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1第五章 生物反应器的检测及控制2主要内容一一. 生化过程主要检测的参变量生化过程主要检测的参变量二二. 生化过程常用检测方法及仪器生化过程常用检测方法及仪器 主要参数检测方法、原理及仪器主要参数检测方法、原理及仪器三三. 生物传感器的研究开发与应用生物传感器的研究开发与应用 生物传感器的类型及结构原理生物传感器的类型及结构原理3检测和控制的目的：检测和控制的目的： 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，节省能源和劳动力，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：生物反应器的检测： 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，并通过光电信号转换等技术用二次仪表显示或通过计算机处理打印出来检测和控制技术的发展趋势：检测和控制技术的发展趋势： 生物反应系统参数的特征是多样性的，不仅随时间而变化，且变化规律也不是一成不变的，属于非线性系统随着各类传感器的开发和计算机技术的广泛应用，检测和控制技术越来越趋向智能化和自动化，检测技术向快速、多样化发展。

4（（1）进行检测的目的；）进行检测的目的；（（2）有多少必须检测的状态参数，参变量能否检测；）有多少必须检测的状态参数，参变量能否检测；（（3）参数能否检测，其响应滞后是否太长；）参数能否检测，其响应滞后是否太长；（（4）利用检测结果怎样判断生物反应器及生物细胞本身的状态；）利用检测结果怎样判断生物反应器及生物细胞本身的状态；（（5）需控制的主要参变量是哪些，与生物反应效能如何相关对应需控制的主要参变量是哪些，与生物反应效能如何相关对应生物反应过程及反应器的检测控制中应考虑的问题：生物反应过程及反应器的检测控制中应考虑的问题：5第一节第一节. 生化过程主要检测的参变量生化过程主要检测的参变量6参变量参变量测试方法测试方法影响的状态影响的状态温度温度传感器传感器影响反应速度及稳定性影响反应速度及稳定性罐压罐压压力表压力表影响溶氧速率、无菌操作影响溶氧速率、无菌操作空气流量空气流量传感器传感器供氧、排泄废气、提高供氧、排泄废气、提高KLa搅拌速率与搅拌功率搅拌速率与搅拌功率传感器传感器物料混合、提高物料混合、提高KLa液面液面传感器传感器反映生产率、操作稳定性反映生产率、操作稳定性泡沫泡沫传感器传感器反映操作稳定性反映操作稳定性培养基流加速度培养基流加速度传感器传感器反映耗氧情况反映耗氧情况加消泡剂速率加消泡剂速率传感器传感器反映泡沫情况反映泡沫情况冷却介质流量与速度冷却介质流量与速度传感器传感器反映基质利用情况反映基质利用情况产物浓度产物浓度取样（传感器）取样（传感器）生物反应效率生物反应效率基质浓度基质浓度取样取样反应速率及转化率反应速率及转化率生物反应器中的参变量及其测试概况生物反应器中的参变量及其测试概况（（a）设定参数）设定参数7（（b）状态参数）状态参数参数名称参数名称测试方法测试方法意义意义浊度浊度传感器传感器反映细胞生长情况反映细胞生长情况粘度粘度粘度计粘度计反映细胞生长及无菌状态反映细胞生长及无菌状态细胞浓度细胞浓度取样取样了解生长情况和反应速率了解生长情况和反应速率细胞中细胞中ATP、、ADP取样取样了解细胞的能量代谢活力了解细胞的能量代谢活力细胞中细胞中NADH荧光法荧光法了解细胞的合成能力了解细胞的合成能力溶氧浓度溶氧浓度传感器传感器了解供氧情况和反应速率了解供氧情况和反应速率氧化还原电位氧化还原电位ORP仪仪测定极微小的溶氧浓度测定极微小的溶氧浓度排气的排气的O2浓度浓度传感器传感器了解氧利用速率了解氧利用速率溶解溶解CO2浓度浓度传感器传感器了解反应速率了解反应速率排气的排气的CO2浓度浓度传感器（红外吸收）传感器（红外吸收）了解氧利用速率和呼吸速率了解氧利用速率和呼吸速率pH值值传感器传感器细胞生长及产物或副产品生成细胞生长及产物或副产品生成8第二节第二节 生化过程常用检测方法及仪器生化过程常用检测方法及仪器9一、检测方式及仪器的组成检测检测（On-line measurement）： 仪器的电极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。

如发酵液的溶氧浓度、pH及温度、罐压等有利于自动控制或优化控制要求要求所用的传感器能耐受蒸汽加热灭菌，有较高的精度和稳定性，响应时间不能过长基本构成基本构成：传感器、信号转换、信号放大、输出显示离线检测离线检测（Off-line measurement）： 是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10二、主要参数检测原理及仪器二、主要参数检测原理及仪器取样系统取样系统温度测定温度测定压强测定压强测定液位液位液体流量计液体流量计气体流量计气体流量计pH值的测定值的测定溶氧浓度溶氧浓度细胞浓度细胞浓度11§ 取样系统取样系统微孔管取样装置12§ 温度的测定温度的测定 主要仪表有：主要仪表有：热电阻检测器热电阻检测器（（resistance thermal detector，，RTD））、半导体热敏电阻、、半导体热敏电阻、热电偶热电偶、玻璃温度计玻璃温度计热电阻测温热电阻测温是基于金是基于金属导体的电阻值随温属导体的电阻值随温度的增加而增加这一度的增加而增加这一特性来进行温度测量特性来进行温度测量的热电阻大都由纯的热电阻大都由纯金属材料制成，目前金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采此外，现在已开始采用镍、锰和铑等材料用镍、锰和铑等材料制造热电阻。

制造热电阻 1314导体或半导体的导体或半导体的电阻电阻值值随着随着温度温度的变化而的变化而变化的特性，具有灵变化的特性，具有灵敏度高，响应时间短，敏度高，响应时间短，体积小、结构简单、体积小、结构简单、耐腐蚀性好、寿命长耐腐蚀性好、寿命长但因其温度与电阻值但因其温度与电阻值的关系非线性，所以的关系非线性，所以使用也不多使用也不多半导体热敏电阻15ABCet热热 电电 偶偶热电效应：将两种不同的导体或半导体连接成闭合回路热电效应：将两种不同的导体或半导体连接成闭合回路,当当两个接点处的温度不同时两个接点处的温度不同时,回路中将产生热回路中将产生热电势电势,这种现象称这种现象称为为热电热电效应效应,又称为又称为塞贝克塞贝克效应1617§ 罐压检测：罐压检测： 隔膜式压力表；隔膜式压力表； 18电容式液面计电容式液面计液位和泡沫高度的检测液位和泡沫高度的检测19§ 液位的检测液位的检测 压差法压差法20§ 培养基和液体流量测定培养基和液体流量测定椭圆流量计工作原理图• 椭圆流量计椭圆流量计 21§ 培养基和液体流量测定培养基和液体流量测定• 科里奥利质量流量计（科里奥利质量流量计（CMFCMF）） 利用流体在直线运动的同时处于一旋转系中，产生与质量流量成正利用流体在直线运动的同时处于一旋转系中，产生与质量流量成正比的科里奥利力原理制成的一种直接式质量流量仪表。

比的科里奥利力原理制成的一种直接式质量流量仪表22电磁流量计是一种根据法拉第电磁感应定律来测量管内导电介质体积流量的感应式仪表23气体流量计体积流量型气体流量计根据流动气体动能的转换及流动类型改变而检测其流量转子流量计24气体热质量流量传感器气体热质量流量传感器§ 气体流量测量气体流量测量不平衡电桥输出的电势不平衡电桥输出的电势 E＝＝ kcqm25发酵液黏度的检测仪器由同步电机以稳定的速度旋转, 连接刻度圆盘,再通过游丝和转轴带动转子旋转,如果转子未受到液体的阻力,则游丝、指针与刻度盘同速旋转,指针在刻度盘上指出的读数为”0”.反之,如果转子受到液体的粘滞阻力,则游丝产生扭矩,与粘滞阻力抗衡最后达到平衡,这时与游丝连接的指针在刻度盘上指示一定的读数(即游丝的扭转角).将读数乘上特定的系数即得到液体的粘度 26搅拌转速和搅拌功率1、搅拌转速的测定磁感应式、光感应式和测速电机2、搅拌转速的调节直流电机、调速电机及变频器3、搅拌功率测定测定驱动电机功率P=2∏nM27§ pH的检测的检测pH测定仪：复合测定仪：复合pH电极，具有结构紧凑，可蒸汽加热灭菌的优点电极，具有结构紧凑，可蒸汽加热灭菌的优点。

工作原理：利用工作原理：利用指示电极指示电极与与参比电极参比电极浸泡于某一溶液时各具有一定的电浸泡于某一溶液时各具有一定的电位，其位，其电位差与电位差与pH有关有关：：E= E0-（2.30259RT/F）PH 28§ pH电极电极注意电极的玻璃微孔膜的保护29n 溶氧浓度的检测溶氧浓度的检测溶氧电极法溶氧电极法阴极还原阴极还原: O2+2H2O+4e-4OH-阳极氧化阳极氧化: 4Ag+4Cl-4Ag++4Cl-+4e-总反应总反应: O2+2H2O+4Ag+4Cl-4OH-+4AgCl电子流动形成的电流与阴极上被还原的氧量成正比电子流动形成的电流与阴极上被还原的氧量成正比30生化过程常用检测方法及仪器生化过程常用检测方法及仪器Ø 主要参数检测原理及仪器主要参数检测原理及仪器§ 溶解溶解CO2浓度的测定浓度的测定 溶解溶解CO2浓度的检测原理是浓度的检测原理是利用对利用对CO2分子有特殊选择渗分子有特殊选择渗透性的微孔膜，并使扩散通过透性的微孔膜，并使扩散通过的的CO2进入饱和碳酸钠缓冲液进入饱和碳酸钠缓冲液中，平衡后显示的中，平衡后显示的pH与溶解的与溶解的CO2浓度成正比，由此可测出浓度成正比，由此可测出溶解溶解CO2浓度。

浓度CO2电极结构电极结构31n 氧化还原电位（氧化还原电位（ORP）的检测）的检测当溶液中金属电极上进行的电子交换达到平衡时，具有相应的氧化当溶液中金属电极上进行的电子交换达到平衡时，具有相应的氧化还原电位值表示式为：还原电位值表示式为：32n 排气的氧分压的测定排气的氧分压的测定生化过程常用检测方法及仪器生化过程常用检测方法及仪器Ø主要参数检测原理及仪器主要参数检测原理及仪器 气体中氧浓度的检测方法主气体中氧浓度的检测方法主要有磁氧分析、极谱电位法和要有磁氧分析、极谱电位法和质谱法被检测排气的磁化率为：被检测排气的磁化率为： 在均匀磁场与无磁场的空间存在均匀磁场与无磁场的空间存在压强差：在压强差：33n 排气的排气的CO2分压的测定分压的测定生化过程常用检测方法及仪器生化过程常用检测方法及仪器Ø主要参数检测原理及仪器主要参数检测原理及仪器 排气中排气中CO2浓度常用检测仪有浓度常用检测仪有红外线二氧化碳测定仪和红外线二氧化碳测定仪和二氧化二氧化碳电极 CO2气体在红外气体在红外2.6～～2.9×103和和4.1～～4.5×103nm之间有吸收峰，根之间有吸收峰，根据朗伯－比尔定律：据朗伯－比尔定律：34n 细胞浓度的测定细胞浓度的测定l 全细胞浓度的测定：全细胞浓度的测定： 湿重法、干重法、浊度法、湿细胞体积湿重法、干重法、浊度法、湿细胞体积细胞浓度检测浊度计细胞浓度检测浊度计流通式浊度计流通式浊度计注意事项：注意事项：①①适用于游离细胞，因丝状菌的测适用于游离细胞，因丝状菌的测定误差大，应采用湿重法或干重法定误差大，应采用湿重法或干重法测定。

测定②②空气泡会干扰读数，使样液先经空气泡会干扰读数，使样液先经气液分离器脱气后再检测可减少误气液分离器脱气后再检测可减少误差③③传感器的比色皿会因细胞附壁而传感器的比色皿会因细胞附壁而增大测定误差，为尽量使此误差减增大测定误差，为尽量使此误差减至最少，可适当提高发酵液流过光至最少，可适当提高发酵液流过光电比色皿时的速度电比色皿时的速度35l 活细胞浓度的测定活细胞浓度的测定测定原理：利用活生物细胞催化的反应或活细胞本身特有的物质而使用测定原理：利用活生物细胞催化的反应或活细胞本身特有的物质而使用生物发光或化学发光法进行测定生物发光或化学发光法进行测定荧光测量活细胞装置图荧光测量活细胞装置图36生物发酵溶液中营养成分与产物的分析生物发酵溶液中营养成分与产物的分析类别类别检测物质检测物质发酵液待检测的物质成分发酵液待检测的物质成分微生物微生物细胞细胞营养基质营养基质葡萄糖、麦芽糖、乳糖、醋酸、葡萄糖、麦芽糖、乳糖、醋酸、BOD等等产物及副产物产物及副产物乙醇、氨、蛋白质、抗生素、氨基酸、有机酸、酶、乙醇、氨、蛋白质、抗生素、氨基酸、有机酸、酶、CH4、氢等、氢等营养盐生长因子营养盐生长因子无机盐无机盐(K+、、Ca2+、、NH+、、NO3-等等)、生物素、维生素、生物素、维生素动物动物细胞细胞营养基质营养基质葡萄糖、氨基酸等葡萄糖、氨基酸等产物及副产物产物及副产物蛋白质类（蛋白质类（t-PA、、GCSF、、EPO、、INF等等)、乳酸、氨、乳酸、氨生长因子生长因子维生素、激素、抗生素维生素、激素、抗生素植物植物细胞细胞营养基质营养基质糖类、醋酸、硝酸盐、氨基酸等糖类、醋酸、硝酸盐、氨基酸等产物及副产物产物及副产物次生代谢产物（植物色素、皂甙等）、氨、次生代谢产物（植物色素、皂甙等）、氨、CO2生长素生长素维生素、植物激素（维生素、植物激素（2,4-D、、NAA、、6-BA等）等）37第三节第三节 生物传感器生物传感器 ( Biosensor)的研究开发与应用的研究开发与应用38 传感器：能能感感受受(或或响响应应)一一种种信信息息并并转转换换成成可可测测量信号量信号(一般指电学量一般指电学量)的器件。

的器件 生物传感器：：利用生物细胞自身或其中所含有利用生物细胞自身或其中所含有的酶等有生物功能的物质制成的传感器，它是由固的酶等有生物功能的物质制成的传感器，它是由固定化的定化的生物材料生物材料和适当的和适当的换能器件换能器件相结合而构成的相结合而构成的检测器件这类检测仪器被称为生物传感器检测器件这类检测仪器被称为生物传感器生物材料：生物材料：固定化酶、微生物、抗原抗体、生物体组固定化酶、微生物、抗原抗体、生物体组织或器官等织或器官等换能器：换能器：电化学电极、热敏电阻、离子敏感场效应管、电化学电极、热敏电阻、离子敏感场效应管、光纤和压电晶体光纤和压电晶体39一）生物传感器的基本组成一）生物传感器的基本组成敏感元件（分子识别元件）+ 信号转换器件40二）生物传感器的工作原理二）生物传感器的工作原理•将化学信号转变成电信号22341生物传感器的分类42 四）生物传感器的特点四）生物传感器的特点1.由选择性好的主体材料构成分子识别元件，一般由选择性好的主体材料构成分子识别元件，一般不需进行样品的预处理；利用不需进行样品的预处理；利用优异的选择性优异的选择性把样把样品中被测组分的分离和检测统为一体。

品中被测组分的分离和检测统为一体2.体积小、响应快、样品用量少，可以实现体积小、响应快、样品用量少，可以实现连续在连续在位监测位监测3. 敏感材料是固定化的，可以敏感材料是固定化的，可以反复反复多次使用多次使用4. 传感器连同测定仪的传感器连同测定仪的成本成本远低于大型的分析仪器，远低于大型的分析仪器，便于推广普及便于推广普及43第四节生化过程控制概论第四节生化过程控制概论44生物反应过程检测的目的：是为了提供对生物反应有影响的信息，便于对反应器进行适当的控制控制的目的：在于创造良好条件，使生物催化剂处于高效的催化活性状态，以使所进行的生物反应高速、高效、收率高，降低原材料和能量消耗，同时保证产品的质量生物反应器的控制主要包括：温度、pH、溶氧溶度（通气量与搅拌转速）、基质和细胞浓度等的控制45生化过程的控制46生化过程的控制47二、控制系统概述1、程序控制：把运行过程按时间先后预设定其操作顺序以进行控制，称此为程序控制包括：顺序控制、时间控制和条件控制2、发酵过程的常规控制与优化控制生物发酵过程的优化控制包括下述几个方面：①明确控制目标，确定最优化原则②建立数学模型，搞清楚各参变量之间的关系。

•状态估计与参数识别，若目标状态函数不能监测，可利用与目标参变量有已知确定关系且可监测的参变量的定量关系，推算出目标参数的树值•由推定的目标参变量，计算目标函数，进行反应过程的最优控制48小 结一一. 生化过程主要检测的参变量生化过程主要检测的参变量二二. 生化过程常用检测方法及仪器生化过程常用检测方法及仪器* 主要参数检测方法、原理及仪器主要参数检测方法、原理及仪器三三. 生物传感器的研究开发与应用生物传感器的研究开发与应用*＃＃ 生物传感器的类型及结构原理生物传感器的类型及结构原理49思考题 生物传感器有哪些类型？其工作原理分别是什么？。