生物反应器的检测与控制

量热计 标定 反应 平衡
计算器
记录器
t反
零检测器
热交换器发酵热测量
t平
不平衡 信号
不平衡信号
绝热式微量热计原理图
生化过程常用检测方法及仪器
主要参数检测原理及仪器
热量的测定 热流量热计 流通式量热计
Calvet微量热器
流通式量热计
生化过程常用检测方法及仪器
主要参数检测原理及仪器
罐压检测：
反映基质利用情况
生化过程各参数及其测试概况
（b）生物、化学参数 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
了解细胞的合成能力
反映供氧情况 了解耗氧情况
溶解CO2浓度
常用检测方法为溶氧电极法。 阴极还原: 阳极氧化: 总反应: O2+2H2O+4e-4OH4Ag+4Cl-4Ag++4Cl-+4eO2+2H2O+4Ag+4Cl-4OH-+4AgCl
生化过程常用检测方法及仪器
主要参数检测原理及仪器 溶氧浓度的检测
生化过程常用检测方法及仪器
主要参数检测原理及仪器 溶氧浓度的检测
主要参数检测原理及仪器 细胞浓度的测定
全细胞浓度的测定
细胞浓度在线检测浊度计
生化过程常用检测方法及仪器
主要参数检测原理及仪器 细胞浓度的测定
活细胞浓度的测定
荧光测量活细胞装置图
生物发酵溶液中营养பைடு நூலகம்分与产物的分析
类别 检测物质 营养基质
微生物 细胞
发酵液待检测的物质成分 葡萄糖、麦芽糖、乳糖、醋酸、BOD等
固定化在一器件上作为敏感元件的传感器称为生物 传感器。
生物传感器的基本组成
组成：敏感元件（分子识别元件）和信号转换器件
生物传感器的工作原理
• 将化学信号转变成电信号
生物传感器的工作原理
• 将热能变化转换为电信号 • 将光效应转换为电信号 • 直接产生电信号
生物传感器的分类
根据输出信号方式分类
产物及副产物
乙醇、氨、蛋白质、抗生素、氨基酸、有机酸、酶、 CH4、氢等 葡萄糖、氨基酸等
维生素、激素、抗生素 糖类、醋酸、硝酸盐、氨基酸等 维生素、植物激素（2,4-D、NAA、6-BA等）
营养盐生长因子 无机盐(K+、Ca2+、NH+、NO3-等)、生物素、维生素
营养基质
动物 细胞 生长因子 营养基质 植物 细胞 生长素
（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 参数名称 测试方法 意义、主要作用
温度
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
产物及副产物 蛋白质类（t-PA、GCSF、EPO、INF等)、乳酸、氨
产物及副产物 次生代谢产物（植物色素、皂甙等）、氨、CO2
生物传感器 ( Biosensor)
传感器：能感受(或响应)一种信息并变换成可测
量信号(一般指电学量)的器件。
生物传感器：将生物体的成份（酶、抗原、抗
体、激素）或生物体本身（细胞、细胞器、组织）
根据信号转换器分类
生物传感器的信号转换器有：电化学电极、离子
敏场效应晶体管、热敏电阻、光电转换器等．据此又
将生物传感器分为电化学生物传感器、半导体生物传
感器、测热型生物传感器、测光型生传感器、测声型 生物传感器等．
生物传感器的分类
生物传感器的特点
(1) 由选择性好的主体材料构成的分子——识别元件， 一般不需进行样品的预处理； (2) 利用优异的选择性把样品中被测组分的分离和检测 统一为一体；测定时一般不需另加其它试剂； (3) 由于它的体积小、可以实现连续在位监测；
生化过程常用检测方法及仪器
主要参数检测原理及仪器
培养基和液体流量测定 • 椭圆流量计
椭圆流量计工作原理图
生化过程常用检测方法及仪器
主要参数检测原理及仪器 培养基和液体流量测定 • 科里奥利质量流量计（CMF）
利用流体在直线运动的同时处于一旋转系中，产生与质量流量成 正比的科里奥利力原理制成的一种直接式质量流量仪表。
生物反应器的检测及控制
生化过程主要参数
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
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
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：
（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；
性能）等设计的气体流量计。主要类型有同心孔板压差流量计和转子流量计。 气体热质量流量传感器
生化过程常用检测方法及仪器
主要参数检测原理及仪器 发酵液黏度的检测
常用的黏度测定仪有：振动式黏度传感仪、毛细管黏度计、回转式黏 度计和涡轮旋转黏度计等。
振动式黏度计
生化过程常用检测方法及仪器
主要参数检测原理及仪器 发酵液黏度的检测
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
温度的测定
检测仪表有：热电阻检测器（resistance thermal detector，RTD）、
半导体热敏电阻、热电偶、玻璃温度计。
生化过程常用检测方法及仪器
主要参数检测原理及仪器
热量的测定
热交换器发酵热测量 微热量测量装置：绝热式微量热计、热流量热计、流通式量热计。
主要参数检测原理及仪器
pH的检测
生化过程常用检测方法及仪器
主要参数检测原理及仪器
pH的检测
生化过程常用检测方法及仪器
主要参数检测原理及仪器 pH的检测
生化过程常用检测方法及仪器
主要参数检测原理及仪器 pH的检测
生化过程常用检测方法及仪器
主要参数检测原理及仪器 溶氧浓度的检测
P 2nM
生化过程常用检测方法及仪器
主要参数检测原理及仪器
pH的检测
常用pH检定仪为复合pH电极，具有结构紧凑，可蒸汽加热灭菌的优点。
工作原理：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：
F E 0 E PH 0.43 RT
生化过程常用检测方法及仪器

生化过程常用检测方法及仪器
主要参数检测原理及仪器 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。 被检测排气的磁化率为：
M o B
2
CO2 100
B
在均匀磁场与无磁场的空间存 在压强差：
1 p 0 H 2 M 2
生化过程常用检测方法及仪器
生化过程常用检测方法及仪器
主要参数检测原理及仪器 培养基和液体流量测定 • 电磁流量计（EMF）
利用法拉第电磁感应定律制成的一种测量导电液体体积流量的仪表。
生化过程常用检测方法及仪器
主要参数检测原理及仪器 常用培养基和液体流量计
动画演示
动画演示
动画演示
生化过程常用检测方法及仪器
主要参数检测原理及仪器
气体流量测量
根据作用原理，流量计可分为：体积流量型和质量流量型。
• 体积流量型
根据流体动能的转换以及流体流动类型的改变而设计的测量 装置。主要类型有同心孔板压差流量计和转子流量计。
生化过程常用检测方法及仪器
主要参数检测原理及仪器 • 质量流量型
根据流体的固有性质（如质量、导电性、电磁感应性、离子化和热传导
a．生物亲合型传感器
被测物质与分子识别元件上的敏感物质具有生物亲合作用，
即二者能特异地相结合，同时引起敏感材料的分子结构和/或固
定介质发生变化。例如：电荷、温度、光学性质等的变化。反
应式可表示为：
S（底物）+R（受体） = SR
生物传感器的分类
b．代谢型或催化型传感器
底物（被测物）与分子识别元件上的敏感物质相作用并生 成产物，信号转换器将底物的消耗或产物的增加转变为输出信 号，这类传感器称为代谢型或催化型传感器，其反应形式可表 示为：
电容式液面计示意图
生化过程常用检测方法及仪器
主要参数检测原理及仪器
液位的检测
• 压差法
△P1 计算 △P2
A
p2 H H p1
↓
B
↑
H
△ H
↑
C
↓
生化过程常用检测方法及仪器
主要参数检测原理及仪器
液位的检测
• 液位探针
泡沫高度的检测 常用检测方法：电极探针测定法和声波法。
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
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
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
生化过程常用检测方法及仪器
RMP
F加 F消
培养液 消泡
M
CO2 ,O2 % pG
T,p,p ,DO,V X, S, pc
（1）传感器能经受高压蒸汽灭菌； （2）传感器及其二次仪表具有长期稳定性； （3）最好能在过程中随时校正；
（4）探头材料不易老化，使用寿命长；
（5）探头安装使用和维修方便； （6）解决探头敏感部位被物料（反应液）粘住、堵塞问题； （7）价格合理，便于推广使用。
生化过程常用检测方法及仪器
主要参数检测原理及仪器
毛细管黏度计
生化过程常用检测方法及仪器
主要参数检测原理及仪器 发酵液黏度的检测
回转式黏度计
生化过程常用检测方法及仪器
主要参数检测原理及仪器 搅拌转速和搅拌功率
搅拌转速的检测常用方法：磁感应式、光感应式和测速发电机等。 搅拌功率的常用方法：功率表测定电动机进线功率； 搅拌功率的精确检测方法：电机反转矩测定法、轴功率和应变片法； 多数采用测定力矩来得功率，其计算公式为：
T2
检测仪器： 在线检测（On-line measurement） 离线检测（Off-line measurement）
生物反应检测仪器的 基本构成：
FW , T1
（1）传感器
（2）信号转换 （3）信号放大 （4）输出显示
空气 FA 图7-2 生化反应过程测量仪器系统
生化过程常用检测方法及仪器
生化工程用传感器应具有的要求：
主要参数检测原理及仪器 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：
I lg L / CC 02 I 0
生化过程常用检测方法及仪器
lg CO2


CO2电极结构
生化过程常用检测方法及仪器
主要参数检测原理及仪器 氧化还原电位（ORP）的检测
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：
E E0 RT a0 RT RT ln ln po2 ln H 4F a R 4F F
(4) 响应快、样品用量少，且由于敏感材料是固定化的， 可以反复多次使用。 (5) 传感器连同测定仪的成本远低于大型的分析仪器， 因而便于推广普及。
隔膜式压力表；
压力信号转换器：电阻式、电感式、电容式和半导体式等。
测压点和控制点的选择应考虑的因素：
1）防止染菌，避免死角，防止固形物的堆积； 2）注意气源波动对压力的影响。
生化过程常用检测方法及仪器
主要参数检测原理及仪器
液位的检测
检测方法：电容法、压力法和电导法等。
• 电容法
参比电极
电极
生化过程常用检测方法及仪器
主要参数检测原理及仪器 溶解CO2浓度的测定
溶解CO2浓度的检测原理是 利用对CO2分子有特殊选择渗 透性的微孔膜，并使扩散通过 的CO2进入饱和碳酸钠缓冲液
中，平衡后显示的pH与溶解的
CO2浓度成正比，由此可测出 溶解CO2浓度。
K a pH lg HCO3
S（底物）＋R（受体） = SR→P（生成物）
生物传感器的分类
根据分子识别元件上的敏感物质分类
生物传感器中分子识别元件上所用的敏感物质有 酶、微生物、动植物组织、细胞器、抗原和抗体等； 根据所用的敏感物质可将生物传感器分为酶传感 器、微生物传感器、组织传感器、细胞器传感器、免 疫传感器等。
生物传感器的分类