或表观黏度）黏度（或表观黏度）u 培养基的黏度主要受培养基的成培养基的黏度主要受培养基的成分及浓度、细胞浓度、温度、代分及浓度、细胞浓

11、度、温度、代谢产物等影响。谢产物等影响。u发酵液的黏度（或表观黏度）对发酵液的黏度（或表观黏度）对溶液的搅拌与混合、溶氧速率、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搅拌功率消耗及发酵产物的分离纯化均起着重要作用。纯化均起着重要作用。二、化学参数二、化学参数1.pHu每一种生物细胞均有最佳的生每一种生物细胞均有最佳的生长增殖长增殖pH值，细胞及酶的生物值，细胞及酶的生物催化反应也有相应的最佳催化反应也有相应的最佳pH范范围。围。u 在培养基制备及产物提取、纯在培养基制备及产物提取、纯化过程也必须控制适当的化过程也必须控制适

12、当的pH。因此生物反应生产对因此生物反应生产对pH的检测的检测控制极为重要。控制极为重要。2.溶氧浓度和氧化还原电位溶氧浓度和氧化还原电位u 好气性发酵过程中，液体培养基中均好气性发酵过程中，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。平和技术经济指标的重要影响因素。u 对一些亚好氧的生物发酵反应如某些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，只氨基酸发酵生产，在产物积累时，只需很低

13、的溶解氧水平。这样低的溶解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氧浓度使用氧化还原电极电位计（ORPORP仪）来测定微小的溶氧值。仪）来测定微小的溶氧值。谷氨酸发酵溶氧变化谷氨酸发酵溶氧变化3.发酵液中溶解发酵液中溶解CO2浓度浓度u对通气发酵生产，由于生对通气发酵生产，由于生物细胞的呼吸和生物合成，物细胞的呼吸和生物合成，培养液中的氧会被部分消培养液中的氧会被部分消耗，而溶解的耗，而溶解的CO2含量会含量会升高。升高。u对大部分的好氧发酵，当对大部分的好氧发酵，当发酵液中溶解发酵液中溶解CO2浓度增浓度增至某值时，就会使细胞生至某值时，就会使细胞生长和产物生成速率下降长

14、和产物生成速率下降。图图7-1谷氨酸发酵的代谢曲线谷氨酸发酵的代谢曲线4.呼吸代谢参数呼吸代谢参数u微生物的氧利用速率、二氧化碳释放速率、呼微生物的氧利用速率、二氧化碳释放速率、呼吸熵吸熵.l 氧利用速率（氧利用速率（OUR）l 二氧化碳释放速率（二氧化碳释放速率（CER）l 呼吸熵（呼吸熵（RQ）（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（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%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零，测量到排出气体的氧浓度为O O2 2出出%，二氧化，二氧化碳的浓度为碳的浓度为COCO2 2出出%，则由气

15、相物料平衡计算可得上式），则由气相物料平衡计算可得上式）VFOOURRAO/%)%21(22出%/%212222出出）（COORRRQCOOVFCOCERRACO/%22出5氧比消耗速率（氧比消耗速率（rO2）u氧比消耗速率称为氧比消耗速率称为菌体的呼吸强度菌体的呼吸强度，即每小时每单位重量，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的菌体所消耗的氧的数量，其单位为毫克分子氧/克干菌克干菌体小时体小时。1.细细胞浓度及酶活特性胞浓度及酶活特性u菌体的浓度与酶的活动中菌体的浓度与酶的活动中心密切相关。通过菌体干心密切相关。通过菌体干重的测定，可以了解生物重的测定，可以了解生物的

16、生长状态，从而控制和的生长状态，从而控制和改变生产工艺或补料和供改变生产工艺或补料和供氧，保证达到较好的生产氧，保证达到较好的生产水平。水平。u酶做催化剂的生化反应，酶做催化剂的生化反应，则酶浓度（活度）是必须则酶浓度（活度）是必须检测监控的参变量检测监控的参变量。三、生物参数三、生物参数2.菌体形态菌体形态u菌体形态的变化也是反应它的代谢变化的重要特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酵阶段和菌体的质量。3.菌体比生长速率菌体比生长速率()u每小时每单位重量的菌体所增加的菌体量称为菌体

17、的比生长速率，单位为h-1。u菌体的比生长速率与生物的代谢有关。比生长速率变化比生长速率变化4.培养基质浓度和产物浓度培养基质浓度和产物浓度u培养液基质浓度则是发酵转化培养液基质浓度则是发酵转化率及产物得率的重要衡量。率及产物得率的重要衡量。u掌握了发酵液中的产物浓度，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是否正常及是否需要结束发酵。发酵。u基质与产物浓度的检测、控制基质与产物浓度的检测、控制对各种发酵均是必要的。对各种发酵均是必要的。第二节第二节 生化过程常用检测方法、仪器生化过程常用检测方法、仪器及应用及应用一、检测方法

18、及仪器组成一、检测方法及仪器组成u在线检测在线检测u离线检测离线检测 u研究微生物生长过程所需要的检测参数大多是通过在反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应器中配置各种传感器和自动分析仪传感器和自动分析仪来实现的。这些装来实现的。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。算间接参数。发酵过程对传感器的要求发酵过程对传感器的要求u 发酵过程对传感器的常规要求为发酵过程对传感器的常规要求为准确性、精确度、

19、灵敏度、分辨能准确性、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，可靠性力要高，响应时间滞后要小，能够长时间稳定工作，可靠性好好，具有可维修性。，具有可维修性。u 必须考虑卫生要求，发酵过程中不允许有其他杂菌污染。必须考虑卫生要求，发酵过程中不允许有其他杂菌污染。u 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。传感器可在罐外用其他方法灭菌后无菌装入。u 要求传感器与外界大气隔绝，采用的方法有蒸汽汽封、要求传感器与外界大气隔绝，采用的方法有蒸汽汽封、O

20、 O形圈密封、套形圈密封、套 管隔断等。管隔断等。u 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，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。不允许泄漏。u 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。响的能力，如抗气泡及泡沫干扰等。u 采用灭菌的微孔陶瓷管或渗透膜管置反应器内，可连续在采用灭菌的微孔陶瓷管或渗透膜管置反应器内，可连续在线无菌取样检测线无菌取样检测u对于挥发性物质的检测，如酒精发酵过程中的乙醇含量对于挥发性物质的检测，

21、如酒精发酵过程中的乙醇含量测定，可采用微孔管在线取样检测法测定，可采用微孔管在线取样检测法疏水性聚四氟乙烯微孔管：水不可透过，发酵液中挥发成分（乙醇）可透过二、主要参数检测原理及应用二、主要参数检测原理及应用 1.温度的测量温度的测量u常用工业温度检测仪表有常用工业温度检测仪表有热电阻检测器（热电阻检测器（RTD）、）、半导体热敏电阻、热电偶半导体热敏电阻、热电偶和和玻璃温度计玻璃温度计等。其中等。其中热电阻热电阻是中低温区最常用的温度检测元件，具有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、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。信

22、号可以远传等优点。2.溶氧浓度的检测溶氧浓度的检测u溶氧电极法溶氧电极法u体积溶氧系数体积溶氧系数(la)la)的测量的测量 用溶氧电极与氧气分析仪相配合，可直接测用溶氧电极与氧气分析仪相配合，可直接测 量实际发酵液中的量实际发酵液中的lala（式中式中进进，为常量：，为常量：出出可用氧气分析仪自排出气体测得，可用氧气分析仪自排出气体测得，为为培养液中的溶氧浓度用溶氧电极测得）培养液中的溶氧浓度用溶氧电极测得）3.pH值的测量值的测量u 为了测量为了测量pH值，需要一个测量电极和一个参比值，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电极，其工作原理是利用玻璃电极与参比电

23、极浸泡于某一溶液时具有一定的电位差，其浸泡于某一溶液时具有一定的电位差，其pH可可表示为：表示为：0()0.43F EERTpH u 现现在一般采用复合电极。在在一般采用复合电极。在复合电极中，玻璃电极由参复合电极中，玻璃电极由参比电极包裹着。比电极包裹着。u 温度对温度对pH值的准确测量有很大的影值的准确测量有很大的影响，为了补偿温度的影响，在响，为了补偿温度的影响，在pH复复合电极中加一温度敏感元件，从而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环境温度有很好

24、的补偿作用。复合电极结构复合电极结构溶氧电极溶氧电极4.氧化还原电位（氧化还原电位（ORP）测定）测定u ORP的检测原理是基于溶液中的金属电极上进行的检测原理是基于溶液中的金属电极上进行的电子交换达到平衡时，具有相应的氧化还原电的电子交换达到平衡时，具有相应的氧化还原电位值位值,与与pH和温度有关。表示式为：和温度有关。表示式为：HFRTpoFRTaaFRTEERlnln4ln42005.5.液位和泡沫高度的检测液位和泡沫高度的检测u液位的检测主要方法液位的检测主要方法电容法电容法压差法压差法 电导法电导法u电容式液面计电容式液面计在反应器或其他容器中装设两根金属电极，由于容器内液位不同就在

25、反应器或其他容器中装设两根金属电极，由于容器内液位不同就使得两导线间的电位发生改变，并通过与基准点间的物料量的值进使得两导线间的电位发生改变，并通过与基准点间的物料量的值进行比较，就可得知发酵罐或容器内的物料量或液位。如罐内有泡行比较，就可得知发酵罐或容器内的物料量或液位。如罐内有泡沫，要测定泡沫高度，那必须注意基准位置的选定。沫，要测定泡沫高度，那必须注意基准位置的选定。u 压差法压差法 利用发酵罐或容器中上下两点或三利用发酵罐或容器中上下两点或三点间不同压强就可计算出料液量和液点间不同压强就可计算出料液量和液面高度。发酵液位高面高度。发酵液位高H H可由下式求算，可由下式求算，H=H=（P

26、P2 2/P/P1 1）HH电容探头电容探头电阻探头电阻探头电热探头电热探头超声探头超声探头泡沫检测转盘泡沫检测转盘u泡沫的检测泡沫的检测u电容探头电容探头 由两个电极组成，泡沫改变两个电极之间的电容，由两个电极组成，泡沫改变两个电极之间的电容，引起通过该电容的交流电流产生变化，将气泡的引起通过该电容的交流电流产生变化，将气泡的出现转变成电信号，达到检测气泡的目的。出现转变成电信号，达到检测气泡的目的。优点是结构简单，输出电信号的大小与泡沫量呈优点是结构简单，输出电信号的大小与泡沫量呈正比，因此常应用在大型生物反应器中。正比，因此常应用在大型生物反应器中。缺点：两个电极容易结垢，影响测量。缺点

27、：两个电极容易结垢，影响测量。u超声探头超声探头 超超声探头有一个超声波发射声探头有一个超声波发射端和一个接受端，分别安装在端和一个接受端，分别安装在反应器内泡沫可能出现的空间反应器内泡沫可能出现的空间两端相对位置。使用时，发射两端相对位置。使用时，发射端不断发出频率在端不断发出频率在2540Hz的的超声波，在没有泡沫的情况下，超声波，在没有泡沫的情况下，大部分超声波被接受端接受。大部分超声波被接受端接受。当有泡沫出现时，由于泡沫能当有泡沫出现时，由于泡沫能够吸收够吸收2540Hz的超声波，抵的超声波，抵达接收端的超声波相应减少，达接收端的超声波相应减少，从而能够检测泡沫的出现。从而能够检测泡

28、沫的出现。6.溶解溶解CO2浓度的检测浓度的检测u 利用对利用对CO2有特殊选择渗透通过特性的微孔膜，有特殊选择渗透通过特性的微孔膜，使扩散通过的使扩散通过的CO2进入饱和碳酸氢钠缓冲溶液中，进入饱和碳酸氢钠缓冲溶液中，平衡后显示的平衡后显示的pH与溶解的与溶解的CO2浓度成正比，由此浓度成正比，由此原理并通过变换就可测出溶解原理并通过变换就可测出溶解CO2浓度。浓度。23lglgCOHCOaKpH7.培养基和液体流量计培养基和液体流量计u液体质量流量计u电磁流量计u漩涡流量计u转子流量计u工作原理与结构工作原理与结构椭圆齿轮流量计是由计量箱和装在计量箱内的一对椭圆齿椭圆齿轮流量计是由计量箱和

29、装在计量箱内的一对椭圆齿轮，与上下盖板构成一个密封的初月形空腔（由于齿轮的转轮，与上下盖板构成一个密封的初月形空腔（由于齿轮的转动，所以不是绝对密封的）作为动，所以不是绝对密封的）作为一次排量的计算单位一次排量的计算单位。当被。当被测液体经管道进入流量计时，由于进出口处产生的压力差推测液体经管道进入流量计时，由于进出口处产生的压力差推动一对齿轮连续旋转，不断地把经初月形空腔计量后的液体动一对齿轮连续旋转，不断地把经初月形空腔计量后的液体输送到出口处，椭圆齿轮的输送到出口处，椭圆齿轮的转数与每次排量四倍的乘积转数与每次排量四倍的乘积即为即为被测液体流量的总量（原理见图）。被测液体流量的总量（原理

30、见图）。液体直通流量计液体直通流量计电磁流量计电磁流量计u电磁流量计的测量原理是基于电磁流量计的测量原理是基于法拉第电磁感应法拉第电磁感应定定律：律：导电液体在磁场中作切割磁力线运动时，导体中产生感应电势，导电液体在磁场中作切割磁力线运动时，导体中产生感应电势，其感应电势其感应电势E为：为：E=KBVD （式中：（式中：K仪表常数仪表常数 B磁感应强度磁感应强度 V测量管道截面内的平均流速测量管道截面内的平均流速 D测量管道截面的内径测量管道截面的内径）测量流量时，导电性液体以速度测量流量时，导电性液体以速度V流过垂直于流动方流过垂直于流动方 向的磁场，导电性液体的向的磁场，导电性液体的流动感

31、应出一个与平均流速流动感应出一个与平均流速 成正比的电压成正比的电压，其感应电压信号通过二个或二个以上，其感应电压信号通过二个或二个以上 与液体直接接触的电极捡出，并通过电缆送至转换器通过与液体直接接触的电极捡出，并通过电缆送至转换器通过 智能化处理，然后智能化处理，然后LCD显示或转换成标准信号显示或转换成标准信号420ma和和0 1khz输出。输出。漩涡流量计漩涡流量计u当沿着轴向的流体流量传感器入品时，在漩涡发生体的作用下，被强制围绕中心线旋转，产生漩涡流，漩涡流在文丘利管中旋进，到达收缩段突然节流后，使漩涡流加速，当通过扩散段时，漩涡中心沿一锥形螺旋线进动。此时，漩涡中心通过检测点的进

32、动频率进动频率与与流体的流速流体的流速成成正比。正比。8.培养液尾气分析培养液尾气分析u尾气总流量：转子流量计尾气总流量：转子流量计u尾气中二氧化碳的含量尾气中二氧化碳的含量u尾气中的氧含量尾气中的氧含量u尾气中其他气体的分析：工业质谱仪尾气中其他气体的分析：工业质谱仪u尾气总流量：转子流量计尾气总流量：转子流量计 原理：原理：在一定流量下在一定流量下转子在测量管转子在测量管仲的悬浮高度仲的悬浮高度不同，读出相不同，读出相应的刻度即可应的刻度即可得到流量值。得到流量值。u质量流量计质量流量计 精确的测量。精确的测量。结构原理：在气体的流通方向上缠绕三个线圈，中间的结构原理：在气体的流通方向上缠

33、绕三个线圈，中间的线圈以恒定的功率加热，两边的线圈分别测量温度。当线圈以恒定的功率加热，两边的线圈分别测量温度。当流过管道的流量不同时，从上游线圈到下游线圈之间的流过管道的流量不同时，从上游线圈到下游线圈之间的温度差不同，当温度差不同，当流量改变时这个温度差也随之改变流量改变时这个温度差也随之改变，因，因此可以用此可以用 来测量流过来测量流过 的质量流量。的质量流量。没有空气流动时，沿测量管轴方向的温度没有空气流动时，沿测量管轴方向的温度分布大体上是左右对称的，而有空气流过时，分布大体上是左右对称的，而有空气流过时，近气流进入端的温度降低，而流出端的温度上升近气流进入端的温度降低，而流出端的温

34、度上升200/lgCCLIIu 排气中排气中CO2浓度浓度常用检测仪有红外线二氧化碳测常用检测仪有红外线二氧化碳测定仪和定仪和二氧化碳电极。二氧化碳电极。CO2气体在红外气体在红外2.62.9103和和4.14.5103nm之间有吸收峰，之间有吸收峰，依据朗伯比尔定律：依据朗伯比尔定律：u排气的排气的氧分压氧分压的测定的测定气体中氧浓度检测方法主要有磁氧分析、极气体中氧浓度检测方法主要有磁氧分析、极谱电位法和质谱法。谱电位法和质谱法。磁氧分析根据氧气分子具有很强的顺磁性，磁氧分析根据氧气分子具有很强的顺磁性，容易被磁场吸引，而其他分子的顺磁性弱，或容易被磁场吸引，而其他分子的顺磁性弱，或者具有

35、抗磁性的原理测量气体中的氧含量。者具有抗磁性的原理测量气体中的氧含量。英国英国MI公司公司尾气尾气分析仪分析仪发酵在线尾气分析仪发酵在线尾气分析仪发酵在线尾气分析系统发酵在线尾气分析系统8.细胞浓度测定细胞浓度测定u对于生物反应器在线检测用的生物传感器或普通的传感对于生物反应器在线检测用的生物传感器或普通的传感器，必须尽可能满足下述要求器，必须尽可能满足下述要求:响应要连续、迅速响应要连续、迅速灵敏度应在灵敏度应在0.02g/L0.02g/L以上以上电极本身对生物细胞无影响电极本身对生物细胞无影响检测过程对细胞无损伤，不必加药；检测过程对细胞无损伤，不必加药；可检测含固体微粒营养物质的发酵液可

36、检测含固体微粒营养物质的发酵液易于清洗、灭菌易于清洗、灭菌u全细胞浓度仪全细胞浓度仪常用流通式浊度计流通式浊度计用的光源可用可见单色光、激光或紫外光，最常用的光源可用可见单色光、激光或紫外光，最常用的为可见光或同一波长的激光束，前者的波长用的为可见光或同一波长的激光束，前者的波长400400660nm660nm之间，之间，根据不同的生物细胞选用不同的波长。在一定的根据不同的生物细胞选用不同的波长。在一定的细胞浓度范围，细胞浓度范围，全细胞浓度与光密度全细胞浓度与光密度(也称消光系也称消光系数，数，OD)OD)值成线性关系。值成线性关系。若应用激光束作光源，可若应用激光束作光源，可测全细胞浓度的

37、范围是测全细胞浓度的范围是O O200g/L(200g/L(湿细胞湿细胞)，精度，精度在在l%FSl%FS，响应时间只用，响应时间只用lsls。LabScan型实时型实时在线在线浊度计浊度计 u活细胞浓度测定活细胞浓度测定发酵液中活细胞浓度的测定原理是利用活生物细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胞催化的反应或活细胞本身特有的物质而使用生物光或化学发光法进行测定。物光或化学发光法进行测定。例如，活生物细胞为了维持呼吸与代谢，必须有一例如，活生物细胞为了维持呼吸与代谢，必须有一 定的能量物质定的能量物质ATPATP，其含量视细胞种类及活性等不同，

38、其含量视细胞种类及活性等不同 而变化，生长条件相同的同一类细胞所具有的而变化，生长条件相同的同一类细胞所具有的ATPATP水水 平是一样的。当细胞死灭，其中的平是一样的。当细胞死灭，其中的ATPATP就迅速水解而就迅速水解而 消失，因此可通过发酵液的消失，因此可通过发酵液的ATPATP浓度检测来确定活细浓度检测来确定活细 胞浓度。胞浓度。英国英国ABER公司原位公司原位活细活细胞胞在线检测仪在线检测仪德国OPTEK发酵(BIOMASS)生物量密度分析仪 三、生物发酵溶液中营养成分与产物的分析三、生物发酵溶液中营养成分与产物的分析u对发酵生产，反应溶液中的营养成分和产物、副产物的分对发酵生产，反

39、应溶液中的营养成分和产物、副产物的分析测定是十分重要的。但至今大多数的成分仍未能在线检析测定是十分重要的。但至今大多数的成分仍未能在线检测，通常是在反应器中装设微孔陶瓷取样器或渗透膜取样测，通常是在反应器中装设微孔陶瓷取样器或渗透膜取样器进行无菌取样；然后使用器进行无菌取样；然后使用HPLCHPLC或或GCGC等仪器或化学方法进等仪器或化学方法进行检测。行检测。发酵液中营养成分与产物发酵液中营养成分与产物液相液相色谱色谱气相气相色谱色谱常见发酵检测仪器设备常见发酵检测仪器设备美国美国 YSI 葡萄糖生化分析仪葡萄糖生化分析仪 国产葡萄糖生化分析仪国产葡萄糖生化分析仪 自动凯氏定氮仪自动凯氏定氮

40、仪原子吸收分光光度计原子吸收分光光度计在线分析仪器设备在线分析仪器设备u高压液相分析系统（高压液相分析系统（HPLC）u流动注射式（流动注射式（Flow Injection Analyser）分析）分析系统系统u映像在线监控系统映像在线监控系统u高压液相分析系统（高压液相分析系统（HPLC）3154图5-5 HPLC在发酵中应用装置1-主机 2-基质 3-溶加 4-HPLC-PC 5-HPLC过滤 取样模件 6-CO2分析仪 7-HP-349A信号采集762 发酵液过滤后进发酵液过滤后进入过滤取样模件入过滤取样模件FAM，由，由HPLC系系统分析。数据传统分析。数据传到主计算机到主计算机高压液

41、相分析系统高压液相分析系统 实质是将样品送至检测装置的一种实质是将样品送至检测装置的一种手段，可以直接将样品送至检测装手段，可以直接将样品送至检测装置，也可与载气、反应剂混合送至置，也可与载气、反应剂混合送至检测系统检测系统 发酵罐中发酵液经过滤器过滤，清发酵罐中发酵液经过滤器过滤，清液注入探测器，检测。液注入探测器，检测。u流动注射式分析系统流动注射式分析系统（Flow Injection Analyser）FIAlab Instruments流动注射式分析系统流动注射式分析系统 u映像在线监控系统映像在线监控系统即直接将光学显微镜安装在反应器中，可以观察到细胞即直接将光学显微镜安装在反应器

42、中，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。同时估计细胞代谢过程。华东理工大学研制华东理工大学研制四、生物传感器在发酵过程检测中的应用四、生物传感器在发酵过程检测中的应用 生物传感器生物传感器：利用生物材料和适当的转换元件制：利用生物材料和适当的转换元件制成的传感器成的传感器 生物材料：固定化酶、微生物、抗原抗体、生物生物材料：固定化酶、微生物、抗原抗体、生物组织等组织等 转换元件：电化学电极、热敏电阻等转换元件：电化学电极、热敏电阻等u 酶电极u微生物电极u免疫电极u酶传感器酶传感器一些常用酶电极的性

43、能一些常用酶电极的性能被测物质酶名电极类别稳定性/d应答时间测定范围/mgL-1葡萄糖葡萄糖氧化酶H2O210010s15102半乳糖半乳糖氧化酶H2O2204010103乙醇乙醇氧化酶O212030s5103乳酸乳酸氧化酶O23030s5103丙酮酸丙酮酸氧化酶O2102min10103尿酸尿酸酶O212030s10103尿素尿素酶NH36012min10103胆固醇胆固醇脂酶胆固醇氧化酶H2O2303min105103中性脂肪脂肪酶pH141min55103青霉素青霉素酶pH7140.52min10103丙谷转氨酶丙酮酸氧化酶O210210min0.5180快速，灵敏！快速，灵敏！细胞培养

44、方面使用的传感器细胞培养方面使用的传感器被测物质所使用的酶浓度范围/mmolL-1抗坏血酸（VC）抗坏血酸氧化酶0.050.6纤维素二糖-葡萄糖苷酶+葡萄糖氧化酶+过氧化氢酶0.055.0头孢菌素头孢菌素酶0.00510肌酸酐肌酸酐、亚胺水解酶0.0110乙醇乙醇氧化酶0.011半乳糖半乳糖氧化酶0.011葡萄糖葡萄糖氧化酶+过氧化氢酶0.0010.8乳酸乳酸单氧酶0.0022乳糖乳糖酶+葡萄糖氧化酶+过氧化氢酶0.0510草酸草酸氧化酶0.0050.5青霉素-内酰胺酶0.01500蔗糖转化酶（蔗糖酶）0.05100甘油三酯脂蛋白、脂肪酶0.15.0尿素尿素酶0.01500第三节第三节 生物反

45、应器的优化控制生物反应器的优化控制u生物反应器的优化控制概述生物反应器的优化控制概述u生化反应过程的主要控制参数生化反应过程的主要控制参数u生物反应器的优化控制生物反应器的优化控制+87计算机技术的快速发展计算机技术的快速发展工业设备技术水平的大幅度进步工业设备技术水平的大幅度进步自动控制技术自动控制技术被广泛被广泛用于发酵过程的控制用于发酵过程的控制特别特别高端发酵制药行业高端发酵制药行业，应用更多，应用更多一、生物反应器优化控制概述一、生物反应器优化控制概述88发酵罐发酵罐(A)原料预处理与输送原料预处理与输送(B)蒸汽系统蒸汽系统(C)降温水系统降温水系统(D)空气系统空气系统(E)种子

46、供给种子供给(F)尾气尾气(I)、废液处理、废液处理(J)补料系统补料系统(G)检测与控制系统检测与控制系统(H)(A B C D E F G H I)发酵发酵罐系统设计示意图罐系统设计示意图89(A B C D E)l工作原理工作原理：各种检测设备的：各种检测设备的原始检测信号原始检测信号A被转换器被转换器B转化为计算机转化为计算机 识别的识别的通用信号通用信号C（一般为（一般为4-20mA的电流信号），并被输入工业计算机，的电流信号），并被输入工业计算机，然后，计算机根据设定值发出然后，计算机根据设定值发出反馈控制信号反馈控制信号(D)，经过，经过控制器控制器(E)对各个对各个 参数进行调

47、节与控制参数进行调节与控制。图图 7-17 7-17 用于微生物发酵过程的某个计算机控制系统示意图用于微生物发酵过程的某个计算机控制系统示意图93(A B C D E)lDCSDCS分布式控制系分布式控制系统统 发酵工业常用的一种自动控制发酵工业常用的一种自动控制 系统。系统。lDCSDCS系统系统组成组成：现场仪表、各种信号转换现场仪表、各种信号转换与与 传输设备、操作员站、传输设备、操作员站、工程师站、主机等组成。工程师站、主机等组成。l操作员站操作员站：分布在各个现场分布在各个现场l主机主机：多采用多采用冗余冗余配置配置。DCS系统设备组成发酵通气自动控制技术发酵通气自动控制技术u目的：

48、使生物反应处于最佳的反应条件下，反映在生产上目的：使生物反应处于最佳的反应条件下，反映在生产上就是以最少的消耗产生最优、最多的合格产品。就是以最少的消耗产生最优、最多的合格产品。u在实际运行过程中，生物反应器的主要控制参数包括温度、在实际运行过程中，生物反应器的主要控制参数包括温度、pH值（酸度）、溶氧、泡沫、生物体（菌体）浓度、生物值（酸度）、溶氧、泡沫、生物体（菌体）浓度、生物体（菌体）比生长速率、呼吸熵、基质等。体（菌体）比生长速率、呼吸熵、基质等。二、生化反应过程的主要控制参数二、生化反应过程的主要控制参数u温温度的控制度的控制 生物反应的最佳温度范围是比生物反应的最佳温度范围是比较狭

49、窄的，所以发酵过程需把较狭窄的，所以发酵过程需把生物反应器的温度控制在某一生物反应器的温度控制在某一定值或区间内。定值或区间内。在冷却水温度比较稳定的情况在冷却水温度比较稳定的情况下，生化反应器的温度常采用下，生化反应器的温度常采用单回路的单回路的PIDPID控制。这样的温控制。这样的温度控制系统由四个环节组成，度控制系统由四个环节组成，即即温度测量元件，通常用铂热温度测量元件，通常用铂热电阻温度计电阻温度计T T，控制器，调节，控制器，调节阀和被控过程的生化反应器阀和被控过程的生化反应器（发酵罐）（发酵罐）。u如右图所示，控制器使用温度探头感应反应器内的温度，当温度大于设定值时，将电加热器关

50、闭，通入的冷水很快使温度降低。当温度低于设定值时，控制仪打开电加热器，使温度升高。控制仪使用开、关控制的办法，配合冷水将温度控制在一定的范围，温度控制精度可小于+0.5度。u 温度控制仪使用铂电阻温度控制仪使用铂电阻探头感知生物反应器内探头感知生物反应器内的温度，与设定温度比的温度，与设定温度比较后，调节外置水浴的较后，调节外置水浴的冷水进口阀门和加热装冷水进口阀门和加热装置以改变水浴内的温度，置以改变水浴内的温度，水浴内的换热介质通过水浴内的换热介质通过生物反应器的内置换热生物反应器的内置换热器，或者夹套换热器与器，或者夹套换热器与培养液进行热交换，从培养液进行热交换，从而维持反应器温度在一