生物工程設備5-第五章-生物反應器的檢測與控制設備課件

第五章生物反應器的檢測與控制第一節(jié)生化過程主要檢測的參變量第二節(jié)生化過程的檢測方法、儀器與應用第三節(jié)生物反應器的優(yōu)化控制第五章生物反應器的檢測與控制第一節(jié)生化過程主要檢測的參變要對生化過程進行有效的操作和控制，首先要了解生化過程的狀態(tài)變化，也就是要了解生化過程的各種信息。這些信息可以分為物理變量信息、化學變量信息、以及生物變量信息。第一節(jié)生化過程主要檢測的參變量要對生化過程進行有效的操作和控制，首先第一節(jié)生化過程主要檢檢測的目的；有多少必須檢測的狀態(tài)參數(shù)，這些參變量能否測量檢出?能測定的參數(shù)可否在線檢測，其響應滯后是否太大?從狀態(tài)參數(shù)的檢測結果，如何判斷該生物反應器及生物細胞本身的狀態(tài)；反應系統(tǒng)中需控制的主要參變量是什么?這些需控制的參變量與生物反應效能如何相關對應?生物反應過程檢測的基本要求檢測的目的；生物反應過程檢測的基本要求過程檢測參數(shù)的類型物理參數(shù)溫度、壓力、攪拌器轉速、動力消耗、通氣量、流加物料量、料液總質(zhì)量、料液體積、發(fā)酵液黏度、流動特性、放熱量、添加物質(zhì)的累積量化學、生物參數(shù)氧化還原電位、DO、DCO2濃度、尾氣氧分壓和PCO2分壓、KLa、菌體濃度、細胞內(nèi)物質(zhì)組成、碳源、氮源、金屬離子、誘導物質(zhì)、目的代謝產(chǎn)物、副產(chǎn)物等的濃度、酶的比活力、各種比速率、呼吸熵過程檢測參數(shù)的類型物理參數(shù)物理參數(shù)的作用與檢測方法物理參數(shù)的作用與檢測方法化學、物理參數(shù)的作用與檢測方法比生長速率化學、物理參數(shù)的作用與檢測方法比生長速率1.溫度

不同的生物細胞，均有最佳的生長溫度或產(chǎn)物生成溫度，而酶也有最適的催化溫度，所以必須使反應體系控制在最佳的發(fā)酵反應溫度范圍。一、物理參數(shù)典型啤酒發(fā)酵溫度曲線1.溫度一、物理參數(shù)典型啤酒發(fā)酵溫度曲線2.壓強

對通氣生物發(fā)酵反應，必須往反應器中通入無菌的潔凈空氣，一是供應生物細胞呼吸代謝所必須的氧，二是強化培養(yǎng)液的混合與傳質(zhì)，三是維持反應器有適宜的表壓，以防止外界雜菌進入發(fā)酵系統(tǒng)。對氣升式反應器，通氣壓強的適度控制是高效溶氧傳質(zhì)及能量消耗的關鍵因素之一。2.壓強3.通氣量

不論是液體深層發(fā)酵或是固體通風發(fā)酵，均要連續(xù)（或間歇）往反應器中通入大量的無菌空氣。為達到預期的混合效果和溶氧速率，以及在固體發(fā)酵中控制發(fā)酵溫度，必須控制工藝規(guī)定的通氣量。過高的通氣量會引起泡沫增多，水分損失太大以

及通風耗能上升等不良影響。

通氣量和pH對蘋果酸發(fā)酵的影響3.通氣量通氣量和pH對蘋果酸發(fā)酵的影響4.液位液位的高低決定了反應器裝液系數(shù)即影響生產(chǎn)效率；對通風液體深層發(fā)酵，初裝液量的多少即液位的高低需按工藝規(guī)定確定，否則通入空氣后發(fā)酵液的含氣率達一定值，液面就升高，加之泡沫的形成，故必須嚴格控制培養(yǎng)基液位。對氣升內(nèi)環(huán)流式反應器，由于導流筒應比液面低一適當高度才能實現(xiàn)最佳的環(huán)流混合與氣液傳質(zhì)，但在通氣發(fā)酵過程中，排氣會帶出一定水分，故反應器內(nèi)培養(yǎng)液會蒸發(fā)減少，因此液面的檢測監(jiān)控更重要，必要時需補加新鮮培養(yǎng)基或無菌水，以維持最佳液位。連續(xù)發(fā)酵過程液位必須維持恒定，液面的檢測控制也十分重要。4.液位液位的高低決定了反應器裝液系數(shù)即影響生產(chǎn)效率；對通5.攪拌轉速與攪拌功率攪拌轉速對發(fā)酵液的混合狀態(tài)、溶氧速率、物質(zhì)傳遞等有重要影響，同時影響生物細胞的生長、產(chǎn)物的生成、攪拌功率消耗等。對某一確定的發(fā)酵反應器，當通氣量一定時，攪拌轉速升高，其溶氧速率增大，消耗的攪拌功率也越大。在完全湍流的條件下，攪拌功率與攪拌轉速的三次方成正比。某些生物細胞如動植物細胞、絲狀菌等，對攪拌剪切敏感，故攪拌轉速和攪拌葉尖線速度有其臨界上限范圍。攪拌功率與攪拌轉速的關系，是機械攪拌通氣發(fā)酵罐的比擬放大基準。5.攪拌轉速與攪拌功率攪拌轉速對發(fā)酵液的混合狀態(tài)、溶氧速率、6.泡沫高度發(fā)酵液泡沫產(chǎn)生的原因是多方面的，最主要的是培養(yǎng)基中所固有的或是發(fā)酵過程中生成的蛋白質(zhì)、菌體、糖類以及其他穩(wěn)定泡沫的表面活性物質(zhì)，加上通氣發(fā)酵過程大量的空氣泡以及厭氣發(fā)酵過程中生成的CO2氣泡，都會導致生物發(fā)酵液面上生成不同程度的泡沫層。6.泡沫高度7.培養(yǎng)基流加速度對生物發(fā)酵的連續(xù)操作或流加操作過程，均需連續(xù)或間歇往反應器中加入新鮮培養(yǎng)基，且要控制加入量和加入速度，以實現(xiàn)優(yōu)化的連續(xù)發(fā)酵或流加操作，獲得最大的發(fā)酵速率和生產(chǎn)效率。流加培養(yǎng)7.培養(yǎng)基流加速度流加培養(yǎng)8.黏度（或表觀黏度）

培養(yǎng)基的黏度主要受培養(yǎng)基的成分及濃度、細胞濃度、溫度、代謝產(chǎn)物等影響。發(fā)酵液的黏度（或表觀黏度）對溶液的攪拌與混合、溶氧速率、物質(zhì)傳遞等有重要影響，同時對攪拌功率消耗及發(fā)酵產(chǎn)物的分離純化均起著重要作用。8.黏度（或表觀黏度）二、化學參數(shù)1.pH每一種生物細胞均有最佳的生長增殖pH值，細胞及酶的生物催化反應也有相應的最佳pH范圍。在培養(yǎng)基制備及產(chǎn)物提取、純化過程也必須控制適當?shù)膒H。因此生物反應生產(chǎn)對pH的檢測控制極為重要。二、化學參數(shù)1.pH2.溶氧濃度和氧化還原電位好氣性發(fā)酵過程中，液體培養(yǎng)基中均需維持一定水平的溶解氧，以滿足生物細胞呼吸、生長及代謝需要。溶解氧水平和溶氧效率往往是發(fā)酵生產(chǎn)水平和技術經(jīng)濟指標的重要影響因素。對一些亞好氧的生物發(fā)酵反應如某些氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)，在產(chǎn)物積累時，只需很低的溶解氧水平。這樣低的溶解氧濃度使用氧化還原電極電位計（ORP儀）來測定微小的溶氧值。谷氨酸發(fā)酵溶氧變化2.溶氧濃度和氧化還原電位好氣性發(fā)酵過程中，液體培養(yǎng)基中均需3.發(fā)酵液中溶解CO2濃度對通氣發(fā)酵生產(chǎn)，由于生物細胞的呼吸和生物合成，培養(yǎng)液中的氧會被部分消耗，而溶解的CO2含量會升高。對大部分的好氧發(fā)酵，當發(fā)酵液中溶解CO2濃度增至某值時，就會使細胞生長和產(chǎn)物生成速率下降。圖7-1谷氨酸發(fā)酵的代謝曲線3.發(fā)酵液中溶解CO2濃度圖7-1谷氨酸發(fā)酵的代謝曲線4.呼吸代謝參數(shù)微生物的氧利用速率、二氧化碳釋放速率、呼吸熵.氧利用速率（OUR）二氧化碳釋放速率（CER）呼吸熵（RQ）（假設流出反應器的氣體流量與空氣流入量相等，空氣中氧濃度為21%，二氧化碳的濃度為零，測量到排出氣體的氧濃度為O2出%，二氧化碳的濃度為CO2出%，則由氣相物料平衡計算可得上式）4.呼吸代謝參數(shù)5．氧比消耗速率（rO2）氧比消耗速率稱為菌體的呼吸強度，即每小時每單位重量的菌體所消耗的氧的數(shù)量，其單位為毫克分子氧/克干菌體小時。5．氧比消耗速率（rO2）1.細胞濃度及酶活特性菌體的濃度與酶的活動中心密切相關。通過菌體干重的測定，可以了解生物的生長狀態(tài)，從而控制和改變生產(chǎn)工藝或補料和供氧，保證達到較好的生產(chǎn)水平。酶做催化劑的生化反應，則酶濃度（活度）是必須檢測監(jiān)控的參變量。三、生物參數(shù)1.細胞濃度及酶活特性三、生物參數(shù)2.菌體形態(tài)菌體形態(tài)的變化也是反應它的代謝變化的重要特征?？梢愿鶕?jù)菌體的形態(tài)不同，區(qū)分出不同的發(fā)酵階段和菌體的質(zhì)量。2.菌體形態(tài)3.菌體比生長速率(μ)每小時每單位重量的菌體所增加的菌體量稱為菌體的比生長速率，單位為h-1。菌體的比生長速率與生物的代謝有關。比生長速率變化3.菌體比生長速率(μ)比生長速率變化4.培養(yǎng)基質(zhì)濃度和產(chǎn)物濃度培養(yǎng)液基質(zhì)濃度則是發(fā)酵轉化率及產(chǎn)物得率的重要衡量。掌握了發(fā)酵液中的產(chǎn)物濃度，就可確定發(fā)酵的進程以及決定發(fā)酵是否正常及是否需要結束發(fā)酵。基質(zhì)與產(chǎn)物濃度的檢測、控制對各種發(fā)酵均是必要的。4.培養(yǎng)基質(zhì)濃度和產(chǎn)物濃度第二節(jié)生化過程常用檢測方法、儀器

及應用

一、檢測方法及儀器組成在線檢測離線檢測

第二節(jié)生化過程常用檢測方法、儀器

及應用

一、檢測方法及儀研究微生物生長過程所需要的檢測參數(shù)大多是通過在反應器中配置各種傳感器和自動分析儀來實現(xiàn)的。這些裝置能把非電量參數(shù)轉化為電信號，這些信號經(jīng)適當處理后，可用于監(jiān)測發(fā)酵的狀態(tài)、直接作發(fā)酵閉環(huán)控制和計算間接參數(shù)。研究微生物生長過程所需要的檢測參數(shù)大多是通過在反應器中配置各發(fā)酵過程對傳感器的要求發(fā)酵過程對傳感器的常規(guī)要求為準確性、精確度、靈敏度、分辨能力要高，響應時間滯后要小，能夠長時間穩(wěn)定工作，可靠性好，具有可維修性。必須考慮衛(wèi)生要求，發(fā)酵過程中不允許有其他雜菌污染。一般要求傳感器能與發(fā)酵液同時進行高壓蒸汽滅菌，不耐受蒸汽滅菌的傳感器可在罐外用其他方法滅菌后無菌裝入。要求傳感器與外界大氣隔絕，采用的方法有蒸汽汽封、O形圈密封、套管隔斷等。應選用不易污染的材料如不銹鋼，防止微生物附著及干擾，便于清洗，不允許泄漏。傳感器只與被測變量有關而不受過程中其他變量和周圍環(huán)境條件變化影響的能力，如抗氣泡及泡沫干擾等。發(fā)酵過程對傳感器的要求發(fā)酵過程對傳感器的常規(guī)要求為準確性、精采用滅菌的微孔陶瓷管或滲透膜管置反應器內(nèi)，可連續(xù)在線無菌取樣檢測采用滅菌的微孔陶瓷管或滲透膜管置反應器內(nèi)，可連續(xù)在線無菌取對于揮發(fā)性物質(zhì)的檢測，如酒精發(fā)酵過程中的乙醇含量測定，可采用微孔管在線取樣檢測法疏水性聚四氟乙烯微孔管：水不可透過，發(fā)酵液中揮發(fā)成分（乙醇）可透過對于揮發(fā)性物質(zhì)的檢測，如酒精發(fā)酵過程中的乙醇含量測定，可采用二、主要參數(shù)檢測原理及應用1.溫度的測量常用工業(yè)溫度檢測儀表有熱電阻檢測器（RTD）、半導體熱敏電阻、熱電偶和玻璃溫度計等。其中熱電阻是中低溫區(qū)最常用的溫度檢測元件，具有性能穩(wěn)定、測量精度高、在中低溫區(qū)輸出信號大、信號可以遠傳等優(yōu)點。二、主要參數(shù)檢測原理及應用1.溫度的測量生物工程設備5-第五章-生物反應器的檢測與控制設備課件2.溶氧濃度的檢測溶氧電極法2.溶氧濃度的檢測溶氧電極法體積溶氧系數(shù)(Ｋla)的測量

用溶氧電極與氧氣分析儀相配合，可直接測

量實際發(fā)酵液中的Ｋla

（式中Ｃ進，Ｃ＊為常量：Ｃ出可用氧氣分析儀自排出氣體測得，Ｃ為培養(yǎng)液中的溶氧濃度用溶氧電極測得）體積溶氧系數(shù)(Ｋla)的測量

用溶氧電極與氧氣分析儀相3.pH值的測量為了測量pH值，需要一個測量電極和一個參比電極，其工作原理是利用玻璃電極與參比電極浸泡于某一溶液時具有一定的電位差，其pH可表示為：pH3.pH值的測量為了測量pH值，需要一個測量電極和一個現(xiàn)在一般采用復合電極。在復合電極中，玻璃電極由參比電極包裹著。溫度對pH值的準確測量有很大的影響，為了補償溫度的影響，在pH復合電極中加一溫度敏感元件，從而構成測量電極、參比電極和溫度傳感元件三位一體的三合一電極，對環(huán)境溫度有很好的補償作用。現(xiàn)在一般采用復合電極。在復合電極中，玻璃電極由參比電極包裹著復合電極結構復合電極結構溶氧電極溶氧電極4.氧化還原電位（ORP）測定ORP的檢測原理是基于溶液中的金屬電極上進行的電子交換達到平衡時，具有相應的氧化還原電位值,與pH和溫度有關。表示式為：4.氧化還原電位（ORP）測定ORP的檢測原理是基于5.液位和泡沫高度的檢測液位的檢測主要方法電容法壓差法

電導法5.液位和泡沫高度的檢測電容式液面計在反應器或其他容器中裝設兩根金屬電極，由于容器內(nèi)液位不同就使得兩導線間的電位發(fā)生改變，并通過與基準點間的物料量的值進行比較，就可得知發(fā)酵罐或容器內(nèi)的物料量或液位。如罐內(nèi)有泡沫，要測定泡沫高度，那必須注意基準位置的選定。電容式液面計

壓差法

利用發(fā)酵罐或容器中上下兩點或三點間不同壓強就可計算出料液量和液面高度。發(fā)酵液位高H可由下式求算，H=（ΔP2/ΔP1）×ΔH壓差法電容探頭電阻探頭電熱探頭超聲探頭泡沫檢測轉盤泡沫的檢測電容探頭泡沫的檢測電容探頭由兩個電極組成，泡沫改變兩個電極之間的電容，引起通過該電容的交流電流產(chǎn)生變化，將氣泡的出現(xiàn)轉變成電信號，達到檢測氣泡的目的。優(yōu)點是結構簡單，輸出電信號的大小與泡沫量呈正比，因此常應用在大型生物反應器中。缺點：兩個電極容易結垢，影響測量。電容探頭由兩個電極組成，泡沫改變兩個電極之間的電容，引起通過超聲探頭超聲探頭有一個超聲波發(fā)射端和一個接受端，分別安裝在反應器內(nèi)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，大部分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)。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6.溶解CO2濃度的檢測利用對CO2有特殊選擇滲透通過特性的微孔膜，使擴散通過的CO2進入飽和碳酸氫鈉緩沖溶液中，平衡后顯示的pH與溶解的CO2濃度成正比，由此原理并通過變換就可測出溶解CO2濃度。6.溶解CO2濃度的檢測利用對CO2有特殊選擇滲透通生物工程設備5-第五章-生物反應器的檢測與控制設備課件7.培養(yǎng)基和液體流量計液體質(zhì)量流量計電磁流量計漩渦流量計轉子流量計7.培養(yǎng)基和液體流量計液體質(zhì)量流量計工作原理與結構橢圓齒輪流量計是由計量箱和裝在計量箱內(nèi)的一對橢圓齒輪，與上下蓋板構成一個密封的初月形空腔（由于齒輪的轉動，所以不是絕對密封的）作為一次排量的計算單位。當被測液體經(jīng)管道進入流量計時，由于進出口處產(chǎn)生的壓力差推動一對齒輪連續(xù)旋轉，不斷地把經(jīng)初月形空腔計量后的液體輸送到出口處，橢圓齒輪的轉數(shù)與每次排量四倍的乘積即為被測液體流量的總量（原理見圖）。工作原理與結構生物工程設備5-第五章-生物反應器的檢測與控制設備課件生物工程設備5-第五章-生物反應器的檢測與控制設備課件液體直通流量計液體直通流量計電磁流量計電磁流量計電磁流量計的測量原理是基于法拉第電磁感應定律：導電液體在磁場中作切割磁力線運動時，導體中產(chǎn)生感應電勢，

其感應電勢E為：E=KBVD

（式中：K－儀表常數(shù)B－磁感應強度V－測量管道截面內(nèi)的平均流速D－測量管道截面的內(nèi)徑）測量流量時，導電性液體以速度V流過垂直于流動方向的磁場，導電性液體的流動感應出一個與平均流速成正比的電壓，其感應電壓信號通過二個或二個以上與液體直接接觸的電極撿出，并通過電纜送至轉換器通過智能化處理，然后LCD顯示或轉換成標準信號4～20ma和0－1khz輸出。電磁流量計的測量原理是基于法拉第電磁感應定律：漩渦流量計當沿著軸向的流體流量傳感器入品時，在漩渦發(fā)生體的作用下，被強制圍繞中心線旋轉，產(chǎn)生漩渦流，漩渦流在文丘利管中旋進，到達收縮段突然節(jié)流后，使漩渦流加速，當通過擴散段時，漩渦中心沿一錐形螺旋線進動。此時，漩渦中心通過檢測點的進動頻率與流體的流速成正比。漩渦流量計當沿著軸向的流體流量傳感8.培養(yǎng)液尾氣分析尾氣總流量：轉子流量計尾氣中二氧化碳的含量尾氣中的氧含量尾氣中其他氣體的分析：工業(yè)質(zhì)譜儀8.培養(yǎng)液尾氣分析尾氣總流量：轉子流量計生物工程設備5-第五章-生物反應器的檢測與控制設備課件尾氣總流量：轉子流量計原理：

在一定流量下轉子在測量管仲的懸浮高度不同，讀出相應的刻度即可得到流量值。尾氣總流量：轉子流量計原理：質(zhì)量流量計精確的測量。結構原理：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。當流過管道的流量不同時，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(zhì)量流量。質(zhì)量流量計精確的測量。沒有空氣流動時，沿測量管軸方向的溫度分布大體上是左右對稱的，而有空氣流過時，近氣流進入端的溫度降低，而流出端的溫度上升沒有空氣流動時，沿測量管軸方向的溫度

排氣中CO2濃度常用檢測儀有紅外線二氧化碳測定儀和二氧化碳電極。CO2氣體在紅外2.6～2.9×103和4.1～4.5×103nm之間有吸收峰，依據(jù)朗伯－比爾定律：排氣中CO2濃度排氣的氧分壓的測定氣體中氧濃度檢測方法主要有磁氧分析、極譜電位法和質(zhì)譜法。磁氧分析根據(jù)氧氣分子具有很強的順磁性，容易被磁場吸引，而其他分子的順磁性弱，或者具有抗磁性的原理測量氣體中的氧含量。排氣的氧分壓的測定氣體中氧濃度檢測方法主要有磁氧分析、極譜電生物工程設備5-第五章-生物反應器的檢測與控制設備課件英國MI公司尾氣分析儀發(fā)酵在線尾氣分析儀發(fā)酵在線尾氣分析系統(tǒng)英國MI公司尾氣分析儀發(fā)酵在線尾氣分析儀發(fā)酵在線尾氣分析系統(tǒng)8.細胞濃度測定對于生物反應器在線檢測用的生物傳感器或普通的傳感器，必須盡可能滿足下述要求:①響應要連續(xù)、迅速②靈敏度應在0.02g/L以上③電極本身對生物細胞無影響④檢測過程對細胞無損傷，不必加藥；⑤可檢測含固體微粒營養(yǎng)物質(zhì)的發(fā)酵液⑥易于清洗、滅菌8.細胞濃度測定對于生物反應器在線檢測用的生物傳感器或普通的全細胞濃度儀常用流通式濁度計用的光源可用可見單色光、激光或紫外光，最常用的為可見光或同一波長的激光束，前者的波長400～660nm之間，根據(jù)不同的生物細胞選用不同的波長。在一定的細胞濃度范圍，全細胞濃度與光密度(也稱消光系數(shù)，OD)值成線性關系。若應用激光束作光源，可測全細胞濃度的范圍是O～200g/L(濕細胞)，精度在±l%FS，響應時間只用ls。全細胞濃度儀常用流通式濁度計用的光源可用可見單色光、激光或紫LabScan型實時在線濁度計

LabScan型實時在線濁度計活細胞濃度測定發(fā)酵液中活細胞濃度的測定原理是利用活生物細胞催化的反應或活細胞本身特有的物質(zhì)而使用生物光或化學發(fā)光法進行測定。例如，活生物細胞為了維持呼吸與代謝，必須有一定的能量物質(zhì)ATP，其含量視細胞種類及活性等不同而變化，生長條件相同的同一類細胞所具有的ATP水平是一樣的。當細胞死滅，其中的ATP就迅速水解而消失，因此可通過發(fā)酵液的ATP濃度檢測來確定活細胞濃度?；罴毎麧舛葴y定發(fā)酵液中活細胞濃度的測定原理是利用活生物細胞催英國ABER公司原位活細胞在線檢測儀英國ABER公司原位活細胞在線檢測儀德國OPTEK發(fā)酵(BIOMASS)生物量密度分析儀德國OPTEK發(fā)酵(BIOMASS)三、生物發(fā)酵溶液中營養(yǎng)成分與產(chǎn)物的分析對發(fā)酵生產(chǎn)，反應溶液中的營養(yǎng)成分和產(chǎn)物、副產(chǎn)物的分析測定是十分重要的。但至今大多數(shù)的成分仍未能在線檢測，通常是在反應器中裝設微孔陶瓷取樣器或滲透膜取樣器進行無菌取樣；然后使用HPLC或GC等儀器或化學方法進行檢測。三、生物發(fā)酵溶液中營養(yǎng)成分與產(chǎn)物的分析發(fā)酵液中營養(yǎng)成分與產(chǎn)物發(fā)酵液中營養(yǎng)成分與產(chǎn)物液相色譜氣相色譜常見發(fā)酵檢測儀器設備液相色譜氣相色譜常見發(fā)酵檢測儀器設備美國YSI

葡萄糖生化分析儀國產(chǎn)葡萄糖生化分析儀美國YSI

葡萄糖生化分析儀國產(chǎn)葡萄糖生化分析儀自動凱氏定氮儀原子吸收分光光度計自動凱氏定氮儀原子吸收分光光度計在線分析儀器設備高壓液相分析系統(tǒng)（HPLC）流動注射式（FlowInjectionAnalyser）分析系統(tǒng)映像在線監(jiān)控系統(tǒng)在線分析儀器設備高壓液相分析系統(tǒng)（HPLC）高壓液相分析系統(tǒng)（HPLC）發(fā)酵液過濾后進入過濾取樣模件FAM，由HPLC系統(tǒng)分析。數(shù)據(jù)傳到主計算機高壓液相分析系統(tǒng)（HPLC）發(fā)酵液過濾后進入過濾取樣模件FA高壓液相分析系統(tǒng)高壓液相分析系統(tǒng)實質(zhì)是將樣品送至檢測裝置的一種手段，可以直接將樣品送至檢測裝置，也可與載氣、反應劑混合送至檢測系統(tǒng)發(fā)酵罐中發(fā)酵液經(jīng)過濾器過濾，清液注入探測器，檢測。流動注射式分析系統(tǒng)

（FlowInjectionAnalyser）實質(zhì)是將樣品送至檢測裝置的一種手段，可以直接將樣品送至檢測裝FIAlabInstruments流動注射式分析系統(tǒng)

FIAlabInstruments映像在線監(jiān)控系統(tǒng)即直接將光學顯微鏡安裝在反應器中，可以觀察到細胞的數(shù)目，單個細胞的尺寸和形態(tài)，還可利用熒光顯微鏡同時估計細胞代謝過程。映像在線監(jiān)控系統(tǒng)即直接將光學顯微鏡安裝在反應器中，可以觀察到華東理工大學研制華東理工大學研制四、生物傳感器在發(fā)酵過程檢測中的應用生物傳感器：利用生物材料和適當?shù)霓D換元件制成的傳感器生物材料：固定化酶、微生物、抗原抗體、生物組織等轉換元件：電化學電極、熱敏電阻等四、生物傳感器在發(fā)酵過程檢測中的應用生物傳感器：利用生物材料生物工程設備5-第五章-生物反應器的檢測與控制設備課件

酶電極微生物電極免疫電極酶電極酶傳感器一些常用酶電極的性能被測物質(zhì)酶名電極類別穩(wěn)定性/d應答時間測定范圍/mg·L-1葡萄糖葡萄糖氧化酶H2O210010s1~5×102半乳糖半乳糖氧化酶H2O220~40—10~103乙醇乙醇氧化酶O212030s5~103乳酸乳酸氧化酶O23030s5~103丙酮酸丙酮酸氧化酶O2102min10~103尿酸尿酸酶O212030s10~103尿素尿素酶NH3601~2min10~103膽固醇膽固醇脂酶膽固醇氧化酶H2O2303min10~5×103中性脂肪脂肪酶pH141min5~5×103青霉素青霉素酶pH7~140.5~2min10~103丙谷轉氨酶丙酮酸氧化酶O2102~10min0.5~180快速，靈敏！酶傳感器一些常用酶電極的性能被測物質(zhì)酶名電極類別穩(wěn)定性/d應細胞培養(yǎng)方面使用的傳感器被測物質(zhì)所使用的酶濃度范圍/mmol·L-1抗壞血酸（VC）抗壞血酸氧化酶0.05~0.6纖維素二糖β-葡萄糖苷酶+葡萄糖氧化酶+過氧化氫酶0.05~5.0頭孢菌素頭孢菌素酶0.005~10肌酸酐肌酸酐、亞胺水解酶0.01~10乙醇乙醇氧化酶0.01~1半乳糖半乳糖氧化酶0.01~1葡萄糖葡萄糖氧化酶+過氧化氫酶0.001~0.8乳酸乳酸單氧酶0.002~2乳糖乳糖酶+葡萄糖氧化酶+過氧化氫酶0.05~10草酸草酸氧化酶0.005~0.5青霉素β-內(nèi)酰胺酶0.01~500蔗糖轉化酶（蔗糖酶）0.05~100甘油三酯脂蛋白、脂肪酶0.1~5.0尿素尿素酶0.01~500細胞培養(yǎng)方面使用的傳感器被測物質(zhì)所使用的酶濃度范圍/mmo第三節(jié)生物反應器的優(yōu)化控制生物反應器的優(yōu)化控制概述生化反應過程的主要控制參數(shù)生物反應器的優(yōu)化控制第三節(jié)生物反應器的優(yōu)化控制生物反應器的優(yōu)化控制概述+87計算機技術的快速發(fā)展工業(yè)設備技術水平的大幅度進步自動控制技術被廣泛用于發(fā)酵過程的控制特別高端發(fā)酵制藥行業(yè)，應用更多一、生物反應器優(yōu)化控制概述+87計算機技術的快速發(fā)展工業(yè)設備技術水平的大幅度進步自動控88發(fā)酵罐(A)

原料預處理與輸送(B)蒸汽系統(tǒng)(C)降溫水系統(tǒng)(D)空氣系統(tǒng)(E)種子供給(F)尾氣(I)、廢液處理(J)補料系統(tǒng)(G)檢測與控制系統(tǒng)(H)發(fā)酵罐設備系統(tǒng)組成(A

B

C

D

E

F

G

H

I

)發(fā)酵罐系統(tǒng)設計示意圖88發(fā)酵罐(A)原料預處理與輸送(B)蒸汽系統(tǒng)(C)降溫水發(fā)酵自動控制技術基本原理89(A

B

C

D

E)工作原理：各種檢測設備的原始檢測信號A被轉換器B轉化為計算機識別的通用信號C（一般為4-20mA的電流信號），并被輸入工業(yè)計算機，然后，計算機根據(jù)設定值發(fā)出反饋控制信號

(D)，經(jīng)過控制器(E)對各個

參數(shù)進行調(diào)節(jié)與控制。發(fā)酵自動控制技術基本原理89(ABC生物工程設備5-第五章-生物反應器的檢測與控制設備課件圖7-17用于微生物發(fā)酵過程的某個計算機控制系統(tǒng)示意圖圖7-17用于微生物發(fā)酵過程的某個計算機控制系統(tǒng)示意圖生物工程設備5-第五章-生物反應器的檢測與控制設備課件分布式控制系統(tǒng)（DCS）93(A

B

C

D

E)DCS分布式控制系統(tǒng)

發(fā)酵工業(yè)常用的一種自動控制

系統(tǒng)。DCS系統(tǒng)組成：

現(xiàn)場儀表、各種信號轉換與

傳輸設備、操作員站、

工程師站、主機等組成。操作員站：分布在各個現(xiàn)場主機：多采用冗余配置。DCS系統(tǒng)設備組成分布式控制系統(tǒng)（DCS）93(ABC發(fā)酵通氣自動控制技術發(fā)酵通氣自動控制技術生物工程設備5-第五章-生物反應器的檢測與控制設備課件目的：使生物反應處于最佳的反應條件下，反映在生產(chǎn)上就是以最少的消耗產(chǎn)生最優(yōu)、最多的合格產(chǎn)品。在實際運行過程中，生物反應器的主要控制參數(shù)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、呼吸熵、基質(zhì)等。二、生化反應過程的主要控制參數(shù)目的：使生物反應處于最佳的反應條件下，反映在生產(chǎn)上就是以最少溫度的控制生物反應的最佳溫度范圍是比較狹窄的，所以發(fā)酵過程需把生物反應器的溫度控制在某一定值或區(qū)間內(nèi)。在冷卻水溫度比較穩(wěn)定的情況下，生化反應器的溫度常采用單回路的PID控制。這樣的溫度控制系統(tǒng)由四個環(huán)節(jié)組成，即溫度測量元件，通常用鉑熱電阻溫度計T，控制器，調(diào)節(jié)閥和被控過程的生化反應器（發(fā)酵罐）。溫度的控制生物反應的最佳溫度范圍是比較狹窄的，所以發(fā)酵過程需如右圖所示，控制器使用溫度探頭感應反應器內(nèi)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，控制儀打開電加熱器，使溫度升高?？刂苾x使用開、關控制的辦法，配合冷水將溫度控制在一定的范圍，溫度控制精度可小于+0.5度。如右圖所示，控制器使用溫度探頭感應反應器內(nèi)的溫度，當溫度大溫度控制儀使用鉑電阻探頭感知生物反應器內(nèi)的溫度，與設定溫度比較后，調(diào)節(jié)外置水浴的冷水進口閥門和加熱裝置以改變水浴內(nèi)的溫度，水浴內(nèi)的換熱介質(zhì)通過生物反應器的內(nèi)置換熱器，或者夾套換熱器與培養(yǎng)液進行熱交換，從而維持反應器溫度在一定范圍。溫度控制儀使用鉑電阻探頭感知生物反應器內(nèi)的溫度，與設定溫度溶氧控制由于溶氧濃度受到傳氧與耗氧兩方面影響，從耗氧方面考慮，溶氧濃度可作為補料控制的依據(jù)。從傳氧方面考慮，一般通過加大攪拌轉速、通氣量或罐頂壓力的方法，提高氧傳遞速率。溶解氧通過控制發(fā)酵罐壓力、空氣流量及攪拌轉速的方法來控制。由于壓力控制系統(tǒng)與空氣流量控制系統(tǒng)相互有影響，即有耦合作用。因為提高發(fā)酵壓力，使發(fā)酵中二氧化碳的溶解度也增加，這不僅會改變發(fā)酵液的pH值，而且會影響氧的溶解度，因此，常用控制空氣流量和轉速的方法控制溶解氧。溶氧控制由于溶氧濃度受到傳氧與耗氧兩方面影響，從耗氧方面考慮生物工程設備5-第五章-生物反應器的檢測與控制設備課件使用了三個閥門分別調(diào)節(jié)高濃度氧、氮氣、和空氣進入速度。生物反應器內(nèi)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(diào)節(jié)三個閥門的開度。不調(diào)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)。使用了三個閥門分別調(diào)節(jié)高濃度氧、氮氣、和空氣進入速度。生物反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。當然，也可以人為設定某個攪拌轉速不變，然后調(diào)節(jié)氣體通入速度。適合微生物及其他對攪拌剪切力不太敏感的生物培養(yǎng)，是最為廣泛應生物工程設備5-第五章-生物反應器的檢測與控制設備課件pH的控制pH是發(fā)酵過程中代謝平衡，特別是碳、氮平衡的反映。系統(tǒng)由pH測量電極和變送器、pH控制器、空氣開關和氣動開關閥組成。氨水不是直接加入反應器，而是通過空氣管道與空氣一起送入反應器，這樣使氨水充分分散于發(fā)酵液中，不會造成局部pH值的偏高或偏低。為了防止調(diào)節(jié)閥門的泄漏，調(diào)節(jié)閥采用氣動開關閥，它由電磁空氣開關來控制。所以，pH控制系統(tǒng)是一開關控制系統(tǒng)，控制器根據(jù)pH偏差信號計算出開關閥門開關周期和開與關的時間長短，來控制輸入的氨水的量，從而達到控制pH的目的。pH的控制pH是發(fā)酵過程中代謝平衡，特別是碳、氮平衡的反映。補料控制補料程序依賴于比生長曲線形態(tài)、產(chǎn)物生成速率及發(fā)酵的初始條件等情況。補料控制實際上是流量控制，整個控制系統(tǒng)由流量測量環(huán)節(jié)、流量控制器和調(diào)節(jié)閥組成。其中流量測量環(huán)節(jié)可用電磁流量計或帶遠傳轉子流量計來測量。補料控制補料程序依賴于比生長曲線形態(tài)、產(chǎn)物生成速率及發(fā)酵的初發(fā)酵補料自動控制系統(tǒng)補料系統(tǒng)示意圖107補料成分：

發(fā)酵過程中需要補加

一些營養(yǎng)成分、

生長

因子、消沫劑等；補料系統(tǒng)組成

補料系統(tǒng)1

補料系統(tǒng)2

消沫劑發(fā)酵補料自動控制系統(tǒng)補料系統(tǒng)示意圖107補料成分：補料系統(tǒng)組泡沫的控制太多的泡沫給反應帶來不利的影響大量的泡沫充斥反應器內(nèi)，降低了反應器可用操作容量。由于泡沫的飄浮作用，降低營養(yǎng)液層內(nèi)生物體和營養(yǎng)物質(zhì)的濃度，影產(chǎn)率。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。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(chǎn)物合成的損害。泡沫容易進入攪拌軸密封及反應器排氣管道增加染菌的機會。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(chǎn)帶來損失。

因此必須對泡沫進行控制。

泡沫的控制太多的泡沫給反應帶來不利的影響化學消泡消泡機理：消泡劑是表面活性物質(zhì)，降低氣泡表面張力，使氣泡破裂。降低機械強度（降低液膜的彈性）降低膜表面的黏度。天然油脂類、高級醇類、聚醚類、硅酮類、氟化烷烴等生產(chǎn)中的一些用法：通過機械攪拌，使消泡劑更易于分散在反應液中。將消泡劑與載體一起使用，使消泡劑溶于或分散于載體中，比如用聚氧丙烯甘油作消泡劑時，以豆油為載體的消泡增效作用明顯。多種消泡劑并用可增強消泡作用。使用乳化劑增強消泡劑的消泡作用，如消泡劑聚氧丙烯甘油用吐溫-80為乳化劑的增效作用可提高1-2倍。硅酮類消泡原理化學消泡消泡機理：硅酮類消泡原理機械消泡靠機械強烈振動和壓力的變化，促使細胞破裂，或借助機械力將排出氣體中的液體加以分離回收，從而達到消泡的作用。機械消泡的優(yōu)點是不需在發(fā)酵液中加入其他物質(zhì)，減少了由于加入消泡劑所引起的染菌機會和對后續(xù)分離的影響。但是機械效果不如化學消泡迅速、可靠、不能根本上消除引起穩(wěn)定泡沫的因素，而且它還需要一定的設備和消耗一定的動力。罐內(nèi)消泡、罐外消泡。全自動機械消泡器（離心力）機械消泡靠機械強烈振動和壓力的變化，促使細胞破裂，或借助液位電極控制消泡劑的流加

液位電極是根據(jù)空氣與帶有發(fā)酵液的泡沫導電率不同的原理制造。采用雙位式的控制方法，當反應物液面達到一定的高度時，自動打開消泡劑的閥門，當液面降回到正常時，自動關閉消泡劑的閥門。液位電極控制消泡劑的流加生物體濃度的控制供氧和耗氧平衡根據(jù)尾氣中氧氣和二氧化碳濃度來估計和控制流加基質(zhì)濃度英國ABER公司原位活細胞在線檢測儀生物體濃度的控制供氧和耗氧平衡英國ABER公司原位發(fā)酵過程的優(yōu)化原則明確控制目標，確定最優(yōu)化原則建立數(shù)學模型，理清各參變量之間的關系狀態(tài)估計與參數(shù)識別，若參數(shù)目標狀態(tài)（產(chǎn)物濃度）不能在線檢測，可利用與目標參變量有已知確定關系而且可在線檢測的參變量（如O2和CO2分壓及溶解氧濃度）的定量關系，在線推算出目標參數(shù)的數(shù)值。由推定的目標參變量，計算目標函數(shù)（如產(chǎn)量、生產(chǎn)成本），進行反應過程的最優(yōu)化控制。三、先進控制理論在反應器控制中的應用發(fā)酵過程的優(yōu)化原則明確控制目標，確定最優(yōu)化原則三、先進控制理模糊邏輯控制在生化過程中的應用模糊邏輯控制在生化過程中的應用生化過程知識庫系統(tǒng)過程控制狀態(tài)估算未來控制與生產(chǎn)的預測模擬優(yōu)化生物掃描器·檢測與監(jiān)督控制·相鑒別·操作策略·內(nèi)在模擬·預期軌道·錯誤檢測與診斷·傳感器經(jīng)驗·恢復意見本地控制計算機過程在線調(diào)度程序在線RDB智能使用者接口離線數(shù)據(jù)生化過程知識庫系統(tǒng)過程控制狀態(tài)估算未來控制與生產(chǎn)的預測模擬優(yōu)基于專家系統(tǒng)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡

系統(tǒng)數(shù)據(jù)專家知識神經(jīng)網(wǎng)絡整體分析實際系統(tǒng)局部優(yōu)化系統(tǒng)改進實際數(shù)據(jù)

專家神經(jīng)網(wǎng)絡分析框圖基于專家系統(tǒng)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)數(shù)據(jù)專家知識神經(jīng)網(wǎng)絡整體分析生化過程控制理論存在的難點無論是前饋還是反饋控制，都必須建立在在線監(jiān)測的各種參數(shù)上，但適用于生化反應過程的傳感器的研究大大落后于生物工業(yè)的發(fā)展。各種微生物具有獨特的生理特性、生產(chǎn)各種代謝產(chǎn)物又有各自的代謝途徑，應用于生化反應過程的控制理論不具有普適性。控制理論自身的局限，至今不能模擬生化反應過程的高度非線性的多容量特性。在具體的控制模型構建時，缺乏以細胞代謝流為核心的過程分析，采用以動力學為基礎的最佳工藝控制點為依據(jù)的靜態(tài)操作方法實質(zhì)上是化學工程動力學概念在發(fā)酵工程上的延伸。目前發(fā)酵動力學模型主要通過經(jīng)驗法、半經(jīng)驗法或簡化法得到，一般為非結構動力學模型，如Monod、Moser、Tessier、Contois等模型方程。國內(nèi)外都有學者提出基于參數(shù)相關的發(fā)酵過程多水平問題的研究。生化過程控制理論存在的難點無論是前饋還是反饋控制，都必須建立本章小結1.生化規(guī)程主要檢測的參數(shù)有哪些？2.生物反應器的溫度、體積流量（液體和氣體）、pH、溶氧的在線測量儀表有哪些？3.生物反應器的溫度、pH、溶氧是如何實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)的？

（簡圖表示原理）本章小結1.生化規(guī)程主要檢測的參數(shù)有哪些？第五章生物反應器的檢測與控制第一節(jié)生化過程主要檢測的參變量第二節(jié)生化過程的檢測方法、儀器與應用第三節(jié)生物反應器的優(yōu)化控制第五章生物反應器的檢測與控制第一節(jié)生化過程主要檢測的參變要對生化過程進行有效的操作和控制，首先要了解生化過程的狀態(tài)變化，也就是要了解生化過程的各種信息。這些信息可以分為物理變量信息、化學變量信息、以及生物變量信息。第一節(jié)生化過程主要檢測的參變量要對生化過程進行有效的操作和控制，首先第一節(jié)生化過程主要檢檢測的目的；有多少必須檢測的狀態(tài)參數(shù)，這些參變量能否測量檢出?能測定的參數(shù)可否在線檢測，其響應滯后是否太大?從狀態(tài)參數(shù)的檢測結果，如何判斷該生物反應器及生物細胞本身的狀態(tài)；反應系統(tǒng)中需控制的主要參變量是什么?這些需控制的參變量與生物反應效能如何相關對應?生物反應過程檢測的基本要求檢測的目的；生物反應過程檢測的基本要求過程檢測參數(shù)的類型物理參數(shù)溫度、壓力、攪拌器轉速、動力消耗、通氣量、流加物料量、料液總質(zhì)量、料液體積、發(fā)酵液黏度、流動特性、放熱量、添加物質(zhì)的累積量化學、生物參數(shù)氧化還原電位、DO、DCO2濃度、尾氣氧分壓和PCO2分壓、KLa、菌體濃度、細胞內(nèi)物質(zhì)組成、碳源、氮源、金屬離子、誘導物質(zhì)、目的代謝產(chǎn)物、副產(chǎn)物等的濃度、酶的比活力、各種比速率、呼吸熵過程檢測參數(shù)的類型物理參數(shù)物理參數(shù)的作用與檢測方法物理參數(shù)的作用與檢測方法化學、物理參數(shù)的作用與檢測方法比生長速率化學、物理參數(shù)的作用與檢測方法比生長速率1.溫度

不同的生物細胞，均有最佳的生長溫度或產(chǎn)物生成溫度，而酶也有最適的催化溫度，所以必須使反應體系控制在最佳的發(fā)酵反應溫度范圍。一、物理參數(shù)典型啤酒發(fā)酵溫度曲線1.溫度一、物理參數(shù)典型啤酒發(fā)酵溫度曲線2.壓強

對通氣生物發(fā)酵反應，必須往反應器中通入無菌的潔凈空氣，一是供應生物細胞呼吸代謝所必須的氧，二是強化培養(yǎng)液的混合與傳質(zhì)，三是維持反應器有適宜的表壓，以防止外界雜菌進入發(fā)酵系統(tǒng)。對氣升式反應器，通氣壓強的適度控制是高效溶氧傳質(zhì)及能量消耗的關鍵因素之一。2.壓強3.通氣量

不論是液體深層發(fā)酵或是固體通風發(fā)酵，均要連續(xù)（或間歇）往反應器中通入大量的無菌空氣。為達到預期的混合效果和溶氧速率，以及在固體發(fā)酵中控制發(fā)酵溫度，必須控制工藝規(guī)定的通氣量。過高的通氣量會引起泡沫增多，水分損失太大以

及通風耗能上升等不良影響。

通氣量和pH對蘋果酸發(fā)酵的影響3.通氣量通氣量和pH對蘋果酸發(fā)酵的影響4.液位液位的高低決定了反應器裝液系數(shù)即影響生產(chǎn)效率；對通風液體深層發(fā)酵，初裝液量的多少即液位的高低需按工藝規(guī)定確定，否則通入空氣后發(fā)酵液的含氣率達一定值，液面就升高，加之泡沫的形成，故必須嚴格控制培養(yǎng)基液位。對氣升內(nèi)環(huán)流式反應器，由于導流筒應比液面低一適當高度才能實現(xiàn)最佳的環(huán)流混合與氣液傳質(zhì)，但在通氣發(fā)酵過程中，排氣會帶出一定水分，故反應器內(nèi)培養(yǎng)液會蒸發(fā)減少，因此液面的檢測監(jiān)控更重要，必要時需補加新鮮培養(yǎng)基或無菌水，以維持最佳液位。連續(xù)發(fā)酵過程液位必須維持恒定，液面的檢測控制也十分重要。4.液位液位的高低決定了反應器裝液系數(shù)即影響生產(chǎn)效率；對通5.攪拌轉速與攪拌功率攪拌轉速對發(fā)酵液的混合狀態(tài)、溶氧速率、物質(zhì)傳遞等有重要影響，同時影響生物細胞的生長、產(chǎn)物的生成、攪拌功率消耗等。對某一確定的發(fā)酵反應器，當通氣量一定時，攪拌轉速升高，其溶氧速率增大，消耗的攪拌功率也越大。在完全湍流的條件下，攪拌功率與攪拌轉速的三次方成正比。某些生物細胞如動植物細胞、絲狀菌等，對攪拌剪切敏感，故攪拌轉速和攪拌葉尖線速度有其臨界上限范圍。攪拌功率與攪拌轉速的關系，是機械攪拌通氣發(fā)酵罐的比擬放大基準。5.攪拌轉速與攪拌功率攪拌轉速對發(fā)酵液的混合狀態(tài)、溶氧速率、6.泡沫高度發(fā)酵液泡沫產(chǎn)生的原因是多方面的，最主要的是培養(yǎng)基中所固有的或是發(fā)酵過程中生成的蛋白質(zhì)、菌體、糖類以及其他穩(wěn)定泡沫的表面活性物質(zhì)，加上通氣發(fā)酵過程大量的空氣泡以及厭氣發(fā)酵過程中生成的CO2氣泡，都會導致生物發(fā)酵液面上生成不同程度的泡沫層。6.泡沫高度7.培養(yǎng)基流加速度對生物發(fā)酵的連續(xù)操作或流加操作過程，均需連續(xù)或間歇往反應器中加入新鮮培養(yǎng)基，且要控制加入量和加入速度，以實現(xiàn)優(yōu)化的連續(xù)發(fā)酵或流加操作，獲得最大的發(fā)酵速率和生產(chǎn)效率。流加培養(yǎng)7.培養(yǎng)基流加速度流加培養(yǎng)8.黏度（或表觀黏度）

培養(yǎng)基的黏度主要受培養(yǎng)基的成分及濃度、細胞濃度、溫度、代謝產(chǎn)物等影響。發(fā)酵液的黏度（或表觀黏度）對溶液的攪拌與混合、溶氧速率、物質(zhì)傳遞等有重要影響，同時對攪拌功率消耗及發(fā)酵產(chǎn)物的分離純化均起著重要作用。8.黏度（或表觀黏度）二、化學參數(shù)1.pH每一種生物細胞均有最佳的生長增殖pH值，細胞及酶的生物催化反應也有相應的最佳pH范圍。在培養(yǎng)基制備及產(chǎn)物提取、純化過程也必須控制適當?shù)膒H。因此生物反應生產(chǎn)對pH的檢測控制極為重要。二、化學參數(shù)1.pH2.溶氧濃度和氧化還原電位好氣性發(fā)酵過程中，液體培養(yǎng)基中均需維持一定水平的溶解氧，以滿足生物細胞呼吸、生長及代謝需要。溶解氧水平和溶氧效率往往是發(fā)酵生產(chǎn)水平和技術經(jīng)濟指標的重要影響因素。對一些亞好氧的生物發(fā)酵反應如某些氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)，在產(chǎn)物積累時，只需很低的溶解氧水平。這樣低的溶解氧濃度使用氧化還原電極電位計（ORP儀）來測定微小的溶氧值。谷氨酸發(fā)酵溶氧變化2.溶氧濃度和氧化還原電位好氣性發(fā)酵過程中，液體培養(yǎng)基中均需3.發(fā)酵液中溶解CO2濃度對通氣發(fā)酵生產(chǎn)，由于生物細胞的呼吸和生物合成，培養(yǎng)液中的氧會被部分消耗，而溶解的CO2含量會升高。對大部分的好氧發(fā)酵，當發(fā)酵液中溶解CO2濃度增至某值時，就會使細胞生長和產(chǎn)物生成速率下降。圖7-1谷氨酸發(fā)酵的代謝曲線3.發(fā)酵液中溶解CO2濃度圖7-1谷氨酸發(fā)酵的代謝曲線4.呼吸代謝參數(shù)微生物的氧利用速率、二氧化碳釋放速率、呼吸熵.氧利用速率（OUR）二氧化碳釋放速率（CER）呼吸熵（RQ）（假設流出反應器的氣體流量與空氣流入量相等，空氣中氧濃度為21%，二氧化碳的濃度為零，測量到排出氣體的氧濃度為O2出%，二氧化碳的濃度為CO2出%，則由氣相物料平衡計算可得上式）4.呼吸代謝參數(shù)5．氧比消耗速率（rO2）氧比消耗速率稱為菌體的呼吸強度，即每小時每單位重量的菌體所消耗的氧的數(shù)量，其單位為毫克分子氧/克干菌體小時。5．氧比消耗速率（rO2）1.細胞濃度及酶活特性菌體的濃度與酶的活動中心密切相關。通過菌體干重的測定，可以了解生物的生長狀態(tài)，從而控制和改變生產(chǎn)工藝或補料和供氧，保證達到較好的生產(chǎn)水平。酶做催化劑的生化反應，則酶濃度（活度）是必須檢測監(jiān)控的參變量。三、生物參數(shù)1.細胞濃度及酶活特性三、生物參數(shù)2.菌體形態(tài)菌體形態(tài)的變化也是反應它的代謝變化的重要特征?？梢愿鶕?jù)菌體的形態(tài)不同，區(qū)分出不同的發(fā)酵階段和菌體的質(zhì)量。2.菌體形態(tài)3.菌體比生長速率(μ)每小時每單位重量的菌體所增加的菌體量稱為菌體的比生長速率，單位為h-1。菌體的比生長速率與生物的代謝有關。比生長速率變化3.菌體比生長速率(μ)比生長速率變化4.培養(yǎng)基質(zhì)濃度和產(chǎn)物濃度培養(yǎng)液基質(zhì)濃度則是發(fā)酵轉化率及產(chǎn)物得率的重要衡量。掌握了發(fā)酵液中的產(chǎn)物濃度，就可確定發(fā)酵的進程以及決定發(fā)酵是否正常及是否需要結束發(fā)酵?；|(zhì)與產(chǎn)物濃度的檢測、控制對各種發(fā)酵均是必要的。4.培養(yǎng)基質(zhì)濃度和產(chǎn)物濃度第二節(jié)生化過程常用檢測方法、儀器

及應用

一、檢測方法及儀器組成在線檢測離線檢測

第二節(jié)生化過程常用檢測方法、儀器

及應用

一、檢測方法及儀研究微生物生長過程所需要的檢測參數(shù)大多是通過在反應器中配置各種傳感器和自動分析儀來實現(xiàn)的。這些裝置能把非電量參數(shù)轉化為電信號，這些信號經(jīng)適當處理后，可用于監(jiān)測發(fā)酵的狀態(tài)、直接作發(fā)酵閉環(huán)控制和計算間接參數(shù)。研究微生物生長過程所需要的檢測參數(shù)大多是通過在反應器中配置各發(fā)酵過程對傳感器的要求發(fā)酵過程對傳感器的常規(guī)要求為準確性、精確度、靈敏度、分辨能力要高，響應時間滯后要小，能夠長時間穩(wěn)定工作，可靠性好，具有可維修性。必須考慮衛(wèi)生要求，發(fā)酵過程中不允許有其他雜菌污染。一般要求傳感器能與發(fā)酵液同時進行高壓蒸汽滅菌，不耐受蒸汽滅菌的傳感器可在罐外用其他方法滅菌后無菌裝入。要求傳感器與外界大氣隔絕，采用的方法有蒸汽汽封、O形圈密封、套管隔斷等。應選用不易污染的材料如不銹鋼，防止微生物附著及干擾，便于清洗，不允許泄漏。傳感器只與被測變量有關而不受過程中其他變量和周圍環(huán)境條件變化影響的能力，如抗氣泡及泡沫干擾等。發(fā)酵過程對傳感器的要求發(fā)酵過程對傳感器的常規(guī)要求為準確性、精采用滅菌的微孔陶瓷管或滲透膜管置反應器內(nèi)，可連續(xù)在線無菌取樣檢測采用滅菌的微孔陶瓷管或滲透膜管置反應器內(nèi)，可連續(xù)在線無菌取對于揮發(fā)性物質(zhì)的檢測，如酒精發(fā)酵過程中的乙醇含量測定，可采用微孔管在線取樣檢測法疏水性聚四氟乙烯微孔管：水不可透過，發(fā)酵液中揮發(fā)成分（乙醇）可透過對于揮發(fā)性物質(zhì)的檢測，如酒精發(fā)酵過程中的乙醇含量測定，可采用二、主要參數(shù)檢測原理及應用1.溫度的測量常用工業(yè)溫度檢測儀表有熱電阻檢測器（RTD）、半導體熱敏電阻、熱電偶和玻璃溫度計等。其中熱電阻是中低溫區(qū)最常用的溫度檢測元件，具有性能穩(wěn)定、測量精度高、在中低溫區(qū)輸出信號大、信號可以遠傳等優(yōu)點。二、主要參數(shù)檢測原理及應用1.溫度的測量生物工程設備5-第五章-生物反應器的檢測與控制設備課件2.溶氧濃度的檢測溶氧電極法2.溶氧濃度的檢測溶氧電極法體積溶氧系數(shù)(Ｋla)的測量

用溶氧電極與氧氣分析儀相配合，可直接測

量實際發(fā)酵液中的Ｋla

（式中Ｃ進，Ｃ＊為常量：Ｃ出可用氧氣分析儀自排出氣體測得，Ｃ為培養(yǎng)液中的溶氧濃度用溶氧電極測得）體積溶氧系數(shù)(Ｋla)的測量

用溶氧電極與氧氣分析儀相3.pH值的測量為了測量pH值，需要一個測量電極和一個參比電極，其工作原理是利用玻璃電極與參比電極浸泡于某一溶液時具有一定的電位差，其pH可表示為：pH3.pH值的測量為了測量pH值，需要一個測量電極和一個現(xiàn)在一般采用復合電極。在復合電極中，玻璃電極由參比電極包裹著。溫度對pH值的準確測量有很大的影響，為了補償溫度的影響，在pH復合電極中加一溫度敏感元件，從而構成測量電極、參比電極和溫度傳感元件三位一體的三合一電極，對環(huán)境溫度有很好的補償作用?，F(xiàn)在一般采用復合電極。在復合電極中，玻璃電極由參比電極包裹著復合電極結構復合電極結構溶氧電極溶氧電極4.氧化還原電位（ORP）測定ORP的檢測原理是基于溶液中的金屬電極上進行的電子交換達到平衡時，具有相應的氧化還原電位值,與pH和溫度有關。表示式為：4.氧化還原電位（ORP）測定ORP的檢測原理是基于5.液位和泡沫高度的檢測液位的檢測主要方法電容法壓差法

電導法5.液位和泡沫高度的檢測電容式液面計在反應器或其他容器中裝設兩根金屬電極，由于容器內(nèi)液位不同就使得兩導線間的電位發(fā)生改變，并通過與基準點間的物料量的值進行比較，就可得知發(fā)酵罐或容器內(nèi)的物料量或液位。如罐內(nèi)有泡沫，要測定泡沫高度，那必須注意基準位置的選定。電容式液面計

壓差法

利用發(fā)酵罐或容器中上下兩點或三點間不同壓強就可計算出料液量和液面高度。發(fā)酵液位高H可由下式求算，H=（ΔP2/ΔP1）×ΔH壓差法電容探頭電阻探頭電熱探頭超聲探頭泡沫檢測轉盤泡沫的檢測電容探頭泡沫的檢測電容探頭由兩個電極組成，泡沫改變兩個電極之間的電容，引起通過該電容的交流電流產(chǎn)生變化，將氣泡的出現(xiàn)轉變成電信號，達到檢測氣泡的目的。優(yōu)點是結構簡單，輸出電信號的大小與泡沫量呈正比，因此常應用在大型生物反應器中。缺點：兩個電極容易結垢，影響測量。電容探頭由兩個電極組成，泡沫改變兩個電極之間的電容，引起通過超聲探頭超聲探頭有一個超聲波發(fā)射端和一個接受端，分別安裝在反應器內(nèi)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，大部分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)。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6.溶解CO2濃度的檢測利用對CO2有特殊選擇滲透通過特性的微孔膜，使擴散通過的CO2進入飽和碳酸氫鈉緩沖溶液中，平衡后顯示的pH與溶解的CO2濃度成正比，由此原理并通過變換就可測出溶解CO2濃度。6.溶解CO2濃度的檢測利用對CO2有特殊選擇滲透通生物工程設備5-第五章-生物反應器的檢測與控制設備課件7.培養(yǎng)基和液體流量計液體質(zhì)量流量計電磁流量計漩渦流量計轉子流量計7.培養(yǎng)基和液體流量計液體質(zhì)量流量計工作原理與結構橢圓齒輪流量計是由計量箱和裝在計量箱內(nèi)的一對橢圓齒輪，與上下蓋板構成一個密封的初月形空腔（由于齒輪的轉動，所以不是絕對密封的）作為一次排量的計算單位。當被測液體經(jīng)管道進入流量計時，由于進出口處產(chǎn)生的壓力差推動一對齒輪連續(xù)旋轉，不斷地把經(jīng)初月形空腔計量后的液體輸送到出口處，橢圓齒輪的轉數(shù)與每次排量四倍的乘積即為被測液體流量的總量（原理見圖）。工作原理與結構生物工程設備5-第五章-生物反應器的檢測與控制設備課件生物工程設備5-第五章-生物反應器的檢測與控制設備課件液體直通流量計液體直通流量計電磁流量計電磁流量計電磁流量計的測量原理是基于法拉第電磁感應定律：導電液體在磁場中作切割磁力線運動時，導體中產(chǎn)生感應電勢，

其感應電勢E為：E=KBVD

（式中：K－儀表常數(shù)B－磁感應強度V－測量管道截面內(nèi)的平均流速D－測量管道截面的內(nèi)徑）測量流量時，導電性液體以速度V流過垂直于流動方向的磁場，導電性液體的流動感應出一個與平均流速成正比的電壓，其感應電壓信號通過二個或二個以上與液體直接接觸的電極撿出，并通過電纜送至轉換器通過智能化處理，然后LCD顯示或轉換成標準信號4～20ma和0－1khz輸出。電磁流量計的測量原理是基于法拉第電磁感應定律：漩渦流量計當沿著軸向的流體流量傳感器入品時，在漩渦發(fā)生體的作用下，被強制圍繞中心線旋轉，產(chǎn)生漩渦流，漩渦流在文丘利管中旋進，到達收縮段突然節(jié)流后，使漩渦流加速，當通過擴散段時，漩渦中心沿一錐形螺旋線進動。此時，漩渦中心通過檢測點的進動頻率與流體的流速成正比。漩渦流量計當沿著軸向的流體流量傳感8.培養(yǎng)液尾氣分析尾氣總流量：轉子流量計尾氣中二氧化碳的含量尾氣中的氧含量尾氣中其他氣體的分析：工業(yè)質(zhì)譜儀8.培養(yǎng)液尾氣分析尾氣總流量：轉子流量計生物工程設備5-第五章-生物反應器的檢測與控制設備課件尾氣總流量：轉子流量計原理：

在一定流量下轉子在測量管仲的懸浮高度不同，讀出相應的刻度即可得到流量值。尾氣總流量：轉子流量計原理：質(zhì)量流量計精確的測量。結構原理：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。當流過管道的流量不同時，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(zhì)量流量。質(zhì)量流量計精確的測量。沒有空氣流動時，沿測量管軸方向的溫度分布大體上是左右對稱的，而有空氣流過時，近氣流進入端的溫度降低，而流出端的溫度上升沒有空氣流動時，沿測量管軸方向的溫度

排氣中CO2濃度常用檢測儀有紅外線二氧化碳測定儀和二氧化碳電極。CO2氣體在紅外2.6～2.9×103和4.1～4.5×103nm之間有吸收峰，依據(jù)朗伯－比爾定律：排氣中CO2濃度排氣的氧分壓的測定氣體中氧濃度檢測方法主要有磁氧分析、極譜電位法和質(zhì)譜法。磁氧分析根據(jù)氧氣分子具有很強的順磁性，容易被磁場吸引，而其他分子的順磁性弱，或者具有抗磁性的原理測量氣體中的氧含量。排氣的氧分壓的測定氣體中氧濃度檢測方法主要有磁氧分析、極譜電生物工程設備5-第五章-生物反應器的檢測與控制設備課件英國MI公司尾氣分析儀發(fā)酵在線尾氣分析儀發(fā)酵在線尾氣分析系統(tǒng)英國MI公司尾氣分析儀發(fā)酵在線尾氣分析儀發(fā)酵在線尾氣分析系統(tǒng)8.細胞濃度測定對于生物反應器在線檢測用的生物傳感器或普通的傳感器，必須盡可能滿足下述要求:①響應要連續(xù)、迅速②靈敏度應在0.02g/L以上③電極本身對生物細胞無影響④檢測過程對細胞無損傷，不必加藥；⑤可檢測含固體微粒營養(yǎng)物質(zhì)的發(fā)酵液⑥易于清洗、滅菌8.細胞濃度測定對于生物反應器在線檢測用的生物傳感器或普通的全細胞濃度儀常用流通式濁度計用的光源可用可見單色光、激光或紫外光，最常用的為可見光或同一波長的激光束，前者的波長400～660nm之間，根據(jù)不同的生物細胞選用不同的波長。在一定的細胞濃度范圍，全細胞濃度與光密度(也稱消光系數(shù)，OD)值成線性關系。若應用激光束作光源，可測全細胞濃度的范圍是O～200g/L(濕細胞)，精度在±l%FS，響應時間只用ls。全細胞濃度儀常用流通式濁度計用的光源可用可見單色光、激光或紫LabScan型實時在線濁度計

LabScan型實時在線濁度計活細胞濃度測定發(fā)酵液中活細胞濃度的測定原理是利用活生物細胞催化的反應或活細胞本身特有的物質(zhì)而使用生物光或化學發(fā)光法進行測定。例如，活生物細胞為了維持呼吸與代謝，必須有一定的能量物質(zhì)ATP，其含量視細胞種類及活性等不同而變化，生長條件相同的同一類細胞所具有的ATP水平是一樣的。當細胞死滅，其中的ATP就迅速水解而消失，因此可通過發(fā)酵液的ATP濃度檢測來確定活細胞濃度。活細胞濃度測定發(fā)酵液中活細胞濃度的測定原理是利用活生物細胞催英國ABER公司原位活細胞在線檢測儀英國ABER公司原位活細胞在線檢測儀德國OPTEK發(fā)酵(BIOMASS)生物量密度分析儀德國OPTEK發(fā)酵(BIOMASS)三、生物發(fā)酵溶液中營養(yǎng)成分與產(chǎn)物的分析對發(fā)酵生產(chǎn)，反應溶液中的營養(yǎng)成分和產(chǎn)物、副產(chǎn)物的分析測定是十分重要的。但至今大多數(shù)的成分仍未能在線檢測，通常是在反應器中裝設微孔陶瓷取樣器或滲透膜取樣器進行無菌取樣；然后使用HPLC或GC等儀器或化學方法進行檢測。三、生物發(fā)酵溶液中營養(yǎng)成分與產(chǎn)物的分析發(fā)酵液中營養(yǎng)成分與產(chǎn)物發(fā)酵液中營養(yǎng)成分與產(chǎn)物液相色譜氣相色譜常見發(fā)酵檢測儀器設備液相色譜氣相色譜常見發(fā)酵檢測儀器設備美國YSI

葡萄糖生化分析儀國產(chǎn)葡萄糖生化分析儀美國YSI

葡萄糖生化分析儀國產(chǎn)葡萄糖生化分析儀自動凱氏定氮儀原子吸收分光光度計自動凱氏定氮儀原子吸收分光光度計在線分析儀器設備高壓液相分析系統(tǒng)（HPLC）流動注射式（FlowInjectionAnalyser）分析系統(tǒng)映像在線監(jiān)控系統(tǒng)在線分析儀器設備高壓液相分析系統(tǒng)（HPLC）高壓液相分析系統(tǒng)（HPLC）發(fā)酵液過濾后進入過濾取樣模件FAM，由HPLC系統(tǒng)分析。數(shù)據(jù)傳到主計算機高壓液相分析系統(tǒng)（HPLC）發(fā)酵液過濾后進入過濾取樣模件FA高壓液相分析系統(tǒng)高壓液相分析系統(tǒng)實質(zhì)是將樣品送至檢測裝置的一種手段，可以直接將樣品送至檢測裝置，也可與載氣、反應劑混合送至檢測系統(tǒng)發(fā)酵罐中發(fā)酵液經(jīng)過濾器過濾，清液注入探測器，檢測。流動注射式分析系統(tǒng)

（FlowInjectionAnalyser）實質(zhì)是將樣品送至檢測裝置的一種手段，可以直接將樣品送至檢測裝FIAlabInstruments流動注射式分析系統(tǒng)

FIAlabInstruments映像在線監(jiān)控系統(tǒng)即直接將光學顯微鏡安裝在反應器中，可以觀察到細胞的數(shù)目，單個細胞的尺寸和形態(tài)，還可利用熒光顯微鏡同時估計細胞代謝過程。映像在線監(jiān)控系統(tǒng)即直接將光學顯微鏡安裝在反應器中，可以觀察到華東理工大學研制華東理工大學研制四、生物傳感器在發(fā)酵過程檢測中的應用生物傳感器：利用生物材料和適當?shù)霓D換元件制成的傳感器生物材料：固定化酶、微生物、抗原抗體、生物組織等轉換元件：電化學電極、熱敏電阻等四、生物傳感器在發(fā)酵過程檢測中的應用生物傳感器：利用生物材料生物工程設備5-第五章-生物反應器的檢測與控制設備課件

酶電極微生物電極免疫電極酶電極酶傳感器一些常用酶電極的性能被測物質(zhì)酶名電極類別穩(wěn)定性/d應答時間測定范圍/mg·L-1葡萄糖葡萄糖氧化酶H2O210010s1~5×102半乳糖半乳糖氧化酶H2O220~40—10~103乙醇乙醇氧化酶O212030s5~103乳酸乳酸氧化酶O23030s5~103丙酮酸丙酮酸氧化酶O2102min10~103尿酸尿酸酶O212030s10~103尿素尿素酶NH3601~2min10~103膽固醇膽固醇脂酶膽固醇氧化酶H2O2303min10~5×103中性脂肪脂肪酶pH141min5~5×103青霉素青霉素酶pH7~140.5~2min10~103丙谷轉氨酶丙酮酸氧化酶O2102~10min0.5~180快速，靈敏！酶傳感器一些常用酶電極的性能被測物質(zhì)酶名電極類別穩(wěn)定性/d應細胞培養(yǎng)方面使用的傳感器被測物質(zhì)所使用的酶濃度范圍/mmol·L-1抗壞血酸（VC）抗壞血酸氧化酶0.05~0.6纖維素二糖β-葡萄糖苷酶+葡萄糖氧化酶+過氧化氫酶0.05~5.0頭孢菌素頭孢菌素酶0.005~10肌酸酐肌酸酐、亞胺水解酶0.01~10乙醇乙醇氧化酶0.01~1半乳糖半乳糖氧化酶0.01~1葡萄糖葡萄糖氧化酶+過氧化氫酶0.001~0.8乳酸乳酸單氧酶0.002~2乳糖乳糖酶+葡萄糖氧化酶+過氧化氫酶0.05~10草酸草酸氧化酶0.005~0.5青霉素β-內(nèi)酰胺酶0.01~500蔗糖轉化酶（蔗糖酶）0.05~100甘油三酯脂蛋白、脂肪酶0.1~5.0尿素尿素酶0.01~500細胞培養(yǎng)方面使用的傳感器被測物質(zhì)所使用的酶濃度范圍/mmo第三節(jié)生物反應器的優(yōu)化控制生物反應器的優(yōu)化控制概述生化反應過程的主要控制參數(shù)生物反應器的優(yōu)化控制第三節(jié)生物反應器的優(yōu)化控制生物反應器的優(yōu)化控制概述+205計算機技術的快速發(fā)展工業(yè)設備技術水平的大幅度進步自動控制技術被廣泛用于發(fā)酵過程的控制特別高端發(fā)酵制藥行業(yè)，應用更多一、生物反應器優(yōu)化控制概述+87計算機技術的快速發(fā)展工業(yè)設備技術水平的大幅度進步自動控206發(fā)酵罐(A)

原料預處理與輸送(B)蒸汽系統(tǒng)(C)降溫水系統(tǒng)(D)空氣系統(tǒng)(E)種子供給(F)尾氣(I)、廢液處理(J)補料系統(tǒng)(G)檢測與控制系統(tǒng)(H)發(fā)酵罐設備系統(tǒng)組成(A

B

C

D

E

F

G

H

I

)發(fā)酵罐系統(tǒng)設計示意圖88發(fā)酵罐(A)原料預處理與輸送(B)蒸汽系統(tǒng)(C)降溫水發(fā)酵自動控制技術基本原理207(A

B

C

D

E)工作原理：各種檢測設備的原始檢測信號A被轉換器B轉化為計算機識別的通用信號C（一般為4-20mA的電流信號），并被輸入工業(yè)計算機，然后，計算機根據(jù)設定值發(fā)出反饋控制信號

(D)，經(jīng)過控制器(E)對各個

參數(shù)進行調(diào)節(jié)與控制。發(fā)酵自動控制技術基本原理89(ABC生物工程設備5-第五章-生物反應器的檢測與控制設備課件圖7-17用于微生物發(fā)酵過程的某個計算機控制系統(tǒng)示意圖圖7-17用于微生物發(fā)酵過程的某個計算機控制系統(tǒng)示意圖生物工程設備5-第五章-生物反應器的檢測與控制設備課件分布式控制系統(tǒng)（DCS）211(A

B

C

D

E)DCS分布式控制系統(tǒng)

發(fā)酵工業(yè)常用的一種自動控制

系統(tǒng)。DCS系統(tǒng)組成：

現(xiàn)場儀表、各種信號轉換與

傳輸設備、操作員站、

工程師站、主機等組成。操作員站：分布在各個現(xiàn)場主機：多采用冗余配置。DCS系統(tǒng)設備組成分布式控制系統(tǒng)（DCS）93(ABC發(fā)酵通氣自動控制技術發(fā)酵通氣自動控制技術生物工程設備5-第五章-生物反應器的檢測與控制設備課件目的：使生物反應處于最佳的反應條件下，反映在生產(chǎn)上就是以最少的消耗產(chǎn)生最優(yōu)、最多的合格產(chǎn)品。在實際運行過程中，生物反應器的主要控制參數(shù)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、呼吸熵、基質(zhì)等。二、生化反應過程的主要控制參數(shù)目的：使生物反應處于最佳的反應條件下，反映在生產(chǎn)上就是以最少溫度的控制生物反應的最佳溫度范圍是比較狹窄的，所以發(fā)酵過程需把生物反應器的溫度控制在某一定值或區(qū)間內(nèi)。在冷卻水溫度比較穩(wěn)定的情況下，生化反應器的溫度常采用單回路的PID控制。這樣的溫度控制系統(tǒng)由四個環(huán)節(jié)組成，即溫度測量元件，通常用鉑熱電阻溫度計T，控制器，調(diào)節(jié)閥和被控過程的生化反應器（發(fā)酵罐）。溫度的控制生物反應的最佳溫度范圍是比較狹窄的，所以發(fā)酵過程需如右圖所示，控制器使用溫度探頭感應反應器內(nèi)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，控制儀打開電加熱器，使溫度升高?？刂苾x使用開、關控制的辦法，配合冷水將溫度控制在一定的范圍，溫度控制精度可小于+0.5度。如右圖所示，控制器使用溫度探頭感應反應器內(nèi)的溫度，當溫度大溫度控制儀使用鉑電阻探頭感知生物反應器內(nèi)的溫度，與設定溫度比較后，調(diào)節(jié)外置水浴的冷水進口閥門和加熱裝置以改變水浴內(nèi)的溫度，水浴內(nèi)的換熱介質(zhì)通過生物反應器的內(nèi)置換熱器，或者夾套換熱器與培養(yǎng)液進行熱交換，從而維持反應器溫度在一定范圍。溫度控制儀使用鉑電阻探頭感知生物反應器內(nèi)的溫度，與設定溫度溶氧控制由于溶氧濃度受到傳氧與耗氧兩方面影響，從耗氧方面考慮，溶氧濃度可作為補料控制的依據(jù)。從傳氧方面考慮，一般通過加大攪拌轉速、通氣量或罐頂壓力的方法，提高氧傳遞速率。溶解氧通過控制發(fā)酵罐壓力、空氣流量及攪拌轉速的方法來控制。由于壓力控制系統(tǒng)與空氣流量控制系統(tǒng)相互有影響，即有耦合作用。因為提高發(fā)酵壓力，使發(fā)酵中二氧化碳的溶解度也增加，這不僅會改變發(fā)酵液的pH值，而且會影響氧的溶解度，因此，常用控制空氣流量和轉速的方法控制溶解氧。溶氧控制由于溶氧濃度受到傳氧與耗氧兩方面影響，從耗氧方面考慮生物工程設備5-第五章-生物反應器的檢測與控制設備課件使用了三個閥門分別調(diào)節(jié)高濃度氧、氮氣、和空氣進入速度。生物反應器內(nèi)的溶氧濃度由溶氧電極傳到溶氧濃度