第八章 生物反应器参数控制综述

第八章
生物反应器的检测及自动控制
第一节生化过程主要参数 第二节常用检测方法及仪器
• • 主要参数检测原理及仪器 发酵液中营养成分与产物的分析
第三节生物传感器的研究开发与应用
• 生物传感器的类型及结构原理
第一节生化过程主要参数
生物反应器的检测及控制
生物反应过程及反应器的检测控制中应考虑的问题：
发酵机械与设备
•徐 明 芳 博 士 •教 授 •暨 南 大 学 生 科 院 • 2015-12-4
目录
绪论
第一篇
生物质原料处理设备
第二篇
第三篇
第四篇
生物反应设备
产物分离设备
其他设备
典型工业生物技术过程
细胞 酶 空气 除 菌
检测控 制仪表
副产品
产品提取纯化
生物催化剂 （游离或固定化）
生物反应器
（灭菌）
产品 废物
原材料 营养物
底物
经加工 原料
机械能
热能
培养基
核心技术？
第一篇 生物质原料处理设备
• • • • 第一章 生物质原料预处理设备 第二章 生物细胞培养基制备设备 第三章 生物培养基灭菌设备 第四章 原料（物料）输送设备
第二篇 生物反应设备
第五章 生物反应器—通风搅拌发酵罐
第一节 发酵设备概述 第二节 通风发酵罐结构与工作原理 第三节 自吸式发酵罐结构与工作原理 第四节 气升式发酵罐(ALR)结构与工作原理
第六章厌氧（嫌气）发酵设备
第一节 酒精发酵设备 第二节 啤酒发酵设备 第三节连续发酵设备
第七章 生物反应器—细胞培养反应器
第一节 第二节 第三节 植物细胞反应器 动物细胞反应器 微藻培养反应器
第二篇 生物反应设备
第五章 生物反应器—通风搅拌发酵罐
第六章厌氧（嫌气）发酵设备
第七章 生物反应器—细胞培养反应器 第八章 生物反应器的检测及控制
加消泡剂速率
加其它基质速率
传感器
传感器
反映泡沫情况
反映基质利用情况
第一节生化过程各参数及其测试概况
（b）生物、化学参数 10
参数名称 细胞浓度 取样 细胞中ATP、ADP 取样 测试方法 意义、主要作用 了解生长情况 了解细胞的能量代谢活力
细胞中NADH2
溶解氧浓度 排气O2浓度
在线荧光法
传感器 传感器
检测参数 温度 罐压(0.20.5×105Pa) 搅拌转数 搅拌功率(2 -4KW/m3) 空气流量 检测方法 铂电阻 热 敏电阻 隔膜传感器 压敏电阻 频率计数器 功率计 浮子流量计 孔板差压计 单位 ℃ Pa r/min Kw m3h-1 vvm 影响 μ qP c* 保持正压，防止染菌 O2 及 CO2 的溶解度 Kla 发酵液的均匀性 Kla Kla
（1）进行检测的目的；
（2）有多少必须检测的状态参数，参变量能否检测；
（3）参数能否在线检测，其响应滞后是否太长； （4）利用检测结果怎样判断生物反应器及生物细胞本身的状态； （5）需控制的主要参变量是哪些。
生化过程各参数及其测试概况
（a）物理、工程参数 12
参数名称 测试方法 意义、主要作用
温度
粘度
浊度
旋转粘度计
浊度计
Pas
%
Kla
反映单细胞的生长
料液的流量
蠕动泵 荷重传感器
Lh-1
S
发酵过程检测控制的主要的参数 2、化学参数 7个
检测参数 PH 基质浓度 产物浓度 检测方法 复合玻璃电极 HPLC 离子选择电极 生物传感器 取样 氧化还原电位电极 覆膜氧电极 顺磁氧分析仪 红外气体分析仪 gL-1 单位 影响及作用 菌体和产物合成速度 酶促反应的方向 μ qP 发酵周期的长短
罐压 空气流量
传感器
压力表 传感器
维持生长、合成
维持正压、增加DO 供氧、排泄废气、提高KLa
搅拌速率
粘度 液面 浊度 泡沫 传质系数 加糖速率
传感器
粘度计 传感器 传感器 传感器 间接计算，在线检测 传感器
物料混合、提高KLa
反映细胞生长、 KLa 反映操作稳定性、生产率 反映细胞生长情况 反映发酵代谢、操作稳定性 反映供氧效率 反映耗氧情况
氧化还原电位 溶氧浓度 气相O2含量 气相CO2含量
mV % Pa %
生长和生化活性 qo2 反映OUR 和 Kla 反映OUR 和 Kla
发酵过程检测控制的主要的参数 3、生物参数
检测参数 菌丝形态 菌体浓度 检测方法 摄像显微镜 取样镜检 取样 ：干重、浊度、 gL-1 活菌计数、离心沉 降 单位 影响 反映菌体发育阶段 和正常与否 影响菌体的生化反应 Kla
第一节生化过程主要参数 第二节常用检测方法及仪器 主要参数检测原理及仪器 发酵液中营养成分与产物的分析 第三节生物传感器的研究开发与应用 生物传感器的类型及结构原理 第四节 计算机自动控制
典型工业生物技术过程
细胞 酶 空气 除 菌
检测控 制仪表
副产品
产品提取纯化
生物催化剂 （游离或固定化）
生物反应器
第二节生化过程常用检测方法及仪器
主要参数检测原理及仪器
1取样系统
生化过程常用检测方法及仪器
主要参数检测原理及仪器
2温度的测定
检测仪表有：热电阻检测器（resistance thermal detector，RTD）、
了解细胞的合成能力
反映供氧情况 了解耗氧情况
百度文库溶解CO2浓度
排气CO2浓度 酸碱度 产物浓度 基质浓度
传感器
传感器（红外吸收） 传感器 取样（传感器） 取样
了解CO2对发酵的影响
了解细胞的呼吸情况 反映细胞的代谢途径 产物合成情况 了解基质的利用情况
第一节、发酵过程检测控制的主要的参数 1、物理参数8个
（灭菌）
产品 废物
原材料 营养物
底物
经加工 原料
机械能
热能
培养基
核心技术？
思考题
1、发酵过程检测控制的主要的参数与作用 2、温度的 检测仪表有哪几类？ 3、热量测定装置有哪几类？ 4、 简述压差法测定液位的原理 5、泡沫高度的检测采用那些方法？ 6、发酵液黏度的检测采用那些仪器 7、pH的检测计的结构及其工作原理 8、简述溶解CO2浓度的测定原理 9、简述氧化还原电位（ORP）的检测原理 10、简述排气的氧分压的测定的方法与原理 11、简述排气的CO2分压的测定的方法与原理 12、生物发酵溶液中营养成分与产物的分析主要包括那些？ 13、生物传感器的基本组成包括那些部分？简述其工作原理。 14、列表分析生物传感器的分类。 15、生物传感器的信号转换器有哪几类？ 16、敏感器件（分子识别元件)有哪几类？ 17、般检控系统包括那几个部分？ 18、如何实现温度、pH、溶解氧、泡沫控制？