生物反应器的检测及控制

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 3. 溶解CO2浓度 5. 排气的氧分压 7. 培养基质浓度 9. 前体浓度 2. 溶氧浓度 4. 氧化还原电位 6. 排气的CO2分压 8. 产物浓度
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。
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
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。
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。
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。
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？
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
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
生物反应检测仪器的基本构成
l.传感器2.信号转换3.信号放大 4.输出显示
二、主要参数检测原理及仪器


杜绝杂菌污染。
无论是在线检测或取样分析，均应尽 可能不影响反应器系统的运行状态。 对于挥发性物质的检测，可采用微 孔管在线取样检测法。

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
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（On—line ）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（Off—line ）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。
溶氧电极
（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Βιβλιοθήκη Baidu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0～14，精度达 10.05～0.1PH，响应时间数秒至数十秒， 灵敏度为0.1PH。
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