Chapter 4

生物反应器参数 的检测和控制

用于发酵工程中的传感器，除了应满足对 一般测量仪器的要求外，还应具有以下几 个方面的特性： ⑴传感器能安装在发酵罐内耐受高压蒸汽 (120~135℃,30min以上)无菌处理。 ⑵传感器及二次仪表具有长期工作稳定性， 在1~2周内其测定误差应小于5%。 ⑶最好能在使用过程中随时校正。 ⑷材料不易老化，使用寿命长。 ⑸传感器探头安装和使用方便。 ⑹探头不易被物料粘住、堵塞。

目前已设计出先进的能在发酵罐内装设的 有测定温度、pH、溶氧、氧化还原电位、 泡沫和液位等参数的传感器，但是还有许 多重要的传感器，特别是能监测化学物质 变化的生物传感器还难于在罐内使用。为 此，在生产实践中可用以下的补救办法使 用这些传感器达到在线测定的目的

⑴传感器可用一些化学试剂进行冷灭菌，如还氧 乙烷、过氧乙酸或季铵盐类等，然后用无菌手续 安装到罐内。这种方法只适用于小型发酵罐。⑵ 采用连续取样或罐外循环的办法，把不耐热的传 感器安装在罐外流动样品槽内，以便可以用化学 试剂对整个罐外循环系统灭菌，灭菌后再用无菌 水冲洗，然后与发酵罐内接通。⑶用多孔氟塑料 管道(透气法)监测惰性载气带出的样品(例如， 挥发性有机化合物如乙醇等被输送到有传感器的 容器内测量)。⑷利用透析装置，以水为载体， 使发酵液中的低分子化合物透过半透膜，进入水 中被输送到有传感器的容器中测定。

发酵过程变化的参数一类是可以直接采用特定的传感器监测的参数。 它们包括各种反映物理环境和化学环境变化的参 数，如：温度、压力、搅拌功率、转速、泡沫、 发酵液粘度、浊度、pH、离子浓度、溶解度、基 质浓度等，又被称为直接参数。 另一类参数是到目前为止还没有可供使用的传感 器监测的参数，它们包括细胞生长速率、产物合 成速率和积累速率、呼吸商等。这些参数需要根 据一些直接监测出来的参数，借助于电脑快速运 算的功能和特定的数学模型才能得到。因此这类 参数又被称为间接参数。

发酵过程中的直接参数的检测1、温度的影响及检测 ： 影响发酵温度的因素 Q发酵= Q生物+Q搅拌–Q蒸发–Q显热–Q辐射 2、温度对发酵的影响 由于微生物反应是由各种生物酶参加的反应，所以 从酶动力学来看，温度升高，反应速度加大，生 长代谢加快，产物生产期提前。但酶本身很易因 热而失去活性，温度越高，酶的失活也越快。它 表现在菌体易于衰老，发酵周期缩短，产物产量 减少。

温度除了直接影响发酵过程中各种反应速 率外，还会通过改变发酵液

的物理性质， 间接影响菌的生物合成。如温度会影响基 质和氧在发酵液中的溶氧和传递速率，菌 体对某些物质的分解吸收速率等 温度还会影响生物合成或代谢调节的方向 和最终产物。这点不难理解，因为温度会 影响生物体内的酶的活性。如，金色链霉 菌能同时产生四环素和金霉素。在30℃以 下时，该菌主要合成金霉素。35℃时，该 菌只产生四环素而停止生成金霉素。

温度测定最适温度选择最适于菌体生长和产物合成 的温度 温度可以通过水银温度计、热电铝、热敏 电阻和金属电阻温度计监测发酵系统中的 温度，并通过与其相偶联的执行机构(如 改变冷却水阀门的开度)对发酵温度进行 自动控制。

2.泡沫的控制⑴泡沫的产生及其影响 降低了发酵罐的填料系数 ；增加了微生物 菌群的非均一性 ；增加了污染杂菌的机会 ； 大量起泡引起“逃液，导致产物损失 起泡剂一般都是表面活性物质，这些物质 具有亲水基团和疏水基团。分子带极性的 一端向着水溶液，非极性的一端向着空气， 并在表面作定向排列，增加了泡沫的强度

泡沫的控制

聚二甲 基硅氧 烷及其 衍生物

机械消泡是根据物理学的原理，即靠机械作用引 玉米油、 起压力变化(挤压)或强烈振动，促使泡沫破裂， 豆油、棉 这种消泡装置可放在罐内或罐外 聚氧丙烯甘油 子油猪油、 (GP)和聚氧乙 鱼油 消泡剂消泡 ：天然油脂类、聚醚类 、硅酮类 烯氧丙稀甘油

常用安装在发酵罐中的电导式或电容式泡沫探头 监测泡沫，并与消泡装置或消泡剂添加装置联接 控制泡沫。

(泡敌)。用量， 0.03~0.035%

压力可用相当简单的薄膜式压力计测量，这种 压力计能经得起灭菌处理。测得的气动信 号可直接或通过一简单的装置转换为电信 号，启动装在发酵罐上的罐压调节阀以调 节罐压。

轴输入功率两种用来测量轴功率的装置，即扭力(功 率)计和应变仪。由于扭力计系统只能放 在罐外测量，其测定值包含轴封摩擦力的 损失。用应变仪测量则可以避免这一缺点， 虽然仪器较贵，但是其精度较高，还是值 得应用的。

搅拌器转速发酵罐的搅拌器的转速，依罐的大小而异。 小罐的搅拌器转速要比大罐的快些。但是 所有发酵罐搅拌器的叶尖的线速度，在一 般情况下几乎是恒定的值，即为150~300。

空气流量通入发酵罐中的无菌空气的流量常用转子 流量计测定。流量计中浮动转子的位置可 以通过电容或电阻原理转换为电信号，经 过放大之后启动控制器便可实现气体流量 控制自动化。

料液流量常用的流体流量检测器有转子流量计(像 气体流量计一样也可以制成能实

现自动控 制的型式)、电磁流量计和通过测定发酵 罐的重量变化间接测定液体流量的应变器。

浊度浊度测量尚未得到应有的注意。浊度对某 些产品的生产量是及其重要的，因为它可 以及时反映细胞的生长状况。目前浊度测 量只限于采用定时取样的离线测定方法。 显然这种测定方法不能及时反映发酵罐的 浊度变化。一般可用比浊计或分光光度计 测定样品的浊度。