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1、第七章 生物反应器的参数检测及控制,生物反应器的检测： 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打印出来。,生物反应器的检测控制首先要明确以下几点,进行检测的目的； 有多少必须检测的状态参数，这些参变量能否测量检出； 能测定的参数可否在线检测，其响应滞后是否太大； 从状态参数的检测结果，如何判断生物反应器及生物细胞本身的状态； 反应系统中需要控制的主要参变量是什么？这些需控制的参数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,1.温度 2.压强 3.液面 4.泡沫高度 5.培养基流速 6.通气量 7.黏
2、度 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.pH 13.溶氧浓度和氧化还原电位 14.发酵液中溶解CO2浓度 15.培养基浓度和产物浓度 16.细胞浓度及酶活性,第二节 生化过程常用检测 方法及仪器,一、检测方法及仪器的组成 在线检测：如发酵液的溶解氧、pH及温度、罐压等； 离线检测：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。,二、主要参数检测原理及仪器,发酵罐内无菌取样系统,陶瓷微孔膜取样系统,二、主要参数检测原理及仪器,渗透膜取样系统,1.温度的测定 热电阻检测器 半导体热敏电阻 热电偶 玻璃温度计,2.压强的检测 隔膜式压力表
3、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 电容式液面计 压差法 泡沫高度的高度 电极探针测定法 超声波法,4.培养基和液体流量测定 液体质量流量计 电磁流量计 漩涡流量计 转子流量计,5.气体流量计 检测气体流量的实用类型分两大类： 体积流量型和质量流量型 （1）体积流量型 原理：根据流动气体动能的转换及流动类型的改变而检测流量。 转子流量计：m3/h L/min （2）质量流量型 原理：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进行设计的。最常用的是利用其导热性能。,E=kcqm E-输出电势 k-比例常数
4、，同一传感器为常数； c-流过气体的比热容，kJ/(kg.) qm-气体质量流量，kg/s 测定范围：0.6250L/h，相应的精度较高。,空气入口,空气出口,气体热质量流量传感器,T1,T2,6.发酵液黏度的检测 （1）振动式 黏度传感器 （2）发酵液循环黏度计：装设自动无菌取样循环系统，流过毛细管粘度计。 测定范围：0.015100Pa.s，相应时间数十秒,信号输出,7.搅拌转速和搅拌功率 （1）搅拌转速 磁感应式 光感应式 测速发电机 （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。,8.pH的检测 目前，最通用的pH测定仪是复合pH电极 。,原理是利用玻璃电极
5、和参比电极浸泡在某一溶液中时具有一定的电位。,9.溶氧浓度的检测 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。 特点： 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。 温度对溶解度和氧分子扩散速度均有影响。 电流值和氧的扩散系数与溶解度的乘积成正比关系。 阳极面积应比阴极面积大得多，这样可减少误差。,No2=kLa(C*-Co2),溶氧电极的溶氧值有两种表示方法： 饱和溶氧百分值 常用发酵液通气搅拌足够长时间，溶氧达到饱和时的电极输出电流检出值为100%，残余电流值为0。标定时未接入生物细胞 溶氧值： 测定范围020mg/L，灵敏
6、度1%Fs 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CO2浓度的检测 原理：利用对CO2分子有特殊选择渗透通过特性的微孔膜，并使扩散通过的CO2进入饱和碳酸氢钠缓冲溶液中，平衡后显示的pH与溶解CO2浓度成正比。,11.氧化还原电位的检测 氧化还原电位可作为微量溶氧浓度的指示。但溶氧浓度与ORP不成正比例关系，但有一定的对应关系。 ORP=-100-300mV时，反应系统并非完全厌氧状态； ORP-600mV时，反应系统完全厌氧状态 原理：溶液中的金属电极上进行的电子交换达到平衡时，具
7、有相应的氧化还原电位值。 测定范围：-700mV+700mV,CO210M,12.排气的氧分压和CO2分压 （1）排气的氧分压的检测 磁氧分析 极谱分析 质谱法 磁氧分析仪： 被检测排气的磁化率：,将被检测样品气体通入磁场。在非均匀磁场范围内作用在气体分子上的力可导致压强的变化，即均匀磁场和无磁场的空间存在压强差：,（2）排气中CO2分压的检测 红外线二氧化碳测定仪 二氧化碳电极 原理：除了单原子气体如氖、氩等和具有对称性又无极性的双原子气体如氢、氮、氧等之外，几乎所有的其它气体都具有不同的红外吸收谱，其中CO2红外吸收峰： 2.62.9103和4.14.5103之间,Lambert-Beer
8、公式,注意测量范围1%100%，精度0.5%-1%FS CO对气体的测定影响最大,13.细胞浓度测定 （1）全细胞浓度的测定 湿重法 干重法 浊度法 湿细胞体积法 在线检测全细胞仪：流通式浊度计 光源：可见光400600nm或同一波长的激光束,使用这种流通式浊度计检测细胞浓度,有几点必须注意的几个问题: 适用于游离细胞，细胞形状呈球状、杆状的酵母细菌等。 空气中有气泡会干扰读数。 传感器的比色皿会因细胞吸附壁而增大误差。,（2）活细胞浓度测定 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生物发光或化学发光法进行测定。,三、生物发酵溶液中营养成分与产物分析,大多数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。,