第五章 生物反应器参数的检测与控制

Chapter4

生物反应器参数的检测和控制用于发酵工程中的传感器，除了应满足对一般测量仪器的要求外，还应具有以下几个方面的特性：⑴传感器能安装在发酵罐内耐受高压蒸汽（120～135℃，30min以上）无菌处理。⑵传感器及二次仪表具有长期工作稳定性，在1～2周内其测定误差应小于5％。⑶最好能在使用过程中随时校正。⑷材料不易老化，使用寿命长。⑸传感器探头安装和使用方便。⑹探头不易被物料粘住、堵塞。目前已设计出先进的能在发酵罐内装设的有测定温度、pH、溶氧、氧化还原电位、泡沫和液位等参数的传感器，但是还有许多重要的传感器，特别是能监测化学物质变化的生物传感器还难于在罐内使用。为此，在生产实践中可用以下的补救办法使用这些传感器达到在线测定的目的⑴传感器可用一些化学试剂进行冷灭菌，如还氧乙烷、过氧乙酸或季铵盐类等，然后用无菌手续安装到罐内。这种方法只适用于小型发酵罐。⑵采用连续取样或罐外循环的办法，把不耐热的传感器安装在罐外流动样品槽内，以便可以用化学试剂对整个罐外循环系统灭菌，灭菌后再用无菌水冲洗，然后与发酵罐内接通。⑶用多孔氟塑料管道（透气法）监测惰性载气带出的样品（例如，挥发性有机化合物如乙醇等被输送到有传感器的容器内测量）。⑷利用透析装置，以水为载体，使发酵液中的低分子化合物透过半透膜，进入水中被输送到有传感器的容器中测定。发酵过程变化的参数一类是可以直接采用特定的传感器监测的参数。它们包括各种反映物理环境和化学环境变化的参数，如：温度、压力、搅拌功率、转速、泡沫、发酵液粘度、浊度、pH、离子浓度、溶解度、基质浓度等，又被称为直接参数。另一类参数是到目前为止还没有可供使用的传感器监测的参数，它们包括细胞生长速率、产物合成速率和积累速率、呼吸商等。这些参数需要根据一些直接监测出来的参数，借助于电脑快速运算的功能和特定的数学模型才能得到。因此这类参数又被称为间接参数。发酵过程中的直接参数的检测1、温度的影响及检测：影响发酵温度的因素Q发酵=Q生物+Q搅拌–Q蒸发–Q显热–Q辐射2、温度对发酵的影响由于微生物反应是由各种生物酶参加的反应，所以从酶动力学来看，温度升高，反应速度加大，生长代谢加快，产物生产期提前。但酶本身很易因热而失去活性，温度越高，酶的失活也越快。它表现在菌体易于衰老，发酵周期缩短，产物产量减少。温度除了直接影响发酵过程中各种反应速率外，还会通过改变发酵液的物理性质，间接影响菌的生物合成。如温度会影响基质和氧在发酵液中的溶氧和传递速率，菌体对某些物质的分解吸收速率等温度还会影响生物合成或代谢调节的方向和最终产物。这点不难理解，因为温度会影响生物体内的酶的活性。如，金色链霉菌能同时产生四环素和金霉素。在30℃以下时，该菌主要合成金霉素。35℃时，该菌只产生四环素而停止生成金霉素。温度测定最适温度选择最适于菌体生长和产物合成的温度温度可以通过水银温度计、热电铝、热敏电阻和金属电阻温度计监测发酵系统中的温度，并通过与其相偶联的执行机构（如改变冷却水阀门的开度）对发酵温度进行自动控制。2．泡沫的控制⑴泡沫的产生及其影响降低了发酵罐的填料系数；增加了微生物菌群的非均一性；增加了污染杂菌的机会；大量起泡引起“逃液，导致产物损失起泡剂一般都是表面活性物质，这些物质具有亲水基团和疏水基团。分子带极性的一端向着水溶液，非极性的一端向着空气，并在表面作定向排列，增加了泡沫的强度泡沫的控制机械消泡是根据物理学的原理，即靠机械作用引起压力变化（挤压）或强烈振动，促使泡沫破裂，这种消泡装置可放在罐内或罐外消泡剂消泡：天然油脂类、聚醚类、硅酮类常用安装在发酵罐中的电导式或电容式泡沫探头监测泡沫，并与消泡装置或消泡剂添加装置联接控制泡沫。玉米油、豆油、棉子油猪油、鱼油

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

压力可用相当简单的薄膜式压力计测量，这种压力计能经得起灭菌处理。测得的气动信号可直接或通过一简单的装置转换为电信号，启动装在发酵罐上的罐压调节阀以调节罐压。轴输入功率两种用来测量轴功率的装置，即扭力（功率）计和应变仪。由于扭力计系统只能放在罐外测量，其测定值包含轴封摩擦力的损失。用应变仪测量则可以避免这一缺点，虽然仪器较贵，但是其精度较高，还是值得应用的。

搅拌器转速发酵罐的搅拌器的转速，依罐的大小而异。小罐的搅拌器转速要比大罐的快些。但是所有发酵罐搅拌器的叶尖的线速度，在一般情况下几乎是恒定的值，即为150～300。

空气流量通入发酵罐中的无菌空气的流量常用转子流量计测定。流量计中浮动转子的位置可以通过电容或电阻原理转换为电信号，经过放大之后启动控制器便可实现气体流量控制自动化。料液流量常用的流体流量检测器有转子流量计（像气体流量计一样也可以制成能实现自动控制的型式）、电磁流量计和通过测定发酵罐的重量变化间接测定液体流量的应变器。浊度浊度测量尚未得到应有的注意。浊度对某些产品的生产量是及其重要的，因为它可以及时反映细胞的生长状况。目前浊度测量只限于采用定时取样的离线测定方法。显然这种测定方法不能及时反映发酵罐的浊度变化。一般可用比浊计或分光光度计测定样品的浊度。pH可用一种复合的玻璃――参比电极方便地测量发酵液的pH。这些电极经得起高压灭菌，有些pH计的读数易受仪表接地好坏的影响，为此把电源的变化器隔离和把仪表屏与发酵罐接地连在一起，但是即使这样做也不能完全克服这一问题。高温消毒会使一些电极阻抗升高和转换系数下降，从而引起测量上的误差。另外，电极的液洛部位的液接界面电位也因电极与大分子有机物接触而发生变化。一般好的电极也只能耐高温灭菌30～50次，若继续使用，转换系数便显著下降，使性能破坏，不能再用。调节控制pH的方案配置合适的培养基，选用不同的生理酸性和生理碱性物质，并使培养基具有缓冲pH作用。在培养过程中加入酸性或碱性物质，这些酸或碱仅起pH调节作用，不作为菌体基质消耗。在培养过程中流加酸碱性的基质，例谷氨基酸发酵中的通氨，既是菌体消耗的基质，也是pH调节试剂。流加生理酸性或碱性基质，通过菌体代谢活动达到pH控制。溶解氧、废气中浓度的测定溶解氧浓度可用化学滴定法，也可用以电化学为基础的电极法及其他的物理方法来测量。利用顺磁气态氧分析仪可以测定废气中的含量。在发酵废气中，氧含量一般为19～20％，因此选用量程为0～21％的氧分仪，如果有16％～21％的量程的仪器型号更好。废气中二氧化碳浓度的监测可以用来测量二氧化碳含量的仪表原理较多，如热导式、气相色谱法、电导式电极法和红外分析仪及质谱仪。后两种在发酵工业中较常使用。而热导式分析仪价格较低，稳定性较好，但精度较差。红外分析仪精度高，可达±1％，量程0～5％，由于发酵排气中一般在3％以下，因此此种分析仪较为理想酵过程中间接参数的获得前面谈到的都是直接参数的检测，程中，我们可以通过这些直接参数进一步计算获得有关发酵的信息，这些信息就是间接参数。如果把这些有关的传感器与计算机联接成通过按一定计算式而设计的电子线路，就可以直接显示或打印间接参数在发酵罐内装设的有测定温度、pH、溶氧、氧化还原电位、泡沫和液位等参数的传感器，但是还有许多重要的传感器，特别是能监测化学物质变化的生物传感器还难于在罐内使用为此，在生产实践中可用以下的补救办法使用这些传感器达到在线测定的目的⑴传感器可用一些化学试剂进行冷灭菌，如还氧乙烷、过氧乙酸或季铵盐类等，然后用无菌手续安装到罐内。这种方法只适用于小型发酵罐。⑵采用连续取样或罐外循环的办法，把不耐