生物反響器的檢測和控制7.1概述7.2生物反響過程常用檢測方法及儀器7.3生物反響器的控制7.1概述

根據目前人們對生物反響過程的理解，生物反響器的檢測和控制對象主要包括三個局部的參數，即，生物反響進程中的物理條件，如溫度、壓力、攪拌速度等；生物反響器進程中的化學條件，如液相pH、氧氣和二氧化碳的濃度等；生物反響器進程中的生化參數，如生物體量，生物體營養(yǎng)和代謝產物濃度等。表7-1詳細的列出了需要檢測和控制的操作參數。7.1概述

表7-1需要檢測和控制的各種參數參數類別參數名稱物理參數時間，溫度，壓力，攪拌速度，總質量（Totalmass），總體積（Totalvolume）質量補料速率（Massfeedrate），體積補料速率（Volumefeedrate），粘度光密度（Opticaldensity）,功率輸入、泡沫、剪切力、混合時間（Mixingtime）氧傳質速率，循環(huán)時間，持氣量（Gasholdup）,氣泡大小分布圖（Bubblesizedistribution）攪拌溢出（Impellerflooding），營養(yǎng)液流變圖（Brothrheology）氣體混合模式（Gasmixingpatterns）化學參數pH,溶氧濃度(DissolvedO2)，溶解二氧化碳濃度(DissolvedCO2)，氣相氧氣濃度氣相二氧化碳濃度，呼吸商（respiratoryquotient），耗氧速率（O2Uptakerate）CO2生成速率（CO2productionrate）。生化參數細胞濃度，細胞存活率（Cellviability），細胞形態(tài)（Cellmorphology）細胞成分（Cellularcomposition），蛋白質，DNA，RNA，脂質（lipid）糖，NAD/NADH，ATP/ADP/AMP，酶活力（Enzymeactivities）整體細胞活力（Activitiesofwholecells），比生長速率（Specificgrowthrate）比產物形成速率（Specificrateofproductformation）比耗氧速率（Specificoxygenuptakerate）比營養(yǎng)物質消耗速率（Specificsubstraterate）溶解糖濃度，氮源濃度，礦物質濃度，前體濃度（Precursors），誘導物濃度（Inducers）代謝物濃度（Metabolites），易揮發(fā)物濃度（Volatileproducts）7.1概述

在以上參數中，大局部物理和化學參數都能夠使用一般的手段進行在線檢測和控制。比方，檢測溫度、壓力、攪拌轉速、功率輸入、質量等儀器都是工業(yè)上常用的標準化設備，在生物反響中只要稍加改造就能使用，檢測氧氣和二氧化碳在氣液相中的濃度以及液相pH值和氧化復原電位也有成熟的方法。但是，進行生化參數的在線檢測和控制卻非常困難，因此，生化參數只能根據一些能夠測量的物理和化學參數，依靠物料衡算的方法，從中推導計算出來。返回7.2生物反響過程常用檢測方法及儀器7.2.1檢測方法及儀器組成生物反響過程參數檢測方法一般是在線檢測〔Onlinemeasurement〕,即將能夠感應檢測參數變化的傳感器直接放到生物反響器中的測量點上，傳感器將測量點的待測參數變化轉化為電信號，經放大，送到顯示系統(tǒng)和控制單元。離線檢測方法，即先從反響器內取出物料，然后再用儀器分析和化學分析的方法進行檢測，不是本章的主要內容，因為離線檢測容易引起染菌，出結果需要一定的時間。7.2生物反響過程常用檢測方法及儀器1、傳感器傳感器的功能是感應生物反響過程的各種物理和化學變化，并將這些變化轉化為電信號，供放大、顯示、記錄以及送到反響器的控制單元。能夠在生物反響器上有效使用的傳感器應滿足以下條件：〔1〕反響靈敏快速。傳感器是否靈敏對生物反響過程的檢測和控制非常重要。如果傳感器的反響滯后于生物反響器內部的變化就意味著傳感器得到的數值與實際情況有一個時間差，這個時間差對生物傳感器的控制將造成很大困難，甚至控制錯誤。7.2生物反響過程常用檢測方法及儀器〔2〕傳感器結構應簡單整潔，不能有清洗死角以免帶菌產生污染。一般的生物反響器都要求無菌操作，一旦污染雜菌將給生產造成非常大的損失。因此，應盡量切斷任何可能的染菌渠道。在生物反響器上的傳感器常使用O型密封圈進行密封，并使用蒸汽進行反復消毒。〔3〕傳感器應當有很高的可靠性和長時間的穩(wěn)定性。生產過程中不允許中途更換或者是重新標定傳感器。為了保險，反響器中常常按裝兩個傳感器以防止由于一個傳感器的失效對生產造成災難性后果。7.2生物反響過程常用檢測方法及儀器〔4〕傳感器應當能夠耐受消毒蒸汽的溫度和壓力。生物反響器在使用蒸汽消毒時一般溫度在130多度以上，壓力也在個大氣壓左右，很多傳感器因為無法在消毒過程中耐受這么高的溫度和壓力而不能在生物反響器上使用?！?〕傳感器對所測參數的感應選擇性要非常高。這是由于傳感器直接插到培養(yǎng)液中，培養(yǎng)液的成分很復雜，加上里面既有氣體也有固體，形成三相并存的復雜體系，而在傳感器外表上的結垢和細胞碎片的沉積更增加了體系的復雜性。7.2生物反響過程常用檢測方法及儀器2、傳感器性能指標〔1〕準確度〔Accuracy〕準確度是指真實數據和測量數據之間的差異。由于很難獲得絕對意義上的真實數據，因此也就很難獲得絕對的準確度。準確度上下依賴于精確的標定過程和一些外部條件，如，傳感器在反響器內的放置位置等。當傳感器從一個反響器移到另一個反響器，或者反響器內情況發(fā)生改變，或者傳感器改變了放置位置，都需要重新標定，否那么將產生測量誤差。7.2生物反響過程常用檢測方法及儀器〔2〕精確度〔precision〕精確度和對同一個參數在同樣條件下測量值的重復性有關，能夠重復的數據越多，精確度越高。在實際測量中，測量值分布在一個平均值周圍，測量的精確度可以用測量值的標準差表示〔Standarddeviation〕。〔3〕分辨率〔resolution〕分辨率指傳感器區(qū)分非常相近的參數變化值的能力。傳感器靈敏度越高，分辨率越高。傳感器輸出的信號比和零點漂移也影響分辨率。將傳感器放在生物反響器上的適當位置并加以屏蔽可以改善傳感器的分辨率。7.2生物反響過程常用檢測方法及儀器〔4〕響應時間響應時間代表了傳感器對測量參數變化響應的快慢，可以簡單地用時間常數τ表示。時間常數τ是以下方程中〔7-1〕的常數： y=y0[1-e-t/τ](7-1)這個方程表示了當傳感器從被測參數為0的系統(tǒng)中快速轉移到被測參數為y0的體系，測量顯示值y和時間t的變化關系。其中的τ就是時間常數。顯然，時間常數越大，傳感器的響應越慢，反之越快。7.2生物反響過程常用檢測方法及儀器7.2.2主要參數的檢測原理及儀器1、溫度檢測所有的生物過程都需要一個較適宜的溫度條件，而且溫度范圍比較窄，一般在30～36攝氏度，更嚴格要求控制誤差為+0.5度，因此，需要對反響器的溫度進行不停的檢測。一般生物反響器都裝有各種溫度檢測裝置，有些還設有多個溫度檢測點，使用多種方法進行檢測。檢測溫度的方法很多，包括玻璃溫度計，熱電偶，半導體熱敏電阻溫度計，電阻溫度計。7.2生物反響過程常用檢測方法及儀器2、溶解氧濃度的檢測生物培養(yǎng)液中溶解氧濃度是另一個重要的培養(yǎng)參數，直接影響細胞的生長和產物的生成，原因在于生物培養(yǎng)一般使用水基培養(yǎng)液，由于氧氣在水中溶解度很小，如果不及時提供的話，培養(yǎng)液中的氧很快被消耗殆盡〔厭氧培養(yǎng)除外〕，造成生物停止生長甚至死亡。因此，溶解氧濃度的及時檢測就變得相當重要。7.2生物反響過程常用檢測方法及儀器溶解氧的檢測一般使用電化學電極檢測方法。工業(yè)上使用的溶解氧檢測電極有兩種，一種是電流電極〔Galvanicdetector〕,另一種是極譜電極〔Polarographicdetector〕,他們具有根本相同的結構，區(qū)別在于測量原理及電解液和電極組成不同，他們的結構如圖7-1所示。由圖可見，兩種電極都是由陰極、陽極組成，在陰極和陽極之間有絕緣介質相隔，陰極和陽極都與電解液相接。在電極的頭部有一層非常薄的薄膜將電解液與環(huán)境隔開，這層薄膜非常特殊，我們把它稱為透氧膜。7.2生物反響過程常用檢測方法及儀器圖7-1生物培養(yǎng)液測氧電極結構示意圖7.2生物反響過程常用檢測方法及儀器在電流電極中，測量時，溶解在生物培養(yǎng)液中的氧穿過透氧膜進入電極，經過電解液薄層到達陽極，氧氣在陽極獲得電子生成氫氧根離子，同時在陰陽極間產生可以測量的電流或電壓。這個電流或電壓的大小與到達陽極進行反響的氧氣分子的數量成正比。這樣，被測培養(yǎng)液中溶解氧的濃度越高，穿過透氧膜和電解液到達陽極的氧分子越多，產生的電流或電壓越大，從而建立了傳感器產生的電流與培養(yǎng)液中溶解氧濃度的關系，到達測量目的。7.2生物反響過程常用檢測方法及儀器測量時在陽極液陰極發(fā)生的反響如下： 陽極反響O2+2H20+4e4OH- 陰極反響PbPb+++2e 總反響O2+2Pb+2H202Pb(OH)2由上面反響可見，陰極上的鉛逐漸被氧化消耗掉，因此這種電極有一定的使用壽命，其長短由陰極外表上的鉛量決定。7.2生物反響過程常用檢測方法及儀器極譜電極的測氧原理與電流電極有區(qū)別，其陽極由金或者鉑，陰極由銀/氯化銀組成，電解液一般是由KCl、AgCl和一些高分子化合物組成，高分子化合物的作用是防止在蒸汽消毒時引起電解液損失。極譜電極在測量時需要在其正負極之間加上一個反向偏移電壓〔negativebiasvoltage〕,當氧氣到達陰極時得到電子，產生電信號。在陰陽極的反響如下： 陽極反響O2+2H2O+2eH2O2+2OH- H2O2+2e2OH- 陰極反響Ag+Cl-AgCl+e 總反響4Ag+O2+2H2O+4Cl-4AgCl+4OH-7.2生物反響過程常用檢測方法及儀器從以上反響可以看到，在使用過程中，陰極上的Ag將被逐漸消耗掉，因此這種電極的壽命取決于陰極外表Ag的多少。不管是極譜電極或者是電流電極，在測量以前都必須進行標定。用于標定的氧濃度有兩個，零和飽和氧濃度，前者通過反響開始前通過進行氮氣置換時建立，由于這時反響罐內充滿氮氣，培養(yǎng)液中氧氣濃度可以認為是零，后者通過長時間向生物培養(yǎng)液中通入空氣確定，由于此時溶解氧不被消耗，時間長了液體內的氧氣可以認為到達飽和。7.2生物反響過程常用檢測方法及儀器圖7-2是某種商業(yè)溶解氧濃度電極外觀圖和安裝在生物反響器上進行測量時的情況。圖7-2某種商業(yè)溶氧測量電極外觀和使用時的情況7.2生物反響過程常用檢測方法及儀器3、pH值的測量生物在反響器中生長時要消耗培養(yǎng)液的營養(yǎng)成分，代謝一些酸或堿類的物質，使培養(yǎng)液的pH值發(fā)生改變。這時，如果不及時調節(jié)培養(yǎng)液的pH值，生物的生長環(huán)境就會因此惡化，使生物停止生長，嚴重的還可能導致生物死亡。因此，及時檢測培養(yǎng)液中的pH值對生物培養(yǎng)過程至關重要。7.2生物反響過程常用檢測方法及儀器玻璃氫電極是生物反響器上使用的標準pH值檢測裝備，它的結構原理如圖7-3所示。由圖可以看出，玻璃電極由兩局部組成，一局部由一個玻璃球連接一個柱狀玻璃管組成的容器，里面裝滿了緩沖溶液，另一局部在玻璃球的上方圍繞柱狀玻璃管形成的另一個環(huán)狀空間，里面充滿了電解液，環(huán)狀空間底部靠近玻璃球的地方有一個隔膜小窗口，隔膜的作用是既將電解液與外部隔開又允許電解液與外部環(huán)境進行離子交換以保持內外聯(lián)系，實際上電解液可以透過隔膜滲出而外部液體無法進入。7.2生物反響過程常用檢測方法及儀器玻璃氫電極能夠測量pH值的關鍵在于玻璃球的底部一層非常薄的特殊玻璃膜，厚度在～毫米之間。這層玻璃膜與水溶液接觸時能夠與水作用在其外表上形成厚達50～5000?的水化凝膠層，在這層凝膠層里存在可以活動的氫離子。在玻璃膜的內部，也存在同樣的一層凝膠層，但由于緩沖溶液的存在，該凝膠層氫離子的濃度根本保持不變。這樣玻璃膜外面氫離子濃度發(fā)生改變時，玻璃膜內外電位差就發(fā)生改變。7.2生物反響過程常用檢測方法及儀器圖7-3玻璃電極結構原理示意圖7.2生物反響過程常用檢測方法及儀器圖7-4是商業(yè)上使用的pH電極的外觀和各局部組成。這種電極將測量極和參比極做到一起，又稱復合pH電極。安裝在生物反響器上的復合pH電極都帶有不銹鋼保護套，以免培養(yǎng)液內固體傷害電極頭部。像溶氧電極一樣，pH電極也需要進行原位標定，在蒸汽滅菌前進行。玻璃pH電極在使用前先要浸泡在水溶液中一段時間使玻璃膜充分潤濕，保存時要將探頭浸泡在和參比電解質相同的緩沖溶液中以免玻璃膜過于枯燥影響日后使用。7.2生物反響過程常用檢測方法及儀器圖7-4工業(yè)上使用的pH玻璃電極的外型和結構7.2生物反響過程常用檢測方法及儀器4、氧化復原電位〔Redoxpotential〕測定生物在培養(yǎng)液中生長過程中，伴隨著很多物質的氧化復原反響，有些物質被氧化得到電子，有些被復原失去電子，形成如下的平衡： 物質的復原形態(tài)?物質的氧化形態(tài)+電子培養(yǎng)液的氧化復原電位可以認為是對培養(yǎng)液中電子活性的一種度量。培養(yǎng)液氧化復原電位可定義為一個電壓值，當這個電壓施加在培養(yǎng)液里的陽極和陰極時，在陰極上開始發(fā)生氧化反響，在陽極上開始發(fā)生復原反響。7.2生物反響過程常用檢測方法及儀器培養(yǎng)液氧化復原電位的測定也是使用復合電極進行，結構和原理與溶氧電極類似，不同的是氧化復原電極的探頭頂端沒有透氧膜，作為陽極的鉑直接暴露在培養(yǎng)液中，任何物質都可能在陽極上失去電子被氧化。氧化復原電極也需要在使用前進行標定，標定方法與pH電極的標定方法類似，使用氧化復原電位的緩沖溶液。氧化復原電極的標定值很穩(wěn)定，但是，響應較慢，需要等待相對較長的一段時間才能讀數。7.2生物反響過程常用檢測方法及儀器5、泡沫的檢測在大多數的生物培養(yǎng)過程中需要不斷地向培養(yǎng)液通入氣體，由于培養(yǎng)液中含有蛋白質和生物體等物質，如果條件控制不好，非常容易在培養(yǎng)液外表產生大量泡沫。這些泡沫一旦出現(xiàn)常常急速膨脹，在很短的時間內充滿整個反響器并堵塞出氣口，浸濕出氣過濾紙，并有可能造成染菌，使生物培養(yǎng)過程無法進行下去。此外，大量泡沫溢出也造成培養(yǎng)液的損失。因此，當泡沫剛一出現(xiàn)時就及時采取措施消除泡沫對生物培養(yǎng)過程的正常順利完成至關重要。7.2生物反響過程常用檢測方法及儀器檢測泡沫的裝置主要有四種，分述如下：〔1〕電容探頭電容探頭由兩個電極組成，分別安裝在反響器內液面上方有可能出現(xiàn)泡沫的空間的兩端，在這兩個電極上加上一個適當的交流電壓。當泡沫出現(xiàn)時，兩個電極之間的局部空間被泡沫占據，從而改變兩個電極之間的電容，引起通過該電容的交流電流產生變化，將氣泡的出現(xiàn)轉變成電信號，到達檢測氣泡的目的。7.2生物反響過程常用檢測方法及儀器〔2〕電阻探頭電阻探頭其實就是一根導線，這根導線的其他局部都由絕緣材料包裹，只剩頭部裸露。它安裝在反響器內可能出現(xiàn)泡沫的地方，并施加一定的電壓。當泡沫產生是，泡沫浸沒導線的頭部形成回路產生電流，泡沫消失時回路斷開，電流消失。這種探頭的缺點是只能檢測泡沫的生成和消失，無法測定泡沫生成速度以及泡沫量。這種檢測方法需要有一定的電流通過泡沫，可能對有些生物培養(yǎng)不利。7.2生物反響過程常用檢測方法及儀器〔3〕電熱探頭電熱探頭是一個有恒定電流流過的電熱元件，當有泡沫接觸它時，其溫度會突然降低，從而感知是否有泡沫產生。電熱探頭也存在結垢和培養(yǎng)液外濺引起誤判問題?！?〕泡沫檢測轉盤這是安裝在一些生物反響器內泡沫可能出現(xiàn)地方的一個轉盤裝置，正常情況下轉盤不停地轉動，當有泡沫出現(xiàn)時，轉盤轉動的阻力加大，轉速減小或者耗能增加，從而檢測到泡沫存在。轉盤在起檢測作用的同時，也可以起消除泡沫的作用。7.2生物反響過程常用檢測方法及儀器〔5〕超聲探頭超聲探頭有一個超聲波發(fā)射端和一個接受端，分別安裝在反響器內泡沫可能出現(xiàn)的空間兩端相對位置。使用時，發(fā)射端不斷發(fā)出頻率在25～40Hz的超聲波，在沒有泡沫的情況下，大局部超聲波被接受端接受。當有泡沫出現(xiàn)時，由于泡沫能夠吸收25～40Hz的超聲波，抵達接收端的超聲波相應減少，從而能夠檢測泡沫的出現(xiàn)。7.2生物反響過程常用檢測方法及儀器6、溶解二氧化碳的檢測二氧化碳是生物在培養(yǎng)過程中的代謝產物之一，它在培養(yǎng)液中的濃度是生產中操作者關心的重要指標之一。工業(yè)上測量二氧化碳在培養(yǎng)液中的濃度一般使用二氧化碳測量電極，它的結構如圖7-5所示。溶解二氧化碳測量電極的核心是一個pH電極，它的頭部浸泡在一個充滿碳酸鹽水溶液的電解液室內，電解液室與外界由一個氣體通透膜〔Gas-permeablemembrane〕隔開。7.2生物反響過程常用檢測方法及儀器圖7-5二氧化碳電極結構1—液體移出注射器2—耐高溫電纜3—電纜固定螺母4—內部pH探頭移動螺母5—密封柱6—液體導管7—固定座8—外套管9—pH探頭連接柱10—pH探頭11—標定時緩沖溶液〔電解液室〕12—電解液室13—探頭保護套14—氣體通透膜〔Gaspermeablemembrane〕15—硅脂膜7.2生物反響過程常用檢測方法及儀器顯然，在這種電極中，氣體通透膜起著關鍵作用，因此需要對其進行保護。商業(yè)上出售的電極一般用一層硅脂膜〔siliconemembrane〕罩在氣體通透膜的外面以加強對該膜的保護。這種電極也可以進行原位標定。圖7-5右側是二氧化碳電極標定時的情況。在進行原位標定時，將pH電極稍微抽出一點，使電極探頭與氣體通透膜離開一定的距離，然后將使用注射器〔1〕將電解液抽走，〔2〕將具有一定pH值的緩沖溶液注入電解液室以代替抽走的電解液，然后進行標定。7.2生物反響過程常用檢測方法及儀器

7、培養(yǎng)液尾氣分析在生物培養(yǎng)過程中，由于生物的碳源代謝造成氧的消耗和二氧化碳的生成，使尾氣中氧的含量下降，二氧化碳的含量上升。這兩種氣體在培養(yǎng)尾氣中含量的在線分析可以為掌握生物的代謝活動提供重要信息。此外，由于生物培養(yǎng)中很多生化指標不能在線檢測，尾氣分析為間接計估計這些參數提供數據。工業(yè)上進行分析的參數一般有尾氣總流量、尾氣中二氧化碳的含量，尾氣中的氧含量。

7.2生物反響過程常用檢測方法及儀器〔1〕尾氣總流量檢測工業(yè)上常用轉子流量計測量尾氣的總流量，轉子流量計結構原理如圖7-6所示。在一定的流量下轉子在測量管中的懸浮高度不同，讀出相應的刻度即可得到流量值。轉子流量計結構簡單、測量可靠，因此廣泛應用于工業(yè)生產中。但是，轉子流量計的讀數值隨壓力和尾氣中的水汽含量而變，而一般從生物反響器中出來的氣體的壓力和水汽含量都有一定的波動，因此，在轉子流量計的后面安裝一個穩(wěn)壓閥，在前面安裝一個冷凝器將濕氣冷凝下來以消除以上影響。7.2生物反響過程常用檢測方法及儀器圖7-6轉子流量計7.2生物反響過程常用檢測方法及儀器實驗室一般采用質量流量計對尾氣流量進行精確的測量。質量流量計的結構原理如圖7-7所示，在氣體的流通方向上纏繞三個線圈，中間的線圈以恒定的功率加熱，兩邊的線圈分別測量溫度。顯然，流過管道的流量不同，從上游線圈到下游線圈之間的溫度差不同，當流量改變時這個溫度差也隨之改變，因此可以用來測量流過的質量流量。7.2生物反響過程常用檢測方法及儀器圖7-7質量流量計

7.2生物反響過程常用檢測方法及儀器〔2〕尾氣中二氧化碳含量的測定圖7-8是一種常用的非色散紅外二氧化碳分析儀。圖中，兩條相同的入射紅外光束分別通過氣樣室和參比室。在氣養(yǎng)室內，由于二氧化碳吸收紅外線發(fā)生衰減，通過與參比室的紅外線比較得出衰減程度，從而確定氣樣室中的二氧化碳含量。這種紅外分析儀由于所用入射紅外光的譜帶較寬而落入其他成分特別是水的吸收區(qū)，因此需要對氣流預先進行除濕處理，這延長了響應時間。7.2生物反響過程常用檢測方法及儀器圖7-8非色散紅外氣體分析儀A—光源SA—分析光束SB—參比光束R—旋轉遮光片CACBCC—分析室CR—參比室TA—分析檢測室TR—參比檢測室Z—調零遮光片B—平衡遮光片F(xiàn)—平衡遮光片操縱支撐點M—伺服電極A1A2—放大器P—記錄筆7.2生物反響過程常用檢測方法及儀器〔3〕尾氣中氧氣含量的分析測量尾氣中氧氣的含量一般使用如圖7-9所示的順磁氧分析儀。順磁氧分析根據氧氣分子具有很強的順磁性，容易被磁場吸引，而其他氣體分子的順磁性弱，或者具有抗磁性的原理測量氣體中的氧含量。順磁氧含量分析儀里有兩個抗磁性玻璃球組成的啞鈴狀物體用石英線懸掛在一個恒定的磁場中，由于玻璃球的抗磁性，它受到磁場的排斥力發(fā)生扭轉，排斥力的大小取決于磁場強度和周圍氣體的磁效應。7.2生物反響過程常用檢測方法及儀器圖7-9啞鈴型順磁氧分析儀7.2生物反響過程常用檢測方法及儀器〔4〕尾氣中的其他氣體分析工業(yè)生產中一般使用工業(yè)質譜儀對發(fā)酵尾氣的多種成分進行在線檢測。常用的工業(yè)質譜儀有掃描質譜和非掃描質譜兩種，它們都由高真空取樣口、分子離子化裝置、高真空下的封閉磁場和檢測器四局部組成。圖7-10示意了一種非掃描質譜儀的結構原理，樣氣通過毛細管和分子漏進入離子化區(qū)，由發(fā)射燈絲發(fā)出的20eV電子束將進來的氣體分子離子化，離子化的分子在永久磁場的作用下加速進入扇形分析器，在分析器里，這些離子化分子按照質量/電荷的大小別離，進入一排環(huán)形法拉第捕集器并產生電信號。7.2生物反響過程常用檢測方法及儀器圖7-10非掃描多捕集器磁扇型工業(yè)質譜儀7.2生物反響過程常用檢測方法及儀器質譜儀雖然價格較貴，但卻具備以下優(yōu)點：a響應速度快，測量時間只有12秒，比紅外氣體分析儀快十倍；靈敏度強，可測二氧化碳的最低濃度為10-5升/升尾氣.b穩(wěn)定性好。一般正常情況下6個月無需調整。c可測多種氣體濃度。比方氮氣含量，氨氣含量等。返回7.3生物反響器的控制7.3.1生物反響過程主要參數的控制生物反響器檢測的目的是為了控制，而控制的目的是為了使生物反響處于最正確的反響條件下，反映在生產上就是以最少的消耗產生最優(yōu)、最多的合格產品。在實際運行過程中，生物反響器的主要控制參數包括溫度、pH值〔酸度〕、溶氧、泡沫、生物體〔菌體〕濃度、生物體〔菌體〕比生長速率、呼吸商。以下詳細介紹工業(yè)上對這些參數的控制。7.3生物反響器的控制〔1〕溫度的控制溫度是影響發(fā)酵過程的一個重要參數，不僅因為生物本身對溫度敏感，而且，生物生長和產物合成的所必需的酶在一定的溫度下才能發(fā)揮較高的活性。圖7-11小規(guī)模生物反響器的溫度控制如圖7-11所示，控制器使用溫度探頭感應反響器內的溫度，當溫度大于設定值時，將電加熱器關閉，通入的冷水很快使溫度降低。當溫度低于設定值時，控制儀翻開電加熱器，使溫度升高?？刂苾x使用開、關控制的方法，配合冷水將溫度控制在一定的范圍，溫度控制精度可小于+度。7.3生物反響器的控制圖7-11小規(guī)模生物反響器的溫度控制7.3生物反響器的控制在比較大的生物反響器中，使用內置換熱器，包括內置蛇管換熱器和空心隔板，或者夾套換熱器調節(jié)反響器內的溫度。如圖7-12所示，溫度控制儀使用鉑電阻探頭感知生物反響器內的溫度，與設定溫度比較后，調節(jié)外置水浴的冷水進口閥門和加熱裝置以改變水浴內的溫度，水浴內的換熱介質通過生物反響器的內置換熱器，或者夾套換熱器與培養(yǎng)液進行熱交換，從而維持反響器溫度在一定范圍。7.3生物反響器的控制圖7-12規(guī)模較大的生物反響器的溫度控制7.3生物反響器的控制〔2〕溶氧濃度的控制溶氧的濃度取決于氧氣進入培養(yǎng)液的速度和生物消耗氧氣的速度，如果前者大于后者，氧氣濃度增加，否那么降低，而在這兩者中，我們能夠控制的只有氧氣進入培養(yǎng)液的速度。氧氣進入培養(yǎng)液的速度取決于四個因素：攪拌速度、鼓入的空氣的速度、鼓入氣體中氧氣的含量和反響器內氧氣的分壓。增加氧氣的濃度和增加反響器內氧氣的分壓具有類似的效果，都能夠提高氧氣進入液相的推動力。圖7-13給出了兩種溶氧濃度控制方案示意圖。7.3生物反響器的控制圖7-13溶氧濃度控制方案示意圖7.3生物反響器的控制圖7-13中的A方案使用了三個閥門分別調節(jié)高濃度氧、氮氣、和空氣進入速度。在生物培養(yǎng)的開始和結尾階段，生物的耗氧量比較少，采取同時通入空氣和氮氣的方法，以稀釋空氣中氧的濃度。在生物高速生長階段，可以單獨通入空氣，或者空氣和高純度氧氣同時通入以增加氧氣的濃度。生物反響器內的溶氧濃度由溶氧電極傳到溶氧濃度信號放大和控制儀，然后由控制儀分別調節(jié)三個閥門的開度。在這個方案中，不調節(jié)攪拌速度，適用于動物和植物細胞等對攪拌剪切力比較敏感的生物培養(yǎng)。7.3生物反響器的控制圖7-13中的B方案適合微生物及其他對攪拌剪切力不太敏感的生物培養(yǎng)，是最為廣泛應用的溶氧濃度控制方案。這個方案采用攪拌優(yōu)先的控制方法，即，當溶氧濃度低于設定值時，先增加攪拌速度，如果攪拌速度增加到某個最大值后還達不到要求，再增加氣體通入速度。在實際操作中，溶氧濃度的控制有一定的難度，原因在于溶氧探頭在經過高溫消毒后其重現(xiàn)性和持續(xù)性都有所下降,再加上反響器內各處不均勻導致局部溶氧濃度過低而其他局部卻正常。7.3生物反響器的控制〔3〕pH的控制生物反響器中pH的控制依靠向反響器內滴加酸或堿溶液完成，如圖7-14，當pH探頭測得反響器內pH高于設定值時，pH放大控制儀向酸泵發(fā)出信號滴加酸溶液，否那么，向堿泵發(fā)出信號滴加堿溶液。pH控制儀使用比例，或者PI，或者PID方式調節(jié)酸堿參加的頻度、滴入持續(xù)時間來進行控制。在有些情況下，可將培養(yǎng)液的pH值控制在一定的范圍內，即允許培養(yǎng)液的pH值在一定的上下限內波動，pH值超過上限或低于下限時才參加酸或者堿溶液。7.3生物反響器的控制圖7-14生物方應器的pH值控制7.3生物反響器的控制〔4〕泡沫的控制過度、持久的穩(wěn)定性泡沫對生物培養(yǎng)過程造成一系列傷害：1、大量的泡沫充滿反響器內，降低了反響器可用操作容量。2、由于泡沫的飄浮作用，降低營養(yǎng)液層內生物體和營養(yǎng)物質的濃度，影響產率。3、附著在泡沫層上的生物體由于缺氧容易死亡自溶，釋放出的生物體蛋白將進一步促使泡沫的形成。4、泡沫層不容易被攪動，覆蓋在培養(yǎng)液的上方，造成局部生物生長和產物合成的損害。5、泡沫容易進入攪拌軸密封及反響器排氣管道增加染菌的時機。6、泡沫容易夾帶培養(yǎng)液從排氣管道溢出造成所謂“逃液〞現(xiàn)象，給生產帶來損失。因此必須對泡沫進行控制。7.3生物反響器的控制工業(yè)生產中一般使用以下方法控制泡沫：①化學消沫消沫劑是一種外表活性物質，具有較低的外表張力，能夠競爭性地取代泡沫中使泡沫保持穩(wěn)定的蛋白質類外表活性化合物，降低泡沫的局部外表張力，使其受力不均勻而破裂。工業(yè)上使用的化學消沫劑一般應滿足的要求是：1、在培養(yǎng)液中不溶解，但容易分散；2、對所培養(yǎng)的生物沒有毒性；3、對熱穩(wěn)定，主要指在高溫滅菌時不產生變化；4、不影響產物的生物合成；5、不對下游過程的提取造成困難；6、消泡能力強，持續(xù)時間長；7、無爆炸性、揮發(fā)性和腐蝕性。8、消沫本錢低。7.3生物反響器的控制使用消沫劑消沫時，生物反響器上的泡沫探頭首先檢測到泡沫的出現(xiàn)產生電信號，這個電信號立即開啟電磁閥使消沫劑自動參加將泡沫消滅在開始生成階段中。②機械消泡急劇變化的壓力、剪切力、壓縮力和沖擊力可以起到破碎泡沫的作用。最常用的機械消泡裝置是安裝在攪拌軸上的消沫碟片，旋轉葉片〔消沫碟片〕隨攪拌軸轉動，以沖擊力和剪切力將泡沫破碎。7.3生物反響器的控制〔5〕生物體濃度的控制在生物培養(yǎng)過程中，生物體是生產的核心，當然它們在培養(yǎng)液中的濃度不能太低，太低的濃度會造成生物產品的產量降低從而增加本錢，但是生物體的濃度也不能太高，否那么將因生物反響器傳氧能力的限制無法滿足生物體呼吸的需要，造成它們生長與代謝的抑制，從而降低生產能力。因此生物體濃度必須在培養(yǎng)過程中加以適當控制，以使生產能力最大，消耗最少。7.3生物反響器的控制7.3.2控制系統(tǒng)概述1、根本反響控制系統(tǒng)根本反響控制系統(tǒng)由控制器和控制對象兩個根本元素組成。圖7-15是一個溫度反響控制系統(tǒng)，溫度傳感器檢測到控制對象值為T并反響到控制器中，控制器將反響值T與設定值Ts進行比較得出一個偏差e,然后根據這個偏差輸出一個控制信號大小為P，自動閥門根據P的大小控制閥門的開度。測量值T如果高于設定值Ts，閥門開大，偏差越大，信號P越大，閥門的開度愈大。7.3生物反響器的控制圖7-15反響控制系統(tǒng)7.3生物反響器的控制在這種控制系統(tǒng)中，控制器將根據偏差e通過計算給出一個控制信號P，P計算方式一般有以下三種：①P=ke其中k為常數。圖7-15反響控制系統(tǒng)在以上公式中，輸出的控制信號的大小與偏差e成正比，因此，這種控制方式又稱為比例控制，或P控制方式。7.3生物反響器的控制

②在以上公式中，k為常數，Ti為積分時間。P不僅與e有關，而且與e對時間的積分有關，即P的值分為兩局部，第一局部為比例局部，第二局部