生物反应器的检测和控制生物工程设备

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1、生物工程设备第七章生物反应器的检测和控制生物反应器的检测和控制7.1概述7.2生物反应过程常用检测方法及仪器7.3生物反应器的控制7.1概述根据目前人们对生物反应过程的理解，生物反应器的检测和控制对象主要包括三个部分的参数，即，生物反应进程中的物理条件，如温度、压力、搅拌速度等；生物反应器进程中的化学条件，如液相pH、氧气和二氧化碳的浓度等；生物反应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（Totalmass），总体积（To

2、talvolume）质量补料速率（Massfeedrate），体积补料速率（Volumefeedrate），粘度光密度（Opticaldensity）,功率输入、泡沫、剪切力、混合时间（Mixingtime）氧传质速率，循环时间，持气量（Gasholdup）,气泡大小分布图（Bubblesizedistribution）搅拌溢出（Impellerflooding），营养液流变图（Brothrheology）气体混合模式（Gasmixingpatterns）化学参数pH,溶氧浓度(DissolvedO2)，溶解二氧化碳浓度(DissolvedCO2)，气相氧气浓度气相二氧化碳浓度，呼吸商（

3、respiratoryquotient），耗氧速率（O2Uptakerate）CO2生成速率（CO2productionrate）。生化参数细胞浓度，细胞存活率（Cellviability），细胞形态（Cellmorphology）细胞成分（Cellularcomposition），蛋白质，DNA，RNA，脂质（lipid）糖，NAD/NADH，ATP/ADP/AMP，酶活力（Enzymeactivities）整体细胞活力（Activitiesofwholecells），比生长速率（Specificgrowthrate）比产物形成速率（Specificrateofproductforma

4、tion）比耗氧速率（Specificoxygenuptakerate）比营养物质消耗速率（Specificsubstraterate）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（Volatileproducts）7.1概述在以上参数中，大部分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。比如，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，在生物反应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值和氧化还原电位也有成熟的方法

5、。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生物反应过程常用检测方法及仪器7.2.1检测方法及仪器组成生物反应过程参数检测方法一般是在线检测（Onlinemeasurement）,即将能够感应检测参数变化的传感器直接放到生物反应器中的测量点上，传感器将测量点的待测参数变化转化为电信号，经放大，送到显示系统和控制单元。离线检测方法，即先从反应器内取出物料，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，因为离线检测容易引起染菌，出结果需要一定的时间。7.2生物反应过程常用检

6、测方法及仪器1、传感器传感器的功能是感应生物反应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、记录以及送到反应器的控制单元。能够在生物反应器上有效使用的传感器应满足以下条件：（1）反应灵敏快速。传感器是否灵敏对生物反应过程的检测和控制非常重要。如果传感器的反应滞后于生物反应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生物反应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。一般的生物反应器都要求无菌操作，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

7、任何可能的染菌渠道。在生物反应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，反应器中常常按装两个传感器以避免由于一个传感器的失效对生产造成灾难性后果。7.2生物反应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。生物反应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