第五章 生物反應(yīng)器參數(shù)的檢測(cè)與控制

Chapter4

生物反應(yīng)器參數(shù)的檢測(cè)和控制用于發(fā)酵工程中的傳感器，除了應(yīng)滿(mǎn)足對(duì)一般測(cè)量?jī)x器的要求外，還應(yīng)具有以下幾個(gè)方面的特性：⑴傳感器能安裝在發(fā)酵罐內(nèi)耐受高壓蒸汽（120～135℃，30min以上）無(wú)菌處理。⑵傳感器及二次儀表具有長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性，在1～2周內(nèi)其測(cè)定誤差應(yīng)小于5％。⑶最好能在使用過(guò)程中隨時(shí)校正。⑷材料不易老化，使用壽命長(zhǎng)。⑸傳感器探頭安裝和使用方便。⑹探頭不易被物料粘住、堵塞。目前已設(shè)計(jì)出先進(jìn)的能在發(fā)酵罐內(nèi)裝設(shè)的有測(cè)定溫度、pH、溶氧、氧化還原電位、泡沫和液位等參數(shù)的傳感器，但是還有許多重要的傳感器，特別是能監(jiān)測(cè)化學(xué)物質(zhì)變化的生物傳感器還難于在罐內(nèi)使用。為此，在生產(chǎn)實(shí)踐中可用以下的補(bǔ)救辦法使用這些傳感器達(dá)到在線(xiàn)測(cè)定的目的⑴傳感器可用一些化學(xué)試劑進(jìn)行冷滅菌，如還氧乙烷、過(guò)氧乙酸或季銨鹽類(lèi)等，然后用無(wú)菌手續(xù)安裝到罐內(nèi)。這種方法只適用于小型發(fā)酵罐。⑵采用連續(xù)取樣或罐外循環(huán)的辦法，把不耐熱的傳感器安裝在罐外流動(dòng)樣品槽內(nèi)，以便可以用化學(xué)試劑對(duì)整個(gè)罐外循環(huán)系統(tǒng)滅菌，滅菌后再用無(wú)菌水沖洗，然后與發(fā)酵罐內(nèi)接通。⑶用多孔氟塑料管道（透氣法）監(jiān)測(cè)惰性載氣帶出的樣品（例如，揮發(fā)性有機(jī)化合物如乙醇等被輸送到有傳感器的容器內(nèi)測(cè)量）。⑷利用透析裝置，以水為載體，使發(fā)酵液中的低分子化合物透過(guò)半透膜，進(jìn)入水中被輸送到有傳感器的容器中測(cè)定。發(fā)酵過(guò)程變化的參數(shù)一類(lèi)是可以直接采用特定的傳感器監(jiān)測(cè)的參數(shù)。它們包括各種反映物理環(huán)境和化學(xué)環(huán)境變化的參數(shù)，如：溫度、壓力、攪拌功率、轉(zhuǎn)速、泡沫、發(fā)酵液粘度、濁度、pH、離子濃度、溶解度、基質(zhì)濃度等，又被稱(chēng)為直接參數(shù)。另一類(lèi)參數(shù)是到目前為止還沒(méi)有可供使用的傳感器監(jiān)測(cè)的參數(shù)，它們包括細(xì)胞生長(zhǎng)速率、產(chǎn)物合成速率和積累速率、呼吸商等。這些參數(shù)需要根據(jù)一些直接監(jiān)測(cè)出來(lái)的參數(shù)，借助于電腦快速運(yùn)算的功能和特定的數(shù)學(xué)模型才能得到。因此這類(lèi)參數(shù)又被稱(chēng)為間接參數(shù)。發(fā)酵過(guò)程中的直接參數(shù)的檢測(cè)1、溫度的影響及檢測(cè)：影響發(fā)酵溫度的因素Q發(fā)酵=Q生物+Q攪拌–Q蒸發(fā)–Q顯熱–Q輻射2、溫度對(duì)發(fā)酵的影響由于微生物反應(yīng)是由各種生物酶參加的反應(yīng)，所以從酶動(dòng)力學(xué)來(lái)看，溫度升高，反應(yīng)速度加大，生長(zhǎng)代謝加快，產(chǎn)物生產(chǎn)期提前。但酶本身很易因熱而失去活性，溫度越高，酶的失活也越快。它表現(xiàn)在菌體易于衰老，發(fā)酵周期縮短，產(chǎn)物產(chǎn)量減少。溫度除了直接影響發(fā)酵過(guò)程中各種反應(yīng)速率外，還會(huì)通過(guò)改變發(fā)酵液的物理性質(zhì)，間接影響菌的生物合成。如溫度會(huì)影響基質(zhì)和氧在發(fā)酵液中的溶氧和傳遞速率，菌體對(duì)某些物質(zhì)的分解吸收速率等溫度還會(huì)影響生物合成或代謝調(diào)節(jié)的方向和最終產(chǎn)物。這點(diǎn)不難理解，因?yàn)闇囟葧?huì)影響生物體內(nèi)的酶的活性。如，金色鏈霉菌能同時(shí)產(chǎn)生四環(huán)素和金霉素。在30℃以下時(shí)，該菌主要合成金霉素。35℃時(shí)，該菌只產(chǎn)生四環(huán)素而停止生成金霉素。溫度測(cè)定最適溫度選擇最適于菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成的溫度溫度可以通過(guò)水銀溫度計(jì)、熱電鋁、熱敏電阻和金屬電阻溫度計(jì)監(jiān)測(cè)發(fā)酵系統(tǒng)中的溫度，并通過(guò)與其相偶聯(lián)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如改變冷卻水閥門(mén)的開(kāi)度）對(duì)發(fā)酵溫度進(jìn)行自動(dòng)控制。2．泡沫的控制⑴泡沫的產(chǎn)生及其影響降低了發(fā)酵罐的填料系數(shù)；增加了微生物菌群的非均一性；增加了污染雜菌的機(jī)會(huì)；大量起泡引起“逃液，導(dǎo)致產(chǎn)物損失起泡劑一般都是表面活性物質(zhì)，這些物質(zhì)具有親水基團(tuán)和疏水基團(tuán)。分子帶極性的一端向著水溶液，非極性的一端向著空氣，并在表面作定向排列，增加了泡沫的強(qiáng)度泡沫的控制機(jī)械消泡是根據(jù)物理學(xué)的原理，即靠機(jī)械作用引起壓力變化（擠壓）或強(qiáng)烈振動(dòng)，促使泡沫破裂，這種消泡裝置可放在罐內(nèi)或罐外消泡劑消泡：天然油脂類(lèi)、聚醚類(lèi)、硅酮類(lèi)常用安裝在發(fā)酵罐中的電導(dǎo)式或電容式泡沫探頭監(jiān)測(cè)泡沫，并與消泡裝置或消泡劑添加裝置聯(lián)接控制泡沫。玉米油、豆油、棉子油豬油、魚(yú)油

聚氧丙烯甘油（GP）和聚氧乙烯氧丙稀甘油（泡敵）。用量，0.03～0.035％聚二甲基硅氧烷及其衍生物

壓力可用相當(dāng)簡(jiǎn)單的薄膜式壓力計(jì)測(cè)量，這種壓力計(jì)能經(jīng)得起滅菌處理。測(cè)得的氣動(dòng)信號(hào)可直接或通過(guò)一簡(jiǎn)單的裝置轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，啟動(dòng)裝在發(fā)酵罐上的罐壓調(diào)節(jié)閥以調(diào)節(jié)罐壓。軸輸入功率兩種用來(lái)測(cè)量軸功率的裝置，即扭力（功率）計(jì)和應(yīng)變儀。由于扭力計(jì)系統(tǒng)只能放在罐外測(cè)量，其測(cè)定值包含軸封摩擦力的損失。用應(yīng)變儀測(cè)量則可以避免這一缺點(diǎn)，雖然儀器較貴，但是其精度較高，還是值得應(yīng)用的。

攪拌器轉(zhuǎn)速發(fā)酵罐的攪拌器的轉(zhuǎn)速，依罐的大小而異。小罐的攪拌器轉(zhuǎn)速要比大罐的快些。但是所有發(fā)酵罐攪拌器的葉尖的線(xiàn)速度，在一般情況下幾乎是恒定的值，即為150～300。

空氣流量通入發(fā)酵罐中的無(wú)菌空氣的流量常用轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)定。流量計(jì)中浮動(dòng)轉(zhuǎn)子的位置可以通過(guò)電容或電阻原理轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大之后啟動(dòng)控制器便可實(shí)現(xiàn)氣體流量控制自動(dòng)化。料液流量常用的流體流量檢測(cè)器有轉(zhuǎn)子流量計(jì)（像氣體流量計(jì)一樣也可以制成能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的型式）、電磁流量計(jì)和通過(guò)測(cè)定發(fā)酵罐的重量變化間接測(cè)定液體流量的應(yīng)變器。濁度濁度測(cè)量尚未得到應(yīng)有的注意。濁度對(duì)某些產(chǎn)品的生產(chǎn)量是及其重要的，因?yàn)樗梢约皶r(shí)反映細(xì)胞的生長(zhǎng)狀況。目前濁度測(cè)量只限于采用定時(shí)取樣的離線(xiàn)測(cè)定方法。顯然這種測(cè)定方法不能及時(shí)反映發(fā)酵罐的濁度變化。一般可用比濁計(jì)或分光光度計(jì)測(cè)定樣品的濁度。pH可用一種復(fù)合的玻璃――參比電極方便地測(cè)量發(fā)酵液的pH。這些電極經(jīng)得起高壓滅菌，有些pH計(jì)的讀數(shù)易受儀表接地好壞的影響，為此把電源的變化器隔離和把儀表屏與發(fā)酵罐接地連在一起，但是即使這樣做也不能完全克服這一問(wèn)題。高溫消毒會(huì)使一些電極阻抗升高和轉(zhuǎn)換系數(shù)下降，從而引起測(cè)量上的誤差。另外，電極的液洛部位的液接界面電位也因電極與大分子有機(jī)物接觸而發(fā)生變化。一般好的電極也只能耐高溫滅菌30～50次，若繼續(xù)使用，轉(zhuǎn)換系數(shù)便顯著下降，使性能破壞，不能再用。調(diào)節(jié)控制pH的方案配置合適的培養(yǎng)基，選用不同的生理酸性和生理堿性物質(zhì)，并使培養(yǎng)基具有緩沖pH作用。在培養(yǎng)過(guò)程中加入酸性或堿性物質(zhì)，這些酸或堿僅起pH調(diào)節(jié)作用，不作為菌體基質(zhì)消耗。在培養(yǎng)過(guò)程中流加酸堿性的基質(zhì)，例谷氨基酸發(fā)酵中的通氨，既是菌體消耗的基質(zhì)，也是pH調(diào)節(jié)試劑。流加生理酸性或堿性基質(zhì)，通過(guò)菌體代謝活動(dòng)達(dá)到pH控制。溶解氧、廢氣中濃度的測(cè)定溶解氧濃度可用化學(xué)滴定法，也可用以電化學(xué)為基礎(chǔ)的電極法及其他的物理方法來(lái)測(cè)量。利用順磁氣態(tài)氧分析儀可以測(cè)定廢氣中的含量。在發(fā)酵廢氣中，氧含量一般為19～20％，因此選用量程為0～21％的氧分儀，如果有16％～21％的量程的儀器型號(hào)更好。廢氣中二氧化碳濃度的監(jiān)測(cè)可以用來(lái)測(cè)量二氧化碳含量的儀表原理較多，如熱導(dǎo)式、氣相色譜法、電導(dǎo)式電極法和紅外分析儀及質(zhì)譜儀。后兩種在發(fā)酵工業(yè)中較常使用。而熱導(dǎo)式分析儀價(jià)格較低，穩(wěn)定性較好，但精度較差。紅外分析儀精度高，可達(dá)±1％，量程0～5％，由于發(fā)酵排氣中一般在3％以下，因此此種分析儀較為理想酵過(guò)程中間接參數(shù)的獲得前面談到的都是直接參數(shù)的檢測(cè)，程中，我們可以通過(guò)這些直接參數(shù)進(jìn)一步計(jì)算獲得有關(guān)發(fā)酵的信息，這些信息就是間接參數(shù)。如果把這些有關(guān)的傳感器與計(jì)算機(jī)聯(lián)接成通過(guò)按一定計(jì)算式而設(shè)計(jì)的電子線(xiàn)路，就可以直接顯示或打印間接參數(shù)在發(fā)酵罐內(nèi)裝設(shè)的有測(cè)定溫度、pH、溶氧、氧化還原電位、泡沫和液位等參數(shù)的傳感器，但是還有許多重要的傳感器，特別是能監(jiān)測(cè)化學(xué)物質(zhì)變化的生物傳感器還難于在罐內(nèi)使用為此，在生產(chǎn)實(shí)踐中可用以下的補(bǔ)救辦法使用這些傳感器達(dá)到在線(xiàn)測(cè)定的目的⑴傳感器可用一些化學(xué)試劑進(jìn)行冷滅菌，如還氧乙烷、過(guò)氧乙酸或季銨鹽類(lèi)等，然后用無(wú)菌手續(xù)安裝到罐內(nèi)。這種方法只適用于小型發(fā)酵罐。⑵采用連續(xù)取樣或罐外循環(huán)的辦法，把不耐