第四章 生物反应器的检测及控制 生化过程主要检测参变量 生化过程常用检测方法及仪器
第四章 生物反应器的检测及控制 生化过程主要检测参变量 生化过程常用检测方法及仪器
第一节 生物加工过程的参数 要对生化过程进行有效的操作和控 制，首先要了解生化过程的状态变化， 也就是要了解生化过程的各种信息。这 些信息可以分为物理变量信息、化学变 量信息、以及生物变量信息
第一节 生物加工过程的参数 要对生化过程进行有效的操作和控 制，首先要了解生化过程的状态变化， 也就是要了解生化过程的各种信息。这 些信息可以分为物理变量信息、化学变 量信息、以及生物变量信息
一、设定参数 1．压强 对通气生物发酵反应，必须往反应器中通入无菌 的洁净空气，一是供应生物细胞呼吸代谢所必须的氧， 二是强化培养液的混合与传质，三是维持反应器有适 宜的表压，以防止外界杂菌进入发酵系统。对气升式 反应器，通气压强的适度控制是高效溶氧传质及能量 消耗的关键因素之一。 2．温度 不同的生物细胞，均有最佳的生长温度或产物生 成温度，而酶也有最适的催化温度，所以必须使反应 体系控制在最佳的发酵反应温度范围
一、设定参数 1．压强 对通气生物发酵反应，必须往反应器中通入无菌 的洁净空气，一是供应生物细胞呼吸代谢所必须的氧， 二是强化培养液的混合与传质，三是维持反应器有适 宜的表压，以防止外界杂菌进入发酵系统。对气升式 反应器，通气压强的适度控制是高效溶氧传质及能量 消耗的关键因素之一。 2．温度 不同的生物细胞，均有最佳的生长温度或产物生 成温度，而酶也有最适的催化温度，所以必须使反应 体系控制在最佳的发酵反应温度范围
3．通气量 不论是液体深层发酵或是固体通风发酵，均要 连续（或间歇）往反应器中通入大量的无菌空气。 为达到预期的混合效果和溶氧速率，以及在固体发 酵中控制发酵温度，必须控制工艺规定的通气量。 过高的通气量会引起泡沫增多，水分损失太大 以及通风耗能上升等不良影响
3．通气量 不论是液体深层发酵或是固体通风发酵，均要 连续（或间歇）往反应器中通入大量的无菌空气。 为达到预期的混合效果和溶氧速率，以及在固体发 酵中控制发酵温度，必须控制工艺规定的通气量。 过高的通气量会引起泡沫增多，水分损失太大 以及通风耗能上升等不良影响
4．液面 液面的高低决定了反应器装液系数即影响生产 效率；对通风液体深层发酵，初装液量的多少即液面 的高低需按工艺规定确定，否则通入空气后发酵液的 含气率达一定值，液面就升高，加之泡沫的形成，故 必须严格控制培养基液面。对气升内环流式反应器， 由于导流筒应比液面低一适当高度才能实现最佳的环 流混合与气液传质，但在通气发酵过程中，排气会带 出一定水分，故反应器内培养液会蒸发减少，因此液 面的检测监控更重要，必要时需补加新鲜培养基或无 菌水，以维持最佳液位。同理，连续发酵过程液位必 须维持恒定，液面的检测控制也十分重要
4．液面 液面的高低决定了反应器装液系数即影响生产 效率；对通风液体深层发酵，初装液量的多少即液面 的高低需按工艺规定确定，否则通入空气后发酵液的 含气率达一定值，液面就升高，加之泡沫的形成，故 必须严格控制培养基液面。对气升内环流式反应器， 由于导流筒应比液面低一适当高度才能实现最佳的环 流混合与气液传质，但在通气发酵过程中，排气会带 出一定水分，故反应器内培养液会蒸发减少，因此液 面的检测监控更重要，必要时需补加新鲜培养基或无 菌水，以维持最佳液位。同理，连续发酵过程液位必 须维持恒定，液面的检测控制也十分重要
5．搅拌转速与搅拌功率 搅拌转速对发酵液的混合状态、溶氧速率、物质传递等有 重要影响，同时影响生物细胞的生长、产物的生成、搅拌功率 消耗等。对某一确定的发酵反应器，当通气量一定时，搅拌转 速升高，其溶氧速率增大，消耗的搅拌功率也越大。在完全湍 流的条件下，搅拌功率与搅拌转速的三次方成正比。 某些生物细胞如动植物细胞、丝状菌等，对搅拌剪切敏感， 故搅拌转速和搅拌叶尖线速度有其临界上限范围。 搅拌功率与搅拌转速的关系，是机械搅拌通气发酵罐的比 拟放大基准。 3 5 P = NP N Di
5．搅拌转速与搅拌功率 搅拌转速对发酵液的混合状态、溶氧速率、物质传递等有 重要影响，同时影响生物细胞的生长、产物的生成、搅拌功率 消耗等。对某一确定的发酵反应器，当通气量一定时，搅拌转 速升高，其溶氧速率增大，消耗的搅拌功率也越大。在完全湍 流的条件下，搅拌功率与搅拌转速的三次方成正比。 某些生物细胞如动植物细胞、丝状菌等，对搅拌剪切敏感， 故搅拌转速和搅拌叶尖线速度有其临界上限范围。 搅拌功率与搅拌转速的关系，是机械搅拌通气发酵罐的比 拟放大基准。 3 5 P = NP N Di
6．泡沫高度 发酵液泡沫产生的原因是多方面的，最主要的是培养基 中所固有的或是发酵过程中生成的蛋白质、菌体、糖类以及 其他稳定泡沫的表面活性物质，加上通气发酵过程大量的空 气泡以及厌气发酵过程中生成的CO2气泡，都会导致生物发 酵液面上生成不同程度的泡沫层。 7．培养基流加速度 对生物发酵的连续操作或流加操作过程，均需连续或间 歇往反应器中加入新鲜培养基，且要控制加入量和加入速度， 以实现优化的连续发酵或流加操作，获得最大的发酵速率和 生产效率
6．泡沫高度 发酵液泡沫产生的原因是多方面的，最主要的是培养基 中所固有的或是发酵过程中生成的蛋白质、菌体、糖类以及 其他稳定泡沫的表面活性物质，加上通气发酵过程大量的空 气泡以及厌气发酵过程中生成的CO2气泡，都会导致生物发 酵液面上生成不同程度的泡沫层。 7．培养基流加速度 对生物发酵的连续操作或流加操作过程，均需连续或间 歇往反应器中加入新鲜培养基，且要控制加入量和加入速度， 以实现优化的连续发酵或流加操作，获得最大的发酵速率和 生产效率
8．冷却介质流量与速度 为保持反应器系统的温度在工艺规定的范围 内，必须用水等冷却介质通过热交换器把发酵热 移走。根据生化反应器的热量平衡算式： Q发酵 + Q0 = Q冷却 ( ) T2 T1 Q F c 冷却 = W −
8．冷却介质流量与速度 为保持反应器系统的温度在工艺规定的范围 内，必须用水等冷却介质通过热交换器把发酵热 移走。根据生化反应器的热量平衡算式： Q发酵 + Q0 = Q冷却 ( ) T2 T1 Q F c 冷却 = W −
9．培养基质浓度和产物浓度 ◼ 培养液基质浓度则是发酵转化率及产物得率的 重要衡量。 ◼ 掌握了发酵液中的产物浓度，就可确定发酵的 进程以及决定发酵是否正常及是否需要结束发 酵。 ◼ 基质与产物浓度的检测、控制对各种发酵均是 必要的
9．培养基质浓度和产物浓度 ◼ 培养液基质浓度则是发酵转化率及产物得率的 重要衡量。 ◼ 掌握了发酵液中的产物浓度，就可确定发酵的 进程以及决定发酵是否正常及是否需要结束发 酵。 ◼ 基质与产物浓度的检测、控制对各种发酵均是 必要的
二、状态参数 1．黏度（或表观黏度） 培养基的黏度主要受培养基的成分及浓度、细胞浓 度、温度、代谢产物等影响。而发酵液的黏度（或 表观黏度）对溶液的搅拌与混合、溶氧速率、物质 传递等有重要影响，同时对搅拌功率消耗及发酵产 物的分离纯化均起着重要作用。 2．pH 每一种生物细胞均有最佳的生长增殖pH值，细胞 及酶的生物催化反应也有相应的最佳pH范围。而 在培养基制备及产物提取、纯化过程也必须控制适 当的pH。因此生物反应生产对pH的检测控制极为 重要
二、状态参数 1．黏度（或表观黏度） 培养基的黏度主要受培养基的成分及浓度、细胞浓 度、温度、代谢产物等影响。而发酵液的黏度（或 表观黏度）对溶液的搅拌与混合、溶氧速率、物质 传递等有重要影响，同时对搅拌功率消耗及发酵产 物的分离纯化均起着重要作用。 2．pH 每一种生物细胞均有最佳的生长增殖pH值，细胞 及酶的生物催化反应也有相应的最佳pH范围。而 在培养基制备及产物提取、纯化过程也必须控制适 当的pH。因此生物反应生产对pH的检测控制极为 重要