第五章----生物反应器的检测及控制.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,*,*,*,第五章,生物反应器的检测及控制,生物反应器的检测及控制,在微生物发酵以及其他生物反应过程中，为了使生产稳产高产，降低原材料消耗，节省能量和劳动力，防止事故发生，实现安全生产，必须对生物反应过程和反应器系统实行,检测和控制,。,生物反应器的检测是利用各种,传感器,及其他,检测手段,对反应器系统中各种参变量进行测量，并通过光电转换等技术用二次仪表显示或通过计算机处理。,检测控制中要明了下述几点：,（1）进行检测的,目的,；,（2）有多少必须检测的状态参数，这些参变量能否测量检出？,（3）能测定的参数可否,在线检测,，其响应滞后是否太大？,（4）从状态参数的检测结果，如何,判断,该生物反应器及生物细胞本身的状态；,（5）反应系统中需控制的,主要参变量,是什么？这些需控制的参变量与生物反应效能如何,相关对应,？,第一节 生化过程主要检测的参变量,物理参数,1温度,2压强,3液面（或浆液量）,4泡沫高度,5培养基流加速度,6通气量,7粘度（或表观粘度）,物理参数,8搅拌转速与搅拌功率,9冷却介质流量与温度,10蒸汽压强,11湿度,12酸、碱及消泡剂用量,化学参数,1.pH 2.溶氧浓度,3.溶解CO,2,浓度 4.氧化还原电位,5.排气的氧分压 6.排气的CO,2,分压,7.培养基质浓度 8.产物浓度,9.前体浓度,生物量,细胞浓度,酶活性,细胞生长速率,第二节 生化过程常用检测方法及仪器,一、检测方式及仪器的组成,在线（Online）检测,：仪器的电极等可直接与反应器内的培养基接触或可连续从反应器中取样进行分析测定；,离线（Offline）检测,：从反应器中取样出来，然后用仪器分析或化学分析等方法进行检测。,对生物发酵过程的控制来讲，,在线检测,是首选方式。,发酵罐内无菌取样系统,（1）陶瓷微孔膜取样系统,（2）渗透膜取样系统,微孔管在线取样装置,1.温度的测定,温度检测仪表有,热电阻检测器,（RTD）、,半导体热敏电阻,、,热电偶,和,玻璃温度计,等。,最常用的是,金属热电阻温度计,，其中以,铂电阻温度计,最常用，其次,铜电阻温度计,也可选择。,铂电阻温度计,可耐热杀菌，耐腐蚀，精度高，但价钱较贵。,铜电阻温度计,价格较便宜，但容易氧化，且温度计的体积也较大。,半导体热敏电阻,具有灵敏度高、响应时间短的优点，但体积小、结构简单、耐腐蚀性好、寿命长，但因其温度与电阻值的关系非线性，所以使用不多,2压强的检测,最常用的压强检测仪是,隔膜式压力表,。,在生物反应器中，在压力表安装时必须注意使仪表的管路能够,加热灭菌,，尽量,不存在死角,，这样才能保证反应器的无菌操作。,3液位和泡沫高度的检测,液位的检测主要方法有,压差法,、,电容法,和,电导法,等。,电容式液面计示意图,压差法测量液位原理,泡沫高度的测定,最常用的方法是,电极探针测定法,：当泡沫产生增多，其表面上升与电极,探针,接触从而产生电信号。,泡沫高度的检测还可应用,声波法,，即利用装于罐顶的装置发射声波，检测此声波经液面反射后返回罐顶所需的,时间,，就可推出泡沫表面高度。,4培养基和液体流量测定,椭圆流量计效应流量计,科里奥利（Coriolis）效应流量计,5气体流量计,（1）,体积流量型气体流量计,原理：,根据,流动气体动能,的转换及,流动类型改变,而检测其流量。,实验室小试和中试发酵系统几乎都应用,转子流量计,。,同心孔板压差式,流量计，可用于工业生产规模上。,气体流量计,（2）,质量流量型气体流量计,检测原理是利用,流体的固有性质,，如质量、导电性、电磁感应及导热等特性而进行设计的。,对,气体流量,测定，最常用的是利用其,导热性能,。,气体热质量流量传感器结构,气体热质量流量计工作原理,6发酵液粘度的检测,发酵工业上常用的粘度测定仪有,振动式粘度传感仪,、,毛细管粘度计,、,回转式粘度计,以及,涡轮旋转粘度计,等。,（1）振动式粘度传感仪,可保证,无菌操作,，但只能测定粘度的,相对值,，且精确度较差，仍有待改进提高。,（2）发酵液循环粘度测定,装设,自动无菌取样循环系统,，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，以实现发酵液粘度的,连续在线检测,。,7搅拌转速和搅拌功率,（1）搅拌转速,搅拌转速的检测常用方法有,磁感应式,、,光感应式,和,测速发电机,等三种。,前两种测速仪是利用搅拌轴或电机轴上装设的感应片切割磁场或光束而产生脉冲信号，此信号即,脉冲频率与搅拌转速相同,。,测速发电机是利用在搅拌轴上或电机轴上装设一小型发电机，后者的,输出电压与搅拌转速成线性关系,。,（2）发酵搅拌功率,生产规模的发酵罐搅拌功率只是测定驱动电机的,电压与电流,，或直接测定,电机搅拌功率,。,8.PH的检测,最通用的pH测定仪是,复合pH电极,，因其具有结构紧凑，可,蒸汽加热灭菌,的优点。,复合,PH,电极结构,复合,PH,电极,为了使PH电极适应工业发酵生产的要求，通常加装,不锈钢保护套,才能插入发酵罐中使用。,具有,温度补偿系统,。,在每批发酵灭菌操作前后,进行标定,。,通常PH计的测定范围是014，精度达10.050.1PH，响应时间数秒至数十秒，灵敏度为0.1PH。,9溶氧浓度的检测,通常用,溶氧电极,法，其化学基础是氧分子在阴极上还原，因而有电流产生，所产生的电流和被还原的氧量成正比，故设法测定此电流值就可确定发酵液的溶氧浓度。,溶氧电极,实际上，用一层高分子膜使电极与被测溶液分隔开，具有如下特点：,（1）氧分子扩散透过膜是限速步骤，故测出的电流值与溶氧浓度成正比；,（2）温度变化1，则产生4的变化，故必须装设温度补偿线路；,（3）电流值和氧的扩散系数与溶解度的乘积成正比关系；,（4）这类溶氧电极的阳极面积应比阴极面积大得多，这样可减小误差。,溶氧电极,溶氧电极的溶氧值有两种表示方法，即,饱和溶氧的百分数,和,溶氧值,，前者最常用。,值得注意的是,，测定时要使电极周围的液体,适度流动,，以加强传质，尽量减小与电极膜接触的液膜滞流层厚度，并减少气泡和生物细胞在膜上积存，以保证溶氧测定的准确。,10溶解CO,2,浓度的检测,测定原理,利用对CO,2,分子有特殊选择渗透通过特性的,微孔膜,，使扩散通过的CO,2,进入饱和碳酸氢钠缓冲溶液中，平衡后显示的,pH,与溶解的CO,2,浓度成正比，由此原理并通过变换就可测出溶解CO,2,浓度。,溶解CO,2,浓度的检测,溶解 CO,2,浓度测定仪的工作原理和 pH计类似,不同点是电极内装了饱和的,碳酸氢钠,溶液，在高温灭菌时会部分分解，故要每次,灭菌后,均需,校准,才能测定。,11氧化还原电位（ORP）的检测,检测原理：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，此值与溶液的PH和温度有关。,溶液的氧化还原电位值不仅取决于溶氧值，还与温度T和PH有关。,目前常用的氧化还原电极的检测范围在一700700mV，灵敏度110mV，响应时间数十秒至数分钟，精度为0.1lFS。,12排气的氧分压和CO,2,分压的检测,（1）排气的氧分压的检测：,气体中氧浓度的检测，主要有,磁氧分析,、,极谱电位法,和,质谱法,。,磁氧分析仪的检测原理：,氧是顺磁性的，它的磁化率较大，在所有气体中占有重要地位；而大多数气体具有抗磁性，而且有较小的磁化率。,磁氧分析仪结构原理图,（2）排气中CO,2,分压的检测,常用的排气中CO,2,分压（浓度）检测仪为,红外线二氧化碳,测定仪和,二氧化碳电极,。,红外线二氧化碳分析仪原理：CO,2,的红外吸收峰在2.62.910,3,和4.14.510,3,nm之间。在上述两个波段的近红外线通过含有CO,2,的气体时，光强度衰减，其衰减量依从LambertBeer的规则。,通气发酵罐排气检测流程图,l.粗滤器2.膜片泵3.贮气瓶4.除水器5.流量计6.精过滤器7.CO2检测仪8.氧分析仪,13细胞浓度测定,生物细胞浓度的测定有,全细胞浓度,和,活细胞浓度,之分。,（1）,全细胞浓度的测定：,可分湿重法、干重法、浊度法、湿细胞体积等。,以准确度来说，干重法最好，但其余三种方法简便易行，节省时间，有利于生产过程的,监测控制,，尤其是对发酵流加操作和连续操作过程。,在线检测,对于生物反应器,在线检测,用的生物传感器或普通的传感器，必须尽可能满足下述要求：,响应要连续、迅速；,灵敏度应在 0.02g/L以上；,电极本身对生物细胞无影响；,检测过程对细胞无损伤，不必加药物；,可检测含固体微粒营养物质的发酵液；,易于清洗、灭菌。,细胞浓度在线检测浊度计,流通式浊度计,流通式浊度计,用流通式浊度计检测细胞浓度，必须注意：,A适用于,游离细胞,，细胞形状为球状、杆状的酵母、细菌、绿藻等。,B,空气泡,会干扰读数，使样液先经气液分离器脱气后才检测可减少误差。,C.传感器的比色皿会因细胞附壁而增大测定误差，为尽量使此误差减至最小，可适当提高发酵液流过光电比色皿时的,速度,。,（2）活细胞浓度测定,测定原理：,利用活生物细胞催化的反应或活细胞本身特有的物质而使用,生物发光,或,化学发光法,进行测定。,对于取样离线测试方法还有染色计数法检测活细胞数，这可用于多数的微生物和动植物细胞。,荧光测量活细胞装置简图,流动细胞计数法,测定原理,被检测的含细胞的试样流过检测器，使细胞逐个滴下，由,激光,检出，根据预先设定的各种细胞的,电特性,进行识别，由此可统计出细胞的尺寸分布及细胞龄等特性。,流式细胞仪结构示意图,三、生物发酵溶液中营养成分与产物的分析,反应溶液中的营养成分和产物、副产物的分析测定十分重要，但至今大多数的成分仍未能在线检测。,通常是在反应器中装设微孔陶瓷取样器或渗透膜取样器进行,无菌取样,，然后使用HPLC或GC等仪器或化学方法进行检测。,第三节 生化过程控制概论,生物反应过程,检测的目的,是为了提供对生物反应有影响的信息，便于对反应器进行适当的控制。,控制的最终目的,，在于创造良好条件，使生物催化剂处于高效的催化活性状态，以使所进行的生物反应高速、高效、收率高，以降低原材料和能量消耗，同时保证产品质量。,生物反应器的控制主要包括温度、pH、溶氧浓度（具体是通气量与搅拌转速）、机制和细胞浓度等的控制。,通气发酵控制系统示意图,程序控制,可把运行过程按时间先后预设定其操作顺序以进行控制，称此为程序控制。,它主要包括,顺序控制,、,时间控制,和,条件控制,三类控制因素。,在生化反应器间歇操作程序控制的实施中，部分程序可实行自动控制，有时需操作人员据实际情况而决定操作。,程序控制过程示意图,间歇发酵流程及其程序控制,生物发酵过程的优化控制,（l）明确控制目标，确定最优化准则。,（2）建立数学模型，搞清楚各参变量之间的关系。,（3）状态估计及参数辨识，若目标状态参数（如产物浓度）不能在线检测，可利用与目标参变量有已知确定关系且可在线检测的参变量的定量关系，在线推算出目标参数的数值。,（4）由推定的目标参变量，计算目标函数，进行反应过程的最优控制。,