Chapter4

生物反應(yīng)器參數(shù)的檢測和控制用于發(fā)酵工程中的傳感器，除了應(yīng)滿足對一般測量儀器的要求外，還應(yīng)具有以下幾個方面的特性：⑴傳感器能安裝在發(fā)酵罐內(nèi)耐受高壓蒸汽（120～135℃，30min以上）無菌處理。⑵傳感器及二次儀表具有長期工作穩(wěn)定性，在1～2周內(nèi)其測定誤差應(yīng)小于5％。⑶最好能在使用過程中隨時校正。⑷材料不易老化，使用壽命長。⑸傳感器探頭安裝和使用方便。⑹探頭不易被物料粘住、堵塞。目前已設(shè)計出先進(jìn)的能在發(fā)酵罐內(nèi)裝設(shè)的有測定溫度、pH、溶氧、氧化還原電位、泡沫和液位等參數(shù)的傳感器，但是還有許多重要的傳感器，特別是能監(jiān)測化學(xué)物質(zhì)變化的生物傳感器還難于在罐內(nèi)使用。為此，在生產(chǎn)實踐中可用以下的補救辦法使用這些傳感器達(dá)到在線測定的目的⑴傳感器可用一些化學(xué)試劑進(jìn)行冷滅菌，如還氧乙烷、過氧乙酸或季銨鹽類等，然后用無菌手續(xù)安裝到罐內(nèi)。這種方法只適用于小型發(fā)酵罐。⑵采用連續(xù)取樣或罐外循環(huán)的辦法，把不耐熱的傳感器安裝在罐外流動樣品槽內(nèi)，以便可以用化學(xué)試劑對整個罐外循環(huán)系統(tǒng)滅菌，滅菌后再用無菌水沖洗，然后與發(fā)酵罐內(nèi)接通。⑶用多孔氟塑料管道（透氣法）監(jiān)測惰性載氣帶出的樣品（例如，揮發(fā)性有機化合物如乙醇等被輸送到有傳感器的容器內(nèi)測量）。⑷利用透析裝置，以水為載體，使發(fā)酵液中的低分子化合物透過半透膜，進(jìn)入水中被輸送到有傳感器的容器中測定。發(fā)酵過程變化的參數(shù)一類是可以直接采用特定的傳感器監(jiān)測的參數(shù)。它們包括各種反映物理環(huán)境和化學(xué)環(huán)境變化的參數(shù)，如：溫度、壓力、攪拌功率、轉(zhuǎn)速、泡沫、發(fā)酵液粘度、濁度、pH、離子濃度、溶解度、基質(zhì)濃度等，又被稱為直接參數(shù)。另一類參數(shù)是到目前為止還沒有可供使用的傳感器監(jiān)測的參數(shù)，它們包括細(xì)胞生長速率、產(chǎn)物合成速率和積累速率、呼吸商等。這些參數(shù)需要根據(jù)一些直接監(jiān)測出來的參數(shù)，借助于電腦快速運算的功能和特定的數(shù)學(xué)模型才能得到。因此這類參數(shù)又被稱為間接參數(shù)。發(fā)酵過程中的直接參數(shù)的檢測1、溫度的影響及檢測：影響發(fā)酵溫度的因素Q發(fā)酵=Q生物+Q攪拌–Q蒸發(fā)–Q顯熱–Q輻射2、溫度對發(fā)酵的影響由于微生物反應(yīng)是由各種生物酶參加的反應(yīng)，所以從酶動力學(xué)來看，溫度升高，反應(yīng)速度加大，生長代謝加快，產(chǎn)物生產(chǎn)期提前。但酶本身很易因熱而失去活性，溫度越高，酶的失活也越快。它表現(xiàn)在菌體易于衰老，發(fā)酵周期縮短，產(chǎn)物產(chǎn)量減少。溫度除了直接影響發(fā)酵過程中各種反應(yīng)速率外，還會通過改變發(fā)酵液的物理性質(zhì)，間接影響菌的生物合成。如溫度會影響基質(zhì)和氧在發(fā)酵液中的溶氧和傳遞速率，菌體對某些物質(zhì)的分解吸收速率等溫度還會影響生物合成或代謝調(diào)節(jié)的方向和最終產(chǎn)物。這點不難理解，因為溫度會影響生物體內(nèi)的酶的活性。如，金色鏈霉菌能同時產(chǎn)生四環(huán)素和金霉素。在30℃以下時，該菌主要合成金霉素。35℃時，該菌只產(chǎn)生四環(huán)素而停止生成金霉素。溫度測定最適溫度選擇最適于菌體生長和產(chǎn)物合成的溫度溫度可以通過水銀溫度計、熱電鋁、熱敏電阻和金屬電阻溫度計監(jiān)測發(fā)酵系統(tǒng)中的溫度，并通過與其相偶聯(lián)的執(zhí)行機構(gòu)（如改變冷卻水閥門的開度）對發(fā)酵溫度進(jìn)行自動控制。2．泡沫的控制⑴泡沫的產(chǎn)生及其影響降低了發(fā)酵罐的填料系數(shù)；增加了微生物菌群的非均一性；增加了污染雜菌的機會；大量起泡引起“逃液，導(dǎo)致產(chǎn)物損失起泡劑一般都是表面活性物質(zhì)，這些物質(zhì)具有親水基團(tuán)和疏水基團(tuán)。分子帶極性的一端向著水溶液，非極性的一端向著空氣，并在表面作定向排列，增加了泡沫的強度泡沫的控制機械消泡是根據(jù)物理學(xué)的原理，即靠機械作用引起壓力變化（擠壓）或強烈振動，促使泡沫破裂，這種消泡裝置可放在罐內(nèi)或罐外消泡劑消泡：天然油脂類、聚醚類、硅酮類常用安裝在發(fā)酵罐中的電導(dǎo)式或電容式泡沫探頭監(jiān)測泡沫，并與消泡裝置或消泡劑添加裝置聯(lián)接控制泡沫。玉米油、豆油、棉子油豬油、魚油

聚氧丙烯甘油（GP）和聚氧乙烯氧丙稀甘油（泡敵）。用量，0.03～0.035％聚二甲基硅氧烷及其衍生物

壓力可用相當(dāng)簡單的薄膜式壓力計測量，這種壓力計能經(jīng)得起滅菌處理。測得的氣動信號可直接或通過一簡單的裝置轉(zhuǎn)換為電信號，啟動裝在發(fā)酵罐上的罐壓調(diào)節(jié)閥以調(diào)節(jié)罐壓。軸輸入功率兩種用來測量軸功率的裝置，即扭力（功率）計和應(yīng)變儀。由于扭力計系統(tǒng)只能放在罐外測量，其測定值包含軸封摩擦力的損失。用應(yīng)變儀測量則可以避免這一缺點，雖然儀器較貴，但是其精度較高，還是值得應(yīng)用的。

攪拌器轉(zhuǎn)速發(fā)酵罐的攪拌器的轉(zhuǎn)速，依罐的大小而異。小罐的攪拌器轉(zhuǎn)速要比大罐的快些。但是所有發(fā)酵罐攪拌器的葉尖的線速度，在一般情況下幾乎是恒定的值，即為150～300。

空氣流量通入發(fā)酵罐中的無菌空氣的流量常用轉(zhuǎn)子流量計測定。流量計中浮動轉(zhuǎn)子的位置可以通過電容或電阻原理轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過放大之后啟動控制器便可實現(xiàn)氣體流量控制自動化。料液流量常用的流體流量檢測器有轉(zhuǎn)子流量計（像氣體流量計一樣也可以制成能實現(xiàn)自動控制的型式）、電磁流量計和通過測定發(fā)酵罐的重量變化間接測定液體流量的應(yīng)變器。濁度濁度測量尚未得到應(yīng)有的注意。濁度對某些產(chǎn)品的生產(chǎn)量是及其重要的，因為它可以及時反映細(xì)胞的生長狀況。目前濁度測量只限于采用定時取樣的離線測定方法。顯然這種測定方法不能及時反映發(fā)酵罐的濁度變化。一般可用比濁計或分光光度計測定樣品的濁度。pH可用一種復(fù)合的玻璃――參比電極方便地測量發(fā)酵液的pH。這些電極經(jīng)得起高壓滅菌，有些pH計的讀數(shù)易受儀表接地好壞的影響，為此把電源的變化器隔離和把儀表屏與發(fā)酵罐接地連在一起，但是即使這樣做也不能完全克服這一問題。高溫消毒會使一些電極阻抗升高和轉(zhuǎn)換系數(shù)下降，從而引起測量上的誤差。另外，電極的液洛部位的液接界面電位也因電極與大分子有機物接觸而發(fā)生變化。一般好的電極也只能耐高溫滅菌30～50次，若繼續(xù)使用，轉(zhuǎn)換系數(shù)便顯著下降，使性能破壞，不能再用。調(diào)節(jié)控制pH的方案配置合適的培養(yǎng)基，選用不同的生理酸性和生理堿性物質(zhì)，并使培養(yǎng)基具有緩沖pH作用。在培養(yǎng)過程中加入酸性或堿性物質(zhì)，這些酸或堿僅起pH調(diào)節(jié)作用，不作為菌體基質(zhì)消耗。在培養(yǎng)過程中流加酸堿性的基質(zhì)，例谷氨基酸發(fā)酵中的通氨，既是菌體消耗的基質(zhì)，也是pH調(diào)節(jié)試劑。流加生理酸性或堿性基質(zhì)，通過菌體代謝活動達(dá)到pH控制。溶解氧、廢氣中濃度的測定溶解氧濃度可用化學(xué)滴定法，也可用以電化學(xué)為基礎(chǔ)的電極法及其他的物理方法來測量。利用順磁氣態(tài)氧分析儀可以測定廢氣中的含量。在發(fā)酵廢氣中，氧含量一般為19～20％，因此選用量程為0～21％的氧分儀，如果有16％～21％的量程的儀器型號更好。廢氣中二氧化碳濃度的監(jiān)測可以用來測量二氧化碳含量的儀表原理較多，如熱導(dǎo)式、氣相色譜法、電導(dǎo)式電極法和紅外分析儀及質(zhì)譜儀。后兩種在發(fā)酵工業(yè)中較常使用。而熱導(dǎo)式分析儀價格較低，穩(wěn)定性較好，但精度較差。紅外分析儀精度高，可達(dá)±1％，量程0～5％，由于發(fā)酵排氣中一般在3％以下，因此此種分析儀較為理想酵過程中間接參數(shù)的獲得前面談到的都是直接參數(shù)的檢測，程中，我們可以通過這些直接參數(shù)進(jìn)一步計算獲得有關(guān)發(fā)酵的信息，這些信息就是間接參數(shù)。如果把這些有關(guān)的傳感器與計算機聯(lián)接成通過按一定計算式而設(shè)計的電子線路，就可以直接顯示或打印間接參數(shù)在發(fā)酵罐內(nèi)裝設(shè)的有測定溫度、pH、溶氧、氧化還原電位、泡沫和液位等參數(shù)的傳感器，但是還有許多重要的傳感器，特別是能監(jiān)測化學(xué)物質(zhì)變化的生物傳感器還難于在罐內(nèi)使用為此，在生產(chǎn)實踐中可用以下的補救辦法使用這些傳感器達(dá)到在線測定的目的⑴傳感器可用一些化學(xué)試劑進(jìn)行冷滅菌，如還氧乙烷、過氧乙酸或季銨鹽類等，然后用無菌手續(xù)安裝到罐內(nèi)。這種方法只適用于小型發(fā)酵罐。⑵采用連續(xù)取樣或罐外循環(huán)的辦法，把不耐