第四章 反应器的检测及控制.ppt

第四章 生物反应器的检测及控制 第一节 检测的主要参变量 一、自动检测过程 如：发酵罐的温度自动调节系统 1、温度测定 测温原理：两根不同材料的 导体连接的两处温度不同时 产生热电动势。 热电偶种类 铂铑——铂热电偶 -20~1300?C，价高 镍铬—— 镍铝热电偶 -50~1000?C，价低 镍铬—— 考铜热电偶 -50~600?C，价低 铂铑——铂铑热电偶 300~1600?C，价高 2、培养基和液体流量 3、气体流量计 4、发酵液黏度检测 （1） 振动式 原理：利用插入发酵液中的金属棒的振动特性与液体粘度有一定的关系，即可测出黏度。 特点：仅能测黏度相对值，精度也差。 （2）发酵液循环黏度测定 方法：装设自动无菌取样系统，使发酵液通过取样管路流过旋转式粘度计或毛细管粘度计进行测定。 测量范围：0.015-100Pa.S， 响应时间几十秒。 （1）转速 ? 转速大小与罐体积有关，如：1~3L可达1000~1500r/min，可用直流电机或变频器无级变速；100m3罐仅约100r/min，不调速。 ? 测定方法：A 磁感应式 光感应式 ? 原理：利用装在轴上的感应光片切 割磁场或光束产生脉冲信号，信号频率等于转速。 B 测速发电机 ? 原理：利用在搅拌轴上或电机轴上装设一小型发电机，其输出电压与转速成线性关系。 测出参比电极与玻璃电极之间的电动势，据pH=0.43F(E0-E)/RT计算。 原理：参比电极中装有100 mL的饱和KCl溶液，在恒压差（1atm下）， KCl以恒速通过微孔膜流入发酵液，构成盐桥，把参比电极与发酵液构成电通路，通过玻璃电极下端的半球形膜与发酵液构成电通路，将两电极用导线连起，测其间的电动势即可求pH。 7 溶氧浓度的测定——溶氧电极法 原理：半透膜只透气体不透水，在容积电池中加几毫升电解质溶液(如KCl)，在两极间产生一个电位。使阳极的银变成银离子进入电解质溶液，放出的电子在阴极把透过半透膜的氧还原成OH-，将电极插入不同的发酵液中，则产生相应的电流，可把电流转化成相应的溶氧相对值显示出来。 8 溶解CO2检测 原理：用对CO2分子有特殊选择渗透特性的微孔膜，使扩散通过的CO2进入饱和的NaHCO3中，平衡后溶液pH 与溶解CO2浓度成正比。 pH = -lg(ka/aHCO3-) – lg(aCO2) 式中：Ka NaHCO3离解平衡常数 aHCO3-与aCO2 饱和NaHCO3溶液中两离子的活度 测量范围：1.5~1500g/m3，精度：±2%~5%FS，响应时间：数十秒至数分钟。 注意事项：因灭菌后NaHCO3会部分水解，故每次灭菌后应校准再用。 9 排出气体中O2浓度测定 方法：磁导式氧分析仪 原理：据O2的磁化系数为N2的245倍， CO2的169倍，即空气中的总磁化系数决定于O2组分变化。 将被测样品气体导入磁场，在非均匀磁场范围内气体分子上的力可导致压强的变化，均匀磁场与非均匀的压强差为： Δp= ?0H2?M /2 磁化率 ?M = (?o2 - ?B) c o2/100+ ?B 式中： ?0 常数； H 磁场强度； ?o2 氧的体积磁化率； ?B 背景气体磁化率； c o2 发酵排气氧浓度。 测量范围：0.5%~100%，精度： ±1%~2%FS， 响应时间：数秒到数十秒。 排出气体中CO2浓度测定 方法：用红外线CO2测定仪 原理：在波长2.6~2.9×103和4.1~4.5×103nm，CO2通过时光强减弱，减弱量服从： lg(I/I0) = a L/CCO2 式中： I0 、I入射光强和衰减后光强度； a 光吸收系数； L 光透过气体的距离，m； CCO2 CO2气体浓度，%。 11 细胞浓度 （1）全细胞浓度：在线检测采用浊度法。人工检测用干重、湿重、湿体积等方法。 （2）活细胞浓度：利用活细胞某些物质的生物发光或化学发光性。 第三节 生物过程控制概论 * 灭菌速度与时间 加热蒸汽压强 反应速度与无菌度 酸、碱及消泡剂用量 固体发酵速率与效果 湿度 细胞生长及反应速率 冷却介质流量与温度 溶氧速率及混合状态 搅拌转速 溶氧速率及混合状态 搅拌功率 细胞生长及无菌状态 发酵液黏度 溶氧与搅拌速率 通气量 生物反应速率 培养基流加速度 操作稳定性