第七章 生物反应器的监测及控制

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。
套管隔断等。 5. 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。 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境条件变
化影响的能力，如抗气泡及泡沫干扰等。
二、主要参数检测原理及应用
1．温度的测量
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 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。
优点： a 响应速度快，测量时间只有12秒，比红外气体
二氧化碳释放速率（CER）
RCO2 CER CO2出 % FA / V
呼吸熵（ RQ）
RQ RO2 RCO2
（21% O2出%）/ CO2出%
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。
三、生物参数
图7-8是一种常用的非色散红外二氧化碳分析仪。图 中，两条相同的入射红外光束分别通过气样室和参比 室。在气样室内，由于二氧化碳吸收红外线发生衰减， 通过与参比室的红外线比较得出衰减程度，从而确定 气样室中的二氧化碳含量。
这种红外分析仪由于所用入射红外光的谱带较宽而 落入其他成分特别是水的吸收区，因此需要对气流预 先进行除湿处理，这延长了响应时间。
E
E0
RT 4F
ln
a0 aR
RT 4F
ln
po2
RT F
ln
H
5. 泡沫的检测
电容探头 电阻探头 电热探头 超生探头 泡沫检测转盘
(1)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。
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。
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。
(5)泡沫检测转盘
转盘装置安装在一些生物反应器内泡沫可 能出现地方，正常情况下转盘不停地转动， 当有泡沫出现时，转盘转动的阻力加大， 转速减小或者耗能增加，从而检测到泡沫 存在。转盘在起检测作用的同时，也可以 起消除泡沫的作用。
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。
2.溶氧浓度的检测
溶氧电极法
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，其pH可表 示为：
pH 0.43 F (E0 E)
RT
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。
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。
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。
缺点：两个电极容易结垢，影响测量。
2、电阻探头
电阻式泡沫电极 :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液体的 长度，由此来测量泡沫液位高度。
(3)电热探头
电热探头是一个有恒定电流流过的电热元 件，当有泡沫接触它时，其温度会突然降 低，从而感知是否有泡沫产生。
电热探头也存在结垢和培养液外溅引起误 判问题。
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．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。
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。
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。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。
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。
4. 氧化还原电位测定
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。表示式为：
线圈以恒定的功率加热，两边的线圈分别测量温度。显 然，流过管道的流量不同，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。
排气的CO2分压的测定
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， 根据朗伯－比尔定律：
3．菌体比生长速率
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1/h。菌 体的比生长速率与生物的代谢有关。
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。
(4)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。
第七章 生物反应器的检测及控制
生化过程主要检测参变量 生化过程常用检测方法及仪器
第一节 生物加工过程的参数
• 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。
一、物理参数
1．压强 对通气生物发酵反应，必须往反应器
pH
lg Ka
HCO3
lg
CO2
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7、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
尾气总流量：转子流量计
原理：在一定流量下 转子在测量观众的悬 浮高度不同，读出相 应的刻度即可得到流 量值。
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
4．呼吸代谢参数
微生物的氧利用速率，二氧化碳释放速率，和呼吸熵。
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：
氧利用速率（OUR）
RO2 OUR (21% O2出 %) FA /V
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。
4．液面
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 养基液面。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。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。
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。
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。
lg
I I0
L
/
CC02
A—光源 SA—分析光 束 SB—参比光束 R— 旋转遮光片 CA CB CC—分析室 CR—参 比室 TA—分析检测室 TR—参比检测室 Z— 调零遮光片 B—平衡 遮光片 F—平衡遮光 片操纵支撑点 M—伺 服电极 A1 A2—放大 器 P—记录笔
图7-8 非色散红外气体分析仪
发酵过程对传感器的要求：
1.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。
2. 必须考虑卫生要求，发酵过程中不允许有其他杂菌污染。 3. 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。 4. 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、
基质与产物浓度的检测、控制对各种发酵 均是必要的。
第二节 检测方法与仪器
一、检测方法及仪 器组成
在线检测
离线检测
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。
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。而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。
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。
排气的氧分压的测定
气体中氧浓度的检测方法主要有磁氧分析、 极谱电位法和质谱法。
顺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。
尾气中其他气体的分析：工业质谱仪
结构原理：样气通过 毛细管和分子漏进人 离子化区，由发射灯 丝发出的20eV电子 束将进来的气体分子 离子化，离子化的分 子在永久磁场的作用 下加速进入扇形分析 器，在分析器里，这 些离子化分子按照质 量／电荷的大小分离， 进入一排环形法拉第 捕集器并产生电信号。 电信号经放大器放大 后输出。