发酵工程与设备2005版(第一篇)第五章生物反应器的检测与控制研讨.ppt

第一节：生化过程主要检测的参变量 物理参数：温度、压强、搅拌速率、通气量、补料速率、粘度等。 化学参数：pH、溶氧、溶解CO2浓度、排气O2、CO2分压等（成熟）；糖、氮、产物等（未成熟）。 间接参数：细胞浓度、产物浓度、氧利用速率、呼吸商、比生长速率、 CO2释放速率等。 （一）设定参数 温度 压强 通气量 液面 搅拌转速与搅拌功率 泡沫高度 补料流速 培养基质浓度和产物浓度 （二）状态参数 粘度（表观粘度） pH 溶氧 溶解CO2浓度 细胞浓度 菌体形态 （三）间接参数 呼吸代谢参数 氧利用速率（OUR）： CO2释放速率（CER): 呼吸商（RQ）： F:空气流量 V:反应液体积 菌体比生长速率（μ）： 氧比消耗速率（ro2）：呼吸强度 细胞得率（Yx/s） 产物得率（Yp/s） 第二节：主要参数对生物反应过程的影响及其检测与控制 ■检测方式及仪器的组成 检测方式：在线检测（DO值、pH值、温度、 压力等）； 离线检测。 仪器组成 ?在线无菌取样系统 ?微孔管在线取样装置 1、温度 温度对发酵的影响 ： 一方面是影响各种酶反应的速率和蛋白质的性质，如生长和分泌产物的各种酶； 另一方面，温度的变化会影响发酵液的物理性质，如发酵液的黏度、基质和氧在发酵液中的 溶解度和传递速率、某些基质的分解和吸收速率等，进而影响发酵的动力学特性和产物的生物合成。 发酵罐温度的检测： 温度可由温度计、热电偶、热敏电阻及金属电阻温度计予以检测。其中，以金属电阻温度计为常用的仪表温度计，其感温元件为铂电阻或铜电阻，铂电阻价格较贵，但因其精度高、稳定性好、性能可靠而最为常用；铜电阻的电阻 丝细长且体积稍大，超过100℃时易被氧化。 发酵罐温度的控制 对于小型设备，常用半导体温度计或水银触点温度计作测量和控温用。温度控制系统则是以生化反应器温度为被控变量，以冷却水流量为控制变量的简单PID单回路控制系统。 对大型反应器，常用铂电阻温度计和半导体温度计测温。温控系统采用生化反应温度为主回路，以冷却水流量为副回路的串级控制方案。 2、压力 罐压对发酵的影响 ： 在工业发酵中，发酵罐内一般都要保持正压以防上外界空气中的杂菌侵入而造成污染。一般罐压维持在0.03～0.1MPa之间，其压力范围视不同发酵要求而不同。另外，发酵罐操作压力的变化，将会引起02和C02在发酵液中的分压改变，也就是说，影响溶解氧浓度和溶解的二氧化碳浓度的变化，从而进—步影响菌体生长与代谢。 发酵罐压力的检测： 压力的测量通常采用隔膜式压力计，这种压力计适宜在无菌状态下测量罐压的装置除就地用膜式压力计外，还有通过多种类型的信号转换器将压力信号转变成电信号远传的附属装置。 发酵罐压力的控制： 由于发酵罐压力的改变主要受供给的消毒空气的压力变化的影响，通常靠排气管路上的截止 阀手动调节排出气体的量，以保持发酵所需要的罐压。如果需要通过测量发酵过程中溶氧浓度或二氧化碳浓度，进而测定一些间接参数kLa，则此时需对罐压进行自动控制和记录， 比较简单的罐压自控装置是用一个自动的气动薄膜阀来进行控制。 3 黏度 黏度与发酵的关系 ： 不同类型的微生物，在其发酵进程中，发酵液黏度的变化有着各自的规律。例如，对于可产生孢子的丝状微化物，在其液体发酵前期的菌丝生长阶段，表现为黏度逐渐增大；而在发酵后期的产孢阶段，随着菌丝的断裂、自溶和孢子形成，又会呈现出黏度下降的规律；因此，黏度大小可以作为细胞生长或细胞形态的一项指标，同时也能反映发酵罐中菌丝降解过程的情况，了解黏度随培养时间而变化的规律，对发酵工艺调控是很有益的。另外，从发酵液黏度对发酵的影响看，随发酵液黏度的增加，不利于氧的传递，从而影响好氧发酵。 黏度的检测 ： 目前，尚无在线测量发酵液黏度的仪器供应，现有黏度计只能用于间歇取样罐外测量发酵液黏度。（若需在线，可装设自动无菌取样循环系统，使发酵液通过取样管路流过黏度计来实现。） 主要有毛细管黏度计、回转式黏度汁、涡轮旋转式黏度计、振动式黏度传感仪等。 前两种易受菌丝团或培养基较大颗粒聚集的影响，导致测量值波动，有时还因蛋白质类物质在黏度计壁上结膜或悬浮液沉降、分层，使测定无法进行，只是对于个别固形物含量很少且很稀薄的发酵液才适用。而涡轮旋转式黏度汁则克服了上述缺点，可取得较好的测量结果， 因此最为常用。振动式黏度传感仪只能测定黏度相对值，且精确度差。 黏度的控制 ： 由于黏度高不利于氧传递，一般对黏度