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国家十一五规划教材《生物工艺学》（邱树毅主编）配套课件共57页第2页目录目录•第一章绪论•第二章工业微生物菌种选育、制备与保藏•第三章工业培养基及其设计•第四章生物工艺过程中的无菌技术•第五章生物反应动力学•第六章发酵过程原理•第七章生物反应器及生物工艺过程的放大•第八章生物反应过程参数检测与控制•第九章生物产品分离及纯化技术•第十章生物产品工艺学及应用共57页第3页目录第八章生物反应过程参数检测与控制•8.1生物反应过程参数•8.2生物反应过程参数检测◊8.2.1直接状态参数检测◊8.2.2间接状态参数检测•8.3生物反应过程的自动控制◊8.3.1基本自动控制系统◊8.3.2发酵自控系统的硬件结构◊8.3.3先进控制理论在发酵过程控制中的应用共57页第4页目录8.1生物反应过程参数•生物反应过程参数的检测是发酵控制的重要依据，通过参数的变化趋势，把握发酵变化规律，调整发酵控制方式，判断发酵终点结束时间。•根据参数的性质可将生物反应过程参数分为：化学参数物理参数生物学参数共57页第5页目录生物反应参数一览表参数种类参数名称参数单位参数意义及主要作用物理参数温度K，℃维持菌体正常的生长、生产状态压力Pa维持发酵罐正压，增加溶氧、防止染菌气体流量m3/h反映供氧能力及排气大小液体流量m3/h反映前体、碳源、氮源、消沫剂流加速率，体现菌体消耗基质、前体、好氧等情况搅拌转速m3/h物料混合，提高传质效率粘度Pa·s反映菌体生长变化及对KLa影响发酵罐装液量L，m3反映发酵液装载量及其体积变化浊度(透光率)%反映菌体的生长情况发酵液密度g/cm3,Kg/m3反映发酵液性质泡沫液位反映菌体代谢情况共57页第6页目录参数种类化学参数参数名称参数种类参数意义及主要作用pH反映菌体的代谢情况，维持菌体正常的生长、生产状态溶氧浓度(饱和)%反映供氧及菌体需氧情况溶解CO2(饱和)%间接反映菌体代谢情况并可了解CO2对菌体发酵的影响尾气O2%反映供氧及菌体需氧情况尾气CO2%反映生长、菌体代谢情况尾气成分%反映菌体生长、代谢情况氧化还原电位mV反映供氧情况总糖和还原糖浓度g/L,%反映菌体对糖的消耗情况前体及中间体浓度了解产物合成情况，防止前体对菌体的毒性影响无机盐浓度mol,mg/L,%了解无机盐离子对发酵的影响mg/L,%共57页第7页目录参数种类生物参数参数名称参数种类参数意义及主要作用菌体浓度反映菌体生长状况菌体中的DNA，RNA含量mg/g了解菌体生长状况菌体中的ATP、AMP、ADP含量mg/g反映菌体能量代谢状况菌体中的NADP或NADP(H)含量了解菌体的合成能力mg/g菌体中的蛋白质含量mg/g了解菌体的生长及产物合成情况细胞形态了解菌体生长状况g/L共57页第8页目录生物反应过程参数温度发酵温度维持在菌体生长、生产的最适温度范围，有利于充分发挥菌体的生产能力，温度的高低与发酵中的反应速率、氧在发酵液中的溶解度和传递速率、菌体生长速率和产物合成速率等有密切关系。不同产品、发酵阶段所需温度不同。气体流量也称为通风量，即每分钟内单位发酵液中通入空气的体积，在好氧的发酵过程中，均要连续(或间歇)往反应器中液体通入大量的无菌空气，以达到预期的混合效果和溶氧速率，在固态发酵过程中还能对发酵温度进行一定的控制。通气量过高会引起泡沫多，造成逃液、固态发酵水分损失大耗能高。压力是指发酵过程中发酵罐所维持的压力大小，罐内维持正压可以防止外界环境中的杂菌侵入而避免污染。同时罐压的高低还与氧和二氧化碳的溶解度有关，间接影响菌体代谢。共57页第9页目录生物反应过程参数液体流量对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。另外，对冷却水的流量控制可控制发酵温度。搅拌转速机械搅拌式发酵罐中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，从而影响生物细胞的生长、产物的生成、搅拌功率消耗等。同时，搅拌转速的升高增大对菌体的剪切力，所以对其有临界上限范围。发酵罐装液量发酵罐装液量大小是发酵罐设计的重要因素，它决定了罐体的装液系数，影响发酵罐的生产效率。考虑泡沫增大导致的液面升高、排气带出一定水分，发酵需维持最佳液位，必要时补加培养基和无菌水。共57页第10页目录生物反应过程参数泡沫液位发酵液面上的泡沫层，如果控制不好，就会大大降低发酵罐的有效反应空间，使装料系数低。甚至导致发酵液随泡沫从排气管溢出造成“逃液”的现象，增大损耗，并增加染菌的机会。粘度发酵液的粘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。粘度对发酵液的搅拌、混合、溶氧速率、传质、搅拌功率消耗、发酵产物的分离纯化等均有重要影响。PH是最重要的发酵过程参数之一。与发酵温度一样，菌体发酵均有最佳的生长、生产pH范围，实现细胞及酶的生物催化反应的pH要求。同时产物提取、纯化也需控制适当的PH值。共57页第11页目录生物反应过程参数溶氧浓度和氧化还原电位在好氧发酵过程中，发酵液中均需维持一定水平的溶解氧(DO)，以满足生物细胞呼吸、生长及代谢需要，较大程度地影响发酵生产水平。不同的发酵生产和不同的发酵时间，均有适宜的溶氧浓度。此外，溶氧浓度还可作为是否染杂菌或噬菌体的间接参数。对于兼性好氧发酵，DO过高过低都不行，目前DO电极不易测定较低的溶氧浓度，故用氧化还原电极电位计来测定微小溶氧值。CO2浓度对部分发酵过程中，发酵液中溶解的CO2浓度对发酵有一定的抑制作用，所以需控制其浓度。对于光照自养微藻培养，保证其适当的浓度有利于细胞产量的提高。基质浓度发酵液中糖、氮、磷等重要营养物质浓度的变化对产物的合成有着重要的影响，是提高代谢产物产量的重要控制手段。在发酵过程中，必须定时测定糖(还原糖和总糖)、氮(氨基酸或氨氮)、重要的无机盐等基质的浓度。共57页第12页目录生物反应过程参数菌体浓度生化反应过程都是通过菌体的各种酶类来促使反应进行的，所以通过菌体浓度的测定，可以了解生物的生长状态，从而控制和改变生产工艺、或补料和供氧，保证达到较好的生产水平。对于酶作催化剂的反应，酶浓度（活度）是必测的参数。菌体形态在生化反应过程中，菌体形态的变化也是反应其代谢变化的重要特征。可以根据菌体的形态不同，作为衡量种子质量、区分发酵阶段、控制发酵过程的代谢变化和决定发酵周期的依据之一。DNA或RNADNA、RNA是细胞生长的基本物质，以DNA或RNA为参数可以判断生长繁殖的情况，清楚地区分发酵的各个阶段。共57页第13页目录8.2生物反应过程参数检测生物反应过程参数的检测是为了取得生物反应过程及其菌株的生理生化的特征数据，以便对过程进行有效控制。研究微生物生长过程所需要的检测参数大多是通过在反应器中配置各种传感器和自动分析仪来实现的，这些装置能把非电量参数转化为电信号，这些信号经适当处理后，可用于监测发酵的状态、直接作发酵闭环控制和计算间接参数。共57页第14页目录生物传感器测量原理共57页第15页目录发酵过程对传感器的要求发酵过程对传感器的常规要求为准确性、精确度、灵敏度、分辨能力要高，响应时间滞后要小，能够长时间稳定工作，可靠性好，具有可维修性。对发酵用传感器的特殊要求是由发酵反应的特点决定的，发酵底物中含有大量的微生物，必须考虑卫生要求，发酵过程中不允许有其他杂菌污染。传感器与发酵液直接接触，一般要求传感器能与发酵液同时进行高压蒸汽灭菌，不能耐受蒸汽灭菌的传感器可在罐外用其他方法灭菌后无菌装入。发酵过程中保持无菌，要求传感器与外界大气隔绝，采用的方法有蒸汽汽封、O形圈密封、套管隔断等。发酵用传感器容易被培养基和细菌污染，应选用不易污染的材料如不锈钢，同时要注意结构设计，选择无死角的形状和结构，防止微生物附着及干扰，便于清洗，不允许泄漏。传感器只与被测变量有关，具有不受过程中其他变量和周围环境条件变化影响的能力，如抗气泡及泡沫干扰等。共57页第16页目录生物反应过程参数检测离线测量是指在一定时间内离散取样，在反应器外进行样品处理和分析测量，包括常规的化学分析系统和自动实验分析系统。在线检测是仪器的电极等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，如溶氧浓度、pH、罐压等；在在线检测的参数中又根据是否能直接反映菌体的生理代谢状态，分为直接状态参数及间接状态参数。可粗略地把检测仪器分成在线检测和离线检测两大类共57页第17页目录变量测量范围准确度或精度/%变量测量范围准确度或精度/%温度0～150℃0.01液位开/关搅拌转速0～3000r/min0.2pH2～120.10～2×105Pa罐压0.1pO20％～100％饱和1质量90～100kg0～lkg0.10.01pCO20～10000Pa1液体流量0～8m3/h尾气尾气16％～21％0％～5％1110~2kg/h0.5荧光0～5V稀释速率0～1h-10.5氧还电位0.6～0.3V0.2通气量0～2m3/(m3.min)RQ0.5～20(mol/L)/(mol/L)取决于传递误差泡沫开/关开/关0～100AU变化很大MSL挥发物碳酸盐0～100g/L2～50～10g/L1～5有机酸0～1g/L1～4甲醇,乙醇丙酮0～10g/L0～10g/L丁酮红霉素0~20g/L8其他副产物0～5g/L2～5在线FIA葡萄糖NH4+PO43-在线HPLC酚气泡1～51～50～100g/L0～10g/L0～10g/L0～100mg/L开/关211～42～5在线GC乙酸羟基丙酮丁二醇乙醇甘油0～5g/L0～l0g/L0～10g/L0～5g/L0～lg/L2～72829典型生物状态变量的测量范围和准确度或控制变量的精度共57页第18页目录8.2.1直接状态参数检测直接状态参数是指能反映反应过程中微生物的生理代谢状况的参数，如pH、溶氧浓度、溶解CO2、尾气O2、尾气CO2、粘度、菌体浓度等。共57页第19页目录参数名称测定方法测定原理输出信号特征铂电阻、热敏电阻等温度传感器热质量流量计温度电阻随温度的变化而变化连续，模拟变量气体流量气流带走的热量与质量流量呈正比连续，模拟变量液体流量蠕动泵荷重传感器玻璃量筒转速与流量成正比传感器电阻正比于荷重筒内液面探头与电磁阀组成回路间歇，开关量连续，模拟变量连续或间歇，模拟变量搅拌转速频率计数器光反射计数连续，二进码转速表感应电流与转速成正比连续，模拟变量粘度旋转粘度计剪切力与转速之比随粘度而变化间歇，二进码裝量压差传感器荷重传感器荷重正比于传感器静压差与液层深度成正比连续，模拟变量连续，模拟变量泡沫电导或电容探头探头与液面及电磁阀组成回路间歇，开关变量溶氧浓度复膜溶氧电极O2通过膜扩散入探头，在金属电极上进行电子转移反应产生电流连续，模拟变量溶解CO2CO2探头CO2通过膜扩散入探头引起电解液pH的变化连续，模拟变量尾气O2顺磁氧分析仪氧的特异顺磁性影响磁场强度连续，模拟变量尾气CO2红外分析仪CO2吸收红外光连续，模拟变量尾气成分质谱离子化后依据质/荷比分离、检测连续或间歇，模拟变量氧化还原电位氧化还原电极电极间的氧化还原电位随溶液中氧化物及还原物之比的对数而变化连续，模拟变量发酵工程中直接状态参数检测共57页第20页目录温度测量感温元件：铂电阻（精、稳但贵）；铜电阻（便宜、但需长、大，易氧化）；半导体（精、小、简、耐腐蚀但非线形）。二次仪表：温度，0—150℃，与热电阻型号匹配。直接状态参数检测共57页第21页目录热量测量（属“微热量”）①利用热交换原理，测量一定时间内冷却水的流量和冷却水进出口温度（影响因素较多Q散Q显Q搅，只能定性和估计）②利用温度变化率S（℃/h）：先使罐温恒定，再关闭自控装置，测量S；③热力学方法：根据盖斯定律：“在恒压和恒容条件下，一个反应不论是一步完成或几步完成，其反应热是相同的”。这实际上是热力学第一定律的必然推论，因为焓（H）是状态函数，过程的焓变与途径无关，只决定于过程的始态和终态。发酵热可根据标准燃烧热或标准生成热来计算。直接状态参数检测