生物反应器的检测和控制生物工程设备

生物工程设备生物工程设备第七章第七章生物反响器的检测和控制生物反响器的检测和控制 生物反响器的检测和控制生物反响器的检测和控制生物反响器的检测和控制生物反响器的检测和控制 7.1 7.1 概述概述 7.2 7.2 生物反响过程常用检测方法及仪器生物反响过程常用检测方法及仪器 7.3 7.3 生物反响器的控制生物反响器的控制 7.1 7.1 概述概述 根据目前人们对生物反响过程的理解，生物反响器的检测和控制对象主要包括三个局部的参数，即，生物反响进程中的物理条件，如温度、压力、搅拌速度等；生物反响器进程中的化学条件，如液相pH、氧气和二氧化碳的浓度等；生物反响器进程中的生化参数，如生物体量，生物体营养和代谢产物浓度等。表7-1 详细的列出了需要检测和控制的操作参数。7.1 7.1 概述概述 表7-1 需要检测和控制的各种参数 参数类别参数名称物理参数时间，温度，压力，搅拌速度，总质量（Total mass），总体积（Total volume）质量补料速率（Mass feed rate），体积补料速率（Volume feed rate），粘度光密度（Optical density）,功率输入、泡沫、剪切力、混合时间（Mixing time）氧传质速率，循环时间，持气量（Gas holdup）,气泡大小分布图（Bubble size distribution）搅拌溢出（Impeller flooding），营养液流变图（Broth rheology）气体混合模式（Gas mixing patterns）化学参数pH,溶氧浓度(Dissolved O2)，溶解二氧化碳浓度(Dissolved CO2)，气相氧气浓度气相二氧化碳浓度，呼吸商（respiratory quotient），耗氧速率（O2 Uptake rate）CO2生成速率（CO2 production rate）。生化参数细胞浓度，细胞存活率（Cell viability），细胞形态（Cell morphology）细胞成分（Cellular composition），蛋白质，DNA，RNA，脂质（lipid）糖，NAD/NADH，ATP/ADP/AMP，酶活力（Enzyme activities）整体细胞活力（Activities of whole cells），比生长速率（Specific growth rate）比产物形成速率（Specific rate of product formation）比耗氧速率（Specific oxygen uptake rate）比营养物质消耗速率（Specific substrate rate）溶解糖浓度，氮源浓度，矿物质浓度，前体浓度（Precursors），诱导物浓度（Inducers）代谢物浓度（Metabolites），易挥发物浓度（Volatile products）7.1 7.1 概述概述 在以上参数中，大局部物理和化学参数都能够使用一般的手段进行在线检测和控制。比方，检测温度、压力、搅拌转速、功率输入、质量等仪器都是工业上常用的标准化设备，在生物反响中只要稍加改造就能使用，检测氧气和二氧化碳在气液相中的浓度以及液相pH值和氧化复原电位也有成熟的方法。但是，进行生化参数的在线检测和控制却非常困难，因此，生化参数只能根据一些能够测量的物理和化学参数，依靠物料衡算的方法，从中推导计算出来。返回 7.2 7.2 生物反响过程常用检测方法及仪器生物反响过程常用检测方法及仪器 7.2.1 7.2.1 检测方法及仪器组成检测方法及仪器组成 生物反响过程参数检测方法一般是在线检测生物反响过程参数检测方法一般是在线检测On line measurementOn line measurement,即将能够感应检测参数变即将能够感应检测参数变化的传感器直接放到生物反响器中的测量点上，传化的传感器直接放到生物反响器中的测量点上，传感器将测量点的待测参数变化转化为电信号，经放感器将测量点的待测参数变化转化为电信号，经放大，送到显示系统和控制单元。离线检测方法，即大，送到显示系统和控制单元。离线检测方法，即先从反响器内取出物料，然后再用仪器分析和化学先从反响器内取出物料，然后再用仪器分析和化学分析的方法进行检测，不是本章的主要内容，因为分析的方法进行检测，不是本章的主要内容，因为离线检测容易引起染菌，出结果需要一定的时间。离线检测容易引起染菌，出结果需要一定的时间。7.2 7.2 生物反响过程常用检测方法及仪器生物反响过程常用检测方法及仪器 1、传感器 传感器的功能是感应生物反响过程的各种物理和化学变化，并将这些变化转化为电信号，供放大、显示、记录以及送到反响器的控制单元。能够在生物反响器上有效使用的传感器应满足以下条件：1反响灵敏快速。传感器是否灵敏对生物反响过程的检测和控制非常重要。如果传感器的反响滞后于生物反响器内部的变化就意味着传感器得到的数值与实际情况有一个时间差，这个时间差对生物传感器的控制将造成很大困难，甚至控制错误。7.2 7.2 生物反响过程常用检测方法及仪器生物反响过程常用检测方法及仪器 2传感器结构应简单整洁，不能有清洗死角以免带菌产生污染。一般的生物反响器都要求无菌操作，一旦污染杂菌将给生产造成非常大的损失。因此，应尽量切断任何可能的染菌渠道。在生物反响器上的传感器常使用O型密封圈进行密封，并使用蒸汽进行反复消毒。3传感器应当有很高的可靠性和长时间的稳定性。生产过程中不允许中途更换或者是重新标定传感器。为了保险，反响器中常常按装两个传感器以防止由于一个传感器的失效对生产造成灾难性后果。7.2 7.2 生物反响过程常用检测方法及仪器生物反响过程常用检测方法及仪器 4传感器应当能够耐受消毒蒸汽的温度和压力。生物反响器在使用蒸汽消毒时一般温度在130多度以上，压力也在1.5个大气压左右，很多传感器因为无法在消毒过程中耐受这么高的温度和压力而不能在生物反响器上使用。5传感器对所测参数的感应选择性要非常高。这是由于传感器直接插到培养液中，培养液的成分很复杂，加上里面既有气体也有固体，形成三相并存的复杂体系，而在传感器外表上的结垢和细胞碎片的沉积更增加了体系的复杂性。7.2 7.2 生物反响过程常用检测方法及仪器生物反响过程常用检测方法及仪器 2、传感器性能指标1准确度Accuracy 准确度是指真实数据和测量数据之间的差异。由于很难获得绝对意义上的真实数据，因此也就很难获得绝对的准确度。准确度上下依赖于精确的标定过程和一些外部条件，如，传感器在反响器内的放置位置等。当传感器从一个反响器移到另一个反响器，或者反响器内情况发生改变，或者传感器改变了放置位置，都需要重新标定，否那么将产生测量误差。7.2 7.2 生物反响过程常用检测方法及仪器生物反响过程常用检测方法及仪器 2精确度precision 精确度和对同一个参数在同样条件下测量值的重复性有关，能够重复的数据越多，精确度越高。在实际测量中，测量值分布在一个平均值周围，测量的精确度可以用测量值的标准差表示Standard deviation。3分辨率resolution 分辨率指传感器区分非常相近的参数变化值的能力。传感器灵敏度越高，分辨率越高。传感器输出的信号比和零点漂移也影响分辨率。将传感器放在生物反响器上的适当位置并加以屏蔽可以改善传感器的分辨率。7.2 7.2 生物反响过程常用检测方法及仪器生物反响过程常用检测方法及仪器 4响应时间 响应时间代表了传感器对测量参数变化响应的快慢，可以简单地用时间常数表示。时间常数是以下方程中7-1的常数：y=y01-e-t/(7-1)这个方程表示了当传感器从被测参数为0的系统中快速转移到被测参数为y0的体系，测量显示值y和时间t 的变化关系。其中的就是时间常数。显然，时间常数越大，传感器的响应越慢，反之越快。7.2 7.2 生物反响过程常用检测方法及仪器生物反响过程常用检测方法及仪器 7.2.2 7.2.2 主要参数的检测原理及仪器主要参数的检测原理及仪器1 1、温度检测、温度检测 所有的生物过程都需要一个较适宜的温度条件，所有的生物过程都需要一个较适宜的温度条件，而且温度范围比较窄，一般在而且温度范围比较窄，一般在30303636摄氏度，更严摄氏度，更严格要求控制误差为格要求控制误差为+0.5+0.5 度，因此，需要对反响器度，因此，需要对反响器的温度进行不停的检测。一般生物反响器都装有各的温度进行不停的检测。一般生物反响器都装有各种温度检测装置，有些还设有多个温度检测点，使种温度检测装置，有些还设有多个温度检测点，使用多种方法进行检测。检测温度的方法很多，包括用多种方法进行检测。检测温度的方法很多，包括玻璃温度计，热电偶，半导体热敏电阻温度计，电玻璃温度计，热电偶，半导体热敏电阻温度计，电阻温度计。阻温度计。7.2 7.2 生物反响过程常用检测方法及仪器生物反响过程常用检测方法及仪器 2、溶解氧浓度的检测 生物培养液中溶解氧浓度是另一个重要的培养参数，直接影响细胞的生长和产物的生成，原因在于生物培养一般使用水基培养液，由于氧气在水中溶解度很小，如果不及时提供的话，培养液中的氧很快被消耗殆尽厌氧培养除外，造成生物停止生长甚至死亡。因此，溶解氧浓度的及时检测就变得相当重要。7.2 7.2 生物反响过程常用检测方法及仪器生物反响过程常用检测方法及仪器 溶解氧的检测一般使用电化学电极检测方法。工业上使用的溶解氧检测电极有两种，一种是电流电极Galvanic detector,另一种是极谱电极Polarographic detector,他们具有根本相同的结构，区别在于测量原理及电解液和电极组成不同，他们的结构如图7-1所示。由图可见，两种电极都是由阴极、阳极组成，在阴极和阳极之间有绝缘介质相隔，阴极和阳极都与电解液相接。在电极的头部有一层非常薄的薄膜将电解液与环境隔开，这层薄膜非常特殊，我们把它称为透氧膜。7.2 7.2 生物反响过程常用检测方法及仪器生物反响过程常用检测方法及仪器 图7-1 生物培养液测氧电极结构示意图 7.2 7.2 生物反响过程常用检测方法及仪器生物反响过程常用检测方法及仪器 在电流电极中，测量时，溶解在生物培养液中的氧穿过透氧膜进入电极，经过电解液薄层到达阳极，氧气在阳极获得电子生成氢氧根离子，同时在阴阳极间产生可以测量的电流或电压。这个电流或电压的大小与到达阳极进行反响的氧气分子的数量成正比。这样，被测培养液中溶解氧的浓度越高，穿过透氧膜和电解液到达阳极的氧分子越多，产生的电流或电压越大，从而建立了传感器产生的电流与培养液中溶解氧浓度的关系，到达测量目的。7.2 7.2 生物反响过程常用检测方法及仪器生物反响过程常用检测方法及仪器 测量时在阳极液阴极发生的反响如下：阳极反响 O2+2H20+4e4OH-阴极反响 PbPb+2e总反响 O2+2Pb+2H20 2Pb(OH)2 由上面反响可见，阴极上的铅逐渐被氧化消耗掉，因此这种电极有一定的使用寿命，其长短由阴极外表上的铅量决定。7.2 7.2 生物反响过程常用检测方法及仪器生物反响过程常用检测方法及仪器 极谱电极的测氧原理与电流电极有区别，其阳极由金或者铂，阴极由银/氯化银组成，电解液一般是由KCl、AgCl 和一些高分子化合物组成，高分子化合物的作用是防止在蒸汽消毒时引起电解液损失。极谱电极在测量时需要在其正负极之间加上一个反向偏移电压negative bias voltage,当氧气到达阴极时得到电子，产生电信号。在阴阳极的反响如下：阳极反响 O2+2H2O+2e H2 O2+2OH-H2 O2+2e2OH-阴极反响 Ag+Cl-AgCl+e总反响 4Ag+O2+2H2O+4Cl-4AgCl+4OH-7.2 7.2 生物反响过程常用检测方法及仪器生物反响过程常用检测方法及仪器 从以上反响可以看到，在使用过程中，阴极上的Ag将被逐渐消耗掉，因此这种电极的寿命取决于阴极外表Ag的多少。不管是极谱电极或者是电流电极，在测量以前都必须进行标定。用于标定的氧浓度有两个，零和饱和氧浓度，前者通过反响开始前通过进行氮气置换时建立，由于这时反响罐内充满氮气，培养液中氧气浓度可以认为是零，后者通过长时间向生物培养液中通入空气确定，由于此时溶解氧不被消耗，时间长了液体内的氧气可以认为到达饱和。7.2 7.2 生物反响过程常用检测方法及仪器生物反响过程常用检测方法及仪器 图7-2是某种商业溶解氧浓度电极外观图和安装在生物反响器上进行测量时的情况。图7-2 某种商业溶氧测量电极外观和使用时的情况 7.2 7.2 生物反响过程常用检测方法及仪器生物反响过程常用检测方法及仪器 3、pH值的测量 生物在反响器中生长时要消耗培养液的营养成分，代谢一些酸或碱类的物质，使培养液的pH值发生改变。这时，如果不及时调节培养液的pH值，生物的生长环境就会因此恶化，使生物停止生长，严重的还可能导致生物死亡。因此，及时检测培养液中的pH值对生物培养过程至关重要。7.2 7.2 生物反响过程常用检测方法及仪器生物反响过程常用检测方法及仪器 玻璃氢电极是生物反响器上使用的标准pH值检测装备，它的结构原理如图7-3所示。由图可以看出，玻璃电极由两局部组成，一局部由一个玻璃球连接一个柱状玻璃管组成的容器，里面装满了缓冲溶液，另一局部在玻璃球的上方围绕柱状玻璃管形成的另一个环状空间，里面充满了电解液，环状空间底部靠近玻璃球的地方有一个隔膜小窗口，隔膜的作用是既将电解液与外部隔开又允许电解液与外部环境进行离子交换以保持内外联系，实际上电解液可以透过隔膜渗出而外部液体无法进入。7.2 7.2 生物反响过程常用检测方法及仪器生物反响过程常用检测方法及仪器 玻璃氢电极能够测量pH值的关键在于玻璃球的底部一层非常薄的特殊玻璃膜，厚度在0.20.5毫米之间。这层玻璃膜与水溶液接触时能够与水作用在其外表上形成厚达505000的水化凝胶层，在这层凝胶层里存在可以活动的氢离子。在玻璃膜的内部，也存在同样的一层凝胶层，但由于缓冲溶液的存在，该凝胶层氢离子的浓度根本保持不变。这样玻璃膜外面氢离子浓度发生改变时，玻璃膜内外电位差就发生改变。7.2 7.2 生物反响过程常用检测方法及仪器生物反响过程常用检测方法及仪器 图7-3 玻璃电极结构原理示意图 7.2 7.2 生物反响过程常用检测方法及仪器生物反响过程常用检测方法及仪器 图7-4是商业上使用的pH电极的外观和各局部组成。这种电极将测量极和参比极做到一起，又称复合pH电极。安装在生物反响器上的复合pH电极都带有不锈钢保护套，以免培养液内固体伤害电极头部。像溶氧电极一样，pH电极也需要进行原位标定，在蒸汽灭菌前进行。玻璃pH电极在使用前先要浸泡在水溶液中一段时间使玻璃膜充分润湿，保存时要将探头浸泡在和参比电解质相同的缓冲溶液中以免玻璃膜过于枯燥影响日后使用。7.2 7.2 生物反响过程常用检测方法及仪器生物反响过程常用检测方法及仪器 图 7-4 工业上使用的pH玻璃电极的外型和结构 7.2 7.2 生物反响过程常用检测方法及仪器生物反响过程常用检测方法及仪器 4、氧化复原电位Redox potential测定生物在培养液中生长过程中，伴随着很多物质的氧化复原反响，有些物质被氧化得到电子，有些被复原失去电子，形成如下的平衡：物质的复原形态 物质的氧化形态+电子 培养液的氧化复原电位可以认为是对培养液中电子活性的一种度量。培养液氧化复原电位可定义为一个电压值，当这个电压施加在培养液里的阳极和阴极时，在阴极上开始发生氧化反响，在阳极上开始发生复原反响。7.2 7.2 生物反响过程常用检测方法及仪器生物反响过程常用检测方法及仪器 培养液氧化复原电位的测定也是使用复合电极进行，结构和原理与溶氧电极类似，不同的是氧化复原电极的探头顶端没有透氧膜，作为阳极的铂直接暴露在培养液中，任何物质都可能在阳极上失去电子被氧化。氧化复原电极也需要在使用前进行标定，标定方法与pH电极的标定方法类似，使用氧化复原电位的缓冲溶液。氧化复原电极的标定值很稳定，但是，响应较慢，需要等待相对较长的一段时间才能读数。7.2 7.2 生物反响过程常用检测方法及仪器生物反响过程常用检测方法及仪器 5、泡沫的检测 在大多数的生物培养过程中需要不断地向培养液通入气体，由于培养液中含有蛋白质和生物体等物质，如果条件控制不好，非常容易在培养液外表产生大量泡沫。这些泡沫一旦出现常常急速膨胀，在很短的时间内充满整个反响器并堵塞出气口，浸湿出气过滤纸，并有可能造成染菌，使生物培养过程无法进行下去。此外，大量泡沫溢出也造成培养液的损失。因此，当泡沫刚一出现时就及时采取措施消除泡沫对生物培养过程的正常顺利完成至关重要。7.2 7.2 生物反响过程常用检测方法及仪器生物反响过程常用检测方法及仪器 检测泡沫的装置主要有四种，分述如下：1电容探头 电容探头由两个电极组成，分别安装在反响器内液面上方有可能出现泡沫的空间的两端，在这两个电极上加上一个适当的交流电压。当泡沫出现时，两个电极之间的局部空间被泡沫占据，从而改变两个电极之间的电容，引起通过该电容的交流电流产生变化，将气泡的出现转变成电信号，到达检测气泡的目的。7.2 7.2 生物反响过程常用检测方法及仪器生物反响过程常用检测方法及仪器 2电阻探头 电阻探头其实就是一根导线，这根导线的其他局部都由绝缘材料包裹，只剩头部裸露。它安装在反响器内可能出现泡沫的地方，并施加一定的电压。当泡沫产生是，泡沫浸没导线的头部形成回路产生电流，泡沫消失时回路断开，电流消失。这种探头的缺点是只能检测泡沫的生成和消失，无法测定泡沫生成速度以及泡沫量。这种检测方法需要有一定的电流通过泡沫，可能对有些生物培养不利。7.2 7.2 生物反响过程常用检测方法及仪器生物反响过程常用检测方法及仪器 3电热探头 电热探头是一个有恒定电流流过的电热元件，当有泡沫接触它时，其温度会突然降低，从而感知是否有泡沫产生。电热探头也存在结垢和培养液外溅引起误判问题。4泡沫检测转盘 这是安装在一些生物反响器内泡沫可能出现地方的一个转盘装置，正常情况下转盘不停地转动，当有泡沫出现时，转盘转动的阻力加大，转速减小或者耗能增加，从而检测到泡沫存在。转盘在起检测作用的同时，也可以起消除泡沫的作用。7.2 7.2 生物反响过程常用检测方法及仪器生物反响过程常用检测方法及仪器 5超声探头 超声探头有一个超声波发射端和一个接受端，分别安装在反响器内泡沫可能出现的空间两端相对位置。使用时，发射端不断发出频率在2540Hz的超声波，在没有泡沫的情况下，大局部超声波被接受端接受。当有泡沫出现时，由于泡沫能够吸收2540Hz的超声波，抵达接收端的超声波相应减少，从而能够检测泡沫的出现。7.2 7.2 生物反响过程常用检测方法及仪器生物反响过程常用检测方法及仪器 6、溶解二氧化碳的检测 二氧化碳是生物在培养过程中的代谢产物之一，它在培养液中的浓度是生产中操作者关心的重要指标之一。工业上测量二氧化碳在培养液中的浓度一般使用二氧化碳测量电极，它的结构如图7-5所示。溶解二氧化碳测量电极的核心是一个pH电极，它的头部浸泡在一个充满碳酸盐水溶液的电解液室内，电解液室与外界由一个气体通透膜Gas-permeable membrane隔开。7.2 7.2 生物反响过程常用检测方法及仪器生物反响过程常用检测方法及仪器 图 7-5 二氧化碳电极结构 1液体移出注射器 2耐高温电缆 3电缆固定螺母 4内部pH探头移动螺母 5密封柱 6液体导管 7固定座 8外套管 9pH探头连接柱 10pH探头 11标定时缓冲溶液电解液室 12电解液室 13探头保护套 14气体通透膜Gas permeable membrane 15硅脂膜 7.2 7.2 生物反响过程常用检测方法及仪器生物反响过程常用检测方法及仪器 显然，在这种电极中，气体通透膜起着关键作用，因此需要对其进行保护。商业上出售的电极一般用一层硅脂膜silicone membrane罩在气体通透膜的外面以加强对该膜的保护。这种电极也可以进行原位标定。图7-5右侧是二氧化碳电极标定时的情况。在进行原位标定时，将pH电极稍微抽出一点，使电极探头与气体通透膜离开一定的距离，然后将使用注射器1将电解液抽走，2将具有一定pH值的缓冲溶液注入电解液室以代替抽走的电解液，然后进行标定。7.2 7.2 生物反响过程常用检测方法及仪器生物反响过程常用检测方法及仪器 7、培养液尾气分析 在生物培养过程中，由于生物的碳源代谢造成氧的消耗和二氧化碳的生成，使尾气中氧的含量下降，二氧化碳的含量上升。这两种气体在培养尾气中含量的在线分析可以为掌握生物的代谢活动提供重要信息。此外，由于生物培养中很多生化指标不能在线检测，尾气分析为间接计估计这些参数提供数据。工业上进行分析的参数一般有尾气总流量、尾气中二氧化碳的含量，尾气中的氧含量。7.2 7.2 生物反响过程常用检测方法及仪器生物反响过程常用检测方法及仪器 1尾气总流量检测 工业上常用转子流量计测量尾气的总流量，转子流量计结构原理如图7-6所示。在一定的流量下转子在测量管中的悬浮高度不同，读出相应的刻度即可得到流量值。转子流量计结构简单、测量可靠，因此广泛应用于工业生产中。但是，转子流量计的读数值随压力和尾气中的水汽含量而变，而一般从生物反响器中出来的气体的压力和水汽含量都有一定的波动，因此，在转子流量计的后面安装一个稳压阀，在前面安装一个冷凝器将湿气冷凝下来以消除以上影响。7.2 7.2 生物反响过程常用检测方法及仪器生物反响过程常用检测方法及仪器 图7-6 转子流量计 7.2 7.2 生物反响过程常用检测方法及仪器生物反响过程常用检测方法及仪器 实验室一般采用质量流量计对尾气流量进行精确的测量。质量流量计的结构原理如图7-7所示，在气体的流通方向上缠绕三个线圈，中间的线圈以恒定的功率加热，两边的线圈分别测量温度。显然，流过管道的流量不同，从上游线圈到下游线圈之间的温度差不同，当流量改变时这个温度差也随之改变，因此可以用来测量流过的质量流量。7.2 7.2 生物反响过程常用检测方法及仪器生物反响过程常用检测方法及仪器 图7-7质量流量计 7.2 7.2 生物反响过程常用检测方法及仪器生物反响过程常用检测方法及仪器 2尾气中二氧化碳含量的测定图7-8是一种常用的非色散红外二氧化碳分析仪。图中，两条相同的入射红外光束分别通过气样室和参比室。在气养室内，由于二氧化碳吸收红外线发生衰减，通过与参比室的红外线比较得出衰减程度，从而确定气样室中的二氧化碳含量。这种红外分析仪由于所用入射红外光的谱带较宽而落入其他成分特别是水的吸收区，因此需要对气流预先进行除湿处理，这延长了响应时间。7.2 7.2 生物反响过程常用检测方法及仪器生物反响过程常用检测方法及仪器 图7-8 非色散红外气体分析仪A光源 SA分析光束 SB参比光束 R旋转遮光片 CA CB CC分析室 CR参比室 TA分析检测室 TR参比检测室 Z调零遮光片 B平衡遮光片 F平衡遮光片操纵支撑点 M伺服电极 A1 A2放大器 P记录笔 7.2 7.2 生物反响过程常用检测方法及仪器生物反响过程常用检测方法及仪器 3 尾气中氧气含量的分析 测量尾气中氧气的含量一般使用如图7-9所示的顺磁氧分析仪。顺磁氧分析根据氧气分子具有很强的顺磁性，容易被磁场吸引，而其他气体分子的顺磁性弱，或者具有抗磁性的原理测量气体中的氧含量。顺磁氧含量分析仪里有两个抗磁性玻璃球组成的哑铃状物体用石英线悬挂在一个恒定的磁场中，由于玻璃球的抗磁性，它受到磁场的排斥力发生扭转，排斥力的大小取决于磁场强度和周围气体的磁效应。7.2 7.2 生物反响过程常用检测方法及仪器生物反响过程常用检测方法及仪器 图7-9 哑铃型顺磁氧分析仪 7.2 7.2 生物反响过程常用检测方法及仪器生物反响过程常用检测方法及仪器 4 尾气中的其他气体分析 工业生产中一般使用工业质谱仪对发酵尾气的多种成分进行在线检测。常用的工业质谱仪有扫描质谱和非扫描质谱两种，它们都由高真空取样口、分子离子化装置、高真空下的封闭磁场和检测器四局部组成。图7-10示意了一种非扫描质谱仪的结构原理，样气通过毛细管和分子漏进入离子化区，由发射灯丝发出的20eV电子束将进来的气体分子离子化，离子化的分子在永久磁场的作用下加速进入扇形分析器，在分析器里，这些离子化分子按照质量/电荷的大小别离，进入一排环形法拉第捕集器并产生电信号。7.2 7.2 生物反响过程常用检测方法及仪器生物反响过程常用检测方法及仪器 图7-10 非扫描多捕集器磁扇型工业质谱仪 7.2 7.2 生物反响过程常用检测方法及仪器生物反响过程常用检测方法及仪器 质谱仪虽然价格较贵，但却具备以下优点：a 响应速度快，测量时间只有12秒，比红外气体分析仪快十倍；灵敏度强，可测二氧化碳的最低浓度为10-5升/升尾气.b稳定性好。一般正常情况下6个月无需调整。c可测多种气体浓度。比方氮气含量，氨气含量等。返回 7.3 7.3 生物反响器的控制生物反响器的控制 7.3.1 7.3.1 生物反响过程主要参数的控制生物反响过程主要参数的控制 生物反响器检测的目的是为了控制，而控制的生物反响器检测的目的是为了控制，而控制的目的是为了使生物反响处于最正确的反响条件下，目的是为了使生物反响处于最正确的反响条件下，反映在生产上就是以最少的消耗产生最优、最多的反映在生产上就是以最少的消耗产生最优、最多的合格产品。在实际运行过程中，生物反响器的主要合格产品。在实际运行过程中，生物反响器的主要控制参数包括温度、控制参数包括温度、pHpH值酸度、溶氧、泡沫、值酸度、溶氧、泡沫、生物体菌体浓度、生物体菌体比生长速率、生物体菌体浓度、生物体菌体比生长速率、呼吸商。以下详细介绍工业上对这些参数的控制。呼吸商。以下详细介绍工业上对这些参数的控制。7.3 7.3 生物反响器的控制生物反响器的控制 1温度的控制 温度是影响发酵过程的一个重要参数，不仅因为生物本身对温度敏感，而且，生物生长和产物合成的所必需的酶在一定的温度下才能发挥较高的活性。图7-11小规模生物反响器的温度控制如图7-11 所示，控制器使用温度探头感应反响器内的温度，当温度大于设定值时，将电加热器关闭，通入的冷水很快使温度降低。当温度低于设定值时，控制仪翻开电加热器，使温度升高。控制仪使用开、关控制的方法，配合冷水将温度控制在一定的范围，温度控制精度可小于+0.5度。7.3 7.3 生物反响器的控制生物反响器的控制 图7-11小规模生物反响器的温度控制 7.3 7.3 生物反响器的控制生物反响器的控制 在比较大的生物反响器中，使用内置换热器，包括内置蛇管换热器和空心隔板，或者夹套换热器调节反响器内的温度。如图 7-12 所示，温度控制仪使用铂电阻探头感知生物反响器内的温度，与设定温度比较后，调节外置水浴的冷水进口阀门和加热装置以改变水浴内的温度，水浴内的换热介质通过生物反响器的内置换热器，或者夹套换热器与培养液进行热交换，从而维持反响器温度在一定范围。7.3 7.3 生物反响器的控制生物反响器的控制 图7-12 规模较大的生物反响器的温度控制 7.3 7.3 生物反响器的控制生物反响器的控制 2溶氧浓度的控制溶氧的浓度取决于氧气进入培养液的速度和生物消耗氧气的速度，如果前者大于后者，氧气浓度增加，否那么降低，而在这两者中，我们能够控制的只有氧气进入培养液的速度。氧气进入培养液的速度取决于四个因素：搅拌速度、鼓入的空气的速度、鼓入气体中氧气的含量和反响器内氧气的分压。增加氧气的浓度和增加反响器内氧气的分压具有类似的效果，都能够提高氧气进入液相的推动力。图7-13 给出了两种溶氧浓度控制方案示意图。7.3 7.3 生物反响器的控制生物反响器的控制 图7-13 溶氧浓度控制方案示意图 7.3 7.3 生物反响器的控制生物反响器的控制 图7-13中的A方案使用了三个阀门分别调节高浓度氧、氮气、和空气进入速度。在生物培养的开始和结尾阶段，生物的耗氧量比较少，采取同时通入空气和氮气的方法，以稀释空气中氧的浓度。在生物高速生长阶段，可以单独通入空气，或者空气和高纯度氧气同时通入以增加氧气的浓度。生物反响器内的溶氧浓度由溶氧电极传到溶氧浓度信号放大和控制仪，然后由控制仪分别调节三个阀门的开度。在这个方案中，不调节搅拌速度，适用于动物和植物细胞等对搅拌剪切力比较敏感的生物培养。7.3 7.3 生物反响器的控制生物反响器的控制 图7-13中的B方案适合微生物及其他对搅拌剪切力不太敏感的生物培养，是最为广泛应用的溶氧浓度控制方案。这个方案采用搅拌优先的控制方法，即，当溶氧浓度低于设定值时，先增加搅拌速度，如果搅拌速度增加到某个最大值后还达不到要求，再增加气体通入速度。在实际操作中，溶氧浓度的控制有一定的难度，原因在于溶氧探头在经过高温消毒后其重现性和持续性都有所下降,再加上反响器内各处不均匀导致局部溶氧浓度过低而其他局部却正常。7.3 7.3 生物反响器的控制生物反响器的控制 3pH的控制生物反响器中pH的控制依靠向反响器内滴加酸或碱溶液完成，如图 7-14，当pH探头测得反响器内pH高于设定值时，pH放大控制仪向酸泵发出信号滴加酸溶液，否那么，向碱泵发出信号滴加碱溶液。pH控制仪使用比例，或者PI，或者PID方式调节酸碱参加的频度、滴入持续时间来进行控制。在有些情况下，可将培养液的pH值控制在一定的范围内，即允许培养液的pH值在一定的上下限内波动，pH值超过上限或低于下限时才参加酸或者碱溶液。7.3 7.3 生物反响器的控制生物反响器的控制 图7-14 生物方应器的pH值控制 7.3 7.3 生物反响器的控制生物反响器的控制 4泡沫的控制过度、持久的稳定性泡沫对生物培养过程造成一系列伤害：1、大量的泡沫充满反响器内，降低了反响器可用操作容量。2、由于泡沫的飘浮作用，降低营养液层内生物体和营养物质的浓度，影响产率。3、附着在泡沫层上的生物体由于缺氧容易死亡自溶，释放出的生物体蛋白将进一步促使泡沫的形成。4、泡沫层不容易被搅动，覆盖在培养液的上方，造成局部生物生长和产物合成的损害。5、泡沫容易进入搅拌轴密封及反响器排气管道增加染菌的时机。6、泡沫容易夹带培养液从排气管道溢出造成所谓“逃液现象，给生产带来损失。因此必须对泡沫进行控制。7.3 7.3 生物反响器的控制生物反响器的控制 工业生产中一般使用以下方法控制泡沫：化学消沫消沫剂是一种外表活性物质，具有较低的外表张力，能够竞争性地取代泡沫中使泡沫保持稳定的蛋白质类外表活性化合物，降低泡沫的局部外表张力，使其受力不均匀而破裂。工业上使用的化学消沫剂一般应满足的要求是：1、在培养液中不溶解，但容易分散；2、对所培养的生物没有毒性；3、对热稳定，主要指在高温灭菌时不产生变化；4、不影响产物的生物合成；5、不对下游过程的提取造成困难；6、消泡能力强，持续时间长；7、无爆炸性、挥发性和腐蚀性。8、消沫本钱低。7.3 7.3 生物反响器的控制生物反响器的控制 使用消沫剂消沫时，生物反响器上的泡沫探头首先检测到泡沫的出现产生电信号，这个电信号立即开启电磁阀使消沫剂自动参加将泡沫消灭在开始生成阶段中。机械消泡 急剧变化的压力、剪切力、压缩力和冲击力可以起到破碎泡沫的作用。最常用的机械消泡装置是安装在搅拌轴上的消沫碟片，旋转叶片消沫碟片随搅拌轴转动，以冲击力和剪切力将泡沫破碎。7.3 7.3 生物反响器的控制生物反响器的控制 5生物体浓度的控制 在生物培养过程中，生物体是生产的核心，当然它们在培养液中的浓度不能太低，太低的浓度会造成生物产品的产量降低从而增加本钱，但是生物体的浓度也不能太高，否那么将因生物反响器传氧能力的限制无法满足生物体呼吸的需要，造成它们生长与代谢的抑制，从而降低生产能力。因此生物体浓度必须在培养过程中加以适当控制，以使生产能力最大，消耗最少。7.3 7.3 生物反响器的控制生物反响器的控制 7.3.2 7.3.2 控制系统概述控制系统概述1 1、根本反响控制系统、根本反响控制系统 根本反响控制系统由控制器和控制对象两个根本根本反响控制系统由控制器和控制对象两个根本元素组成。图元素组成。图7-157-15是一个温度反响控制系统，温度传是一个温度反响控制系统，温度传感器检测到控制对象值为感器检测到控制对象值为T T并反响到控制器中，并反响到控制器中，控制控制器将反响值器将反响值T T与设定值与设定值TsTs进行比较得出一个偏差进行比较得出一个偏差e,e,然然后根据这个偏差输出一个控制信号大小为后根据这个偏差输出一个控制信号大小为P P，自动阀，自动阀门根据门根据P P的大小控制阀门的开度。测量值的大小控制阀门的开度。测量值T T如果高于设如果高于设定值定值TsTs，阀门开大，偏差越大，信号，阀门开大，偏差越大，信号P P越大，阀门的越大，阀门的开度愈大。开度愈大。7.3 7.3 生物反响器的控制生物反响器的控制 图7-15 反响控制系统 7.3 7.3 生物反响器的控制生物反响器的控制 在这种控制系统中，控制器将根据偏差e通过计算给出一个控制信号P，P计算方式一般有以下三种：P=ke 其中k为常数。图7-15 反响控制系统 在以上公式中，输出的控制信号的大小与偏差e成正比，因此，这种控制方式又称为比例控制，或P控制方式。7.3 7.3 生物反响器的控制生物反响器的控制 在以上公式中，k 为常数，Ti为积分时间。P不仅与e有关，而且与e对时间的积分有关，即P的值分为两局部，第一局部为比例局部，第二局部为积分局部，因此这种控制方式又称为比例积分控制，也常称为PI控制。7.3 7.3 生物反响器的控制生物反响器的控制 在以上公式中，Td为微分时间，P的值除包含比例和积分局部外，还与e对时间的导数有关，这局部即微分局部。因此,这种控制方式称为比例积分微分控制，常称PID控制。这三种控制方式的控制效果可以从图7-16进行比较。由图可见PID控制最有效。7.3 7.3 生物反响器的控制生物反响器的控制 2、时间-比例控制系统 PID反响控制系统输出一个连续变化的控制信号，需要有一个能够连续调节的控制执行机构，比方气动阀门等，这对一些较小的反响器，或者较简单的控制场合显然不太适用。比方在图7-16中，如果温度低于设定值，就关闭冷却水阀门，否那么翻开冷却水阀门，温度可能无法控制。但是，如果将PID控制方法输出的连续信号转化为一系列的开、关指令，转化的原那么是PID输出信号P越大，开指令持续的时间越长，否那么越短，这种控制方式就是时间-比例控制。7.3 7.3 生物反响器的控制生物反响器的控制 图7-16 三种控制方式效果 7.3 7.3 生物反响器的控制生物反响器的控制 3、计算机控制系统 如果使用计算机代替控制系统的控制器，检测探头将检测到的信号输入计算机，计算机根据一些初始设定，通过比较得出偏差值e，然后计算出输出信号P的大小，送到执行机构进行控制操作，这样的控制系统就是计算机控制系统。实现计算机控制系统至少需要具备两个条件。首先，计算机只能识别数字信号，而检测探头输出的是模拟信号，因此，必须将模拟信号转变为数字信号才能够输入到计算机，这个过程由模拟/数字转换器完成，即A/D转化器。7.3 7.3 生物反响器的控制生物反响器的控制 有了A/D或者D/A转换器，计算机完全可以替代以上控制回路的控制器。不仅如此，由于计算机强大的算数和逻辑运算能力，计算机可同时采集多个控制点的测量值，根据非常复杂的数学模型进行运算，向多个执行机构输出控制信号或者指令，实现多回路控制。此外，由于计算机可以持有系统全部控制点的测量值，能够进行多个控制点数据之间的比较，并根据情况自动修改系统的设定值，实现优化控制。计算机也可以储存历史数据，供日后研究和调用。7.3 7.3 生物反响器的控制生物反响器的控制 总之，由于计算机强大的功能，计算机可以组成各种类型的控制系统，主要有以下几种：1操作指导系统 计算机不直接参与生产过程的控制，仅用来巡回检测、数据记录、加工处理、列表和图形输出，作为分析和控制的依据。2直接数控系统DDC 计算机将巡回检测结果与设定值比较，然后按照事先确定的控制算法进行运算，根据运算结果直接指令执行机构对生产过程实施控制。7.3 7.3 生物反响器的控制生物反响器的控制 3监督控制系统(SCC)计算机根据描述生产过程的数学模型或其他方式，自动改变系统的设定值，再实施直接数字控制。DDC系统和SCC系统的区别在于前者的设定值是预先给定的，不能随过程状态的变化进行更改，而后者的设定值是计算机根据模型计算得出，能根据对过程的检测结果及时、自动地予以修正。显然，对于分批生物培养过程来说，后者更为适用。图7-17 是用于微生物发酵过程的某个计算机控制系统示意图 7.3 7.3 生物反响器的控制生物反响器的控制 图 7-17 用于微生物发酵过程的某个计算机控制系统示意图