生物反应器的检测和控制

7.1
概述
在以上参数中，大部分物理和化学参数都能够使用一般 的手段进行在线检测和控制。比如，检测温度、压力、搅拌 转速、功率输入、质量等仪器都是工业上常用的标准化设备， 在生物反应中只要稍加改造就能使用，检测氧气和二氧化碳 在气液相中的浓度以及液相pH值和氧化还原电位也有成熟的 方法。但是，进行生化参数的在线检测和控制却非常困难， 因此，生化参数只能根据一些能够测量的物理和化学参数， 依靠物料衡算的方法，从中推导计算出来。
返回
7.2
生物反应过程常用检测方法及仪器
7.2.1 检测方法及仪器组成
生物反应过程参数检测方法一般是在线检测（On line
measurement）, 即将能够感应检测参数变化的传感器直接放 到生物反应器中的Leabharlann Baidu量点上，传感器将测量点的待测参数变
化转化为电信号，经放大，送到显示系统和控制单元。离线
检测方法，即先从反应器内取出物料，然后再用仪器分析和 化学分析的方法进行检测，不是本章的主要内容，因为离线
7.2
生物反应过程常用检测方法及仪器
（2）精确度（precision） 精确度和对同一个参数在同样条件下测量值的重复性有 关，能够重复的数据越多，精确度越高。在实际测量中，测 量值分布在一个平均值周围，测量的精确度可以用测量值的 标准差表示（Standard deviation）。 （3）分辨率（resolution） 分辨率指传感器区分非常相近的参数变化值的能力。传 感器灵敏度越高，分辨率越高。传感器输出的信号比和零点 漂移也影响分辨率。将传感器放在生物反应器上的适当位置 并加以屏蔽可以改善传感器的分辨率。
由上面反应可见，阴极上的铅逐渐被氧化消耗掉，因此 这种电极有一定的使用寿命，其长短由阴极表面上的铅量决 定。
7.2
生物反应过程常用检测方法及仪器
极谱电极的测氧原理与电流电极有区别，其阳极由金或 者铂，阴极由银/氯化银组成，电解液一般是由KCl、AgCl 和 一些高分子化合物组成，高分子化合物的作用是防止在蒸汽 消毒时引起电解液损失。极谱电极在测量时需要在其正负极 之间加上一个反向偏移电压（negative bias voltage）,当 氧气到达阴极时得到电子，产生电信号。在阴阳极的反应如 下： 阳极反应 O2+2H2O+2e H2 O2+2OHH2 O2+2e2OH阴极反应 Ag + Cl-AgCl+e 总反应 4Ag+ O2+2H2O+ 4Cl-4AgCl + 4OH-
生物工程设备
第七章
生物反应器的检测和控制
生物反应器的检测和控制
7.1 7.2 7.3
概述 生物反应过程常用检测方法及仪器 生物反应器的控制
7.1
概述
根据目前人们对生物反应过程的理解，生物反应器的检
测和控制对象主要包括三个部分的参数，即，生物反应进程
中的物理条件，如温度、压力、搅拌速度等；生物反应器进 程中的化学条件，如液相pH、氧气和二氧化碳的浓度等；生 物反应器进程中的生化参数，如生物体量，生物体营养和代 谢产物浓度等。表7-1 详细的列出了需要检测和控制的操作 参数。
复杂性。
7.2
生物反应过程常用检测方法及仪器
2、传感器性能指标 （1）准确度（Accuracy） 准确度是指真实数据和测量数据之间的差别。由于很难 获得绝对意义上的真实数据，因此也就很难获得绝对的准确 度。准确度高低依赖于精确的标定过程和一些外部条件，如， 传感器在反应器内的放置位置等。当传感器从一个反应器移 到另一个反应器，或者反应器内情况发生改变，或者传感器 改变了放置位置，都需要重新标定，否则将产生测量误差。
7.2
生物反应过程常用检测方法及仪器
从以上反应可以看到， 在使用过程中，阴极上的Ag将 被逐渐消耗掉，因此这种电极的寿命取决于阴极表面Ag的多 少。 不管是极谱电极或者是电流电极，在测量以前都必须进 行标定。用于标定的氧浓度有两个，零和饱和氧浓度，前者 通过反应开始前通过进行氮气置换时建立，由于这时反应罐 内充满氮气，培养液中氧气浓度可以认为是零，后者通过长 时间向生物培养液中通入空气确定，由于此时溶解氧不被消 耗，时间长了液体内的氧气可以认为达到饱和。
7.2
生物反应过程常用检测方法及仪器
（2）传感器结构应简单整洁，不能有清洗死角以免带菌 产生污染。一般的生物反应器都要求无菌操作，一旦污染杂 菌将给生产造成非常大的损失。因此，应尽量切断任何可能 的染菌渠道。在生物反应器上的传感器常使用O型密封圈进行 密封，并使用蒸汽进行反复消毒。 （3）传感器应当有很高的可靠性和长时间的稳定性。生 产过程中不允许中途更换或者是重新标定传感器。为了保险， 反应器中常常按装两个传感器以避免由于一个传感器的失效 对生产造成灾难性后果。
7.2
生物反应过程常用检测方法及仪器
溶解氧的检测一般使用电化学电极检测方法。工业上使 用的溶解氧检测电极有两种，一种是电流电极（Galvanic detector）,另一种是极谱电极（Polarographic detector）,他们具有基本相同的结构，区别在于测量原理 及电解液和电极组成不同，他们的结构如图7-1所示。 由图可见，两种电极都是由阴极、阳极组成，在阴极和 阳极之间有绝缘介质相隔，阴极和阳极都与电解液相接。在 电极的头部有一层非常薄的薄膜将电解液与环境隔开，这层 薄膜非常特殊，我们把它称为透氧膜。
7.2
生物反应过程常用检测方法及仪器
（4）响应时间 响应时间代表了传感器对测量参数变化响应的快慢，可 以简单地用时间常数τ 表示。时间常数τ 是以下方程中（71）的常数： y=y0[1-e-t/τ ] (7-1) 这个方程表示了当传感器从被测参数为0的系统中快速转 移到被测参数为y0的体系，测量显示值y和时间t 的变化关系。 其中的τ 就是时间常数。显然，时间常数越大，传感器的响 应越慢，反之越快。
检测容易引起染菌，出结果需要一定的时间。
7.2
生物反应过程常用检测方法及仪器
1、传感器 传感器的功能是感应生物反应过程的各种物理和化学变 化，并将这些变化转化为电信号，供放大、显示、记录以及 送到反应器的控制单元。能够在生物反应器上有效使用的传 感器应满足以下条件： （1）反应灵敏快速。传感器是否灵敏对生物反应过程的 检测和控制非常重要。如果传感器的反应滞后于生物反应器 内部的变化就意味着传感器得到的数值与实际情况有一个时 间差，这个时间差对生物传感器的控制将造成很大困难，甚 至控制错误。
7.2
生物反应过程常用检测方法及仪器
图7-1 生物培养液测氧电极结构示意图
7.2
生物反应过程常用检测方法及仪器
在电流电极中，测量时，溶解在生物培养液中的氧穿 过透氧膜进入电极，经过电解液薄层到达阳极，氧气在阳 极获得电子生成氢氧根离子，同时在阴阳极间产生可以测 量的电流或电压。这个电流或电压的大小与到达阳极进行
CO2生成速率（CO2 production rate）。
细胞浓度， 细胞存活率（Cell viability），细胞形态（Cell morphology） 细胞成分（Cellular composition）， 蛋白质， DNA， RNA， 脂质（lipid） 糖，NAD/NADH， ATP/ADP/AMP， 酶活力（Enzyme activities） 整体细胞活力（Activities of whole cells），比生长速率（Specific growth rate） 生化参数 比产物形成速率（Specific rate of product formation） 比耗氧速率（Specific oxygen uptake rate） 比营养物质消耗速率（Specific substrate rate） 溶解糖浓度， 氮源浓度，矿物质浓度， 前体浓度（Precursors），诱导物浓度（Inducers） 代谢物浓度（Metabolites），易挥发物浓度（Volatile products）
7.1
概述
表7-1 需要检测和控制的各种参数
参数类别 参数名称 时间，温度，压力，搅拌速度，总质量（Total mass），总体积（Total volume） 质量补料速率（Mass feed rate），体积补料速率（Volume feed rate），粘度 物理参数 光密度（Optical density）, 功率输入、泡沫、剪切力、混合时间（Mixing time） 氧传质速率，循环时间，持气量（Gas holdup）, 气泡大小分布图（Bubble size distribution） 搅拌溢出（Impeller flooding），营养液流变图（Broth rheology） 气体混合模式（Gas mixing patterns） pH, 溶氧浓度(Dissolved O2)，溶解二氧化碳浓度(Dissolved CO2)，气相氧气浓度 化学参数 气相二氧化碳浓度，呼吸商（respiratory quotient），耗氧速率（O2 Uptake rate）
反应的氧气分子的数量成正比。这样，被测培养液中溶解
氧的浓度越高，穿过透氧膜和电解液到达阳极的氧分子越 多，产生的电流或电压越大，从而建立了传感器产生的电
流与培养液中溶解氧浓度的关系，达到测量目的。
7.2
生物反应过程常用检测方法及仪器
测量时在阳极液阴极发生的反应如下：
阳极反应
阴极反应 总反应
O2+2H20+4e4OHPbPb++ +2e O2+2Pb +2H20 2Pb (OH)2
7.2
生物反应过程常用检测方法及仪器
7.2
生物反应过程常用检测方法及仪器
2、溶解氧浓度的检测
生物培养液中溶解氧浓度是另一个重要的培养参数， 直接影响细胞的生长和产物的生成，原因在于生物培养一 般使用水基培养液，由于氧气在水中溶解度很小，如果不 及时提供的话，培养液中的氧很快被消耗殆尽（厌氧培养 除外），造成生物停止生长甚至死亡。因此，溶解氧浓度 的及时检测就变得相当重要。
7.2
生物反应过程常用检测方法及仪器
（4）传感器应当能够耐受消毒蒸汽的温度和压力。生 物反应器在使用蒸汽消毒时一般温度在130多度以上，压力 也在1.5个大气压左右，很多传感器因为无法在消毒过程中 耐受这么高的温度和压力而不能在生物反应器上使用。 （5）传感器对所测参数的感应选择性要非常高。这是 由于传感器直接插到培养液中，培养液的成分很复杂，加 上里面既有气体也有固体，形成三相并存的复杂体系，而 在传感器表面上的结垢和细胞碎片的沉积更增加了体系的
7.2
生物反应过程常用检测方法及仪器
图7-2是某种商业溶解氧浓度电极外观图和安装在生物反 应器上进行测量时的情况。
图7-2 某种商业溶氧测量电极外观和使用时的情况
7.2
生物反应过程常用检测方法及仪器
3、pH值的测量
生物在反应器中生长时要消耗培养液的营养成分，代
谢一些酸或碱类的物质，使培养液的pH值发生改变。这时， 如果不及时调节培养液的pH值，生物的生长环境就会因此
7.2
生物反应过程常用检测方法及仪器
7.2.2 主要参数的检测原理及仪器
1、温度检测
所有的生物过程都需要一个较适宜的温度条件，而且温 度范围比较窄，一般在30～36摄氏度，更严格要求控制误差 为+0.5 度，因此，需要对反应器的温度进行不停的检测。 一般生物反应器都装有各种温度检测装置，有些还设有多个 温度检测点，使用多种办法进行检测。检测温度的方法很多， 包括玻璃温度计，热电偶，半导体热敏电阻温度计，电阻温 度计。
恶化，使生物停止生长，严重的还可能导致生物死亡。因
此，及时检测培养液中的pH值对生物培养过程至关重要。
7.2
生物反应过程常用检测方法及仪器
玻璃氢电极是生物反应器上使用的标准pH值检测装备， 它的结构原理如图7-3所示。由图可以看出，玻璃电极由两部 分组成，一部分由一个玻璃球连接一个柱状玻璃管组成的容 器，里面装满了缓冲溶液，另一部分在玻璃球的上方围绕柱 状玻璃管形成的另一个环状空间，里面充满了电解液，环状 空间底部靠近玻璃球的地方有一个隔膜小窗口，隔膜的作用 是既将电解液与外部隔开又允许电解液与外部环境进行离子 交换以保持内外联系，实际上电解液可以透过隔膜渗出而外 部液体无法进入。