第八章-生物反应器参数控制.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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 生物反应设备,第三篇 产物分离设备,第四篇 其他设备,底物,生物反应器,检测控,制仪表,培养基,（灭菌）,经加工,原料,酶,细胞,生物催化剂,（游离或固定化）,机械能,除,菌,空气,产品提取纯化,副产品,产品,废物,热能,原材料,营养物,典型工业生物技术过程,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 植物细胞反应器,第二节 动物细胞反应器,第三节 微藻培养反应器,第二篇 生物反应设备,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,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,第六章厌氧（嫌气）发酵设备,第五章 生物反应器通风搅拌发酵罐,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,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,；,（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,。,生物反应器的检测及控制,第一节生化过程主要参数,参数名称,测试方法,意义、主要作用,温度,传感器,维持生长、合成,罐压,压力表,维持正压、增加DO,空气流量,传感器,供氧、排泄废气、提高K,L,a,搅拌速率,传感器,物料混合、提高K,L,a,粘度,粘度计,反映细胞生长、K,L,a,液面,传感器,反映操作稳定性、生产率,浊度,传感器,反映细胞生长情况,泡沫,传感器,反映发酵代谢、操作稳定性,传质系数,间接计算，在线检测,反映供氧效率,加糖速率,传感器,反映耗氧情况,加消泡剂速率,传感器,反映泡沫情况,加其它基质速率,传感器,反映基质利用情况,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,细胞浓度,取样,了解生长情况,细胞中ATP、ADP,取样,了解细胞的能量代谢活力,细胞中NADH,2,在线荧光法,了解细胞的合成能力,溶解氧浓度,传感器,反映供氧情况,排气O,2,浓度,传感器,了解耗氧情况,溶解CO,2,浓度,传感器,了解CO,2,对发酵的影响,排气CO,2,浓度,传感器（红外吸收）,了解细胞的呼吸情况,酸碱度,传感器,反映细胞的代谢途径,产物浓度,取样（传感器）,产物合成情况,基质浓度,取样,了解基质的利用情况,第一节生化过程各参数及其测试概况,（b）生物、化学参数 10,第一节、,发酵过程检测控制的主要,的参数,1,、物理参数8个,检测参数,检测方法,单位,影响,温度,铂电阻,热敏电阻,q,P,c*,罐压,(0.20.5,10,5,Pa),隔膜传感器,压敏电阻,Pa,保持正压，防止染菌,O,2,及,CO,2,的溶解度,搅拌转数,频率计数器,r/min,K,la,发酵液的均匀性,搅拌功率,(2-4KW/m,3,),功率计,Kw,K,la,空气流量,浮子流量计,孔板差压计,m,3,h,-1,vvm,K,la,粘度,旋转粘度计,Pa,s,K,la,浊度,浊度计,%,反映单细胞的生长,料液的流量,蠕动泵,荷重传感器,量筒,L,h,-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,检测方法,单位,影响及作用,PH,复合玻璃电极,菌体和产物合成速度,酶促反应的方向,基质浓度,产物浓度,HPLC,离子选择电极,生物传感器,取样,g,L,-1,q,P,发酵周期的长短,氧化还原电位,氧化还原电位电极,mV,生长和生化活性,溶氧浓度,覆膜氧电极,%,q,o2,气相,O,2,含量,顺磁氧分析仪,Pa,反映,OUR,和,K,la,气相,CO,2,含量,红外气体分析仪,%,反映,OUR,和,K,la,发酵过程检测控制的主要,的参数,3,、生物参数,检测参数,检测方法,单位,影响,菌丝形态,摄像显微镜,取样镜检,反映菌体发育阶段,和正常与否,菌体浓度,取样,：干重、浊度、活菌计数、离心沉降,g,L,-1,影响菌体的生化反应,K,la,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,）,、,半导体热敏电阻、热电偶、玻璃温度计,。,温度传感器,生化过程常用检测方法及仪器,主要参数检测原理及仪器,3,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,。,热交换器发酵热测量,量热计,反应,平衡,零检测器,不平衡信号,计算器,记录器,不平衡,信号,标定,t,反,t,平,绝热式微量热计原理图,绝热式热量计的外筒温度能自动跟踪内筒温度，始终与内筒温度保持一致，内外筒间不存在温差，因而没有热交换，不需要进行冷却校正。因而，使用绝热式热量计，操作和计算都比较简单，但仪器结构较为复杂，不易维护。恒温式热量计的外筒温度恒定不变，内外筒间存在温差，因而内外筒有热交换，需要进行冷却校正。使用恒温式热量计，操作步骤和计算都比较复杂，但仪器构造简单，容易维护。微机量热仪,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,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,4,罐压检测：,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,5,液位的检测,检测方法：,电容法、压力法和电导法,等。,电容式液面计示意图,电容法,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=Pc-Pb,p2=Pc-Pa,生化过程常用检测方法及仪器,主要参数检测原理及仪器,5,液位的检测,液位探针,6泡沫高度的检测,常用检测方法：电极探针测定法和声波法。,生化过程常用检测方法及仪器,主要参数检测原理及仪器,7,培养基和液体流量测定,椭圆流量计工作原理图,椭圆流量计,生化过程常用检测方法及仪器,主要参数检测原理及仪器,6,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。,生化过程常用检测方法及仪器,主要参数检测原理及仪器,6,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,6,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,7,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,8,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,8,发酵液黏度的检测,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,8,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,9,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,。,10,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：,生化过程常用检测方法及仪器,主要参数检测原理及仪器,11 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：,生化过程常用检测方法及仪器,主要参数检测原理及仪器,11 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,11,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,12,溶氧浓度的检测,常用检测方法为溶氧电极法。,阴极还原,:O,2,+2H,2,O+4e,-,4OH,-,阳极氧化,:4Ag+4Cl,-,4Ag,+,+4Cl,-,+4e,-,总反应,:O,2,+2H,2,O+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,12,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,12,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,13,溶解,CO2,浓度的测定,溶解CO,2,浓度的检测原理是利用对CO,2,分子有特殊选择渗透性的微孔膜，并使扩散通过的CO,2,进入饱和碳酸钠缓冲液中，平衡后显示的pH与溶解的CO,2,浓度成正比，由此可测出溶解CO2浓度。,CO,2,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,14,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：,15,排气的氧分压的测定,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：,在均匀磁场与无磁场的空间存在压强差：,16,排气的,CO,2,分压的测定,生化过程常用检测方法及仪器,主要参数检测原理及仪器,排气中CO,2,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。,CO,2,气体在红外2.62.910,3,和4.14.510,3,nm之间有吸收峰，根据朗伯比尔定律：,17,细胞浓度的测定,生化过程常用检测方法及仪器,主要参数检测原理及仪器,全细胞浓度的测定,细胞浓度在线检测浊度计,17,细胞浓度的测定,生化过程常用检测方法及仪器,主要参数检测原理及仪器,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成分与产物的分析,类别,检测物质,发酵液待检测的物质成分,微生物细胞,营养基质,葡萄糖、麦芽糖、乳糖、醋酸、BOD等,产物及副产物,乙醇、氨、蛋白质、抗生素、氨基酸、有机酸、酶、CH,4,、氢等,营养盐生长因子,无机盐(K,+,、Ca,2+,、NH,+,、NO,3,-,等)、生物素、维生素,动物细胞,营养基质,葡萄糖、氨基酸等,产物及副产物,蛋白质类（t-PA、GCSF、EPO、INF等)、乳酸、氨,生长因子,维生素、激素、抗生素,植物细胞,营养基质,糖类、醋酸、硝酸盐、氨基酸等,产物及副产物,次生代谢产物（植物色素、皂甙等）、氨、CO,2,生长素,维生素、植物激素（2,4-D、NAA、6-BA等）,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）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,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,生物传感器的工作原理,根据输出信号方式分类,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：,S（底物）R（受体）=SRP（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,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,生物传感器的分类,生物传感器的特点,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；,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；,由于它的体积小、可以实现连续在位监测；,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。,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。,生物传感器的信号转换器,生物传感器中的信号转换器是将分子识别元件进行识别时所产生的化学的或物理的变化转换成可用信号的装置。常用的生物传感器换能器件有电化学电极、热敏器件、半导体器件、光电原理器件等，目前以电化学电极应用最广且比较成熟。,电化学电极可用作生物传感器的信号转换器的电化学电极一般可以分为两种类型。,电位型电极,和,电流型电极,电位型电极,离子选择电极,离子选择性电极是一类对特定的阳离子或阴离子呈选择性响应的电极，具有快速、灵敏、可靠、价廉等优点，因此应用范围很广离子选择性电极作为生物传感器的信号转换器只是它的一种应用，在生物医学领域也常直接用它测定体液中的一些成分（如H,+,，K,+,，Na,+,、Ca,2+,等）。,生物传感器的信号转换器,生物传感器的信号转换器,氧化还原电极,生物传感器的信号转换器,生物传感器的信号转换器,电流型电极,电化学生物传感器中采用电流型电极为信号转换器的趋势日益增加，这是因为这类电极和电位型电极相比有以下优点：,（,1,）电极的输出直接和被测物的浓度呈线性关系，而电位型电极那样和被测物浓度的对数呈线性关系；,（,2,）电极输出值的读数误差所对应的待测物浓度的相对误差比电位型电极的小；,（,3,）电极的灵敏度比电位型电极的高。,生物传感器的信号转换器,生物热敏器件,基于温度测量原理，把生物功能材料和高性能检测器件结合而成，如酶热敏电阻。,酶热敏电阻可分为密接型和反应器型。,酶热敏电阻检测系统,生物传感器的信号转换器,离子敏场效应晶体管,传感器应具有以下特点：,（,l,）,小型化，便于携带，易于使用，非专业人员也能操作；,（,2,）响应快，可应用于微小区域，如生物细胞内成分的测定；,（,3,）能同时完成多种成分测定；,（,4,）能够直接连接在计算机的输入端；,（,5,）输出阻抗低，可避免外界感应以及下级电路的干扰。,由于绝缘栅场效应管的应用，制造具有以上特点的离子敏感元件及生物敏感元件已成为现实,敏场效应晶体管的结构和工作原理,离子敏场效应晶体管,（ISFET）,：,它与常用的绝缘栅型场效应晶体管构造相同在输入栅极做了一些改进，以能与特定的化学物质反应，产生电位的敏感膜取代金属极让敏感膜直接与溶液接触，由于敏感膜对溶液中的离子有选择作用，从而调制ISFET的漏电流变化，利用这个特性就能检测一溶液中的离子活度。,生物传感器的信号转换器,Ion-sensitive field-effect transistor(ISFET),敏场效应晶体管的结构和工作原理,生物传感器的信号转换器,生物传感器的信号转换器,光生物电极,光生物电极的测量原理：生物发光反应的测量原理；生物物质的光吸收、光激发；生物反应物质对光传播对干扰原理。,竞争结合型、光吸收型、荧光淬灭型、指示剂型、生物发光型和光传递干扰型。,敏感器件（分子识别元件),酶电极,酶电极结构原理示意图,敏感器件（分子识别元件),微生物电极,呼吸性测定型微生物传感器,代谢产物测定型微生物传感器,免疫传感器,(,Immunosensor,),免疫电极,敏感器件（分子识别元件),酶标记免疫传感器原理示意图,组织传感器,以动植物组织薄片材料作为生物敏感膜的电化学传感器称为组织电极，此系酶电极的衍生型电极动植物组织中的酶是反应的催化剂与酶电极比较，组织电极具有如下优点：,1.酶活性较离析酶高.,2.酶的稳定性增大.,3.材料易于获得.,植物组织膜电极结构图解,a一水瓜,b一果皮,c-中果皮,d-内果皮,1-中果皮组织薄片,2-固定化骨架,3-透气健,4-垫圈,5-内电解质,6-复合PH电极,7-塑料电极体,3-7为二氧化碳气敏电极结构,组织传感器,生物传感器的应用,微生物发酵过程检测上的应用,动植物细胞培养过程检测上的应用,检测参数：,细胞浓度、基质浓度、产物浓度、溶氧浓度、,pH,等；检测胞内,pH,、,RNA,、,DNA,、,ATP,、,NADP,等。,流式细胞计数法（,FCM),：,流式细胞仪,生物传感器的应用,第三节 生化过程的控制,一般检控系统包括3个部分,。,1测定元件：,如温度计、压力表、电流计、pH计直接测定发,酵过程的各种参数，并,输出相应信号,。,2控制部分：,其功能主要是将,测定元件测出的各种参数信号,与,预先确定值,进行,比较,，并且,输出信号指令执,行元件,进行,调整控制,。,3执行元件：,它,接受控制部分的指令,开启、或关闭有关阀,门、泵、开关等调节控制机构，使,有关参数达到,预定位置,。手动控制和自动控制,控制方式,生化过程的控制,温度的控制,pH,的控制,发酵温度的控制,在发酵罐上安装夹套和蛇罐，通过循环冷却水控制。,冷却介质：,深井水或冷冻水,控制方式：手动控制或自动控制,温度计,温度控制器,调节阀,图3,pH,的控制系统,pH,电极,设定,控制器,调节阀,6.5,pH,Uncontrolled,Controlled,经消毒的pH电极装入发酵罐内定时直接测定培养基的pH，同时还可以与控制仪表连结，通过回路系统控制阀门或泵进行pH调节。,图4,生化过程的控制,溶氧的控制,泡沫的控制,泡沫的检测和控制,最简单的检测是定时在,发酵罐视孔上观察泡沫产生情况,，发现泡沫持续上升时，,开启消泡剂贮罐的阀门，,流加少量消泡剂,，使泡沫消失即可,。,也可在,罐内顶部装液位仪与控制仪表连结,，用以控制消泡贮率阀门的开启。,当,泡沫上升,接触探头顶端时产生的信号,，通过,控制装置,，指令打开,泵开关或阀门，自动加入消泡剂,，泡沫消失，信号也随之消失，阀门关闭。,生化过程的控制,图 是对溶氧水平实行串级控制的例子,生化过程的控制,生化过程的控制,