生物工艺学第八

生物工艺学国家十一五规划教材《生物工艺学》（邱树毅主编）配套课件

目录第一章绪论第二章工业微生物菌种选育、制备与保藏第三章工业培养基及其设计第四章生物工艺过程中的无菌技术第五章生物反应动力学第六章发酵过程原理第七章生物反应器及生物工艺过程的放大第八章生物反应过程参数检测与控制第九章生物产品分离及纯化技术第十章生物产品工艺学及应用第八章生物反应过程参数检测与控制

8.1生物反应过程参数8.2生物反应过程参数检测

8.2.1直接状态参数检测

8.2.2间接状态参数检测

8.3生物反应过程的自动控制

8.3.1基本自动控制系统

8.3.2发酵自控系统的硬件结构

8.3.3先进控制理论在发酵过程控制中的应用

8.1生物反应过程参数

生物反应过程参数的检测是发酵控制的重要依据，通过参数的变化趋势，把握发酵变化规律，调整发酵控制方式，判断发酵终点结束时间。根据参数的性质可将生物反应过程参数分为：化学参数物理参数生物学参数生物反应参数一览表

参数种类参数名称

参数单位

参数意义及主要作用

物理参数

温度

K，℃

维持菌体正常的生长、生产状态

压力

Pa

维持发酵罐正压，增加溶氧、防止染菌

气体流量

m3/h

反映供氧能力及排气大小液体流量

m3/h

反映前体、碳源、氮源、消沫剂流加速率，体现菌体消耗基质、前体、好氧等情况搅拌转速

m3/h

物料混合，提高传质效率粘度

Pa·s

反映菌体生长变化及对KLa影响发酵罐装液量

L，m3

反映发酵液装载量及其体积变化浊度

(透光率)%

反映菌体的生长情况发酵液密度

g/cm3,Kg/m3

反映发酵液性质泡沫液位

反映菌体代谢情况

生物反应过程参数温度发酵温度维持在菌体生长、生产的最适温度范围，有利于充分发挥菌体的生产能力，温度的高低与发酵中的反应速率、氧在发酵液中的溶解度和传递速率、菌体生长速率和产物合成速率等有密切关系。不同产品、发酵阶段所需温度不同。气体流量也称为通风量，即每分钟内单位发酵液中通入空气的体积，在好氧的发酵过程中，均要连续(或间歇)往反应器中液体通入大量的无菌空气，以达到预期的混合效果和溶氧速率，在固态发酵过程中还能对发酵温度进行一定的控制。通气量过高会引起泡沫多，造成逃液、固态发酵水分损失大耗能高。压力是指发酵过程中发酵罐所维持的压力大小，罐内维持正压可以防止外界环境中的杂菌侵入而避免污染。同时罐压的高低还与氧和二氧化碳的溶解度有关，间接影响菌体代谢。生物反应过程参数液体流量

对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。另外，对冷却水的流量控制可控制发酵温度。搅拌转速机械搅拌式发酵罐中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，从而影响生物细胞的生长、产物的生成、搅拌功率消耗等。同时，搅拌转速的升高增大对菌体的剪切力，所以对其有临界上限范围。发酵罐装液量发酵罐装液量大小是发酵罐设计的重要因素，它决定了罐体的装液系数，影响发酵罐的生产效率。考虑泡沫增大导致的液面升高、排气带出一定水分，发酵需维持最佳液位，必要时补加培养基和无菌水。生物反应过程参数泡沫液位发酵液面上的泡沫层，如果控制不好，就会大大降低发酵罐的有效反应空间，使装料系数低。甚至导致发酵液随泡沫从排气管溢出造成“逃液”的现象，增大损耗，并增加染菌的机会。粘度发酵液的粘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。粘度对发酵液的搅拌、混合、溶氧速率、传质、搅拌功率消耗、发酵产物的分离纯化等均有重要影响。PH是最重要的发酵过程参数之一。与发酵温度一样，菌体发酵均有最佳的生长、生产pH范围，实现细胞及酶的生物催化反应的pH要求。同时产物提取、纯化也需控制适当的PH值。生物反应过程程参数溶氧浓度和氧氧化还原电位位在好氧发酵过过程中，发酵酵液中均需维维持一定水平平的溶解氧(DO)，以满足生物细细胞呼吸、生生长及代谢需需要，较大程度地地影响发酵生生产水平。不不同的发酵生生产和不同的的发酵时间，，均有适宜的的溶氧浓度。。此外，溶氧浓度还可可作为是否染染杂菌或噬菌菌体的间接参参数。对于兼性好氧氧发酵，DO过高过低都都不行，目前前DO电极不不易测定较低低的溶氧浓度度，故用氧化还原电极极电位计来测测定微小溶氧氧值。CO2浓度对部分发酵过过程中，发酵液中溶解解的CO2浓度对发酵有有一定的抑制制作用，所以需控制制其浓度。对于光照自养养微藻培养，，保证其适当的浓度有有利于细胞产产量的提高。。基质浓度发酵液中糖、、氮、磷等重重要营养物质质浓度的变化化对产物的合合成有着重要要的影响，是是提高代谢产物物产量的重要控制手手段。在发酵酵过程中，必必须定时测定定糖(还原糖和和总糖)、氮氮(氨基酸或或氨氮)、重重要的无机盐盐等基质的浓度度。生物反应过程程参数菌体浓度生化反应过程程都是通过菌体的各种酶酶类来促使反反应进行的，所以通过过菌体浓度的的测定，可以以了解生物的的生长状态，，从而控制和和改变生产工工艺、或补料料和供氧，保保证达到较好好的生产水平平。对于酶作催化化剂的反应，，酶浓度（活活度）是必测测的参数。菌体形态在生化反应过过程中，菌体体形态的变化化也是反应其其代谢变化的的重要特征。。可以根据菌菌体的形态不不同，作为衡量种子质量量、区分发酵酵阶段、控制制发酵过程的的代谢变化和和决定发酵周周期的依据之之一。DNA或RNADNA、RNA是细胞生长的基基本物质，以DNA或或RNA为参参数可以判断断生长繁殖的的情况，清楚楚地区分发酵酵的各个阶段段。8.2生物反应过程程参数检测生物反应过程程参数的检测是为了取得生生物反应过程程及其菌株的的生理生化的的特征数据，，以便对过程进进行有效控制制。研究微生物物生长过程所所需要的检测测参数大多是是通过在反应应器中配置各各种传感器和自动分析仪来实现的，这这些装置能把把非电量参数数转化为电信信号，这些信信号经适当处处理后，可用用于监测发酵酵的状态、直直接作发酵闭闭环控制和计计算间接参数数。生物传感器测测量原理发酵过程对传传感器的要求求发酵过程对传传感器的常规要求为准确性、精精确度、灵敏敏度、分辨能能力要高，响响应时间滞后后要小，能够够长时间稳定定工作，可靠靠性好，具有有可维修性。。对发酵用传感感器的特殊要求是由发酵反应应的特点决定定的，发酵底底物中含有大大量的微生物物，必须考虑虑卫生要求，，发酵过程中中不允许有其其他杂菌污染染。传感器与发酵酵液直接接触触，一般要求求传感器能与与发酵液同时时进行高压蒸汽灭菌菌，不能耐受蒸蒸汽灭菌的传传感器可在罐罐外用其他方方法灭菌后无菌装装入。发酵过程中保持无菌，要要求传感器与与外界大气隔隔绝，采用的方法有有蒸汽汽封、、O形圈密封封、套管隔断断等。发酵用传感器器容易被培养养基和细菌污污染，应选用用不易污染的的材料如不锈钢，同同时要注意结构设计，选择无无死角的形状状和结构，防防止微生物附附着及干扰，，便于清洗，，不允许泄漏漏。传感器只与被测变量量有关，具有不受过程中其其他变量和周周围环境条件件变化影响的能力，如抗抗气泡及泡沫沫干扰等。。生物反应过程程参数检测离线测量是指在一定时时间内离散取取样，在反应应器外进行样样品处理和分分析测量，包包括常规的化学分析系统统和自动实验分析析系统。在线检测是仪器的电极极等可直接与与反应器内的的培养基接触触或可连续从从反应器中取取样进行分析析测定，如溶溶氧浓度、pH、罐压等等；在在线检检测的参数中中又根据是否否能直接反映映菌体的生理理代谢状态，，分为直接状态参数数及间接状态参数数。可粗略地把检检测仪器分成成在线检测和离线检测两大类典型生物状态态变量的测量量范围和准确确度或控制变变量的精度8.2.1直直接状态参参数检测直接状态参数数是指能反映反反应过程中微微生物的生理理代谢状况的的参数，如pH、溶氧浓浓度、溶解CO2、尾气气O2、尾气气CO2、粘粘度、菌体浓浓度等。发酵工程中直直接状态参数数检测温度测量感温元件：铂铂电阻（精、、稳但贵）；；铜电阻（便宜宜、但需长、、大，易氧化化）；半导体（精、、小、简、耐耐腐蚀但非线线形）。二次仪表：温温度，0—150℃，与热电阻型号号匹配。直接状态参数数检测热量测量（属属“微热量””）①利用热交换换原理，测量量一定时间内内冷却水的流流量和冷却水水进出口温度度（影响因素素较多Q散Q显Q搅，只能定性和和估计）②利用温度变变化率S（℃℃/h）：先先使罐温恒定定，再关闭自自控装置，测测量S；③热力学方法法：根据盖斯斯定律：“在在恒压和恒容容条件下，一一个反应不论论是一步完成成或几步完成成，其反应热热是相同的””。这实际上上是热力学第第一定律的必必然推论，因因为焓（H））是状态函数数，过程的焓焓变与途径无无关，只决定定于过程的始始态和终态。。发酵热可根根据标准燃烧烧热或标准生生成热来计算算。直接状态参数数检测搅拌转速和搅搅拌功率的测测量搅拌转速：磁磁感应式，，光感应式，，测速电机；；搅拌功率：（（影响因素：：菌丝浓度、、黏度、沫））方法：功功率表表，测定力矩矩求功率法。。直接状态参数数检测气体流量测定定体积流量型：：会引起流体能能量损失，受受温度和压力力变化的影响响；①同心孔板压压差式流量计计；②转子流量计计。质量流量型：：根据流体固有有性质（质量量、导电性、、热传导性能能）设计的流流量计。直接状态参数数检测罐压测量就地指示；转变为电信号号（远传）。。选测、控点时时，要避免死死角，防止染染菌。直接状态参数数检测料液计量与液液位控制压差法：H=（△P2/△P1）·△H直接重量测量量法：直接称称重体积计量法：：计算进出料料液流量计量法：：计算流量和和时间液位探针直接状态参数数检测发酵液粘度测测定毛细管粘度计计回转式粘度计计涡轮旋转粘度度计直接状态参数数检测PH测量复合PH电极极（灭菌、稳定定、流通、耐耐压）PH测量仪器器直接状态参数数检测溶解氧的测量量溶氧电极法：：这是一种参参量变换器：：把溶氧浓度度变成一个与与之呈线性关关系的电流量量，进行测量量，这种溶氧氧电极能耐蒸蒸汽杀菌时的的高温，可以以固定装在发发酵罐上，连连续地测量培培养液中溶氧氧浓度。亚硫酸盐氧化化法取样极普法排气法直接状态参数数检测直接状态参数数检测溶解二氧化碳碳测量复膜式电极法法渗透膜—碳酸酸氢钠法发酵尾气的在在线分析CO2分析氧浓度测量（（如质谱分析析仪）8.2.2间间接状态参参数检测间接状态参数数即可通过直接接状态参数计计算求得的变变量。如氧利用速率率(OUR)、二氧化碳碳释放速率(CER)、比生产速速率(μ)、体积氧传传质速率(KLa)、呼吸商商(RQ)等。可通过过对直接反映映菌体生理状状态的间接状状态参数实施施过程控制，，比单纯控制制直接状态参参数（环境变变量）在提高高发酵产率方方面常常能起起到更加重要要的作用。与传质相关的的参数估计与基基质质消消耗耗有有关关的的参参数数估估计计与呼呼吸吸代代谢谢有有关关的的参参数数估估计计与细细胞胞生生长长相相关关参参数数的的估估计计与基基质质消消耗耗有有关关的的参参数数估估计计以分分批批发发酵酵为为例例，，由由基基质质平平衡衡可可得得基质质消消耗耗速速率率的计计算算公公式式：：如果果发发酵酵过过程程达达到到准准稳稳态态…基质质消消耗耗总总量量可可由由基基质质消消耗耗速速率率对对时时间间积积分分进进行行估估计计，，即即：：微生生物物的的呼呼吸吸代代谢谢参参数数通通常常有有三三个个：：氧利利用用速速率率（（OUR））CO2释放放速速率率（（CER））呼吸吸商商（RQ）与呼呼吸吸代代谢谢有有关关的的参参数数估估计计呼吸吸商商RQ：：发酵酵过过程程中中氧氧的的消消耗耗比比速速与与二二氧氧化化碳碳生生成成比比速速的的商商。与呼呼吸吸代代谢谢有有关关的的参参数数估估计计呼吸商(RQ)

二氧氧化化碳碳的的释释放放速速率率（（CER））通通过过发发酵酵尾尾气气中中二二氧氧化化碳碳等等气气体体含含量量的的测测定定。。溶氧氧浓浓度度的的计计算算溶氧氧传传感感器器测测量量的的是是溶溶氧氧压压，，而而不不是是溶溶氧氧浓浓度度，，它它以以饱饱和和值值(即即与与气气相相氧氧分分压压平平衡衡的的溶溶氧氧浓浓度度)的的百百分分数数表表示示。。因因此此，，要要确确知知发发酵酵液液中中的的溶溶氧氧浓浓度度，，必必须须首首先先估估计计饱饱和和溶溶氧氧浓浓度度。。与传传质质相相关关的的参参数数估估计计标准准大大气气压压下下氧氧在在纯纯水水和和一一些些溶溶液液中中的的溶溶解解度度换算算成成实实际际操操作作压压力力下下的的溶溶解解度度后后，，可可估估计计发发酵酵液液饱饱和和溶溶氧氧浓浓度度。。液相相体体积积氧氧传传递递系系数数（（KLa））这一一参参数数代代表表氧由由气气相相溶溶至至液液相相的难难易易程程度度，，它它与与发发酵酵过过程程控控制制、、放放大大和和反反应应器器设设计计密密切切相相关关。。当当发发酵酵液液中中溶溶氧氧浓浓度度保保持持稳稳定定时时，，即即发发酵酵过过程程中中的的氧氧供供给给量量与与氧氧消消耗耗量量达达到到平平衡衡时时，，液液相相体体积积氧氧传传递递系系数数可可由由下下式式确确定定：：与传传质质相相关关的的参参数数估估计计（1））生生物物量量测定定生生物物量量的的方方法法虽虽然然很很多多，，但但对对于于培培养养基基中中含含有有固固形形物物及及丝丝状状菌菌来来说说，，都都不不是是十十分分令令人人满满意意。。因因此此，，这这类类发发酵酵过过程程中中的的生生物物量量，，——般般以以间间接接方方法法进进行行估估计计，，方方法法主主要要有有由由氧消消耗耗率率估估计计和由由CO2释放放率率估估计计两种种。。与细细胞胞生生长长相相关关的的参参数数估估计计与细细胞胞生生长长相相关关的的参参数数估估计计（2））菌菌体体比比生生长长速速率率和和产产物物比比产产生生速速率率由以以上上生生物物量量的的估估计计结结果果，，可可分分别别得得出出菌菌体体比比生生长长速速率率和和产产物物比比产产生生速速率率。。8.3发酵酵过过程程的的自自动动控控制制生物物反反应应过过程程的的自自动动控控制制是根根据据对对过过程程变变量量的的有有效效测测量量及及对对过过程程变变化化规规律律的的认认识识，，借借助助于于由由自自动动化化仪仪表表和和电电子子计计算算机机组组成成的的控控制制器器，，操操纵纵其其中中一一些些关关键键变变量量，，使使过过程程向向着着预预定定的的目目标标发发展展。。生物物反反应应过过程程的的自自动动控控制制包含含以以下下三三个个方方面面的的内内容容：：1、、和过过程程的的未未来来状状态态相相联联系系的的控控制制目目的的或或目目标标，，如要要求求控控制制的的温温度度、、pH、、生生物物量量浓浓度度等等等等；；2、、一组组可可供供选选择择的的控控制制动动作作，，如阀阀门门的的开开、、关关，，泵泵的的开开、、停停等等；；3、、一种能能够预预测控控制动动作对对过程程状态态影响响的模模型，，如用加加入基基质的的浓度度和速速率控控制细细胞生生长速速率时时需要要能表表达它它们之之间相相关关关系的的数学学式。。8.3.1基基本自自动控控制系系统变量测测量和和变化化规律律的认认识→→控制制器(自动动化仪仪表、计计算机机组成成)→→控控制关关键变变量→→控制制发酵酵过程程1、基本的的自动动控制制系统统①前馈馈控制制②反馈馈控制制③自适适应控控制2、发酵自自动控控制系系统的的硬件件组成成8.3.1.1前馈控控制前馈控控制通过动动态反反应快快的变变量测测量来来预测测反应应慢、、易干干扰的的被控控对象象的变变化，，并提提前实实施控控制。。如：通通过冷冷却水水压力力（控控制阀阀）控控制温温度变变化。。8.3.1.2反反馈控控制反馈控控制反馈控控制是是自动动控制制的主主要方方式控制器被控对象传感器反馈控控制根据算算法不不同反反馈控控制可可分为为：开关控控制：：控制阀阀门的的全开开全关关；PID控制制：采用比比例、、积分分、微微分控控制算算法；；串联反反馈控控制：：两个以以上控控制器器对一一变量量实施施联合合控制制；前馈/反馈馈控制制：前馈控控制与与反馈馈控制制相结结合。。开关控控制TS：：温度度传感感器；；x(t)：检检测量量；ub(t)：加加热控控制输输出量量；uc(t)：冷冷却控控制输输出量量发酵温温度的的开关关控制制系统统PID控控制P、I、D、PI、、PID控控制器器对输输入量量的阶阶跃响响应Xi：：输入入量；；Xo：输输入量量；t：时时间串级反馈控制制DOS：溶氧氧传感器；x(t)：检检测器；u1(t)：一一级控制输出出；u2(t)：二级控控制输出溶氧水平的串串级反馈控制制前馈/反馈控控制污水处理的前前/反馈控制制系统SS：悬浮固固体含量传感感器FRC：流量量记录和控制制器8.3.1.3自适应应控制自适应控制：提取有关输入入、输出信息息，对模型和和参数不断进进行辩识，使使模型逐渐完完善；同时自自动修改控制制器的动作，，适应实际过过程。——自自适应控制系系统。8.3.1.3自自适应应控制制发酵过过程各各变量量可供供选择择的控控制系系统8.3.2发发酵自自控系系统的的硬件件结构构传感器器变送器器执行机机构电磁阀阀、气气动控控制阀阀、电电动调调节阀阀、变变速电电机、、正位移移泵、、蠕动动泵。。转换器器过程接接口监控计计算机机模糊逻逻辑控控制的的应用用人工神神经网网络专专家系系统的的应用用8.3.3先先进控控制理理论在在发酵酵过程程控制制中的的应用用8.3.3.1模模糊逻逻辑控控制的的应用用模糊逻逻辑控控制是以模模糊集集合论论、模模糊语语言变变量和和模糊糊逻辑辑推理理为基基础的的一种种新兴兴的计计算机机数字字控制制技术术。其其实质质是一一种非线性性控制制，从属属于智智能控控制的的范畴畴。模模糊控控制的的一大特特点是是既具具有系系统化化的理理论，，又有有着大大量实实际应应用背背景。模糊糊控制制的控控制规规则来来源依赖于于设计计人员员的经经验，因此此设计计人员员经验验的正正确与与否以以及是是否最最优，，直接接关系系到整整个模模糊控控制器器的