生物反应器的检测及控制

1、一、设定参数一、设定参数 1压强压强 对通气生物发酵反应，必须往反应器中通入无菌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，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。消耗的关键因素之一。 2温度温度 不同的生物细胞，均有最佳的生长温度或产物生

2、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。体系控制在最佳的发酵反应温度范围。 3通气量通气量 不论是液体深层发酵或是固体通风发酵，均要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。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。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

3、多，水分损失太大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。以及通风耗能上升等不良影响。 4液面液面 液面的高低决定了反应器装液系数即影响生产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，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

4、液面低一适当高度才能实现最佳的环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。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与搅拌功率 搅拌转速对发酵液的混合状态

5、、溶氧速率、物质传递等有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。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，某些生物细胞如动植物细胞、丝状菌等，对搅拌剪切敏

6、感， 故搅拌转速和搅拌叶尖线速度有其临界上限范围。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。拟放大基准。 5 3 iP DNNP 6泡沫高度泡沫高度 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

7、生成的气泡以及厌气发酵过程中生成的CO2气泡，都会导致生物发气泡，都会导致生物发 酵液面上生成不同程度的泡沫层。酵液面上生成不同程度的泡沫层。 7培养基流加速度培养基流加速度 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，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。生产效率。 8冷却介质流量与速度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为保持反应

8、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：移走。根据生化反应器的热量平衡算式： 冷却发酵 QQQ 0 )( 12 TTcFQ W 冷却 9培养基质浓度和产物浓度培养基质浓度和产物浓度 n 培养液基质浓度则是发酵转化率及产物得率的培养液基质浓度则是发酵转化率及产物得率的 重要衡量。重要衡量。 n 掌握了发酵液中的产物浓度，就可确定发酵的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进程以及决定发酵是否正常及是否需要结束发 酵。酵。 n 基质与产物浓度的

9、检测、控制对各种发酵均是基质与产物浓度的检测、控制对各种发酵均是 必要的。必要的。 二、状态参数二、状态参数 1黏度（或表观黏度）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。物的分离纯化均起着重要作用。 2pH 每一种生物细胞均有最佳的

10、生长增殖每一种生物细胞均有最佳的生长增殖pH值，细胞值，细胞 及酶的生物催化反应也有相应的最佳及酶的生物催化反应也有相应的最佳pH范围。而范围。而 在培养基制备及产物提取、纯化过程也必须控制适在培养基制备及产物提取、纯化过程也必须控制适 当的当的pH。因此生物反应生产对。因此生物反应生产对pH的检测控制极为的检测控制极为 重要。重要。 3溶氧浓度和氧化还原电位溶氧浓度和氧化还原电位 n 好气性发酵过程中，液体培养基中均需维持一定水平好气性发酵过程中，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。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

11、往是发酵生产水平和技术经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。济指标的重要影响因素。 n 对一些亚好氧的生物发酵反应如某些氨基酸发酵生产，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（解氧浓度使用氧化还原电极电位计（ORP仪）来测定仪）来测定 微小的溶氧值。微小的溶氧值。 4发酵液中溶解发酵液中溶解CO2浓度浓度 n 对通气发酵生产，由于生物细胞的呼吸和生物合成，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

12、，而溶解的培养液中的氧会被部分消耗，而溶解的CO2含量会升含量会升 高。对大部分的好氧发酵，当发酵液中溶解高。对大部分的好氧发酵，当发酵液中溶解CO2浓度浓度 增至某值时，就会使细胞生长和产物生成速率下降。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细胞浓度及酶活特性 o 菌体的浓度与酶的活动中心密切相关。通过菌体干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改变生产工艺或补料和供氧，保证达到较好的生产 水平。水平。 o 酶做催化剂的生

13、化反应，则酶浓度（活度）是必须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。检测监控的参变量。 6菌体形态菌体形态 o 菌体形态的变化也是反应它的代谢变化的重要特征。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。和菌体的质量。 三、间接参数三、间接参数 1呼吸代谢参数呼吸代谢参数 o 微生物的氧利用速率，二氧化碳释放速率，和呼吸熵。微生物的氧利用速率，二氧化碳释放速率，和呼吸熵。 o 假设流出反应器的气体流量与空气流入量相等，空气中氧浓假设流出反应器的气体流量与空气流入量

14、相等，空气中氧浓 度为度为21%，二氧化碳的浓度为零，测量到排出气体的氧浓，二氧化碳的浓度为零，测量到排出气体的氧浓 度为度为 ，二氧化碳的浓度为，二氧化碳的浓度为 ，则由气相物料平衡，则由气相物料平衡 计算可得：计算可得： o 氧利用速率（OUR） o 二氧化碳释放速率（CER） o 呼吸熵（ ） % 2出 O% 2出 CO VFOOURR AO /%)%21( 2 2 出 RQ %/%21 22 2 2 出出 ）（COO R R RQ CO O VFCOCERR ACO /% 2 2 出 2菌体比生长速率菌体比生长速率 o 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

15、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（氧比消耗速率（rO2） o 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。 第二节第二节 检测方法与仪器检测方法与仪器 研究微生物生长过程所需要的检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，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

16、控制和发酵的状态、直接作发酵闭环控制和 计算间接参数。计算间接参数。 o 在线检测 o 离线检测 发酵过程对传感器的要求：发酵过程对传感器的要求： 1.1.发酵过程对传感器的常规要求为准确性、精确度、灵敏度、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，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。可靠性好，具有可维修性。 2. 2. 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。 3. 3. 一般要求传感器能与发酵液同时进行高压蒸汽灭菌，不一般要求

17、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。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. 4. 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 O 形圈密封、套管隔断等。形圈密封、套管隔断等。 5. 5. 应选用不易污染的材料如不锈钢，防止微生物附着及干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。扰，便于清洗，不允许泄漏。 6.6.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

18、响的能力，如抗气泡及泡沫干扰等。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一、主要参数检测原理及应用 1温度的测量温度的测量 常用的温度检测仪表有热电阻检测器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）、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。区输出信号大、信号可以远传等优点。 2压强的检测压强的检测 压力、压差传感器的测量原理压力、压

19、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）压力与弹性体的变形应力相平衡，并转换成 弹性体的位移；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）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；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）压力与流体的重量相平衡，由对应的液体量 求得压力，如求得压力，如U形管压力计；形管压力计； （4）压力与固体的重量相平衡，由对应的固体重）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

20、标定压力计。量求得压力，多用来标定压力计。 3液位和泡沫高度的检测液位和泡沫高度的检测 n 导电电极法。该测量方法可由一支或两支电极所组成，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 般不超过般不超过24V，电流大约为，电流大约为15mA。比较安全可靠的电压。比较安全可靠的电

21、压 为交流为交流10V。采用交流的目的是防止被测液体的极化。采用交流的目的是防止被测液体的极化。 o 电阻式泡沫电极电阻式泡沫电极 :当电极垂直安装在罐体上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。液体的长度，由此来测量泡沫液位高度。 4流量测量流量测量:容积式、速度式和质量式流量计容积式、速度式和质量式流量计 o 容积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 差压

22、式流量计也叫节流式流差压式流量计也叫节流式流 量计，是流量测量中最成熟、量计，是流量测量中最成熟、 最常用的一种流量计，它依最常用的一种流量计，它依 据流体流动的节流原理，利据流体流动的节流原理，利 用流体流经节流装置时产生用流体流经节流装置时产生 的压力差来实现流量测量，的压力差来实现流量测量， 其压力差与流体流量成对应其压力差与流体流量成对应 关系。关系。 o转子流量计由一根上粗下细的锥形管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，由于流体管内

23、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。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，就可得知根据转子平衡位置的高低，就可得知 流量的大小。流量的大小。 （2）转子流量计）转子流量计 （3）电磁流量计）电磁流量计 电磁流量计由检测和转换

24、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420mA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。式黏度计和涡轮黏度计等。 6搅拌转速和搅拌功率搅拌转速和搅拌功率 n 磁感应式、光感应式测速仪磁感应式、光感应式测速仪:是利用搅拌轴或电是利用搅拌轴或电 机轴上装设的感应片切割磁场或光束而产生脉机轴上装设的感应片切割

25、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。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，设一小型发电机， o 测速发电机测速发电机:输出电压与搅拌速率成线性关系。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。分散及物质传递、热量传递等特性。 7pH值的测量值的测量 为了测量为了测量pH值，需要一个测量电极和一个值，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参参比电极，

26、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，比电极浸泡于某一溶液时具有一定的电位， 其其pH可表示为：可表示为： pH 0 () 0.43 F EE RT o 现在一般采用复合电极。现在一般采用复合电极。 在复合电极中，玻璃电极在复合电极中，玻璃电极 由参比电极包裹着。温度由参比电极包裹着。温度 对对pH值的准确测量有很值的准确测量有很 大的影响，为了补偿温度大的影响，为了补偿温度 的影响，在的影响，在pH复合电极复合电极 中加一温度敏感元件，从中加一温度敏感元件，从 而构成测量电极、参比电而构成测量电极、参比电 极和温度传感元件三位一极和温度传感元件三位一 体的三合一

27、电极，对环境体的三合一电极，对环境 温度有很好的补偿作用温度有很好的补偿作用。 8.8.溶氧浓度的检测溶氧浓度的检测 亚硫酸盐氧化法亚硫酸盐氧化法 极谱法极谱法 氧化还原电极电位仪氧化还原电极电位仪(亚好氧发酵过程亚好氧发酵过程 ) 溶氧电极法溶氧电极法 测定的三个用途测定的三个用途 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。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。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）

28、，操为通风罐的研究过程找出设备参数（如），操 作参数（如作参数（如N搅拌器转数搅拌器转数 Q通风量）的关通风量）的关 系，以便进行发酵罐的放大和合理设计。系，以便进行发酵罐的放大和合理设计。 n亚硫酸盐氧化法亚硫酸盐氧化法 用铜离子作为催化剂，溶解在水中的氧能立即氧用铜离子作为催化剂，溶解在水中的氧能立即氧 化其中的亚硫酸根离子，使之成为硫酸根离子，其氧化其中的亚硫酸根离子，使之成为硫酸根离子，其氧 化反应的速度在较大的范围内与亚硫酸根离子的浓度化反应的速度在较大的范围内与亚硫酸根离子的浓度 无关。实际上是氧分子一经溶入液相，立即就被还原无关。实际上是氧分子一经溶入液相，立即就被还原 掉。掉。

29、 n 溶氧电极法溶氧电极法 测量溶氧浓度的原理测量溶氧浓度的原理 溶氧电极可以看作溶氧电极可以看作 是一种电解电池，它有是一种电解电池，它有 两只具有不同电性的两只具有不同电性的 电极，一只是银丝做成电极，一只是银丝做成 的阴极，另一只是铅皮的阴极，另一只是铅皮 卷成的阳极，这对电极装置在两端开口的细的玻璃套管内，在靠卷成的阳极，这对电极装置在两端开口的细的玻璃套管内，在靠 近的阴极的一端用一种耐热的，只允许气体透过而不透过水及离近的阴极的一端用一种耐热的，只允许气体透过而不透过水及离 子的半渗透塑料膜覆盖。形成一个有一定容积的电池，在电池中子的半渗透塑料膜覆盖。形成一个有一定容积的电池，在电

30、池中 加入数毫升电解质溶液。在两极之间产生一个电位，使阳极铅变加入数毫升电解质溶液。在两极之间产生一个电位，使阳极铅变 成铅离子进入电解质溶液，同时放出的电子在阴极上把透过半透成铅离子进入电解质溶液，同时放出的电子在阴极上把透过半透 膜进入电池的氧立即还原成氢氧根离子。膜进入电池的氧立即还原成氢氧根离子。 n用溶氧电极测量用溶氧电极测量a a 用溶氧电极与氧气分析仪相配合，可直接测量用溶氧电极与氧气分析仪相配合，可直接测量 实际发酵液中的体积溶氧系数实际发酵液中的体积溶氧系数Kla Kla 式中式中进进，为常量：，为常量：出出可用氧气分析仪自排出可用氧气分析仪自排出 气体测得，为培养液中的溶氧

31、浓度用溶氧电极测气体测得，为培养液中的溶氧浓度用溶氧电极测 得。得。 9溶解溶解CO2浓度的检测浓度的检测 o 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细胞浓度的测定细胞浓度的测定 o 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。 o 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高压液相分析系统高压液相分析系

32、统 （HPLC） o 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 （Filter Acquisition Module），再由HPLC系 统进行分析。 12流动注射式分析系统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二、在线发酵仪器的研究进展 1红外光谱技术红

33、外光谱技术 n红外线被吸收的数量与吸收介质的浓度有关，当其通过待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。测介质后，其强度按指数规律减弱，符合朗伯比尔定律。 n将光源的连续谱辐射全部投射到被测样品上，根据样品吸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。收辐射能的情况来判定被测成分的含量。 n一直以来，原位过程监测中红外光的传递和高性能红外探一直以来，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。头的研制是难以解决的问题。 n近几年通过研究取得了巨大的突破，如借助光路系

34、统或光近几年通过研究取得了巨大的突破，如借助光路系统或光 导纤维来传递红外光，利用衰减全反射导纤维来传递红外光，利用衰减全反射(ATR)原理，采用原理，采用 多次反射复合金刚石、锆等材料制做的红外探头，可适用多次反射复合金刚石、锆等材料制做的红外探头，可适用 于包括水溶液或其它强红外吸收溶剂、固体粉末或红外强于包括水溶液或其它强红外吸收溶剂、固体粉末或红外强 吸收的样品，红外光进入样品的光程恒定，样品只要与全吸收的样品，红外光进入样品的光程恒定，样品只要与全 反射晶体材料紧密贴合即可。反射晶体材料紧密贴合即可。 2荧光检测技术荧光检测技术 o 荧光检测可分为酶键合标记法、直接荧光测量法、荧荧光

35、检测可分为酶键合标记法、直接荧光测量法、荧 光试剂测量法。光试剂测量法。 o 酶键合标记法采用专一性强的键合剂，根据标记与非酶键合标记法采用专一性强的键合剂，根据标记与非 标记物在键合中心的竞争性反应，测定由键合剂置换标记物在键合中心的竞争性反应，测定由键合剂置换 下来的溶液含量，由此测知代谢中间物或基质的含量。下来的溶液含量，由此测知代谢中间物或基质的含量。 o 当采用荧光标记物时，就可以用荧光分析法进行测定。当采用荧光标记物时，就可以用荧光分析法进行测定。 o 此种测定法多用光导纤维探头。二股光导纤维中的一此种测定法多用光导纤维探头。二股光导纤维中的一 股用来传输激发用的紫外光，另一股用来

36、接收并传输股用来传输激发用的紫外光，另一股用来接收并传输 测定室内激发出的荧光，荧光经滤光片后由光敏器件测定室内激发出的荧光，荧光经滤光片后由光敏器件 接收，根据光强即可测知待测液中代谢物的浓度。接收，根据光强即可测知待测液中代谢物的浓度。 3离子敏场效应晶体管传感技术离子敏场效应晶体管传感技术 o 是利用离子敏感薄膜或生物活性功能膜代替金属构是利用离子敏感薄膜或生物活性功能膜代替金属构 成的新型有源半导体化学敏感器件。成的新型有源半导体化学敏感器件。 o 它与普通的场效晶体管的不同之处在于前者没有金它与普通的场效晶体管的不同之处在于前者没有金 属栅电极，栅极介质裸露或在其表面上覆盖对不同属栅

37、电极，栅极介质裸露或在其表面上覆盖对不同 离子敏感的膜。离子敏感的膜。 o 当将器件置于待测溶液中时，栅介质直接与待测溶当将器件置于待测溶液中时，栅介质直接与待测溶 液接触。传感器对离子活度的响应可由栅介质与电液接触。传感器对离子活度的响应可由栅介质与电 解液界面处的电化学势对阈电压的影响来说明解液界面处的电化学势对阈电压的影响来说明. lg ti VCS 第三节第三节 控制理论与应用控制理论与应用 一、生物过程的控制特征一、生物过程的控制特征 o 发酵过程的一些特征使其比化学反应过程更易受控发酵过程的一些特征使其比化学反应过程更易受控 制。制。 o 生物反应器在很大程度上能自我调节，这是微生

38、物生物反应器在很大程度上能自我调节，这是微生物 靠长期进化培养出来的适应环境的能力。故突然消靠长期进化培养出来的适应环境的能力。故突然消 失的反应在生物过程中是不存在的，当遇条件不适，失的反应在生物过程中是不存在的，当遇条件不适， 反应过程会自然衰减。反应过程会自然衰减。 o 许多生物过程运行并非绝对依赖过程的控制，但这许多生物过程运行并非绝对依赖过程的控制，但这 并不等于不能通过优化控制来改进生物过程。并不等于不能通过优化控制来改进生物过程。 o 例如，调节得很好的控制回路通常可以维持过程温例如，调节得很好的控制回路通常可以维持过程温 度或度或pH条件很接近所需值（如条件很接近所需值（如0.

39、3， pH0.2）。）。 （一）温度的控制（一）温度的控制 o 生物反应的最佳温度范围是生物反应的最佳温度范围是 比较狭窄的，所以发酵过程比较狭窄的，所以发酵过程 需把生物反应器的温度控制需把生物反应器的温度控制 在某一定值或区间内。在某一定值或区间内。 o 在冷却水温度比较稳定的情在冷却水温度比较稳定的情 况下，生化反应器的温度常况下，生化反应器的温度常 采用单回路的采用单回路的PID控制。这控制。这 样的温度控制系统由四个环样的温度控制系统由四个环 节组成，即温度测量元件，节组成，即温度测量元件， 通常用铂热电阻温度计通常用铂热电阻温度计T， 控制器，调节阀和被控过程控制器，调节阀和被控过

40、程 的生化反应器（发酵罐）。的生化反应器（发酵罐）。 （二）（二）pH的控制的控制 opH是发酵过程中代谢平衡，特别是是发酵过程中代谢平衡，特别是 碳、氮平衡的反映。碳、氮平衡的反映。 o系统由系统由pH测量电极和变送器、测量电极和变送器、pH 控制器、空气开关和气动开关阀组控制器、空气开关和气动开关阀组 成。氨水不是直接加入反应器，而成。氨水不是直接加入反应器，而 是通过空气管道与空气一起送入反是通过空气管道与空气一起送入反 应器，这样使氨水充分分散于发酵应器，这样使氨水充分分散于发酵 液中，不会造成局部液中，不会造成局部pH值的偏高或值的偏高或 偏低。为了防止调节阀门的泄漏，偏低。为了防止

41、调节阀门的泄漏， 调节阀采用气动开关阀，它由电磁调节阀采用气动开关阀，它由电磁 空气开关来控制。所以，空气开关来控制。所以，pH控制系控制系 统是一开关控制系统，控制器根据统是一开关控制系统，控制器根据 pH偏差信号计算出开关阀门开关周偏差信号计算出开关阀门开关周 期和开与关的时间长短，来控制输期和开与关的时间长短，来控制输 入的氨水的量，从而达到控制入的氨水的量，从而达到控制pH的的 目的。目的。 （三）溶氧控制（三）溶氧控制 o由于溶氧浓度受到传氧与耗由于溶氧浓度受到传氧与耗 氧两方面影响，从耗氧方面氧两方面影响，从耗氧方面 考虑，溶氧浓度可作为补料考虑，溶氧浓度可作为补料 控制的依据。从

42、传氧方面考控制的依据。从传氧方面考 虑，一般通过加大搅拌转速、虑，一般通过加大搅拌转速、 通气量或罐顶压力的方法，通气量或罐顶压力的方法， 提高氧传递速率。提高氧传递速率。 o溶解氧通过控制发酵罐压力溶解氧通过控制发酵罐压力 和空气流量的方法来控制。和空气流量的方法来控制。 由于压力控制系统与空气流由于压力控制系统与空气流 量控制系统相互有影响，即量控制系统相互有影响，即 有耦合作用。因为提高发酵有耦合作用。因为提高发酵 压力，使发酵中二氧化碳的压力，使发酵中二氧化碳的 溶解度也增加，这不仅会改溶解度也增加，这不仅会改 变发酵液的变发酵液的pHpH值，而且会影值，而且会影 响氧的溶解度，因此，

43、常用响氧的溶解度，因此，常用 控制溶解氧的方法控制空气控制溶解氧的方法控制空气 流量。流量。 （四）补料控制（四）补料控制 o 补料程序依赖于比生长曲线补料程序依赖于比生长曲线 形态、产物生成速率及发酵形态、产物生成速率及发酵 的初始条件等情况。的初始条件等情况。 o 补料控制实际上是流量控制，补料控制实际上是流量控制， 整个控制系统由流量测量环整个控制系统由流量测量环 节、流量控制器和调节阀组节、流量控制器和调节阀组 成。其中流量测量环节可用成。其中流量测量环节可用 电磁流量计或带远传转子流电磁流量计或带远传转子流 量计来测量量计来测量。 二、先进控制理论在反应器控制中的应用二、先进控制理论

44、在反应器控制中的应用 （一）模糊逻辑控制在生化过程中的应用（一）模糊逻辑控制在生化过程中的应用 （二）生化过程知识库系统（二）生化过程知识库系统 过程控制 状态估算未来控制 与生产的预测 模拟优化 生物扫描器 检测与监督控制 相鉴别操作策略内在模拟 预期轨道错误检测与诊断 传感器经验恢复意见 本地控制计算 机 过程 在线调度程序 在线RDB 智能使用者接 口 离线数据 （三）基于专家系统的人工神经网络（三）基于专家系统的人工神经网络 系统数据专家知识 神经网络 整体分析 实际系统 局部优化 系统改进 实际数据 专家神经网络分析框图 生化过程控制理论存在的难点：生化过程控制理论存在的难点： o无

45、论是前馈还是反馈控制，都必须建立在在线监测的各种参数无论是前馈还是反馈控制，都必须建立在在线监测的各种参数 上，但适用于生化反应过程的传感器的研究大大落后于生物工上，但适用于生化反应过程的传感器的研究大大落后于生物工 业的发展。业的发展。 o各种微生物具有独特的生理特性、生产各种代谢产物又有各自各种微生物具有独特的生理特性、生产各种代谢产物又有各自 的代谢途径，应用于生化反应过程的控制理论不具有普适性。的代谢途径，应用于生化反应过程的控制理论不具有普适性。 o控制理论自身的局限，至今不能模拟生化反应过程的高度非线控制理论自身的局限，至今不能模拟生化反应过程的高度非线 性的多容量特性。性的多容量

46、特性。 o在具体的控制模型构建时，缺乏以细胞代谢流为核心的过程分在具体的控制模型构建时，缺乏以细胞代谢流为核心的过程分 析，采用以动力学为基础的最佳工艺控制点为依据的静态操作析，采用以动力学为基础的最佳工艺控制点为依据的静态操作 方法实质上是化学工程动力学概念在发酵工程上的延伸。目前方法实质上是化学工程动力学概念在发酵工程上的延伸。目前 发酵动力学模型主要通过经验法、半经验法或简化法得到，一发酵动力学模型主要通过经验法、半经验法或简化法得到，一 般为非结构动力学模型，如般为非结构动力学模型，如MonodMonod、MoserMoser、TessierTessier、ContoisContois 等模型方程。国内外都有学者提出基于参数相关的发酵过程多等模型方程。国内外都有学者提出基于参数相关的发酵过程多 水平问题的研究。水平问题的研究。 一、设定参数一、设定参数 1压强压强 对通气生物发酵反应，必须往反应器中通入无菌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，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二是强化培养液的混合与传质，三是维持反