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1、第七章 仪器化7.1介绍本章主要介绍发酵过程中检测和控制的仪表。显然这些仪表并不时专门用于生物发酵领域的，它们在生物工程或相关的领域中也有广泛的应用。在实际中，大多数应用与生物工程的分析仪表并不是由生物工程发展的产物，至今，生物学家常用的仪表是在化学工业中应用的而发掌出来的。但是，这些精确的仪表并不是为更加复杂的生物反应专门设计的，在计算机控制出现以后，这表现的更加明显。计算机自动化的发展主要基于各种探测器的发展，它们可以将有意义的信号转化成控制动作。现在适合于提供发酵过程详细参数的适当仪器已经有了很大的改进，这可以提高产量和产率。遗憾的是，在商业化中实现这些自动控制还很困难，但是改变这种情况
2、只是时间的问题。本章只讨论现有的仪表和设备，它们目前都有各自的局限性。计算机控制是目前发酵工程中的惯用语，不久之后，发酵过程也许真的可以和计算机匹配。但是在这一进步过程中，我们开始考虑一句谚语，“工具抑制创造性思维”。计算机控制需要在线仪表，我们在章中会有涉及。7.2 术语如果我们所有对生物工程过程的理解需要仪表，我们真正熟悉我们所用的仪表就非常重要，否则我们就会对这些仪表的适用性和特性产生错误的判断。下面对一些常用的性质加以介绍。反应时间通常是描述90输入信号转换成输出信号所需要的时间。作为经验法则，用于生物系统的仪表的反应时间要小于倍增时间的10。因此，在典型的发酵工程中，如果倍增时间是3
3、h，超过18min反应时间的仪表将无法完成在线控制。很多仪表有更小的反应时间，它们通常被用于一些其它样品的操作，它们的测定和控制动作的之后时间更长。灵敏度是衡量仪表输出结果变化和输入信号变化之间的关系。通常，考虑到高灵敏度的仪表可以测量微小的输入变化，灵敏度越高的仪表越好。然而，仪表的其它参数，如线性，精确性，和测定范围也是选择仪表的考虑因素。输入与输出的线性关系是二者最简单的关系，校正过程也最为容易。分辨率是可以测定的输入信号的最小值，通常以仪表读数最大偏转角的百分数来表示。残留误差是指输出结果与输入保持恒定时的真实结果的偏离值。重现性永远不要被忽视，只要有可能，就要对仪表进行校正，尤其是那
4、些测定氧气和二氧化碳测定的仪表。7.3 过程控制在过程控制中，有三种可能实现的目标：（1）保持变量随时间不变（2）使变量随时间按规定的趋势变化（3）优化系统变量的一些函数第一个目标可以通过调整实现，第二个目标可以通过伺服机构第三个目标可以通过最佳控制实现。在过程控制系统中，有四种变量：（1） 受控变量（2） 干扰变量（3） 控制变量（4） 参比变量受控变量是输出变量，即我们希望控制的变量。控制变量是输入变量，即我们正在控制的变量。干扰变量是输入变量干扰受控变量通过其它非控制变量，参比变量是理想的受控变量的值。7.4 通气量检测在通气发酵中空气通过发酵罐以提供氧气，同时还要将二氧化碳出去，否则会
5、影响菌种的代谢活动。在塔和空气上升的生物反应器中，空气也可以作为搅拌动力。通常，空气流率在0.51.5vvm之间。过高的空气流率应该避免，因为这会表面气体速度过快。空气流速一般通过改变流量计控制区域手动控制。如果压力改变，要采用控制阀使流速保持不变。转速剂浮子的位置可以由附近的感测器探知，但是如果需要过程控制的信号，热质流量计根为普遍应用。表7.5说明其结构，有两个探头阅读气体通过一根加热管后，流入气体和流出气体的温度差来计算气体的流量。7.6 温度测定大多数的微生物只有在很小的范围内保持最佳的生物活性。热能很容易传送进入细胞，因此，温度控制是一个非常重要的过程参数。并且，温度影响一些和温度无
6、关一些仪表的性质，因此，这些仪表能够通过手动，最好是自动完成温度补偿回路是非常重要的。7.6.1 电阻电热计改种电热计基于的原理是金属的电阻随温度的升高而增加。它们用一定长度的金属线制成，通常为减少尺寸将金属线制成线圈状。当电流通过线圈时，电压改变，电压的改变又是和温度相关的。热度计本身的反应时间在1s数量级，但是通常，将它们放入保护套中，这将增加它们的反应时间为5s10s。7.6.2 热敏电阻热敏电阻是由半导体制成的，半导体的导电率随温度的增加而增加。当与热源接触良好时，它们的反应时间在1s数量级。将它们放入保护套中也会增加它们的反应时间。热敏电阻非常敏感，但是输出结果并非完全现行。对温度的
7、微小变化就会产生很大的变化，热敏电阻适应于有限的温度范围，在这个温度范围内，热敏电阻对温度的反应是呈线性变化的。热敏电阻的价格也是相对比较昂贵的。7.7流变学测定粘滞性，流体流动所受到的阻力，可以用来表征液体流变学的特性，这是一个非常重要却有容易被忽略的过程参数。生物反应器的性质受到发酵液流变性质的影响，因此，能够快速准确地测定液体流变学性质的仪表非常重要。液体的粘滞性由剪切力剪切率决定，如图7.6所示，不同类型的液体有着各自特定的曲线。如果液体是牛顿液体，粘滞性等于直线的斜率，因此这种液体有着恒定的流变性质。这种情况并不适用于其它类型的液体，这些液体的粘滞性随着剪切率的改变而变化，这就决定所
8、测定的粘滞性要说明是在剪切率是多少的情况下得到的。通常，发酵罐搅拌桨附近的区域的剪切率是形同的，但是要描述剪切率随着距离搅拌桨的距离而变化是很困难的。遗憾的是，出来极少数情况之外，流变学参数的测定都是脱机方式的，图7.7（a）（e）说明最常用的粘度计。7.7.1管式粘度计管式粘度计有两种。在毛细管式粘度计中，液体在重力作用下通过已知直径的细管，一定体积的液体通过细管的时间与液体的粘滞性有关，一般采用纯水的粘滞性作为参考。在第二种管式粘度计中，液体通过泵的作用在一定的流变条件下通过细管，固定管长中液体的压力与粘滞性有关，并且这个压力可以测定。7.7.2锥盘粘度计液体位于转动的圆锥和固定的圆盘之间
9、。如果圆锥和圆盘之间的角度小于4度，边缘效应就可以忽略，液体的剪切率是相等的，因此，剪切压力和粘滞性可以计算出来。这种仪表有着较为复杂的构造，制作圆锥和装配需要高度的技巧。它不适用于带有细胞沉淀和菌丝体的液体。7.7.3同心圆圆桶式同心圆式粘度计，也叫杯锤粘度计，也是广泛应用的粘度计。液体位于圆筒之间的空隙中，当一个圆筒固定，另一个转动时，就会产生剪切力。第二个圆筒的扭矩和粘滞性有关。这些粘度计如果读数结果可信，也需要严格的制造技术。杯锤粘度计非常适用于作为牛顿液体的发酵液，并且制造商通过设置修定方式，可以使这种粘度计测定含有菌丝体或其它高粘度物质的液体。但是，存在的问题就是固体颗粒可能堵塞圆
10、筒的空隙或者使桶壁之间发生滑动，这些都将导致读数不正确。7.8泡沫控制在发酵过程中产生泡沫会导致一系列严重的问题。如果泡沫产生，它有可能使滤膜堵塞，产生污染或者降低产量。遗憾的是，多数发酵过程中，培养基中会产生泡沫，可以通过化学或机械的方法消除它。最简单的机械除泡装置是，在发酵液面的搅拌杆上安装一个搅拌桨。很多提供分离设备的制造商也提供特殊设计的搅拌桨。它们通常可以良好的控制泡沫的生成，但是这会导致额外的动力消耗而造成成本上升。通常，使用一个简单的化学除泡设备就可以实现泡沫的控制，该设备中有化学的消泡剂。自动的除泡系统设有位于发酵液之下的探头。探头是由不锈钢制成，外面涂有一层特氟隆，但是将顶端
11、露出。当泡沫接触探头的顶端，探头就被激活，信号将被产送给控制系统，导致添加消泡剂或增加通气量。消泡剂进入发酵罐后，将泡沫消除，这会导致泡沫离开探头的顶端，回路被切断。添加适当数量的消泡剂很重要，太多的消泡剂将会使气体产生减少，因此影响氧气的传送率，并使产物回收困难。由于在控制系统被激活和泡沫消除之间总是有一定的时间延迟，因此考虑到这个时间延迟防治添加过多的消泡剂十分重要。可以改变探头的灵敏度以避免发酵液中飞溅的液体激活探头。在市场上有很多类型的消泡剂，包括天然油脂，高级醇，硅油和石蜡等。一些消泡剂可以被微生物所代谢，因此可以将该消泡剂作为额外的碳源定时添加，可以提高以单一碳源作为培养基的培养效
12、率。7.9 pH探头外部的pH值对细胞内部的pH几乎没有影响，但是它可以分解底物以及底物通过细胞壁进入细胞，而且细胞产物的分泌也会受到环境pH的影响。pH对生长速度的影响已经众所周知，很明显，pH是非常重要的过程参数。pH用来表示氢离子活性，定义为pHlogH+，可以通过能斯特方程来计算pH，pH值与温度有关。因此，pH探头的结果随着温度的改变而变化，因此在控制系统中设定适当的温度补偿是很重要的。探头连有带有参考电极的玻璃电极，现在已经应用广泛。由于生物工程中要求严格灭菌，可用蒸汽灭菌的探头越来越受到欢迎。然而，这种探头的一个缺点是多次灭菌会影响探头的性质。pH敏感的玻璃尖端非常脆弱，并且价格
13、不菲。但是，现在很多新进入市场的制造商已经推出可以与大多数pH计兼容的具有合理价格的探头。市场上已经有许多优秀的pH计，可以用来控制pH值。重要的是能够调节控制系统的反应时间和灵敏度，因为在pH计中存储的酸或碱对所有的发酵成分都起作用。7.10 氧化还原电势探头现在认为氧化还原电势与pH或溶氧量相比，能够更好的说明发酵的状态。现在市场上已经有许多可以蒸汽灭菌的氧化还原电势探头，大多数pH计的制造商一般也提供氧化还原电视探头。氧化还原电势在发酵工业中应用较少的一个原因是，对结果说明比较困难，因为溶解氧和氧化还原状态都会影响探头的输出结果。7.11溶氧测定探头我们已经在第四章中讨论了发酵过程中溶解
14、氧所起的关键作用。因此，溶氧测定探头的出现对我们理解生物反应器的性质起到非常重要的作用。溶氧测定探头由带有不锈钢或玻璃套的电极组成，里面装有适当的电解质，为了将电极和电解质同发酵液隔开，探头外面覆盖着一层膜。氧气通过膜渗透进入，在阴极发生氧化反应，这将产生电流，该电流可以转换成氧气的含量。溶氧测定探头的结构间图7.8。7.12 酶测定探头发酵过程中计算机应用的一个主要困难是缺少能够直接提供培养状态信息的探头。近年来，在设计离子选择电极方面已经取得了长足的进步，但是，至今为止，这些针对都是无机离子的，很少在发酵过程中有直接的应用。然而，反应迅速、准确的离子选择电极已经在酶测定探头制造中和和高度灵
15、敏和选择性的酶反应想结合。将酶固定化在探头的表面，类似与溶氧测定探头或pH电极类似。图7.11说明了其原理。待分析的底物渗透进入酶分子层，选择适当的电极，保证它可以与酶反应中的反应物或产物相呼应。7.13气体分析7.13.1氧气分析仪好氧微生物的培养中氧的重要性已经在前面的章节中讨论过。所有从事生物工程专业的学生应该对氧气传输的基础只是有所了解。氧气通过通气供应，在各种输入蒸汽中的溶解氧也可以提供氧气。通常，后者可以被忽略，因此为我们认为系统中输入蒸汽和输出蒸汽中的氧气量是相等的。通常系统中的氧气含量通过气体分析仪器测定。在实际应用中广泛采用顺磁氧气分析仪。顺磁性是由分子中的不成对电子造成的。
16、氧气中有两个不成对的电子，因此具有较强的顺磁性。与氧气相比，发酵过程中常见的气体激活没有顺磁性，如表7.4所示。因此，这种性质可以选择性的用于氧气的分析。最常用的分析仪是磁风分析仪和偏转分析仪。在前者中，气体进入装有加热元件的小室，小室位于磁场中，因此，会对氧分子有吸引。当气体接近电阻丝时，氧气被加热，导致顺磁性的损失。冷却的氧气也会被磁场吸引，在通过小室时，产生磁风。电阻丝是惠斯通桥的一种，当由于气体造成的热损失，电阻丝的电阻会产生变化，造成惠斯通桥的不平衡。不平衡与气体中氧气含量呈比例关系。这类分析仪对气体的成分和压力非常敏感。前者的主要问题是有水的存在，在正常的发酵条件下，气体成分是相对
17、恒定的。水蒸气会影响分析仪的读数，使气体测定的含量低于实际含量。这种误差可以通过加入较为干燥的气体来克服。气压1的变化将导致氧气含量读数的显著变化。在小规模操作中，氧气含量非常低，氧气分析仪将在近似压力为零的条件下工作，用1921的氧气加以校正。7.13.2二氧化碳分析仪多数的气体，包括二氧化碳，可以吸收一定波长的红外辐射。然而，简单气体，比如氧气，氢气或者氮气，它们不会吸收红外能量，这是在发酵过程中测定二氧化碳的原理。红外分析仪由光源，光学系统和探测器组成。最常见的光源是镍铬线圈，碳硅棒和能斯特灯丝，可以为气体吸收释放出一定波长的光。当气体进入分析仪时，它们通过位于光源和探测器的小室。气体将
18、会吸收一些辐射，因此到达探测器的能量水平将会降低。这种能量的变化会被放大，传给分析仪数字信号，然后转变成二氧化碳的含量。7.14细胞含量的测定细胞干重的测定仍然是测定细胞含量或细胞生长的最为常用的方法。这种方法涉及取样，细胞从发酵液中分离和随后的干燥程序。在使用微波炉的情况下，假如培养基过滤比较容易的话，有可能是取样和干燥测定细胞重量的时间延迟只有2030分钟。对发酵过程来讲，一般要持续100小时甚至更长，因此这点时间的延迟并不显著。比浊法已经在有限的范围内用于测定细胞的浓度。其原理是，测定发酵液中混浊度的变化。这种方法只能在有限的系统中得以应用，在这些系统中，浊度的变化只是由细胞所引起的，即酵母或细菌等单细胞发酵。对于在线控制来讲，这种方法只能应用于细胞浓度较低的发酵工程，否则浊度和细胞含量就会很快偏离线性关系。