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

第五章生物反应器的检测与控制第一节生化过程主要检测的参变量第二节生化过程的检测方法、仪器与应用第三节生物反应器的优化控制第五章生物反应器的检测与控制第一节生化过程主要检测的参变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、以及生物变量信息。第一节生化过程主要检测的参变量要对生化过程进行有效的操作和控制，首先第一节生化过程主要检检测的目的；有多少必须检测的状态参数，这些参变量能否测量检出?能测定的参数可否在线检测，其响应滞后是否太大?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；反应系统中需控制的主要参变量是什么?这些需控制的参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检测的目的；生物反应过程检测的基本要求过程检测参数的类型物理参数温度、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、呼吸熵过程检测参数的类型物理参数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比生长速率化学、物理参数的作用与检测方法比生长速率1.温度

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，所以必须使反应体系控制在最佳的发酵反应温度范围。一、物理参数典型啤酒发酵温度曲线1.温度一、物理参数典型啤酒发酵温度曲线2.压强

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，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。2.压强3.通气量

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。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。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。

通气量和pH对苹果酸发酵的影响3.通气量通气量和pH对苹果酸发酵的影响4.液位液位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位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，故必须严格控制培养基液位。对气升内环流式反应器，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菌水，以维持最佳液位。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。4.液位液位的高低决定了反应器装液系数即影响生产效率；对通5.搅拌转速与搅拌功率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，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拟放大基准。5.搅拌转速与搅拌功率搅拌转速对发酵液的混合状态、溶氧速率、6.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气泡以及厌气发酵过程中生成的CO2气泡，都会导致生物发酵液面上生成不同程度的泡沫层。6.泡沫高度7.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生产效率。流加培养7.培养基流加速度流加培养8.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、细胞浓度、温度、代谢产物等影响。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。8.黏度（或表观黏度）二、化学参数1.pH每一种生物细胞均有最佳的生长增殖pH值，细胞及酶的生物催化反应也有相应的最佳pH范围。在培养基制备及产物提取、纯化过程也必须控制适当的pH。因此生物反应生产对pH的检测控制极为重要。二、化学参数1.pH2.溶氧浓度和氧化还原电位好气性发酵过程中，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。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。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。这样低的溶解氧浓度使用氧化还原电极电位计（ORP仪）来测定微小的溶氧值。谷氨酸发酵溶氧变化2.溶氧浓度和氧化还原电位好气性发酵过程中，液体培养基中均需3.发酵液中溶解CO2浓度对通气发酵生产，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，而溶解的CO2含量会升高。对大部分的好氧发酵，当发酵液中溶解CO2浓度增至某值时，就会使细胞生长和产物生成速率下降。图7-1谷氨酸发酵的代谢曲线3.发酵液中溶解CO2浓度图7-1谷氨酸发酵的代谢曲线4.呼吸代谢参数微生物的氧利用速率、二氧化碳释放速率、呼吸熵.氧利用速率（OUR）二氧化碳释放速率（CER）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21%，二氧化碳的浓度为零，测量到排出气体的氧浓度为O2出%，二氧化碳的浓度为CO2出%，则由气相物料平衡计算可得上式）4.呼吸代谢参数5．氧比消耗速率（rO2）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。5．氧比消耗速率（rO2）1.细胞浓度及酶活特性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，从而控制和改变生产工艺或补料和供氧，保证达到较好的生产水平。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。三、生物参数1.细胞浓度及酶活特性三、生物参数2.菌体形态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和菌体的质量。2.菌体形态3.菌体比生长速率(μ)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h-1。菌体的比生长速率与生物的代谢有关。比生长速率变化3.菌体比生长速率(μ)比生长速率变化4.培养基质浓度和产物浓度培养液基质浓度则是发酵转化率及产物得率的重要衡量。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酵。基质与产物浓度的检测、控制对各种发酵均是必要的。4.培养基质浓度和产物浓度第二节生化过程常用检测方法、仪器

及应用

一、检测方法及仪器组成在线检测离线检测

第二节生化过程常用检测方法、仪器

及应用

一、检测方法及仪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，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算间接参数。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发酵过程对传感器的要求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，可靠性好，具有可维修性。必须考虑卫生要求，发酵过程中不允许有其他杂菌污染。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。要求传感器与外界大气隔绝，采用的方法有蒸汽汽封、O形圈密封、套管隔断等。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。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。发酵过程对传感器的要求发酵过程对传感器的常规要求为准确性、精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，可连续在线无菌取对于挥发性物质的检测，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）可透过对于挥发性物质的检测，如酒精发酵过程中的乙醇含量测定，可采用二、主要参数检测原理及应用1.温度的测量常用工业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、在中低温区输出信号大、信号可以远传等优点。二、主要参数检测原理及应用1.温度的测量生物工程设备5-第五章-生物反应器的检测与控制设备课件2.溶氧浓度的检测溶氧电极法2.溶氧浓度的检测溶氧电极法体积溶氧系数(Ｋla)的测量

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Ｋla

（式中Ｃ进，Ｃ＊为常量：Ｃ出可用氧气分析仪自排出气体测得，Ｃ为培养液中的溶氧浓度用溶氧电极测得）体积溶氧系数(Ｋla)的测量

用溶氧电极与氧气分析仪相3.pH值的测量为了测量pH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浸泡于某一溶液时具有一定的电位差，其pH可表示为：pH3.pH值的测量为了测量pH值，需要一个测量电极和一个现在一般采用复合电极。在复合电极中，玻璃电极由参比电极包裹着。温度对pH值的准确测量有很大的影响，为了补偿温度的影响，在pH复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。现在一般采用复合电极。在复合电极中，玻璃电极由参比电极包裹着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（ORP）测定ORP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位值,与pH和温度有关。表示式为：4.氧化还原电位（ORP）测定ORP的检测原理是基于5.液位和泡沫高度的检测液位的检测主要方法电容法压差法

电导法5.液位和泡沫高度的检测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。如罐内有泡沫，要测定泡沫高度，那必须注意基准位置的选定。电容式液面计

压差法

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面高度。发酵液位高H可由下式求算，H=（ΔP2/ΔP1）×ΔH压差法电容探头电阻探头电热探头超声探头泡沫检测转盘泡沫的检测电容探头泡沫的检测电容探头由两个电极组成，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。电容探头由两个电极组成，泡沫改变两个电极之间的电容，引起通过超声探头超声探头有一个超声波发射端和一个接受端，分别安装在反应器内泡沫可能出现的空间两端相对位置。使用时，发射端不断发出频率在25～40Hz的超声波，在没有泡沫的情况下，大部分超声波被接受端接受。当有泡沫出现时，由于泡沫能够吸收25～40Hz的超声波，抵达接收端的超声波相应减少，从而能够检测泡沫的出现。超声探头超声探头有一个超声波发射端和一个接受端，分别安装6.溶解CO2浓度的检测利用对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。6.溶解CO2浓度的检测利用对CO2有特殊选择渗透通生物工程设备5-第五章-生物反应器的检测与控制设备课件7.培养基和液体流量计液体质量流量计电磁流量计漩涡流量计转子流量计7.培养基和液体流量计液体质量流量计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）作为一次排量的计算单位。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，椭圆齿轮的转数与每次排量四倍的乘积即为被测液体流量的总量（原理见图）。工作原理与结构生物工程设备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液体直通流量计液体直通流量计电磁流量计电磁流量计电磁流量计的测量原理是基于法拉第电磁感应定律：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，

其感应电势E为：E=KBVD

（式中：K－仪表常数B－磁感应强度V－测量管道截面内的平均流速D－测量管道截面的内径）测量流量时，导电性液体以速度V流过垂直于流动方向的磁场，导电性液体的流动感应出一个与平均流速成正比的电压，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智能化处理，然后LCD显示或转换成标准信号4～20ma和0－1khz输出。电磁流量计的测量原理是基于法拉第电磁感应定律：漩涡流量计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动频率与流体的流速成正比。漩涡流量计当沿着轴向的流体流量传感8.培养液尾气分析尾气总流量：转子流量计尾气中二氧化碳的含量尾气中的氧含量尾气中其他气体的分析：工业质谱仪8.培养液尾气分析尾气总流量：转子流量计生物工程设备5-第五章-生物反应器的检测与控制设备课件尾气总流量：转子流量计原理：

在一定流量下转子在测量管仲的悬浮高度不同，读出相应的刻度即可得到流量值。尾气总流量：转子流量计原理：质量流量计精确的测量。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温度差不同，当流量改变时这个温度差也随之改变，因此可以用来测量流过的质量流量。质量流量计精确的测量。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，近气流进入端的温度降低，而流出端的温度上升没有空气流动时，沿测量管轴方向的温度

排气中CO2浓度常用检测仪有红外线二氧化碳测定仪和二氧化碳电极。CO2气体在红外2.6～2.9×103和4.1～4.5×103nm之间有吸收峰，依据朗伯－比尔定律：排气中CO2浓度排气的氧分压的测定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。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，或者具有抗磁性的原理测量气体中的氧含量。排气的氧分压的测定气体中氧浓度检测方法主要有磁氧分析、极谱电生物工程设备5-第五章-生物反应器的检测与控制设备课件英国MI公司尾气分析仪发酵在线尾气分析仪发酵在线尾气分析系统英国MI公司尾气分析仪发酵在线尾气分析仪发酵在线尾气分析系统8.细胞浓度测定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:①响应要连续、迅速②灵敏度应在0.02g/L以上③电极本身对生物细胞无影响④检测过程对细胞无损伤，不必加药；⑤可检测含固体微粒营养物质的发酵液⑥易于清洗、灭菌8.细胞浓度测定对于生物反应器在线检测用的生物传感器或普通的全细胞浓度仪常用流通式浊度计用的光源可用可见单色光、激光或紫外光，最常用的为可见光或同一波长的激光束，前者的波长400～660nm之间，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，全细胞浓度与光密度(也称消光系数，OD)值成线性关系。若应用激光束作光源，可测全细胞浓度的范围是O～200g/L(湿细胞)，精度在±l%FS，响应时间只用ls。全细胞浓度仪常用流通式浊度计用的光源可用可见单色光、激光或紫LabScan型实时在线浊度计

LabScan型实时在线浊度计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。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ATP，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ATP水平是一样的。当细胞死灭，其中的ATP就迅速水解而消失，因此可通过发酵液的ATP浓度检测来确定活细胞浓度。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胞催英国ABER公司原位活细胞在线检测仪英国ABER公司原位活细胞在线检测仪德国OPTEK发酵(BIOMASS)生物量密度分析仪德国OPTEK发酵(BIOMASS)三、生物发酵溶液中营养成分与产物的分析对发酵生产，反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HPLC或GC等仪器或化学方法进行检测。三、生物发酵溶液中营养成分与产物的分析发酵液中营养成分与产物发酵液中营养成分与产物液相色谱气相色谱常见发酵检测仪器设备液相色谱气相色谱常见发酵检测仪器设备美国YSI

葡萄糖生化分析仪国产葡萄糖生化分析仪美国YSI

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原子吸收分光光度计自动凯氏定氮仪原子吸收分光光度计在线分析仪器设备高压液相分析系统（HPLC）流动注射式（FlowInjectionAnalyser）分析系统映像在线监控系统在线分析仪器设备高压液相分析系统（HPLC）高压液相分析系统（HPLC）发酵液过滤后进入过滤取样模件FAM，由HPLC系统分析。数据传到主计算机高压液相分析系统（HPLC）发酵液过滤后进入过滤取样模件FA高压液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、反应剂混合送至检测系统发酵罐中发酵液经过滤器过滤，清液注入探测器，检测。流动注射式分析系统

（FlowInjectionAnalyser）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FIAlabInstruments流动注射式分析系统

FIAlabInstruments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。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生物传感器：利用生物材料和适当的转换元件制成的传感器生物材料：固定化酶、微生物、抗原抗体、生物组织等转换元件：电化学电极、热敏电阻等四、生物传感器在发酵过程检测中的应用生物传感器：利用生物材料生物工程设备5-第五章-生物反应器的检测与控制设备课件

酶电极微生物电极免疫电极酶电极酶传感器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/mg·L-1葡萄糖葡萄糖氧化酶H2O210010s1~5×102半乳糖半乳糖氧化酶H2O220~40—10~103乙醇乙醇氧化酶O212030s5~103乳酸乳酸氧化酶O23030s5~103丙酮酸丙酮酸氧化酶O2102min10~103尿酸尿酸酶O212030s10~103尿素尿素酶NH3601~2min10~103胆固醇胆固醇脂酶胆固醇氧化酶H2O2303min10~5×103中性脂肪脂肪酶pH141min5~5×103青霉素青霉素酶pH7~140.5~2min10~103丙谷转氨酶丙酮酸氧化酶O2102~10min0.5~180快速，灵敏！酶传感器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/mmol·L-1抗坏血酸（VC）抗坏血酸氧化酶0.05~0.6纤维素二糖β-葡萄糖苷酶+葡萄糖氧化酶+过氧化氢酶0.05~5.0头孢菌素头孢菌素酶0.005~10肌酸酐肌酸酐、亚胺水解酶0.01~10乙醇乙醇氧化酶0.01~1半乳糖半乳糖氧化酶0.01~1葡萄糖葡萄糖氧化酶+过氧化氢酶0.001~0.8乳酸乳酸单氧酶0.002~2乳糖乳糖酶+葡萄糖氧化酶+过氧化氢酶0.05~10草酸草酸氧化酶0.005~0.5青霉素β-内酰胺酶0.01~500蔗糖转化酶（蔗糖酶）0.05~100甘油三酯脂蛋白、脂肪酶0.1~5.0尿素尿素酶0.01~500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/mmo第三节生物反应器的优化控制生物反应器的优化控制概述生化反应过程的主要控制参数生物反应器的优化控制第三节生物反应器的优化控制生物反应器的优化控制概述+87计算机技术的快速发展工业设备技术水平的大幅度进步自动控制技术被广泛用于发酵过程的控制特别高端发酵制药行业，应用更多一、生物反应器优化控制概述+87计算机技术的快速发展工业设备技术水平的大幅度进步自动控88发酵罐(A)

原料预处理与输送(B)蒸汽系统(C)降温水系统(D)空气系统(E)种子供给(F)尾气(I)、废液处理(J)补料系统(G)检测与控制系统(H)发酵罐设备系统组成(A

B

C

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H

I

)发酵罐系统设计示意图88发酵罐(A)原料预处理与输送(B)蒸汽系统(C)降温水发酵自动控制技术基本原理89(A

B

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E)工作原理：各种检测设备的原始检测信号A被转换器B转化为计算机识别的通用信号C（一般为4-20mA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反馈控制信号

(D)，经过控制器(E)对各个

参数进行调节与控制。发酵自动控制技术基本原理89(ABC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图7-17用于微生物发酵过程的某个计算机控制系统示意图图7-17用于微生物发酵过程的某个计算机控制系统示意图生物工程设备5-第五章-生物反应器的检测与控制设备课件分布式控制系统（DCS）93(A

B

C

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E)DCS分布式控制系统

发酵工业常用的一种自动控制

系统。DCS系统组成：

现场仪表、各种信号转换与

传输设备、操作员站、

工程师站、主机等组成。操作员站：分布在各个现场主机：多采用冗余配置。DCS系统设备组成分布式控制系统（DCS）93(ABC发酵通气自动控制技术发酵通气自动控制技术生物工程设备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。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温度的控制生物反应的最佳温度范围是比较狭窄的，所以发酵过程需把生物反应器的温度控制在某一定值或区间内。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单回路的PID控制。这样的温度控制系统由四个环节组成，即温度测量元件，通常用铂热电阻温度计T，控制器，调节阀和被控过程的生化反应器（发酵罐）。温度的控制生物反应的最佳温度范围是比较狭窄的，所以发酵过程需如右图所示，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。如右图所示，控制器使用温度探头感应反应器内的温度，当温度大温度控制仪使用铂电阻探头感知生物反应器内的温度，与设定温度比较后，调节外置水浴的冷水进口阀门和加热装置以改变水浴内的温度，水浴内的换热介质通过生物反应器的内置换热器，或者夹套换热器与培养液进行热交换，从而维持反应器温度在一定范围。温度控制仪使用铂电阻探头感知生物反应器内的温度，与设定温度溶氧控制由于溶氧浓度受到传氧与耗氧两方面影响，从耗氧方面考虑，溶氧浓度可作为补料控制的依据。从传氧方面考虑，一般通过加大搅拌转速、通气量或罐顶压力的方法，提高氧传递速率。溶解氧通过控制发酵罐压力、空气流量及搅拌转速的方法来控制。由于压力控制系统与空气流量控制系统相互有影响，即有耦合作用。因为提高发酵压力，使发酵中二氧化碳的溶解度也增加，这不仅会改变发酵液的pH值，而且会影响氧的溶解度，因此，常用控制空气流量和转速的方法控制溶解氧。溶氧控制由于溶氧浓度受到传氧与耗氧两方面影响，从耗氧方面考虑生物工程设备5-第五章-生物反应器的检测与控制设备课件使用了三个阀门分别调节高浓度氧、氮气、和空气进入速度。生物反应器内的溶氧浓度由溶氧电极传到溶氧浓度信号放大和控制仪，然后由控制仪分别调节三个阀门的开度。不调节搅拌速度，适用于动物和植物细胞等对搅拌剪切力比较敏感的生物培养。使用了三个阀门分别调节高浓度氧、氮气、和空气进入速度。生物反适合微生物及其他对搅拌剪切力不太敏感的生物培养，是最为广泛应用的溶氧浓度控制方案。这个方案采用搅拌优先的控制方法，即，当溶氧浓度低于设定值时，先增加搅拌速度，如果搅拌速度增加到某个最大值后还达不到要求，再增加气体通入速度。当然，也可以人为设定某个搅拌转速不变，然后调节气体通入速度。适合微生物及其他对搅拌剪切力不太敏感的生物培养，是最为广泛应生物工程设备5-第五章-生物反应器的检测与控制设备课件pH的控制pH是发酵过程中代谢平衡，特别是碳、氮平衡的反映。系统由pH测量电极和变送器、pH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液中，不会造成局部pH值的偏高或偏低。为了防止调节阀门的泄漏，调节阀采用气动开关阀，它由电磁空气开关来控制。所以，pH控制系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pH的目的。pH的控制pH是发酵过程中代谢平衡，特别是碳、氮平衡的反映。补料控制补料程序依赖于比生长曲线形态、产物生成速率及发酵的初始条件等情况。补料控制实际上是流量控制，整个控制系统由流量测量环节、流量控制器和调节阀组成。其中流量测量环节可用电磁流量计或带远传转子流量计来测量。补料控制补料程序依赖于比生长曲线形态、产物生成速率及发酵的初发酵补料自动控制系统补料系统示意图107补料成分：

发酵过程中需要补加

一些营养成分、

生长

因子、消沫剂等；补料系统组成

补料系统1

补料系统2

消沫剂发酵补料自动控制系统补料系统示意图107补料成分：补料系统组泡沫的控制太多的泡沫给反应带来不利的影响大量的泡沫充斥反应器内，降低了反应器可用操作容量。由于泡沫的飘浮作用，降低营养液层内生物体和营养物质的浓度，影产率。附着在泡沫层上的生物体由于缺氧容易死亡自溶，释放出的生物体蛋白将进一步促使泡沫的形成。泡沫层不容易被搅动，覆盖在培养液的上方，造成局部生物生长和产物合成的损害。泡沫容易进入搅拌轴密封及反应器排气管道增加染菌的机会。泡沫容易夹带培养液从排气管道溢出造成所谓“逃液”现象，给生产带来损失。

因此必须对泡沫进行控制。

泡沫的控制太多的泡沫给反应带来不利的影响化学消泡消泡机理：消泡剂是表面活性物质，降低气泡表面张力，使气泡破裂。降低机械强度（降低液膜的弹性）降低膜表面的黏度。天然油脂类、高级醇类、聚醚类、硅酮类、氟化烷烃等生产中的一些用法：通过机械搅拌，使消泡剂更易于分散在反应液中。将消泡剂与载体一起使用，使消泡剂溶于或分散于载体中，比如用聚氧丙烯甘油作消泡剂时，以豆油为载体的消泡增效作用明显。多种消泡剂并用可增强消泡作用。使用乳化剂增强消泡剂的消泡作用，如消泡剂聚氧丙烯甘油用吐温-80为乳化剂的增效作用可提高1-2倍。硅酮类消泡原理化学消泡消泡机理：硅酮类消泡原理机械消泡靠机械强烈振动和压力的变化，促使细胞破裂，或借助机械力将排出气体中的液体加以分离回收，从而达到消泡的作用。机械消泡的优点是不需在发酵液中加入其他物质，减少了由于加入消泡剂所引起的染菌机会和对后续分离的影响。但是机械效果不如化学消泡迅速、可靠、不能根本上消除引起稳定泡沫的因素，而且它还需要一定的设备和消耗一定的动力。罐内消泡、罐外消泡。全自动机械消泡器（离心力）机械消泡靠机械强烈振动和压力的变化，促使细胞破裂，或借助液位电极控制消泡剂的流加

液位电极是根据空气与带有发酵液的泡沫导电率不同的原理制造。采用双位式的控制方法，当反应物液面达到一定的高度时，自动打开消泡剂的阀门，当液面降回到正常时，自动关闭消泡剂的阀门。液位电极控制消泡剂的流加生物体浓度的控制供氧和耗氧平衡根据尾气中氧气和二氧化碳浓度来估计和控制流加基质浓度英国ABER公司原位活细胞在线检测仪生物体浓度的控制供氧和耗氧平衡英国ABER公司原位发酵过程的优化原则明确控制目标，确定最优化原则建立数学模型，理清各参变量之间的关系状态估计与参数识别，若参数目标状态（产物浓度）不能在线检测，可利用与目标参变量有已知确定关系而且可在线检测的参变量（如O2和CO2分压及溶解氧浓度）的定量关系，在线推算出目标参数的数值。由推定的目标参变量，计算目标函数（如产量、生产成本），进行反应过程的最优化控制。三、先进控制理论在反应器控制中的应用发酵过程的优化原则明确控制目标，确定最优化原则三、先进控制理模糊逻辑控制在生化过程中的应用模糊逻辑控制在生化过程中的应用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生化过程控制理论存在的难点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业的发展。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。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。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，一般为非结构动力学模型，如Monod、Moser、Tessier、Contois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。生化过程控制理论存在的难点无论是前馈还是反馈控制，都必须建立本章小结1.生化规程主要检测的参数有哪些？2.生物反应器的温度、体积流量（液体和气体）、pH、溶氧的在线测量仪表有哪些？3.生物反应器的温度、pH、溶氧是如何实现自动调节的？

（简图表示原理）本章小结1.生化规程主要检测的参数有哪些？第五章生物反应器的检测与控制第一节生化过程主要检测的参变量第二节生化过程的检测方法、仪器与应用第三节生物反应器的优化控制第五章生物反应器的检测与控制第一节生化过程主要检测的参变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、以及生物变量信息。第一节生化过程主要检测的参变量要对生化过程进行有效的操作和控制，首先第一节生化过程主要检检测的目的；有多少必须检测的状态参数，这些参变量能否测量检出?能测定的参数可否在线检测，其响应滞后是否太大?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；反应系统中需控制的主要参变量是什么?这些需控制的参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检测的目的；生物反应过程检测的基本要求过程检测参数的类型物理参数温度、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、呼吸熵过程检测参数的类型物理参数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比生长速率化学、物理参数的作用与检测方法比生长速率1.温度

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，所以必须使反应体系控制在最佳的发酵反应温度范围。一、物理参数典型啤酒发酵温度曲线1.温度一、物理参数典型啤酒发酵温度曲线2.压强

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，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。2.压强3.通气量

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。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。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。

通气量和pH对苹果酸发酵的影响3.通气量通气量和pH对苹果酸发酵的影响4.液位液位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位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，故必须严格控制培养基液位。对气升内环流式反应器，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菌水，以维持最佳液位。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。4.液位液位的高低决定了反应器装液系数即影响生产效率；对通5.搅拌转速与搅拌功率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，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拟放大基准。5.搅拌转速与搅拌功率搅拌转速对发酵液的混合状态、溶氧速率、6.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气泡以及厌气发酵过程中生成的CO2气泡，都会导致生物发酵液面上生成不同程度的泡沫层。6.泡沫高度7.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生产效率。流加培养7.培养基流加速度流加培养8.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、细胞浓度、温度、代谢产物等影响。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。8.黏度（或表观黏度）二、化学参数1.pH每一种生物细胞均有最佳的生长增殖pH值，细胞及酶的生物催化反应也有相应的最佳pH范围。在培养基制备及产物提取、纯化过程也必须控制适当的pH。因此生物反应生产对pH的检测控制极为重要。二、化学参数1.pH2.溶氧浓度和氧化还原电位好气性发酵过程中，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。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。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。这样低的溶解氧浓度使用氧化还原电极电位计（ORP仪）来测定微小的溶氧值。谷氨酸发酵溶氧变化2.溶氧浓度和氧化还原电位好气性发酵过程中，液体培养基中均需3.发酵液中溶解CO2浓度对通气发酵生产，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，而溶解的CO2含量会升高。对大部分的好氧发酵，当发酵液中溶解CO2浓度增至某值时，就会使细胞生长和产物生成速率下降。图7-1谷氨酸发酵的代谢曲线3.发酵液中溶解CO2浓度图7-1谷氨酸发酵的代谢曲线4.呼吸代谢参数微生物的氧利用速率、二氧化碳释放速率、呼吸熵.氧利用速率（OUR）二氧化碳释放速率（CER）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21%，二氧化碳的浓度为零，测量到排出气体的氧浓度为O2出%，二氧化碳的浓度为CO2出%，则由气相物料平衡计算可得上式）4.呼吸代谢参数5．氧比消耗速率（rO2）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。5．氧比消耗速率（rO2）1.细胞浓度及酶活特性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，从而控制和改变生产工艺或补料和供氧，保证达到较好的生产水平。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。三、生物参数1.细胞浓度及酶活特性三、生物参数2.菌体形态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和菌体的质量。2.菌体形态3.菌体比生长速率(μ)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h-1。菌体的比生长速率与生物的代谢有关。比生长速率变化3.菌体比生长速率(μ)比生长速率变化4.培养基质浓度和产物浓度培养液基质浓度则是发酵转化率及产物得率的重要衡量。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酵。基质与产物浓度的检测、控制对各种发酵均是必要的。4.培养基质浓度和产物浓度第二节生化过程常用检测方法、仪器

及应用

一、检测方法及仪器组成在线检测离线检测

第二节生化过程常用检测方法、仪器

及应用

一、检测方法及仪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，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算间接参数。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发酵过程对传感器的要求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，可靠性好，具有可维修性。必须考虑卫生要求，发酵过程中不允许有其他杂菌污染。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。要求传感器与外界大气隔绝，采用的方法有蒸汽汽封、O形圈密封、套管隔断等。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。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。发酵过程对传感器的要求发酵过程对传感器的常规要求为准确性、精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，可连续在线无菌取对于挥发性物质的检测，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）可透过对于挥发性物质的检测，如酒精发酵过程中的乙醇含量测定，可采用二、主要参数检测原理及应用1.温度的测量常用工业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、在中低温区输出信号大、信号可以远传等优点。二、主要参数检测原理及应用1.温度的测量生物工程设备5-第五章-生物反应器的检测与控制设备课件2.溶氧浓度的检测溶氧电极法2.溶氧浓度的检测溶氧电极法体积溶氧系数(Ｋla)的测量

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Ｋla

（式中Ｃ进，Ｃ＊为常量：Ｃ出可用氧气分析仪自排出气体测得，Ｃ为培养液中的溶氧浓度用溶氧电极测得）体积溶氧系数(Ｋla)的测量

用溶氧电极与氧气分析仪相3.pH值的测量为了测量pH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浸泡于某一溶液时具有一定的电位差，其pH可表示为：pH3.pH值的测量为了测量pH值，需要一个测量电极和一个现在一般采用复合电极。在复合电极中，玻璃电极由参比电极包裹着。温度对pH值的准确测量有很大的影响，为了补偿温度的影响，在pH复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。现在一般采用复合电极。在复合电极中，玻璃电极由参比电极包裹着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（ORP）测定ORP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位值,与pH和温度有关。表示式为：4.氧化还原电位（ORP）测定ORP的检测原理是基于5.液位和泡沫高度的检测液位的检测主要方法电容法压差法

电导法5.液位和泡沫高度的检测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。如罐内有泡沫，要测定泡沫高度，那必须注意基准位置的选定。电容式液面计

压差法

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面高度。发酵液位高H可由下式求算，H=（ΔP2/ΔP1）×ΔH压差法电容探头电阻探头电热探头超声探头泡沫检测转盘泡沫的检测电容探头泡沫的检测电容探头由两个电极组成，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。电容探头由两个电极组成，泡沫改变两个电极之间的电容，引起通过超声探头超声探头有一个超声波发射端和一个接受端，分别安装在反应器内泡沫可能出现的空间两端相对位置。使用时，发射端不断发出频率在25～40Hz的超声波，在没有泡沫的情况下，大部分超声波被接受端接受。当有泡沫出现时，由于泡沫能够吸收25～40Hz的超声波，抵达接收端的超声波相应减少，从而能够检测泡沫的出现。超声探头超声探头有一个超声波发射端和一个接受端，分别安装6.溶解CO2浓度的检测利用对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。6.溶解CO2浓度的检测利用对CO2有特殊选择渗透通生物工程设备5-第五章-生物反应器的检测与控制设备课件7.培养基和液体流量计液体质量流量计电磁流量计漩涡流量计转子流量计7.培养基和液体流量计液体质量流量计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）作为一次排量的计算单位。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，椭圆齿轮的转数与每次排量四倍的乘积即为被测液体流量的总量（原理见图）。工作原理与结构生物工程设备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液体直通流量计液体直通流量计电磁流量计电磁流量计电磁流量计的测量原理是基于法拉第电磁感应定律：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，

其感应电势E为：E=KBVD

（式中：K－仪表常数B－磁感应强度V－测量管道截面内的平均流速D－测量管道截面的内径）测量流量时，导电性液体以速度V流过垂直于流动方向的磁场，导电性液体的流动感应出一个与平均流速成正比的电压，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智能化处理，然后LCD显示或转换成标准信号4～20ma和0－1khz输出。电磁流量计的测量原理是基于法拉第电磁感应定律：漩涡流量计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动频率与流体的流速成正比。漩涡流量计当沿着轴向的流体流量传感8.培养液尾气分析尾气总流量：转子流量计尾气中二氧化碳的含量尾气中的氧含量尾气中其他气体的分析：工业质谱仪8.培养液尾气分析尾气总流量：转子流量计生物工程设备5-第五章-生物反应器的检测与控制设备课件尾气总流量：转子流量计原理：

在一定流量下转子在测量管仲的悬浮高度不同，读出相应的刻度即可得到流量值。尾气总流量：转子流量计原理：质量流量计精确的测量。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温度差不同，当流量改变时这个温度差也随之改变，因此可以用来测量流过的质量流量。质量流量计精确的测量。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，近气流进入端的温度降低，而流出端的温度上升没有空气流动时，沿测量管轴方向的温度

排气中CO2浓度常用检测仪有红外线二氧化碳测定仪和二氧化碳电极。CO2气体在红外2.6～2.9×103和4.1～4.5×103nm之间有吸收峰，依据朗伯－比尔定律：排气中CO2浓度排气的氧分压的测定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。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，或者具有抗磁性的原理测量气体中的氧含量。排气的氧分压的测定气体中氧浓度检测方法主要有磁氧分析、极谱电生物工程设备5-第五章-生物反应器的检测与控制设备课件英国MI公司尾气分析仪发酵在线尾气分析仪发酵在线尾气分析系统英国MI公司尾气分析仪发酵在线尾气分析仪发酵在线尾气分析系统8.细胞浓度测定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:①响应要连续、迅速②灵敏度应在0.02g/L以上③电极本身对生物细胞无影响④检测过程对细胞无损伤，不必加药；⑤可检测含固体微粒营养物质的发酵液⑥易于清洗、灭菌8.细胞浓度测定对于生物反应器在线检测用的生物传感器或普通的全细胞浓度仪常用流通式浊度计用的光源可用可见单色光、激光或紫外光，最常用的为可见光或同一波长的激光束，前者的波长400～660nm之间，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，全细胞浓度与光密度(也称消光系数，OD)值成线性关系。若应用激光束作光源，可测全细胞浓度的范围是O～200g/L(湿细胞)，精度在±l%FS，响应时间只用ls。全细胞浓度仪常用流通式浊度计用的光源可用可见单色光、激光或紫LabScan型实时在线浊度计

LabScan型实时在线浊度计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。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ATP，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ATP水平是一样的。当细胞死灭，其中的ATP就迅速水解而消失，因此可通过发酵液的ATP浓度检测来确定活细胞浓度。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胞催英国ABER公司原位活细胞在线检测仪英国ABER公司原位活细胞在线检测仪德国OPTEK发酵(BIOMASS)生物量密度分析仪德国OPTEK发酵(BIOMASS)三、生物发酵溶液中营养成分与产物的分析对发酵生产，反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HPLC或GC等仪器或化学方法进行检测。三、生物发酵溶液中营养成分与产物的分析发酵液中营养成分与产物发酵液中营养成分与产物液相色谱气相色谱常见发酵检测仪器设备液相色谱气相色谱常见发酵检测仪器设备美国YSI

葡萄糖生化分析仪国产葡萄糖生化分析仪美国YSI

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原子吸收分光光度计自动凯氏定氮仪原子吸收分光光度计在线分析仪器设备高压液相分析系统（HPLC）流动注射式（FlowInjectionAnalyser）分析系统映像在线监控系统在线分析仪器设备高压液相分析系统（HPLC）高压液相分析系统（HPLC）发酵液过滤后进入过滤取样模件FAM，由HPLC系统分析。数据传到主计算机高压液相分析系统（HPLC）发酵液过滤后进入过滤取样模件FA高压液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、反应剂混合送至检测系统发酵罐中发酵液经过滤器过滤，清液注入探测器，检测。流动注射式分析系统

（FlowInjectionAnalyser）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FIAlabInstruments流动注射式分析系统

FIAlabInstruments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。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生物传感器：利用生物材料和适当的转换元件制成的传感器生物材料：固定化酶、微生物、抗原抗体、生物组织等转换元件：电化学电极、热敏电阻等四、生物传感器在发酵过程检测中的应用生物传感器：利用生物材料生物工程设备5-第五章-生物反应器的检测与控制设备课件

酶电极微生物电极免疫电极酶电极酶传感器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/mg·L-1葡萄糖葡萄糖氧化酶H2O210010s1~5×102半乳糖半乳糖氧化酶H2O220~40—10~103乙醇乙醇氧化酶O212030s5~103乳酸乳酸氧化酶O23030s5~103丙酮酸丙酮酸氧化酶O2102min10~103尿酸尿酸酶O212030s10~103尿素尿素酶NH3601~2min10~103胆固醇胆固醇脂酶胆固醇氧化酶H2O2303min10~5×103中性脂肪脂肪酶pH141min5~5×103青霉素青霉素酶pH7~140.5~2min10~103丙谷转氨酶丙酮酸氧化酶O2102~10min0.5~180快速，灵敏！酶传感器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/mmol·L-1抗坏血酸（VC）抗坏血酸氧化酶0.05~0.6纤维素二糖β-葡萄糖苷酶+葡萄糖氧化酶+过氧化氢酶0.05~5.0头孢菌素头孢菌素酶0.005~10肌酸酐肌酸酐、亚胺水解酶0.01~10乙醇乙醇氧化酶0.01~1半乳糖半乳糖氧化酶0.01~1葡萄糖葡萄糖氧化酶+过氧化氢酶0.001~0.8乳酸乳酸单氧酶0.002~2乳糖乳糖酶+葡萄糖氧化酶+过氧化氢酶0.05~10草酸草酸氧化酶0.005~0.5青霉素β-内酰胺酶0.01~500蔗糖转化酶（蔗糖酶）0.05~100甘油三酯脂蛋白、脂肪酶0.1~5.0尿素尿素酶0.01~500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/mmo第三节生物反应器的优化控制生物反应器的优化控制概述生化反应过程的主要控制参数生物反应器的优化控制第三节生物反应器的优化控制生物反应器的优化控制概述+205计算机技术的快速发展工业设备技术水平的大幅度进步自动控制技术被广泛用于发酵过程的控制特别高端发酵制药行业，应用更多一、生物反应器优化控制概述+87计算机技术的快速发展工业设备技术水平的大幅度进步自动控206发酵罐(A)

原料预处理与输送(B)蒸汽系统(C)降温水系统(D)空气系统(E)种子供给(F)尾气(I)、废液处理(J)补料系统(G)检测与控制系统(H)发酵罐设备系统组成(A

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)发酵罐系统设计示意图88发酵罐(A)原料预处理与输送(B)蒸汽系统(C)降温水发酵自动控制技术基本原理207(A

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E)工作原理：各种检测设备的原始检测信号A被转换器B转化为计算机识别的通用信号C（一般为4-20mA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反馈控制信号

(D)，经过控制器(E)对各个

参数进行调节与控制。发酵自动控制技术基本原理89(ABC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图7-17用于微生物发酵过程的某个计算机控制系统示意图图7-17用于微生物发酵过程的某个计算机控制系统示意图生物工程设备5-第五章-生物反应器的检测与控制设备课件分布式控制系统（DCS）211(A

B

C

D

E)DCS分布式控制系统

发酵工业常用的一种自动控制

系统。DCS系统组成：

现场仪表、各种信号转换与

传输设备、操作员站、

工程师站、主机等组成。操作员站：分布在各个现场主机：多采用冗余配置。DCS系统设备组成分布式控制系统（DCS）93(ABC发酵通气自动控制技术发酵通气自动控制技术生物工程设备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。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温度的控制生物反应的最佳温度范围是比较狭窄的，所以发酵过程需把生物反应器的温度控制在某一定值或区间内。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单回路的PID控制。这样的温度控制系统由四个环节组成，即温度测量元件，通常用铂热电阻温度计T，控制器，调节阀和被控过程的生化反应器（发酵罐）。温度的控制生物反应的最佳温度范围是比较狭窄的，所以发酵过程需如右图所示，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。如右图所示，控制器使用温度探头感应反应器内的温度，当温度大温度控制仪使用铂电阻探头感知生物反应器内的温度，与设定温度比较后，调节外置水浴的冷水进口阀门和加热装置以改变水浴内的温度，水浴内的换热介质通过生物反应器的内置换热器，或者夹套换热器与培养液进行热交换，从而维持反应器温度在一定范围。温度控制仪使用铂电阻探头感知生物反应器内的温度，与设定温度溶氧控制由于溶氧浓度受到传氧与耗氧两方面影响，从耗氧方面考虑，溶氧浓度可作为补料控制的依据。从传氧方面考虑，一般通过加大搅拌转速、通气量或罐顶压力的方法，提高氧传递速率。溶解氧通过控制发酵罐压力、空气流量及搅拌转速的方法来控制。由于压力控制系统与空气流量控制系统相互有影响，即有耦合作用。因为提高发酵压力，使发酵中二氧化碳的溶解度也增加，这不仅会改变发酵液的pH值，而且会影响氧的溶解度，因此，常用控制空气流量和转速的方法控制溶解氧。溶氧控制由于溶氧浓度受到传氧与耗氧两方面影响，从耗氧方面考虑生物工程设备5-第五章-生物反应器的检测与控制设备课件使用了三个阀门分别调节高浓度氧、氮气、和空气进入速度。生物反应器内的溶氧浓度由溶氧电极传到溶氧浓度