生物反應器檢測及控制ppt

1、1第四章第四章生物反應器的檢測及控制生物反應器的檢測及控制生化過程主要檢測參變量生化過程主要檢測參變量生化過程常用檢測方法及儀器生化過程常用檢測方法及儀器2第一節(jié)第一節(jié) 生物加工過程的參數(shù)生物加工過程的參數(shù) 要對生化過程進行有效的操作和控要對生化過程進行有效的操作和控制，首先要了解生化過程的狀態(tài)變化，制，首先要了解生化過程的狀態(tài)變化，也就是要了解生化過程的各種信息。這也就是要了解生化過程的各種信息。這些信息可以分為物理變量信息、化學變些信息可以分為物理變量信息、化學變量信息、以及生物變量信息。量信息、以及生物變量信息。 3一、設(shè)定參數(shù)一、設(shè)定參數(shù)1壓強壓強 對通氣生物發(fā)酵反應，必須往反應器中通

2、入無菌對通氣生物發(fā)酵反應，必須往反應器中通入無菌的潔凈空氣，一是供應生物細胞呼吸代謝所必須的氧，的潔凈空氣，一是供應生物細胞呼吸代謝所必須的氧，二是強化培養(yǎng)液的混合與傳質(zhì)，三是維持反應器有適二是強化培養(yǎng)液的混合與傳質(zhì)，三是維持反應器有適宜的表壓，以防止外界雜菌進入發(fā)酵系統(tǒng)。對氣升式宜的表壓，以防止外界雜菌進入發(fā)酵系統(tǒng)。對氣升式反應器，通氣壓強的適度控制是高效溶氧傳質(zhì)及能量反應器，通氣壓強的適度控制是高效溶氧傳質(zhì)及能量消耗的關(guān)鍵因素之一。消耗的關(guān)鍵因素之一。2溫度溫度 不同的生物細胞，均有最佳的生長溫度或產(chǎn)物生不同的生物細胞，均有最佳的生長溫度或產(chǎn)物生成溫度，而酶也有最適的催化溫度，所以必須使反

3、應成溫度，而酶也有最適的催化溫度，所以必須使反應體系控制在最佳的發(fā)酵反應溫度范圍。體系控制在最佳的發(fā)酵反應溫度范圍。4 3通氣量通氣量 不論是液體深層發(fā)酵或是固體通風發(fā)酵，均要不論是液體深層發(fā)酵或是固體通風發(fā)酵，均要連續(xù)（或間歇）往反應器中通入大量的無菌空氣。連續(xù)（或間歇）往反應器中通入大量的無菌空氣。為達到預期的混合效果和溶氧速率，以及在固體發(fā)為達到預期的混合效果和溶氧速率，以及在固體發(fā)酵中控制發(fā)酵溫度，必須控制工藝規(guī)定的通氣量。酵中控制發(fā)酵溫度，必須控制工藝規(guī)定的通氣量。 過高的通氣量會引起泡沫增多，水分損失太大過高的通氣量會引起泡沫增多，水分損失太大以及通風耗能上升等不良影響。以及通風耗

4、能上升等不良影響。 5 4液面液面 液面的高低決定了反應器裝液系數(shù)即影響生產(chǎn)液面的高低決定了反應器裝液系數(shù)即影響生產(chǎn)效率；對通風液體深層發(fā)酵，初裝液量的多少即液面效率；對通風液體深層發(fā)酵，初裝液量的多少即液面的高低需按工藝規(guī)定確定，否則通入空氣后發(fā)酵液的的高低需按工藝規(guī)定確定，否則通入空氣后發(fā)酵液的含氣率達一定值，液面就升高，加之泡沫的形成，故含氣率達一定值，液面就升高，加之泡沫的形成，故必須嚴格控制培養(yǎng)基液面。對氣升內(nèi)環(huán)流式反應器，必須嚴格控制培養(yǎng)基液面。對氣升內(nèi)環(huán)流式反應器，由于導流筒應比液面低一適當高度才能實現(xiàn)最佳的環(huán)由于導流筒應比液面低一適當高度才能實現(xiàn)最佳的環(huán)流混合與氣液傳質(zhì)，但在通

5、氣發(fā)酵過程中，排氣會帶流混合與氣液傳質(zhì)，但在通氣發(fā)酵過程中，排氣會帶出一定水分，故反應器內(nèi)培養(yǎng)液會蒸發(fā)減少，因此液出一定水分，故反應器內(nèi)培養(yǎng)液會蒸發(fā)減少，因此液面的檢測監(jiān)控更重要，必要時需補加新鮮培養(yǎng)基或無面的檢測監(jiān)控更重要，必要時需補加新鮮培養(yǎng)基或無菌水，以維持最佳液位。同理，連續(xù)發(fā)酵過程液位必菌水，以維持最佳液位。同理，連續(xù)發(fā)酵過程液位必須維持恒定，液面的檢測控制也十分重要。須維持恒定，液面的檢測控制也十分重要。6 5攪拌轉(zhuǎn)速與攪拌功率攪拌轉(zhuǎn)速與攪拌功率 攪拌轉(zhuǎn)速對發(fā)酵液的混合狀態(tài)、溶氧速率、物質(zhì)傳遞等有攪拌轉(zhuǎn)速對發(fā)酵液的混合狀態(tài)、溶氧速率、物質(zhì)傳遞等有重要影響，同時影響生物細胞的生長、產(chǎn)

6、物的生成、攪拌功率重要影響，同時影響生物細胞的生長、產(chǎn)物的生成、攪拌功率消耗等。對某一確定的發(fā)酵反應器，當通氣量一定時，攪拌轉(zhuǎn)消耗等。對某一確定的發(fā)酵反應器，當通氣量一定時，攪拌轉(zhuǎn)速升高，其溶氧速率增大，消耗的攪拌功率也越大。在完全湍速升高，其溶氧速率增大，消耗的攪拌功率也越大。在完全湍流的條件下，攪拌功率與攪拌轉(zhuǎn)速的三次方成正比。流的條件下，攪拌功率與攪拌轉(zhuǎn)速的三次方成正比。 某些生物細胞如動植物細胞、絲狀菌等，對攪拌剪切敏感，某些生物細胞如動植物細胞、絲狀菌等，對攪拌剪切敏感，故攪拌轉(zhuǎn)速和攪拌葉尖線速度有其臨界上限范圍。故攪拌轉(zhuǎn)速和攪拌葉尖線速度有其臨界上限范圍。 攪拌功率與攪拌轉(zhuǎn)速的關(guān)系

7、，是機械攪拌通氣發(fā)酵罐的比攪拌功率與攪拌轉(zhuǎn)速的關(guān)系，是機械攪拌通氣發(fā)酵罐的比擬放大基準。擬放大基準。53iPDNNP76泡沫高度泡沫高度 發(fā)酵液泡沫產(chǎn)生的原因是多方面的，最主要的是培養(yǎng)基發(fā)酵液泡沫產(chǎn)生的原因是多方面的，最主要的是培養(yǎng)基中所固有的或是發(fā)酵過程中生成的蛋白質(zhì)、菌體、糖類以及中所固有的或是發(fā)酵過程中生成的蛋白質(zhì)、菌體、糖類以及其他穩(wěn)定泡沫的表面活性物質(zhì)，加上通氣發(fā)酵過程大量的空其他穩(wěn)定泡沫的表面活性物質(zhì)，加上通氣發(fā)酵過程大量的空氣泡以及厭氣發(fā)酵過程中生成的氣泡以及厭氣發(fā)酵過程中生成的CO2氣泡，都會導致生物發(fā)氣泡，都會導致生物發(fā)酵液面上生成不同程度的泡沫層。酵液面上生成不同程度的泡沫

8、層。7培養(yǎng)基流加速度培養(yǎng)基流加速度 對生物發(fā)酵的連續(xù)操作或流加操作過程，均需連續(xù)或間對生物發(fā)酵的連續(xù)操作或流加操作過程，均需連續(xù)或間歇往反應器中加入新鮮培養(yǎng)基，且要控制加入量和加入速度，歇往反應器中加入新鮮培養(yǎng)基，且要控制加入量和加入速度，以實現(xiàn)優(yōu)化的連續(xù)發(fā)酵或流加操作，獲得最大的發(fā)酵速率和以實現(xiàn)優(yōu)化的連續(xù)發(fā)酵或流加操作，獲得最大的發(fā)酵速率和生產(chǎn)效率。生產(chǎn)效率。8 8冷卻介質(zhì)流量與速度冷卻介質(zhì)流量與速度 為保持反應器系統(tǒng)的溫度在工藝規(guī)定的范圍為保持反應器系統(tǒng)的溫度在工藝規(guī)定的范圍內(nèi)，必須用水等冷卻介質(zhì)通過熱交換器把發(fā)酵熱內(nèi)，必須用水等冷卻介質(zhì)通過熱交換器把發(fā)酵熱移走。根據(jù)生化反應器的熱量平衡算

9、式：移走。根據(jù)生化反應器的熱量平衡算式： 冷卻發(fā)酵QQQ0)(12TTcFQW冷卻99培養(yǎng)基質(zhì)濃度和產(chǎn)物濃度培養(yǎng)基質(zhì)濃度和產(chǎn)物濃度n 培養(yǎng)液基質(zhì)濃度則是發(fā)酵轉(zhuǎn)化率及產(chǎn)物得率的培養(yǎng)液基質(zhì)濃度則是發(fā)酵轉(zhuǎn)化率及產(chǎn)物得率的重要衡量。重要衡量。n 掌握了發(fā)酵液中的產(chǎn)物濃度，就可確定發(fā)酵的掌握了發(fā)酵液中的產(chǎn)物濃度，就可確定發(fā)酵的進程以及決定發(fā)酵是否正常及是否需要結(jié)束發(fā)進程以及決定發(fā)酵是否正常及是否需要結(jié)束發(fā)酵。酵。n 基質(zhì)與產(chǎn)物濃度的檢測、控制對各種發(fā)酵均是基質(zhì)與產(chǎn)物濃度的檢測、控制對各種發(fā)酵均是必要的。必要的。10二、狀態(tài)參數(shù)二、狀態(tài)參數(shù)1黏度（或表觀黏度）黏度（或表觀黏度） 培養(yǎng)基的黏度主要受培養(yǎng)基的

10、成分及濃度、細胞濃培養(yǎng)基的黏度主要受培養(yǎng)基的成分及濃度、細胞濃度、溫度、代謝產(chǎn)物等影響。而發(fā)酵液的黏度（或度、溫度、代謝產(chǎn)物等影響。而發(fā)酵液的黏度（或表觀黏度）對溶液的攪拌與混合、溶氧速率、物質(zhì)表觀黏度）對溶液的攪拌與混合、溶氧速率、物質(zhì)傳遞等有重要影響，同時對攪拌功率消耗及發(fā)酵產(chǎn)傳遞等有重要影響，同時對攪拌功率消耗及發(fā)酵產(chǎn)物的分離純化均起著重要作用。物的分離純化均起著重要作用。2pH 每一種生物細胞均有最佳的生長增殖每一種生物細胞均有最佳的生長增殖pH值，細胞值，細胞及酶的生物催化反應也有相應的最佳及酶的生物催化反應也有相應的最佳pH范圍。而范圍。而在培養(yǎng)基制備及產(chǎn)物提取、純化過程也必須控制

11、適在培養(yǎng)基制備及產(chǎn)物提取、純化過程也必須控制適當?shù)漠數(shù)膒H。因此生物反應生產(chǎn)對。因此生物反應生產(chǎn)對pH的檢測控制極為的檢測控制極為重要。重要。113溶氧濃度和氧化還原電位溶氧濃度和氧化還原電位n 好氣性發(fā)酵過程中，液體培養(yǎng)基中均需維持一定水平好氣性發(fā)酵過程中，液體培養(yǎng)基中均需維持一定水平的溶解氧，以滿足生物細胞呼吸、生長及代謝需要。的溶解氧，以滿足生物細胞呼吸、生長及代謝需要。溶解氧水平和溶氧效率往往是發(fā)酵生產(chǎn)水平和技術(shù)經(jīng)溶解氧水平和溶氧效率往往是發(fā)酵生產(chǎn)水平和技術(shù)經(jīng)濟指標的重要影響因素。濟指標的重要影響因素。n 對一些亞好氧的生物發(fā)酵反應如某些氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)，對一些亞好氧的生物發(fā)酵反應如某些

12、氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)，在產(chǎn)物積累時，只需很低的溶解氧水平。這樣低的溶在產(chǎn)物積累時，只需很低的溶解氧水平。這樣低的溶解氧濃度使用氧化還原電極電位計（解氧濃度使用氧化還原電極電位計（ORP儀）來測定儀）來測定微小的溶氧值。微小的溶氧值。4發(fā)酵液中溶解發(fā)酵液中溶解CO2濃度濃度n 對通氣發(fā)酵生產(chǎn)，由于生物細胞的呼吸和生物合成，對通氣發(fā)酵生產(chǎn)，由于生物細胞的呼吸和生物合成，培養(yǎng)液中的氧會被部分消耗，而溶解的培養(yǎng)液中的氧會被部分消耗，而溶解的CO2含量會升含量會升高。對大部分的好氧發(fā)酵，當發(fā)酵液中溶解高。對大部分的好氧發(fā)酵，當發(fā)酵液中溶解CO2濃度濃度增至某值時，就會使細胞生長和產(chǎn)物生成速率下降。增至某值時，

13、就會使細胞生長和產(chǎn)物生成速率下降。125細胞濃度及酶活特性細胞濃度及酶活特性o 菌體的濃度與酶的活動中心密切相關(guān)。通過菌體干菌體的濃度與酶的活動中心密切相關(guān)。通過菌體干重的測定，可以了解生物的生長狀態(tài)，從而控制和重的測定，可以了解生物的生長狀態(tài)，從而控制和改變生產(chǎn)工藝或補料和供氧，保證達到較好的生產(chǎn)改變生產(chǎn)工藝或補料和供氧，保證達到較好的生產(chǎn)水平。水平。o 酶做催化劑的生化反應，則酶濃度（活度）是必須酶做催化劑的生化反應，則酶濃度（活度）是必須檢測監(jiān)控的參變量。檢測監(jiān)控的參變量。6菌體形態(tài)菌體形態(tài)o 菌體形態(tài)的變化也是反應它的代謝變化的重要特征。菌體形態(tài)的變化也是反應它的代謝變化的重要特征?？?/p>

14、以根據(jù)菌體的形態(tài)不同，區(qū)分出不同的發(fā)酵階段可以根據(jù)菌體的形態(tài)不同，區(qū)分出不同的發(fā)酵階段和菌體的質(zhì)量。和菌體的質(zhì)量。13三、間接參數(shù)三、間接參數(shù)1呼吸代謝參數(shù)呼吸代謝參數(shù)o 微生物的氧利用速率，二氧化碳釋放速率，和呼吸熵。微生物的氧利用速率，二氧化碳釋放速率，和呼吸熵。o 假設(shè)流出反應器的氣體流量與空氣流入量相等，空氣中氧濃假設(shè)流出反應器的氣體流量與空氣流入量相等，空氣中氧濃度為度為21%，二氧化碳的濃度為零，測量到排出氣體的氧濃，二氧化碳的濃度為零，測量到排出氣體的氧濃度為度為 ，二氧化碳的濃度為，二氧化碳的濃度為 ，則由氣相物料平衡，則由氣相物料平衡計算可得：計算可得：o 氧利用速率（OUR

15、）o 二氧化碳釋放速率（CER）o 呼吸熵（ ） %2出O%2出COVFOOURRAO/%)%21(22出RQ%/%212222出出）（COORRRQCOOVFCOCERRACO/%22出142菌體比生長速率菌體比生長速率o 每小時每單位重量的菌體所增加的菌體量稱為菌體的比生長速率，單位為1/h。菌體的比生長速率與生物的代謝有關(guān)。3氧比消耗速率（氧比消耗速率（rO2）o 氧比消耗速率稱為菌體的呼吸強度，即每小時每單位重量的菌體所消耗的氧的數(shù)量，其單位為毫克分子氧/克干菌體小時。15第二節(jié)第二節(jié) 檢測方法與儀器檢測方法與儀器 研究微生物生長過程所需要的檢研究微生物生長過程所需要的檢測參數(shù)大多是通

16、過在反應器中配置各測參數(shù)大多是通過在反應器中配置各種傳感器和自動分析儀來實現(xiàn)的。這種傳感器和自動分析儀來實現(xiàn)的。這些裝置能把非電量參數(shù)轉(zhuǎn)化為電信號，些裝置能把非電量參數(shù)轉(zhuǎn)化為電信號，這些信號經(jīng)適當處理后，可用于監(jiān)測這些信號經(jīng)適當處理后，可用于監(jiān)測發(fā)酵的狀態(tài)、直接作發(fā)酵閉環(huán)控制和發(fā)酵的狀態(tài)、直接作發(fā)酵閉環(huán)控制和計算間接參數(shù)。計算間接參數(shù)。 16o 在線檢測o 離線檢測 17發(fā)酵過程對傳感器的要求：發(fā)酵過程對傳感器的要求： 1.1.發(fā)酵過程對傳感器的常規(guī)要求為準確性、精確度、靈敏度、發(fā)酵過程對傳感器的常規(guī)要求為準確性、精確度、靈敏度、分辨能力要高，響應時間滯后要小，能夠長時間穩(wěn)定工作，分辨能力要高

17、，響應時間滯后要小，能夠長時間穩(wěn)定工作，可靠性好，具有可維修性。可靠性好，具有可維修性。 2. 2. 必須考慮衛(wèi)生要求，發(fā)酵過程中不允許有其他雜菌污染。必須考慮衛(wèi)生要求，發(fā)酵過程中不允許有其他雜菌污染。 3. 3. 一般要求傳感器能與發(fā)酵液同時進行高壓蒸汽滅菌，不一般要求傳感器能與發(fā)酵液同時進行高壓蒸汽滅菌，不耐受蒸汽滅菌的傳感器可在罐外用其他方法滅菌后無菌裝入。耐受蒸汽滅菌的傳感器可在罐外用其他方法滅菌后無菌裝入。 4. 4. 要求傳感器與外界大氣隔絕，采用的方法有蒸汽汽封、要求傳感器與外界大氣隔絕，采用的方法有蒸汽汽封、O O形圈密封、套管隔斷等。形圈密封、套管隔斷等。 5. 5. 應選用

18、不易污染的材料如不銹鋼，防止微生物附著及干應選用不易污染的材料如不銹鋼，防止微生物附著及干擾，便于清洗，不允許泄漏。擾，便于清洗，不允許泄漏。 6.6.傳感器只與被測變量有關(guān)而不受過程中其他變量和周圍環(huán)傳感器只與被測變量有關(guān)而不受過程中其他變量和周圍環(huán)境條件變化影響的能力，如抗氣泡及泡沫干擾等。境條件變化影響的能力，如抗氣泡及泡沫干擾等。18一、主要參數(shù)檢測原理及應用一、主要參數(shù)檢測原理及應用 1溫度的測量溫度的測量 常用的溫度檢測儀表有熱電阻檢測器常用的溫度檢測儀表有熱電阻檢測器（RTD）、半導體熱敏電阻、熱電偶和玻璃溫）、半導體熱敏電阻、熱電偶和玻璃溫度計等。其中熱電阻是中低溫區(qū)最常用的溫

19、度檢度計等。其中熱電阻是中低溫區(qū)最常用的溫度檢測元件，具有性能穩(wěn)定、測量精度高、在中低溫測元件，具有性能穩(wěn)定、測量精度高、在中低溫區(qū)輸出信號大、信號可以遠傳等優(yōu)點。區(qū)輸出信號大、信號可以遠傳等優(yōu)點。 192壓強的檢測壓強的檢測 壓力、壓差傳感器的測量原理壓力、壓差傳感器的測量原理（1）壓力與彈性體的變形應力相平衡，并轉(zhuǎn)換成）壓力與彈性體的變形應力相平衡，并轉(zhuǎn)換成彈性體的位移；彈性體的位移；（2）壓力與別的流體壓力或電磁力等相平衡，并）壓力與別的流體壓力或電磁力等相平衡，并將其變換成力或電流，這種原理多用于工業(yè)生將其變換成力或電流，這種原理多用于工業(yè)生產(chǎn)過程壓力測量變送傳感器；產(chǎn)過程壓力測量變送

20、傳感器；（3）壓力與流體的重量相平衡，由對應的液體量）壓力與流體的重量相平衡，由對應的液體量求得壓力，如求得壓力，如U形管壓力計；形管壓力計；（4）壓力與固體的重量相平衡，由對應的固體重）壓力與固體的重量相平衡，由對應的固體重量求得壓力，多用來標定壓力計。量求得壓力，多用來標定壓力計。203液位和泡沫高度的檢測液位和泡沫高度的檢測n 導電電極法。該測量方法可由一支或兩支電極所組成，導電電極法。該測量方法可由一支或兩支電極所組成，若罐體是金屬材料制成的，可只用一支電極。當液面或泡沫若罐體是金屬材料制成的，可只用一支電極。當液面或泡沫達到不絕緣的金屬棒的端點時，就會有電流信號產(chǎn)生，指示達到不絕緣的

21、金屬棒的端點時，就會有電流信號產(chǎn)生，指示出液體或泡沫的存在。這種液位電極傳感器所施加的電壓一出液體或泡沫的存在。這種液位電極傳感器所施加的電壓一般不超過般不超過24V，電流大約為，電流大約為15mA。比較安全可靠的電壓。比較安全可靠的電壓為交流為交流10V。采用交流的目的是防止被測液體的極化。采用交流的目的是防止被測液體的極化。21o 電阻式泡沫電極電阻式泡沫電極 :當電極垂直安裝在罐體上當電極垂直安裝在罐體上時，其電極電流正比于不絕緣電極棒浸沒入時，其電極電流正比于不絕緣電極棒浸沒入液體的長度，由此來測量泡沫液位高度。液體的長度，由此來測量泡沫液位高度。 224流量測量流量測量:容積式、速度

22、式和質(zhì)量式流量計容積式、速度式和質(zhì)量式流量計o 容積式流量計容積式流量計:以單位時間內(nèi)所排出流體的固定容以單位時間內(nèi)所排出流體的固定容積數(shù)目作為測量依據(jù)來計算流量積數(shù)目作為測量依據(jù)來計算流量.23（1）差壓式流量計）差壓式流量計 差壓式流量計也叫節(jié)流式流差壓式流量計也叫節(jié)流式流量計，是流量測量中最成熟、量計，是流量測量中最成熟、最常用的一種流量計，它依最常用的一種流量計，它依據(jù)流體流動的節(jié)流原理，利據(jù)流體流動的節(jié)流原理，利用流體流經(jīng)節(jié)流裝置時產(chǎn)生用流體流經(jīng)節(jié)流裝置時產(chǎn)生的壓力差來實現(xiàn)流量測量，的壓力差來實現(xiàn)流量測量，其壓力差與流體流量成對應其壓力差與流體流量成對應關(guān)系。關(guān)系。 24o轉(zhuǎn)子流量計

23、由一根上粗下細的錐形管轉(zhuǎn)子流量計由一根上粗下細的錐形管和一個能在其內(nèi)上下浮動的轉(zhuǎn)子所組和一個能在其內(nèi)上下浮動的轉(zhuǎn)子所組成。被測流體自下而上從轉(zhuǎn)子和錐形成。被測流體自下而上從轉(zhuǎn)子和錐形管內(nèi)壁之間的環(huán)隙中通過，由于流體管內(nèi)壁之間的環(huán)隙中通過，由于流體通過環(huán)隙時被突然收縮，在轉(zhuǎn)子上下通過環(huán)隙時被突然收縮，在轉(zhuǎn)子上下兩側(cè)就產(chǎn)生了壓差，使轉(zhuǎn)子受到一個兩側(cè)就產(chǎn)生了壓差，使轉(zhuǎn)子受到一個向上的沖力而浮起。當這個力正好等向上的沖力而浮起。當這個力正好等于浸沒在流體中的轉(zhuǎn)子的重量時，則于浸沒在流體中的轉(zhuǎn)子的重量時，則作用在轉(zhuǎn)子上的上、下兩個作用力達作用在轉(zhuǎn)子上的上、下兩個作用力達到平衡，轉(zhuǎn)子就停留在某一高度上。到

24、平衡，轉(zhuǎn)子就停留在某一高度上。根據(jù)轉(zhuǎn)子平衡位置的高低，就可得知根據(jù)轉(zhuǎn)子平衡位置的高低，就可得知流量的大小。流量的大小。（2）轉(zhuǎn)子流量計）轉(zhuǎn)子流量計25 （3）電磁流量計）電磁流量計 電磁流量計由檢測和轉(zhuǎn)換兩部分組成，前者將被測介質(zhì)流量轉(zhuǎn)換成感應電勢，然后由后者轉(zhuǎn)換成420mA直流電流作為輸出，在一段非導磁材料制成的管道外面，安裝有一對磁極N和S，用以產(chǎn)生磁場，當導電液體流過管道時，因流體在磁場中作垂直方向流動而切割磁力線。 265發(fā)酵液黏度的測量發(fā)酵液黏度的測量 發(fā)酵上常用的黏度測定儀毛細管黏度計、回轉(zhuǎn)發(fā)酵上常用的黏度測定儀毛細管黏度計、回轉(zhuǎn)式黏度計和渦輪黏度計等。式黏度計和渦輪黏度計等。6攪

25、拌轉(zhuǎn)速和攪拌功率攪拌轉(zhuǎn)速和攪拌功率n 磁感應式、光感應式測速儀磁感應式、光感應式測速儀:是利用攪拌軸或電是利用攪拌軸或電機軸上裝設(shè)的感應片切割磁場或光束而產(chǎn)生脈機軸上裝設(shè)的感應片切割磁場或光束而產(chǎn)生脈沖信號，此信號即脈沖頻率與攪拌轉(zhuǎn)速相同。沖信號，此信號即脈沖頻率與攪拌轉(zhuǎn)速相同。而測速發(fā)電機是利用在攪拌軸上或電機軸上裝而測速發(fā)電機是利用在攪拌軸上或電機軸上裝設(shè)一小型發(fā)電機，設(shè)一小型發(fā)電機，o 測速發(fā)電機測速發(fā)電機:輸出電壓與攪拌速率成線性關(guān)系。輸出電壓與攪拌速率成線性關(guān)系。攪拌功率直接影響發(fā)酵液的混合與溶氧、細胞攪拌功率直接影響發(fā)酵液的混合與溶氧、細胞分散及物質(zhì)傳遞、熱量傳遞等特性。分散及物質(zhì)

26、傳遞、熱量傳遞等特性。27 7pH值的測量值的測量 為了測量為了測量pH值，需要一個測量電極和一個值，需要一個測量電極和一個參比電極，其工作原理是利用玻璃電極與參參比電極，其工作原理是利用玻璃電極與參比電極浸泡于某一溶液時具有一定的電位，比電極浸泡于某一溶液時具有一定的電位，其其pH可表示為：可表示為： pH 0()0.43F EERT28o 現(xiàn)在一般采用復合電極。現(xiàn)在一般采用復合電極。在復合電極中，玻璃電極在復合電極中，玻璃電極由參比電極包裹著。溫度由參比電極包裹著。溫度對對pH值的準確測量有很值的準確測量有很大的影響，為了補償溫度大的影響，為了補償溫度的影響，在的影響，在pH復合電極復合電

27、極中加一溫度敏感元件，從中加一溫度敏感元件，從而構(gòu)成測量電極、參比電而構(gòu)成測量電極、參比電極和溫度傳感元件三位一極和溫度傳感元件三位一體的三合一電極，對環(huán)境體的三合一電極，對環(huán)境溫度有很好的補償作用溫度有很好的補償作用。 29 8.8.溶氧濃度的檢測溶氧濃度的檢測亞硫酸鹽氧化法亞硫酸鹽氧化法 極譜法極譜法氧化還原電極電位儀氧化還原電極電位儀(亞好氧發(fā)酵過程亞好氧發(fā)酵過程 ) 溶氧電極法溶氧電極法30測定的三個用途測定的三個用途 1對生物反應器的傳氧性能進行測定，以便選擇對生物反應器的傳氧性能進行測定，以便選擇最佳條件進行操作，并對其進行評價。最佳條件進行操作，并對其進行評價。2對發(fā)酵過程傳氧性

28、情況進行了解，以便判斷發(fā)對發(fā)酵過程傳氧性情況進行了解，以便判斷發(fā)酵過程的供氧情況。酵過程的供氧情況。3為通風罐的研究過程找出設(shè)備參數(shù)（如），操為通風罐的研究過程找出設(shè)備參數(shù)（如），操作參數(shù)（如作參數(shù)（如N攪拌器轉(zhuǎn)數(shù)攪拌器轉(zhuǎn)數(shù) Q通風量）的關(guān)通風量）的關(guān)系，以便進行發(fā)酵罐的放大和合理設(shè)計。系，以便進行發(fā)酵罐的放大和合理設(shè)計。n亞硫酸鹽氧化法亞硫酸鹽氧化法 用銅離子作為催化劑，溶解在水中的氧能立即氧用銅離子作為催化劑，溶解在水中的氧能立即氧化其中的亞硫酸根離子，使之成為硫酸根離子，其氧化其中的亞硫酸根離子，使之成為硫酸根離子，其氧化反應的速度在較大的范圍內(nèi)與亞硫酸根離子的濃度化反應的速度在較大的范

29、圍內(nèi)與亞硫酸根離子的濃度無關(guān)。實際上是氧分子一經(jīng)溶入液相，立即就被還原無關(guān)。實際上是氧分子一經(jīng)溶入液相，立即就被還原掉。掉。32n 溶氧電極法溶氧電極法 測量溶氧濃度的原理測量溶氧濃度的原理 溶氧電極可以看作溶氧電極可以看作是一種電解電池，它有是一種電解電池，它有兩只具有不同電性的兩只具有不同電性的電極，一只是銀絲做成電極，一只是銀絲做成的陰極，另一只是鉛皮的陰極，另一只是鉛皮卷成的陽極，這對電極裝置在兩端開口的細的玻璃套管內(nèi)，在靠卷成的陽極，這對電極裝置在兩端開口的細的玻璃套管內(nèi)，在靠近的陰極的一端用一種耐熱的，只允許氣體透過而不透過水及離近的陰極的一端用一種耐熱的，只允許氣體透過而不透過水

30、及離子的半滲透塑料膜覆蓋。形成一個有一定容積的電池，在電池中子的半滲透塑料膜覆蓋。形成一個有一定容積的電池，在電池中加入數(shù)毫升電解質(zhì)溶液。在兩極之間產(chǎn)生一個電位，使陽極鉛變加入數(shù)毫升電解質(zhì)溶液。在兩極之間產(chǎn)生一個電位，使陽極鉛變成鉛離子進入電解質(zhì)溶液，同時放出的電子在陰極上把透過半透成鉛離子進入電解質(zhì)溶液，同時放出的電子在陰極上把透過半透膜進入電池的氧立即還原成氫氧根離子。膜進入電池的氧立即還原成氫氧根離子。n用溶氧電極測量用溶氧電極測量a a 用溶氧電極與氧氣分析儀相配合，可直接測量用溶氧電極與氧氣分析儀相配合，可直接測量實際發(fā)酵液中的體積溶氧系數(shù)實際發(fā)酵液中的體積溶氧系數(shù)Kla Kla 式

31、中式中進進，為常量：，為常量：出出可用氧氣分析儀自排出可用氧氣分析儀自排出氣體測得，為培養(yǎng)液中的溶氧濃度用溶氧電極測氣體測得，為培養(yǎng)液中的溶氧濃度用溶氧電極測得。得。 349溶解溶解CO2濃度的檢測濃度的檢測o 利用對CO2有特殊選擇滲透通過特性的微孔膜，使擴散通過的CO2進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出溶解CO2濃度。10細胞濃度的測定細胞濃度的測定o 全細胞濃度：其測量方法可分為濕重法、干重法、濁度法、濕細胞體積法等。其中干重法準確度最高。o 活細胞濃度的測定：發(fā)酵液中活細胞濃度的測定原理是利用活生物細胞催化的反應或活細胞本身

32、特有的物質(zhì)而使用生物發(fā)光或化學發(fā)光法進行測定。 3511高壓液相分析系統(tǒng)高壓液相分析系統(tǒng)（HPLC）o 利用HPLC在線測量物質(zhì)濃度，并配有發(fā)酵出口氣體CO2分析儀和pH與氧化還原電極的發(fā)酵系統(tǒng)。產(chǎn)物的濃度，如木糖、乙醇和有機酸等，通過對發(fā)酵液采樣過濾后進入過濾取樣模件FAM（Filter Acquisition Module），再由HPLC系統(tǒng)進行分析。 3612流動注射式分析系統(tǒng)流動注射式分析系統(tǒng)3713映像在線監(jiān)控系統(tǒng) 在線監(jiān)測細胞數(shù)目、尺寸和形態(tài)的系統(tǒng)，即直接將光學顯微鏡安裝在反應器中，通過此系統(tǒng)可以觀察到細胞的數(shù)目，單個細胞的尺寸和形態(tài)，還可利用熒光顯微鏡同時估計細胞代謝過程。38二

33、、在線發(fā)酵儀器的研究進展二、在線發(fā)酵儀器的研究進展1紅外光譜技術(shù)紅外光譜技術(shù)n紅外線被吸收的數(shù)量與吸收介質(zhì)的濃度有關(guān)，當其通過待紅外線被吸收的數(shù)量與吸收介質(zhì)的濃度有關(guān)，當其通過待測介質(zhì)后，其強度按指數(shù)規(guī)律減弱，符合朗伯比爾定律。測介質(zhì)后，其強度按指數(shù)規(guī)律減弱，符合朗伯比爾定律。n將光源的連續(xù)譜輻射全部投射到被測樣品上，根據(jù)樣品吸將光源的連續(xù)譜輻射全部投射到被測樣品上，根據(jù)樣品吸收輻射能的情況來判定被測成分的含量。收輻射能的情況來判定被測成分的含量。n一直以來，原位過程監(jiān)測中紅外光的傳遞和高性能紅外探一直以來，原位過程監(jiān)測中紅外光的傳遞和高性能紅外探頭的研制是難以解決的問題。頭的研制是難以解決的

34、問題。n近幾年通過研究取得了巨大的突破，如借助光路系統(tǒng)或光近幾年通過研究取得了巨大的突破，如借助光路系統(tǒng)或光導纖維來傳遞紅外光，利用衰減全反射導纖維來傳遞紅外光，利用衰減全反射(ATR)原理，采用原理，采用多次反射復合金剛石、鋯等材料制做的紅外探頭，可適用多次反射復合金剛石、鋯等材料制做的紅外探頭，可適用于包括水溶液或其它強紅外吸收溶劑、固體粉末或紅外強于包括水溶液或其它強紅外吸收溶劑、固體粉末或紅外強吸收的樣品，紅外光進入樣品的光程恒定，樣品只要與全吸收的樣品，紅外光進入樣品的光程恒定，樣品只要與全反射晶體材料緊密貼合即可。反射晶體材料緊密貼合即可。392熒光檢測技術(shù)熒光檢測技術(shù)o 熒光檢測

35、可分為酶鍵合標記法、直接熒光測量法、熒熒光檢測可分為酶鍵合標記法、直接熒光測量法、熒光試劑測量法。光試劑測量法。o 酶鍵合標記法采用專一性強的鍵合劑，根據(jù)標記與非酶鍵合標記法采用專一性強的鍵合劑，根據(jù)標記與非標記物在鍵合中心的競爭性反應，測定由鍵合劑置換標記物在鍵合中心的競爭性反應，測定由鍵合劑置換下來的溶液含量，由此測知代謝中間物或基質(zhì)的含量。下來的溶液含量，由此測知代謝中間物或基質(zhì)的含量。o 當采用熒光標記物時，就可以用熒光分析法進行測定。當采用熒光標記物時，就可以用熒光分析法進行測定。o 此種測定法多用光導纖維探頭。二股光導纖維中的一此種測定法多用光導纖維探頭。二股光導纖維中的一股用來傳

36、輸激發(fā)用的紫外光，另一股用來接收并傳輸股用來傳輸激發(fā)用的紫外光，另一股用來接收并傳輸測定室內(nèi)激發(fā)出的熒光，熒光經(jīng)濾光片后由光敏器件測定室內(nèi)激發(fā)出的熒光，熒光經(jīng)濾光片后由光敏器件接收，根據(jù)光強即可測知待測液中代謝物的濃度。接收，根據(jù)光強即可測知待測液中代謝物的濃度。403離子敏場效應晶體管傳感技術(shù)離子敏場效應晶體管傳感技術(shù)o 是利用離子敏感薄膜或生物活性功能膜代替金屬構(gòu)是利用離子敏感薄膜或生物活性功能膜代替金屬構(gòu)成的新型有源半導體化學敏感器件。成的新型有源半導體化學敏感器件。o 它與普通的場效晶體管的不同之處在于前者沒有金它與普通的場效晶體管的不同之處在于前者沒有金屬柵電極，柵極介質(zhì)裸露或在其表

37、面上覆蓋對不同屬柵電極，柵極介質(zhì)裸露或在其表面上覆蓋對不同離子敏感的膜。離子敏感的膜。o 當將器件置于待測溶液中時，柵介質(zhì)直接與待測溶當將器件置于待測溶液中時，柵介質(zhì)直接與待測溶液接觸。傳感器對離子活度的響應可由柵介質(zhì)與電液接觸。傳感器對離子活度的響應可由柵介質(zhì)與電解液界面處的電化學勢對閾電壓的影響來說明解液界面處的電化學勢對閾電壓的影響來說明.lgtiVCS41第三節(jié)第三節(jié) 控制理論與應用控制理論與應用一、生物過程的控制特征一、生物過程的控制特征o 發(fā)酵過程的一些特征使其比化學反應過程更易受控發(fā)酵過程的一些特征使其比化學反應過程更易受控制。制。o 生物反應器在很大程度上能自我調(diào)節(jié)，這是微生物

38、生物反應器在很大程度上能自我調(diào)節(jié)，這是微生物靠長期進化培養(yǎng)出來的適應環(huán)境的能力。故突然消靠長期進化培養(yǎng)出來的適應環(huán)境的能力。故突然消失的反應在生物過程中是不存在的，當遇條件不適，失的反應在生物過程中是不存在的，當遇條件不適，反應過程會自然衰減。反應過程會自然衰減。o 許多生物過程運行并非絕對依賴過程的控制，但這許多生物過程運行并非絕對依賴過程的控制，但這并不等于不能通過優(yōu)化控制來改進生物過程。并不等于不能通過優(yōu)化控制來改進生物過程。o 例如，調(diào)節(jié)得很好的控制回路通常可以維持過程溫例如，調(diào)節(jié)得很好的控制回路通?？梢跃S持過程溫度或度或pH條件很接近所需值（如條件很接近所需值（如0.3， pH0.2

39、）。）。42（一）溫度的控制（一）溫度的控制o 生物反應的最佳溫度范圍是生物反應的最佳溫度范圍是比較狹窄的，所以發(fā)酵過程比較狹窄的，所以發(fā)酵過程需把生物反應器的溫度控制需把生物反應器的溫度控制在某一定值或區(qū)間內(nèi)。在某一定值或區(qū)間內(nèi)。o 在冷卻水溫度比較穩(wěn)定的情在冷卻水溫度比較穩(wěn)定的情況下，生化反應器的溫度常況下，生化反應器的溫度常采用單回路的采用單回路的PID控制。這控制。這樣的溫度控制系統(tǒng)由四個環(huán)樣的溫度控制系統(tǒng)由四個環(huán)節(jié)組成，即溫度測量元件，節(jié)組成，即溫度測量元件，通常用鉑熱電阻溫度計通常用鉑熱電阻溫度計T，控制器，調(diào)節(jié)閥和被控過程控制器，調(diào)節(jié)閥和被控過程的生化反應器（發(fā)酵罐）。的生化反應

40、器（發(fā)酵罐）。43（二）（二）pH的控制的控制opH是發(fā)酵過程中代謝平衡，特別是是發(fā)酵過程中代謝平衡，特別是碳、氮平衡的反映。碳、氮平衡的反映。o系統(tǒng)由系統(tǒng)由pH測量電極和變送器、測量電極和變送器、pH控制器、空氣開關(guān)和氣動開關(guān)閥組控制器、空氣開關(guān)和氣動開關(guān)閥組成。氨水不是直接加入反應器，而成。氨水不是直接加入反應器，而是通過空氣管道與空氣一起送入反是通過空氣管道與空氣一起送入反應器，這樣使氨水充分分散于發(fā)酵應器，這樣使氨水充分分散于發(fā)酵液中，不會造成局部液中，不會造成局部pH值的偏高或值的偏高或偏低。為了防止調(diào)節(jié)閥門的泄漏，偏低。為了防止調(diào)節(jié)閥門的泄漏，調(diào)節(jié)閥采用氣動開關(guān)閥，它由電磁調(diào)節(jié)閥采

41、用氣動開關(guān)閥，它由電磁空氣開關(guān)來控制。所以，空氣開關(guān)來控制。所以，pH控制系控制系統(tǒng)是一開關(guān)控制系統(tǒng)，控制器根據(jù)統(tǒng)是一開關(guān)控制系統(tǒng)，控制器根據(jù)pH偏差信號計算出開關(guān)閥門開關(guān)周偏差信號計算出開關(guān)閥門開關(guān)周期和開與關(guān)的時間長短，來控制輸期和開與關(guān)的時間長短，來控制輸入的氨水的量，從而達到控制入的氨水的量，從而達到控制pH的的目的。目的。 44（三）溶氧控制（三）溶氧控制o由于溶氧濃度受到傳氧與耗由于溶氧濃度受到傳氧與耗氧兩方面影響，從耗氧方面氧兩方面影響，從耗氧方面考慮，溶氧濃度可作為補料考慮，溶氧濃度可作為補料控制的依據(jù)。從傳氧方面考控制的依據(jù)。從傳氧方面考慮，一般通過加大攪拌轉(zhuǎn)速、慮，一般通過加大攪拌轉(zhuǎn)速、通氣量或罐頂壓力的方法，通氣量或罐頂壓力的方法，提高氧傳遞速率。提高氧傳遞速率。o溶解氧通過控制發(fā)酵罐壓力溶解氧通過控制發(fā)酵罐壓力和空氣流量的方法來控制。和空氣流量的方法來控制。由于壓力控制系