生物反應(yīng)器的檢測(cè)及控制.ppt

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 并通過光電轉(zhuǎn)換等技術(shù)用二次儀表顯示或通過計(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 攪拌轉(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 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)酵過程的控制來講 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)無菌取樣循環(huán)系統(tǒng) 使發(fā)酵液通過取樣管路流過旋轉(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 攪拌轉(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 具有如下特點(diǎn) 1 氧分子擴(kuò)散透過膜是限速步驟 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特性的微孔膜 使擴(kuò)散通過的CO2進(jìn)入飽和碳酸氫鈉緩沖溶液中 平衡后顯示的pH與溶解的CO2濃度成正比 由此原理并通過變換就可測(cè)出溶解CO2濃度 溶解CO2濃度的檢測(cè) 溶解CO2濃度測(cè)定儀的工作原理和pH計(jì)類似不同點(diǎn)是電極內(nèi)裝了飽和的碳酸氫鈉溶液 在高溫滅菌時(shí)會(huì)部分分解 故要每次滅菌后均需校準(zhǔn)才能測(cè)定 11 氧化還原電位 ORP 的檢測(cè) 檢測(cè)原理 基于溶液中的金屬電極上進(jìn)行的電子交換達(dá)到平衡時(shí) 具有相應(yīng)的氧化還原電位值 此值與溶液的PH和溫度有關(guān) 溶液的氧化還原電位值不僅取決于溶氧值 還與溫度T和PH有關(guān) 目前常用的氧化還原電極的檢測(cè)范圍在一700 700mV 靈敏度110mV 響應(yīng)時(shí)間數(shù)十秒至數(shù)分鐘 精度為 0 1l FS 12 排氣的氧分壓和CO2分壓的檢測(cè) 1 排氣的氧分壓的檢測(cè) 氣體中氧濃度的檢測(cè) 主要有磁氧分析 極譜電位法和質(zhì)譜法 磁氧分析儀的檢測(cè)原理 氧是順磁性的 它的磁化率較大 在所有氣體中占有重要地位 而大多數(shù)氣體具有抗磁性 而且有較小的磁化率 磁氧分析儀結(jié)構(gòu)原理圖 2 排氣中CO2分壓的檢測(cè) 常用的排氣中CO2分壓 濃度 檢測(cè)儀為紅外線二氧化碳測(cè)定儀和二氧化碳電極 紅外線二氧化碳分析儀原理 CO2的紅外吸收峰在2 6 2 9 103和4 1 4 5 103nm之間 在上述兩個(gè)波段的近紅外線通過含有CO2的氣體時(shí) 光強(qiáng)度衰減 其衰減量依從Lambert Beer的規(guī)則 通氣發(fā)酵罐排氣檢測(cè)流程圖l 粗濾器2 膜片泵3 貯氣瓶4 除水器5 流量計(jì)6 精過濾器7 CO2檢測(cè)儀8 氧分析儀 13 細(xì)胞濃度測(cè)定 生物細(xì)胞濃度的測(cè)定有全細(xì)胞濃度和活細(xì)胞濃度之分 1 全細(xì)胞濃度的測(cè)定 可分濕重法 干重法 濁度法 濕細(xì)胞體積等 以準(zhǔn)確度來說 干重法最好 但其余三種方法簡(jiǎn)便易行 節(jié)省時(shí)間 有利于生產(chǎn)過程的監(jiān)測(cè)控制 尤其是對(duì)發(fā)酵流加操作和連續(xù)操作過程 在線檢測(cè) 對(duì)于生物反應(yīng)器在線檢測(cè)用的生物傳感器或普通的傳感器 必須盡可能滿足下述要求 響應(yīng)要連續(xù) 迅速 靈敏度應(yīng)在0 02g L以上 電極本身對(duì)生物細(xì)胞無影響 檢測(cè)過程對(duì)細(xì)胞無損傷 不必加藥物 可檢測(cè)含固體微粒營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的發(fā)酵液 易于清洗 滅菌 細(xì)胞濃度在線檢測(cè)濁度計(jì) 流通式濁度計(jì) 流通式濁度計(jì) 用流通式濁度計(jì)檢測(cè)細(xì)胞濃度 必須注意 A 適用于游離細(xì)胞 細(xì)胞形狀為球狀 桿狀的酵母 細(xì)菌 綠藻等 B 空氣泡會(huì)干擾讀數(shù) 使樣液先經(jīng)氣液分離器脫氣后才檢測(cè)可減少誤差 C 傳感器的比色皿會(huì)因細(xì)胞附壁而增大測(cè)定誤差 為盡量使此誤差減至最小 可適當(dāng)提高發(fā)酵液流過光電比色皿時(shí)的速度 2 活細(xì)胞濃度測(cè)定 測(cè)定原理 利用活生物細(xì)胞催化的反應(yīng)或活細(xì)胞本身特有的物質(zhì)而使用生物發(fā)光或化學(xué)發(fā)光法進(jìn)行測(cè)定 對(duì)于取樣離線測(cè)試方法還有染色計(jì)數(shù)法檢測(cè)活細(xì)胞數(shù) 這可用于多數(shù)的微生物和動(dòng)植物細(xì)胞 熒光測(cè)量活細(xì)胞裝置簡(jiǎn)圖 流動(dòng)細(xì)胞計(jì)數(shù)法 測(cè)定原理被檢測(cè)的含細(xì)胞的試樣流過檢測(cè)器 使細(xì)胞逐個(gè)滴下 由激光檢出 根據(jù)預(yù)先設(shè)定的各種細(xì)胞的電特性進(jìn)行識(shí)別 由此可統(tǒng)計(jì)出細(xì)胞的尺寸分布及細(xì)胞齡等特性 流式細(xì)胞儀結(jié)構(gòu)示意圖 三 生物發(fā)酵溶液中營(yíng)養(yǎng)成分與產(chǎn)物的分析 反應(yīng)溶液中的營(yíng)養(yǎng)成分和產(chǎn)物 副產(chǎn)物的分析測(cè)定十分重要 但至今大多數(shù)的成分仍未能在線檢測(cè) 通常是在反應(yīng)器中裝設(shè)微孔陶瓷取樣器或滲透膜取樣器進(jìn)行無菌取樣 然后使用HPLC或GC等儀器或化學(xué)方法進(jìn)行檢測(cè) 第三節(jié)生化過程控制概論 生物反應(yīng)過程檢測(cè)的目的是為了提供對(duì)生物反應(yīng)有影響的信息 便于對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?控制的最終目的 在于創(chuàng)造良好條件 使生物催化劑處于高效的催化活性狀態(tài) 以使所進(jìn)行