第五章 生物反应器的检测及控制-1

第五章

生物反应器的检测及控制

生物反应器的检测及控制在微生物发酵以及其他生物反应过程中，为了使生产稳产高产，降低原材料消耗，节省能量和劳动力，防止事故发生，实现安全生产，必须对生物反应过程和反应器系统实行检测和控制。生物反应器的检测是利用各种传感器及其他检测手段对反应器系统中各种参变量进行测量，并通过光电转换等技术用二次仪表显示或通过计算机处理。检测控制中要明了下述几点：

（1）进行检测的目的；（2）有多少必须检测的状态参数，这些参变量能否测量检出？（3）能测定的参数可否在线检测，其响应滞后是否太大？（4）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；（5）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？第一节生化过程主要检测的参变量物理参数

1．温度2．压强3．液面（或浆液量）4．泡沫高度5．培养基流加速度6．通气量7．粘度（或表观粘度）物理参数

8．搅拌转速与搅拌功率9．冷却介质流量与温度10．蒸汽压强11．湿度12．酸、碱及消泡剂用量化学参数1.pH2.溶氧浓度3.溶解CO2浓度4.氧化还原电位5.排气的氧分压6.排气的CO2分压7.培养基质浓度8.产物浓度9.前体浓度生物量细胞浓度酶活性细胞生长速率第二节生化过程常用检测方法及仪器一、检测方式及仪器的组成在线（On—line）检测：仪器的电极等可直接与反应器内的培养基接触或可连续从反应器中取样进行分析测定；离线（Off—line）检测：从反应器中取样出来，然后用仪器分析或化学分析等方法进行检测。对生物发酵过程的控制来讲，在线检测是首选方式。生物反应检测仪器的基本构成

l.传感器2.信号转换3.信号放大4.输出显示二、主要参数检测原理及仪器杜绝杂菌污染。无论是在线检测或取样分析，均应尽可能不影响反应器系统的运行状态。对于挥发性物质的检测，可采用微孔管在线取样检测法。发酵罐内无菌取样系统

（1）陶瓷微孔膜取样系统

（2）渗透膜取样系统

微孔管在线取样装置

1.温度的测定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。最常用的是金属热电阻温度计，其中以铂电阻温度计最常用，其次铜电阻温度计也可选择。

铂电阻温度计可耐热杀菌，耐腐蚀，精度高，但价钱较贵。铜电阻温度计价格较便宜，但容易氧化，且温度计的体积也较大。

半导体热敏电阻具有灵敏度高、响应时间短的优点，但体积小、结构简单、耐腐蚀性好、寿命长，但因其温度与电阻值的关系非线性，所以使用不多

2．压强的检测最常用的压强检测仪是隔膜式压力表。在生物反应器中，在压力表安装时必须注意使仪表的管路能够加热灭菌，尽量不存在死角，这样才能保证反应器的无菌操作。3．液位和泡沫高度的检测液位的检测主要方法有压差法、电容法和电导法等。电容式液面计示意图

压差法测量液位原理

泡沫高度的测定最常用的方法是电极探针测定法：当泡沫产生增多，其表面上升与电极探针接触从而产生电信号。泡沫高度的检测还可应用声波法，即利用装于罐顶的装置发射声波，检测此声波经液面反射后返回罐顶所需的时间，就可推出泡沫表面高度。4．培养基和液体流量测定椭圆流量计效应流量计

科里奥利（Coriolis）效应流量计

5．气体流量计（1）体积流量型气体流量计原理：根据流动气体动能的转换及流动类型改变而检测其流量。实验室小试和中试发酵系统几乎都应用转子流量计。

同心孔板压差式流量计，可用于工业生产规模上。气体流量计（2）质量流量型气体流量计检测原理是利用流体的固有性质，如质量、导电性、电磁感应及导热等特性而进行设计的。对气体流量测定，最常用的是利用其导热性能。气体热质量流量传感器结构

气体热质量流量计工作原理

6．发酵液粘度的检测发酵工业上常用的粘度测定仪有振动式粘度传感仪、毛细管粘度计、回转式粘度计以及涡轮旋转粘度计等。（1）振动式粘度传感仪可保证无菌操作，但只能测定粘度的相对值，且精确度较差，仍有待改进提高。（2）发酵液循环粘度测定装设自动无菌取样循环系统，使发酵液通过取样管路流过旋转式粘度计或毛细管粘度计，以实现发酵液粘度的连续在线检测。7．搅拌转速和搅拌功率（1）搅拌转速搅拌转速的检测常用方法有磁感应式、光感应式和测速发电机等三种。前两种测速仪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冲信号，此信号即脉冲频率与搅拌转速相同。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，后者的输出电压与搅拌转速成线性关系。

（2）发酵搅拌功率生产规模的发酵罐搅拌功率只是测定驱动电机的电压与电流，或直接测定电机搅拌功率。8.PH的检测最通用的pH测定仪是复合pH电极，因其具有结构紧凑，可蒸汽加热灭菌的优点。复合PH电极结构

复合PH电极为了使PH电极适应工业发酵生产的要求，通常加装不锈钢保护套才能插入发酵罐中使用。具有温度补偿系统。在每批发酵灭菌操作前后进行标定。通常PH计的测定范围是0～14，精度达10.05～0.1PH，响应时间数秒至数十秒，灵敏度为0.1PH。9．溶氧浓度的检测通常用溶氧电极法，其化学基础是氧分子在阴极上还原，因而有电流产生，所产生的电流和被还原的氧量成正比，故设法测定此电流值就可确定发酵液的溶氧浓度。溶氧电极实际上，用一层高分子膜使电极与被测溶液分隔开，具有如下特点：（1）氧分子扩散透过膜是限速步骤，故测出的电流值与溶氧浓度成正比；（2）温度变化1℃，则产生4％的变化，故必须装设温度补偿线路；（3）电流值和氧的扩散系数与溶解度的乘积成正比关系；（4）这类溶氧电极的阳极面积应比阴极面积大得多，这样可减小误差。

溶氧电极溶氧电极的溶氧值有两种表示方法，即饱和溶氧的百分数和溶氧值，前者最常用。值得注意的是，测定时要使电极周围的液体适度流动，以加强传质，尽量减小与电极膜接触的液膜滞流层厚度，并减少气泡和生物细胞在膜上积存，以保证溶氧测定的准确。10．溶解CO2浓度的检测测定原理利用对CO2分子有特殊选择渗透通过特性的微孔膜，使扩散通过的CO2