第四章 反应器的检测及控制

式中： 0 常数； H 磁场强度； o2 氧的体积磁化率； B 背景气体磁化率； c o2 发酵排气氧浓度。
测量范围：0.5%~100%，精度： ±1%~2%FS， 响应时间：数秒到数十秒。
磁 氧 分 析 仪 结 构 原 理 图
电子部分
接收器 测量气室 气体分配器 毛细管 缓冲系统 电磁铁 膜片泵
7 溶氧浓度的测定——溶氧电极法 原理：半透膜只透气体不透水，在容积电池中加几毫升 电解质溶液(如KCl)，在两极间产生一个电位。使阳极 的银变成银离子进入电解质溶液，放出的电子在阴极把 透过半透膜的氧还原成OH-，将电极插入不同的发酵液 中，则产生相应的电流，可把电流转化成相应的溶氧相 对值显示出来。
测量 变送
二、主要参数检测原及仪器
1、温度测定 测温原理：两根不同材料 的 导体连接的两处温度不同 时 C 产生热电动势。
C A B
保护套
冷端
绝缘子 （外加保护套） 热电偶结构
热端
热电偶种类
1 铂铑——铂热电偶 -20~1300C，价高 2 镍铬—— 镍铝热电偶 -50~1000C，价低 3 镍铬—— 考铜热电偶 -50~600C，价低 4 铂铑——铂铑热电偶 300~1600C，价高
（2）搅拌功率 测驱动电动机的电压和电流 直接测电机搅拌功率 实验研究测定用轴转矩法：用 P=2nM计算 P 功率；n 转速；M为转距
6 pH测定
测出参比电极与玻璃电极 之间的电动势，据 pH=0.43F(E0-E)/RT计算。 原理：参比电极中装有100 mL的饱和KCl溶液，在恒 压差（1atm下）， KCl以 恒速通过微孔膜流入发酵 液，构成盐桥，把参比电 极与发酵液构成电通路， 通过玻璃电极下端的半球 形膜与发酵液构成电通路， 将两电极用导线连起，测 其间的电动势即可求pH。
4、发酵液黏度检测
（1） 振动式 原理：利用插入发酵液中的金属棒 的振动特性与液体粘度有一定的关 系，即可测出黏度。 特点：仅能测黏度相对值，精度也 差。 （2）发酵液循环黏度测定 方法：装设自动无菌取样系统，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进行测定。 测量范围：0.015-100Pa.S， 响应时间几十秒。
分析部分
气体进口 气体出口
10 排出气体中CO2浓度测定 方法：用红外线CO2测定仪 原理：在波长2.6~2.9×103和4.1~4.5×103nm， CO2通过时光强减弱，减弱量服从： lg(I/I0) = a L/CCO2
式中： I0 、I入射光强和衰减后光强度； a 光吸收系数； L 光透过气体的距离，m； CCO2 CO2气体浓度，%。
测定范围：显示值为饱和溶氧的百分数 (溶氧相对值)，绝对值为0~20mg/L，精 度为±1%FS(满刻度读数)，响应时间 10~60S。
银阳极
银皮
8 溶解CO2检测 原理：用对CO2分子有特殊选择渗透特性的微 孔膜，使扩散通过的CO2进入饱和的NaHCO3 中，平衡后溶液pH 与溶解CO2浓度成正比。 pH = -lg(ka/aHCO3-) – lg(aCO2) 式中：Ka NaHCO3离解平衡常数
物 理
参
数
参数类别 pH
参变量 溶氧浓度 溶解CO2浓度 氧化还原电位 排气氧分压 排气CO2分压 培养基浓度 产物浓度 前体浓度
影响的状态 反应速度与无菌度 反应速度 反应速度 反应速度 氧利用速率及反应速度 氧利用速率及反应速度 反应速率及转化率 生物反应效率 反应速率及效率
化 学 参
数 生 物 量
aHCO3-与aCO2 饱和NaHCO3溶液中两离子的活度
测量范围：1.5~1500g/m3，精度：±2%~5%FS， 响应时间：数十秒至数分钟。 注意事项：因灭菌后NaHCO3会部分水解，故每次
灭菌后应校准再用。
9 排出气体中O2浓度测定 方法：磁导式氧分析仪 原理：据O2的磁化系数为N2的245倍， CO2的169倍， 即空气中的总磁化系数决定于O2组分变化。 将被测样品气体导入磁场，在非均匀磁场范围内气体分 子上的力可导致压强的变化，均匀磁场与非均匀的压 强差为： Δp= 0H2M /2 磁化率 M = (o2 - B) c o2/100+ B
2、培养基和液体流量
转子流量 计 科里奥利效 应流量计
精度：±0.5%，测定范围：1.5×10-3~100m3/h
椭圆流量计
3、气体流量计 （1）体积型：即转子流量计
（2）质量型
结构
利用气体的导热性能
原理：据电势E = kcqm
k 比例常数，同一传感器为常数； c 气体比热容； qm 气体质量流量； 测量范围：0.6~250L/h 精确度高。
第四章 生物反应器的 检测及控制
第一节 检测的主要参变量
参数类别 温度 压强 液面 泡沫高度 培养基流加速度 通气量 发酵液黏度 搅拌功率 搅拌转速 冷却介质流量与温度 加热蒸汽压强 湿度 酸、碱及消泡剂用量 参变量 影响的状态 反应速度及稳定性 溶氧速率、无菌操作 操作稳定性、生产率 操作稳定性 生物反应速率 溶氧与搅拌速率 细胞生长及无菌状态 溶氧速率及混合状态 溶氧速率及混合状态 细胞生长及反应速率 灭菌速度与时间 固体发酵速率与效果 反应速度与无菌度
11 细胞浓度 （1）全细胞浓度：在线检 测采用浊度法。人工检测用 干重、湿重、湿体积等方法。 （2）活细胞浓度：利用活 细胞某些物质的生物发光或 化学发光性。
细胞浓度在线检测浊度计
第三节 生物过程 控制概论
测 量 系 统
数 据 处 理 系 统
细胞浓度 酶活性 细胞生长速率
反应速度及生产率 反应速度 反应速度
第二节 检测方法及仪器 一、自动检测过程
传 感 器
作 用 量
被测定量
信号 转换
信号 放大
输出
如：发酵罐的温度自动调节系统
冷却剂
气动 调节阀 冷却剂
给定值相当 于5mA
给定器
电气 转换
输出电流 讯号0~10mA
发酵罐
讯号来自热电阻 测温计
第一节检测的主要参变量参数类别参变量影响的状态温度反应速度及稳定性压强溶氧速率无菌操作操作稳定性生产率泡沫高度操作稳定性培养基流加速度生物反应速率通气量溶氧与搅拌速率发酵液黏度细胞生长及无菌状态搅拌功率溶氧速率及混合状态搅拌转速溶氧速率及混合状态冷却介质流量与温度细胞生长及反应速率加热蒸汽压强灭菌速度与时间湿度固体发酵速率与效果酸碱及消泡剂用量反应速度与无菌度参数类别参变量影响的状态ph反应速度与无菌度溶氧浓度反应速度溶解co浓度反应速度氧化还原电位反应速度排气氧分压氧利用速率及反应速度排气co氧利用速率及反应速度培养基浓度反应速率及转化率产物浓度生物反应效率前体浓度反应速率及效率细胞浓度反应速度及生产率酶活性反应速度细胞生长速率反应速度被测定量信号转换信号放大输出如
5、搅拌转速和搅拌功率 （1）转速 转速大小与罐体积有关，如：1~3L可达 1000~1500r/min，可用直流电机或变频器无级变速； 100m3罐仅约100r/min，不调速。 测定方法：A 磁感应式 光感应式 原理：利用装在轴上的感应光片切 割磁场或光束产 生脉冲信号，信号频率等于转速。 B 测速发电机 原理：利用在搅拌轴上或电机轴上装设一小型发电 机，其输出电压与转速成线性关系。