生物反應(yīng)器的檢測(cè)及控制

生物反應(yīng)器的檢測(cè) 研 11級(jí)發(fā)酵工程 陳珊 第一節(jié) 生物加工過(guò)程的參數(shù) 要對(duì)生化過(guò)程進(jìn)行有效的操作和控 制，首先要了解生化過(guò)程的狀態(tài)變化， 也就是要了解生化過(guò)程的各種信息。這 些信息可以分為物理變量信息、化學(xué)變 量信息、以及生物變量信息。 一、設(shè)定參數(shù) 1壓強(qiáng) 對(duì)通氣生物發(fā)酵反應(yīng)，必須往反應(yīng)器中通入無(wú)菌 的潔凈空氣，一是供應(yīng)生物細(xì)胞呼吸代謝所必須的氧， 二是強(qiáng)化培養(yǎng)液的混合與傳質(zhì)，三是維持反應(yīng)器有適 宜的表壓，以防止外界雜菌進(jìn)入發(fā)酵系統(tǒng)。對(duì)氣升式 反應(yīng)器，通氣壓強(qiáng)的適度控制是高效溶氧傳質(zhì)及能量 消耗的關(guān)鍵因素之一。 2溫度 不同的生物細(xì)胞，均有最佳的生長(zhǎng)溫度或產(chǎn)物生 成溫度，而酶也有最適的催化溫度，所以必須使反應(yīng) 體系控制在最佳的發(fā)酵反應(yīng)溫度范圍。 3通氣量 不論是液體深層發(fā)酵或是固體通風(fēng)發(fā)酵，均要 連續(xù)（或間歇）往反應(yīng)器中通入大量的無(wú)菌空氣。 為達(dá)到預(yù)期的混合效果和溶氧速率，以及在固體發(fā) 酵中控制發(fā)酵溫度，必須控制工藝規(guī)定的通氣量。 過(guò)高的通氣量會(huì)引起泡沫增多，水分損失太大 以及通風(fēng)耗能上升等不良影響。 4液面 液面的高低決定了反應(yīng)器裝液系數(shù)即影響生產(chǎn) 效率；對(duì)通風(fēng)液體深層發(fā)酵，初裝液量的多少即液面 的高低需按工藝規(guī)定確定，否則通入空氣后發(fā)酵液的 含氣率達(dá)一定值，液面就升高，加之泡沫的形成，故 必須嚴(yán)格控制培養(yǎng)基液面。對(duì)氣升內(nèi)環(huán)流式反應(yīng)器， 由于導(dǎo)流筒應(yīng)比液面低一適當(dāng)高度才能實(shí)現(xiàn)最佳的環(huán) 流混合與氣液傳質(zhì)，但在通氣發(fā)酵過(guò)程中，排氣會(huì)帶 出一定水分，故反應(yīng)器內(nèi)培養(yǎng)液會(huì)蒸發(fā)減少，因此液 面的檢測(cè)監(jiān)控更重要，必要時(shí)需補(bǔ)加新鮮培養(yǎng)基或無(wú) 菌水，以維持最佳液位。同理，連續(xù)發(fā)酵過(guò)程液位必 須維持恒定，液面的檢測(cè)控制也十分重要。 5攪拌轉(zhuǎn)速與攪拌功率 攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)發(fā)酵液的混合狀態(tài)、溶氧速率、物質(zhì)傳遞等有 重要影響，同時(shí)影響生物細(xì)胞的生長(zhǎng)、產(chǎn)物的生成、攪拌功率 消耗等。對(duì)某一確定的發(fā)酵反應(yīng)器，當(dāng)通氣量一定時(shí)，攪拌轉(zhuǎn) 速升高，其溶氧速率增大，消耗的攪拌功率也越大。在完全湍 流的條件下，攪拌功率與攪拌轉(zhuǎn)速的三次方成正比。 某些生物細(xì)胞如動(dòng)植物細(xì)胞、絲狀菌等，對(duì)攪拌剪切敏感， 故攪拌轉(zhuǎn)速和攪拌葉尖線速度有其臨界上限范圍。 攪拌功率與攪拌轉(zhuǎn)速的關(guān)系，是機(jī)械攪拌通氣發(fā)酵罐的比 擬放大基準(zhǔn)。 53 iP DNNP 6泡沫高度 發(fā)酵液泡沫產(chǎn)生的原因是多方面的，最主要的是培養(yǎng)基 中所固有的或是發(fā)酵過(guò)程中生成的蛋白質(zhì)、菌體、糖類以及 其他穩(wěn)定泡沫的表面活性物質(zhì)，加上通氣發(fā)酵過(guò)程大量的空 氣泡以及厭氣發(fā)酵過(guò)程中生成的 CO2氣泡，都會(huì)導(dǎo)致生物發(fā) 酵液面上生成不同程度的泡沫層。 7培養(yǎng)基流加速度 對(duì)生物發(fā)酵的連續(xù)操作或流加操作過(guò)程，均需連續(xù)或間 歇往反應(yīng)器中加入新鮮培養(yǎng)基，且要控制加入量和加入速度， 以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的連續(xù)發(fā)酵或流加操作，獲得最大的發(fā)酵速率和 生產(chǎn)效率。 8冷卻介質(zhì)流量與速度 為保持反應(yīng)器系統(tǒng)的溫度在工藝規(guī)定的范圍 內(nèi)，必須用水等冷卻介質(zhì)通過(guò)熱交換器把發(fā)酵熱 移走。根據(jù)生化反應(yīng)器的熱量平衡算式： 冷卻發(fā)酵 QQQ 0 )( 12 TTcFQ W 冷卻 9培養(yǎng)基質(zhì)濃度和產(chǎn)物濃度 培養(yǎng)液基質(zhì)濃度則是發(fā)酵轉(zhuǎn)化率及產(chǎn)物得率的 重要衡量。 掌握了發(fā)酵液中的產(chǎn)物濃度，就可確定發(fā)酵的 進(jìn)程以及決定發(fā)酵是否正常及是否需要結(jié)束發(fā) 酵。 基質(zhì)與產(chǎn)物濃度的檢測(cè)、控制對(duì)各種發(fā)酵均是 必要的。 二、狀態(tài)參數(shù) 1黏度（或表觀黏度） 培養(yǎng)基的黏度主要受培養(yǎng)基的成分及濃度、細(xì)胞濃 度、溫度、代謝產(chǎn)物等影響。而發(fā)酵液的黏度（或 表觀黏度）對(duì)溶液的攪拌與混合、溶氧速率、物質(zhì) 傳遞等有重要影響，同時(shí)對(duì)攪拌功率消耗及發(fā)酵產(chǎn) 物的分離純化均起著重要作用。 2 pH 每一種生物細(xì)胞均有最佳的生長(zhǎng)增殖 pH值，細(xì)胞 及酶的生物催化反應(yīng)也有相應(yīng)的最佳 pH范圍。而 在培養(yǎng)基制備及產(chǎn)物提取、純化過(guò)程也必須控制適 當(dāng)?shù)?pH。因此生物反應(yīng)生產(chǎn)對(duì) pH的檢測(cè)控制極為 重要。 3溶氧濃度和氧化還原電位 好氣性發(fā)酵過(guò)程中，液體培養(yǎng)基中均需維持一定水平 的溶解氧，以滿足生物細(xì)胞呼吸、生長(zhǎng)及代謝需要。 溶解氧水平和溶氧效率往往是發(fā)酵生產(chǎn)水平和技術(shù)經(jīng) 濟(jì)指標(biāo)的重要影響因素。 對(duì)一些亞好氧的生物發(fā)酵反應(yīng)如某些氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)， 在產(chǎn)物積累時(shí)，只需很低的溶解氧水平。這樣低的溶 解氧濃度使用氧化還原電極電位計(jì)（ ORP儀）來(lái)測(cè)定 微小的溶氧值。 4 發(fā)酵液中溶解 CO2濃度 對(duì)通氣發(fā)酵生產(chǎn)，由于生物細(xì)胞的呼吸和生物合成， 培養(yǎng)液中的氧會(huì)被部分消耗，而溶解的 CO2含量會(huì)升 高。對(duì)大部分的好氧發(fā)酵，當(dāng)發(fā)酵液中溶解 CO2濃度 增至某值時(shí)，就會(huì)使細(xì)胞生長(zhǎng)和產(chǎn)物生成速率下降。 5細(xì)胞濃度及酶活特性 菌體的濃度與酶的活動(dòng)中心密切相關(guān)。通過(guò)菌體干 重的測(cè)定，可以了解生物的生長(zhǎng)狀態(tài)，從而控制和 改變生產(chǎn)工藝或補(bǔ)料和供氧，保證達(dá)到較好的生產(chǎn) 水平。 酶做催化劑的生化反應(yīng)，則酶濃度（活度）是必須 檢測(cè)監(jiān)控的參變量。 6菌體形態(tài) 菌體形態(tài)的變化也是反應(yīng)它的代謝變化的重要特征。 可以根據(jù)菌體的形態(tài)不同，區(qū)分出不同的發(fā)酵階段 和菌體的質(zhì)量。 三、間接參數(shù) 1呼吸代謝參數(shù) 微生物的氧利用速率，二氧化碳釋放速率，和呼吸熵。 假設(shè)流出反應(yīng)器的氣體流量與空氣流入量相等，空氣中氧濃 度為 21%，二氧化碳的濃度為零，測(cè)量到排出氣體的氧濃 度為 ，二氧化碳的濃度為 ，則由氣相物料平衡 計(jì)算可得： 氧利用速率（ OUR） 二氧化碳釋放速率（ CER） 呼吸熵（ ） %2出O %2出CO VFOO U RR AO /%)%21( 22 出 RQ %/%21 22 2 2 出出 ）（ COOR RRQ CO O VFCOC E RR ACO /%22 出 2菌體比生長(zhǎng)速率 每小時(shí)每單位重量的菌體所增加的菌體量稱為菌 體的比生長(zhǎng)速率，單位為 1/h。菌體的比生長(zhǎng)速 率與生物的代謝有關(guān)。 3氧比消耗速率（ rO2） 氧比消耗速率稱為菌體的呼吸強(qiáng)度，即每小時(shí)每 單位重量的菌體所消耗的氧的數(shù)量，其單位為毫 克分子氧 /克干菌體小時(shí)。 第二節(jié) 檢測(cè)方法與儀器 研究微生物生長(zhǎng)過(guò)程所需要的檢 測(cè)參數(shù)大多是通過(guò)在反應(yīng)器中配置各 種傳感器和自動(dòng)分析儀來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這 些裝置能把非電量參數(shù)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)， 這些信號(hào)經(jīng)適當(dāng)處理后，可用于監(jiān)測(cè) 發(fā)酵的狀態(tài)、直接作發(fā)酵閉環(huán)控制和 計(jì)算間接參數(shù)。 在線檢測(cè) 離線檢測(cè) 發(fā)酵過(guò)程對(duì)傳感器的要求： 1.發(fā)酵過(guò)程對(duì)傳感器的常規(guī)要求為準(zhǔn)確性、精確度、靈敏度、 分辨能力要高，響應(yīng)時(shí)間滯后要小，能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作， 可靠性好，具有可維修性。 2. 必須考慮衛(wèi)生要求，發(fā)酵過(guò)程中不允許有其他雜菌污染。 3. 一般要求傳感器能與發(fā)酵液同時(shí)進(jìn)行高壓蒸汽滅菌，不 耐受蒸汽滅菌的傳感器可在罐外用其他方法滅菌后無(wú)菌裝入。 4. 要求傳感器與外界大氣隔絕，采用的方法有蒸汽汽封、 O 形圈密封、套管隔斷等。 5. 應(yīng)選用不易污染的材料如不銹鋼，防止微生物附著及干 擾，便于清洗，不允許泄漏。 6.傳感器只與被測(cè)變量有關(guān)而不受過(guò)程中其他變量和周圍環(huán) 境條件變化影響的能力，如抗氣泡及泡沫干擾等。 一、主要參數(shù)檢測(cè)原理及應(yīng)用 1溫度的測(cè)量 常用的溫度檢測(cè)儀表有熱電阻檢測(cè)器 （ RTD）、半導(dǎo)體熱敏電阻、熱電偶和玻璃溫 度計(jì)等。其中熱電阻是中低溫區(qū)最常用的溫度檢 測(cè)元件，具有性能穩(wěn)定、測(cè)量精度高、在中低溫 區(qū)輸出信號(hào)大、信號(hào)可以遠(yuǎn)傳等優(yōu)點(diǎn)。 2壓強(qiáng)的檢測(cè) 壓力、壓差傳感器的測(cè)量原理 （ 1）壓力與彈性體的變形應(yīng)力相平衡，并轉(zhuǎn)換成 彈性體的位移； （ 2）壓力與別的流體壓力或電磁力等相平衡，并 將其變換成力或電流，這種原理多用于工業(yè)生 產(chǎn)過(guò)程壓力測(cè)量變送傳感器； （ 3）壓力與流體的重量相平衡，由對(duì)應(yīng)的液體量 求得壓力，如 U形管壓力計(jì)； （ 4）壓力與固體的重量相平衡，由對(duì)應(yīng)的固體重 量求得壓力，多用來(lái)標(biāo)定壓力計(jì)。 3液位和泡沫高度的檢測(cè) 導(dǎo)電電極法。該測(cè)量方法可由一支或兩支電極所組成， 若罐體是金屬材料制成的，可只用一支電極。當(dāng)液面或泡沫 達(dá)到不絕緣的金屬棒的端點(diǎn)時(shí)，就會(huì)有電流信號(hào)產(chǎn)生，指示 出液體或泡沫的存在。這種液位電極傳感器所施加的電壓一 般不超過(guò) 24V，電流大約為 15mA。比較安全可靠的電壓 為交流 10V。采用交流的目的是防止被測(cè)液體的極化。 電阻式泡沫電極 :當(dāng)電極垂直安裝在罐體上 時(shí)，其電極電流正比于不絕緣電極棒浸沒(méi)入 液體的長(zhǎng)度，由此來(lái)測(cè)量泡沫液位高度。 4流量測(cè)量 :容積式、速度式和質(zhì)量式流量計(jì) 容積式流量計(jì) :以單位時(shí)間內(nèi)所排出流體的固定容 積數(shù)目作為測(cè)量依據(jù)來(lái)計(jì)算流量 . （ 1）差壓式流量計(jì) 差壓式流量計(jì)也叫節(jié)流式流 量計(jì)，是流量測(cè)量中最成熟、 最常用的一種流量計(jì)，它依 據(jù)流體流動(dòng)的節(jié)流原理，利 用流體流經(jīng)節(jié)流裝置時(shí)產(chǎn)生 的壓力差來(lái)實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量， 其壓力差與流體流量成對(duì)應(yīng) 關(guān)系。 轉(zhuǎn)子流量計(jì)由一根上粗下細(xì)的錐形管 和一個(gè)能在其內(nèi)上下浮動(dòng)的轉(zhuǎn)子所組 成。被測(cè)流體自下而上從轉(zhuǎn)子和錐形 管內(nèi)壁之間的環(huán)隙中通過(guò)，由于流體 通過(guò)環(huán)隙時(shí)被突然收縮，在轉(zhuǎn)子上下 兩側(cè)就產(chǎn)生了壓差，使轉(zhuǎn)子受到一個(gè) 向上的沖力而浮起。當(dāng)這個(gè)力正好等 于浸沒(méi)在流體中的轉(zhuǎn)子的重量時(shí)，則 作用在轉(zhuǎn)子上的上、下兩個(gè)作用力達(dá) 到平衡，轉(zhuǎn)子就停留在某一高度上。 根據(jù)轉(zhuǎn)子平衡位置的高低，就可得知 流量的大小。 （ 2）轉(zhuǎn)子流量計(jì) （ 3）電磁流量計(jì) 電磁流量計(jì)由檢測(cè)和轉(zhuǎn)換兩 部分組成，前者將被測(cè)介質(zhì) 流量轉(zhuǎn)換成感應(yīng)電勢(shì)，然后 由后者轉(zhuǎn)換成 420mA直流 電流作為輸出，在一段非導(dǎo) 磁材料制成的管道外面，安 裝有一對(duì)磁極 N和 S，用以產(chǎn) 生磁場(chǎng)，當(dāng)導(dǎo)電液體流過(guò)管 道時(shí)，因流體在磁場(chǎng)中作垂 直方向流動(dòng)而切割磁力線。 5發(fā)酵液黏度的測(cè)量 發(fā)酵上常用的黏度測(cè)定儀毛細(xì)管黏度計(jì)、回轉(zhuǎn) 式黏度計(jì)和渦輪黏度計(jì)等。 6攪拌轉(zhuǎn)速和攪拌功率 磁感應(yīng)式、光感應(yīng)式測(cè)速儀 :是利用攪拌軸或電 機(jī)軸上裝設(shè)的感應(yīng)片切割磁場(chǎng)或光束而產(chǎn)生脈 沖信號(hào)，此信號(hào)即脈沖頻率與攪拌轉(zhuǎn)速相同。 而測(cè)速發(fā)電機(jī)是利用在攪拌軸上或電機(jī)軸上裝 設(shè)一小型發(fā)電機(jī)， 測(cè)速發(fā)電機(jī) :輸出電壓與攪拌速率成線性關(guān)系。 攪拌功率直接影響發(fā)酵液的混合與溶氧、細(xì)胞 分散及物質(zhì)傳遞、熱量傳遞等特性。 7 pH值的測(cè)量 為了測(cè)量 pH值，需要一個(gè)測(cè)量電極和一個(gè) 參比電極，其工作原理是利用玻璃電極與參 比電極浸泡于某一溶液時(shí)具有一定的電位， 其 pH可表示為： pH 0()0 . 4 3 F E E RT 現(xiàn)在一般采用復(fù)合電極。 在復(fù)合電極中，玻璃電極 由參比電極包裹著。溫度 對(duì) pH值的準(zhǔn)確測(cè)量有很 大的影響，為了補(bǔ)償溫度 的影響，在 pH復(fù)合電極 中加一溫度敏感元件，從 而構(gòu)成測(cè)量電極、參比電 極和溫度傳感元件三位一 體的三合一電極，對(duì)環(huán)境 溫度有很好的補(bǔ)償作用 。 8.溶氧濃度的檢測(cè) 亞硫酸鹽氧化法 極譜法 氧化還原電極電位儀 (亞好氧發(fā)酵過(guò)程 ) 溶氧電極法 測(cè)定的三個(gè)用途 1 對(duì)生物反應(yīng)器的傳氧性能進(jìn)行測(cè)定 ， 以便選擇 最佳條件進(jìn)行操作 ， 并對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià) 。 2 對(duì)發(fā)酵過(guò)程傳氧性情況進(jìn)行了解 ， 以便判斷發(fā) 酵過(guò)程的供氧情況 。 3 為通風(fēng)罐的研究過(guò)程找出設(shè)備參數(shù) （ 如 ） ， 操 作參數(shù) （ 如 N攪拌器轉(zhuǎn)數(shù) Q通風(fēng)量 ） 的關(guān) 系 ， 以便進(jìn)行發(fā)酵罐的放大和合理設(shè)計(jì) 。 9溶解 CO2濃度的檢測(cè) 利用對(duì) CO2有特殊選擇滲透通過(guò)特性的微孔膜，使 擴(kuò)散通過(guò)的 CO2進(jìn)入飽和碳酸氫鈉緩沖溶液中，平 衡后顯示的 pH與溶解的 CO2濃度成正比，由此原理 并通過(guò)變換就可測(cè)出溶解 CO2濃度。 10細(xì)胞濃度的測(cè)定 全細(xì)胞濃度：其測(cè)量方法可分為濕重法、干重法、 濁度法、濕細(xì)胞體積法等。其中干重法準(zhǔn)確度最高。 活細(xì)胞濃度的測(cè)定：發(fā)酵液中活細(xì)胞濃度的測(cè)定原 理是利用活生物細(xì)胞催化的反應(yīng)或活細(xì)胞本身特有 的物質(zhì)而使用生物發(fā)光或化學(xué)發(fā)光法進(jìn)行測(cè)定。 11高壓液相分析系統(tǒng) （ HPLC） 利用 HPLC在線測(cè)量物質(zhì)濃 度，并配有發(fā)酵出口氣體 CO2分析儀和 pH與氧化還 原電極的發(fā)酵系統(tǒng)。產(chǎn)物的 濃度，如木糖、乙醇和有機(jī) 酸等，通過(guò)對(duì)發(fā)酵液采樣過(guò) 濾后進(jìn)入過(guò)濾取樣模件 FAM （ Filter Acquisition Module），再由 HPLC系 統(tǒng)進(jìn)行分析。 12流動(dòng)注射式分析系統(tǒng) 13映像在線監(jiān)控系統(tǒng) 在線監(jiān)測(cè)細(xì)胞數(shù)目、尺寸和形態(tài)的系統(tǒng)， 即直接將光學(xué)顯微鏡安裝在反應(yīng)器中，通過(guò)此系 統(tǒng)可以觀察到細(xì)胞的數(shù)目，單個(gè)細(xì)胞的尺寸和形 態(tài)，還可利用熒光顯微鏡同時(shí)估計(jì)細(xì)胞代謝過(guò)程。 二、在線發(fā)酵儀器的研究進(jìn)展 1紅外光譜技術(shù) 紅外線被吸收的數(shù)量與吸收介質(zhì)的濃度有關(guān)，當(dāng)其通過(guò)待 測(cè)介質(zhì)后，其強(qiáng)度按指數(shù)規(guī)律減弱，符合朗伯比爾定律。 將光源的連續(xù)譜輻射全部投射到被測(cè)樣品上，根據(jù)樣品吸 收輻射能的情況來(lái)判定被測(cè)成分的含量。 一直以來(lái)，原位過(guò)程監(jiān)測(cè)中紅外光的傳遞和高性能紅外探 頭的研制是難以解決的問(wèn)題。 近幾年通過(guò)研究取得了巨大的突破，如借助光路系統(tǒng)或光 導(dǎo)纖維來(lái)傳遞紅外光，利用衰減全反射 (ATR)原理，采用 多次反射復(fù)合金剛石、鋯等材料制做的紅外探頭，可適用 于包括水溶液或其它強(qiáng)紅外吸收溶劑、固體粉末或紅外強(qiáng) 吸收的樣品，紅外光進(jìn)入樣品的光程恒定，樣品只要與全 反射晶體材料緊密貼合即可。 2熒光檢測(cè)技術(shù) 熒光檢測(cè)可分為酶鍵合標(biāo)記法、直接熒光測(cè)量法、熒 光試劑測(cè)量法。 酶鍵合標(biāo)記法采用專一性強(qiáng)的鍵合劑，根據(jù)標(biāo)記與非 標(biāo)記物在鍵合中心的競(jìng)爭(zhēng)性反應(yīng)，測(cè)定由鍵合劑置換 下來(lái)的溶液含量，由此測(cè)知代謝中間物或基質(zhì)的含量。 當(dāng)采用熒光標(biāo)記物時(shí)，就可以用熒光分析法進(jìn)行測(cè)定。 此種測(cè)定法多用光導(dǎo)纖維探頭。二股光導(dǎo)纖維中的一 股用來(lái)傳輸激發(fā)用的紫外光，另一股用來(lái)接收并傳輸 測(cè)定室內(nèi)激發(fā)出的熒光，熒光經(jīng)濾光片后由光敏器件 接收，根據(jù)光強(qiáng)即可測(cè)知待測(cè)液中代謝物的濃度。 3離子敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管傳感技術(shù) 是利用離子敏感薄膜或生物活性功能膜代替金屬構(gòu) 成的新型有源半導(dǎo)體化學(xué)敏感器件。 它與普通的場(chǎng)效晶體管的不同之處在于前者沒(méi)有金 屬柵電極，柵極介質(zhì)裸露或在其表面上覆蓋對(duì)不同 離子敏感的膜。 當(dāng)將器件置于待測(cè)溶液中時(shí)，柵介質(zhì)直接與待測(cè)溶 液接觸。傳感器對(duì)離子活度的響應(yīng)可由柵介質(zhì)與電 解液界面處的電化學(xué)勢(shì)對(duì)閾電壓的影響來(lái)說(shuō)明 . lgtiV C S 第三節(jié) 控制理論與應(yīng)用 一、生物過(guò)程的控制特征 發(fā)酵過(guò)程的一些特征使其比化學(xué)反應(yīng)過(guò)程更易受控 制。 生物反應(yīng)器在很大程度上能自我調(diào)節(jié)，這是微生物 靠長(zhǎng)期進(jìn)化培養(yǎng)出來(lái)的適應(yīng)環(huán)境的能力。故突然消 失的反應(yīng)在生物過(guò)程中是不存在的，當(dāng)遇條件不適， 反應(yīng)過(guò)程會(huì)自然衰減。 許多生物過(guò)程運(yùn)行并非絕對(duì)依賴過(guò)程的控制，但這 并不等于不能通過(guò)優(yōu)化控制來(lái)改進(jìn)生物過(guò)程。 例如，調(diào)節(jié)得很好的控制回路通?？梢跃S持過(guò)程溫 度或 pH條件很接近所需值（如 0.3 ， pH 0.2）。 （一）溫度的控制 生物反應(yīng)的最佳溫度范圍是 比較狹窄的，所以發(fā)酵過(guò)程 需把生物反應(yīng)器的溫度控制 在某一定值或區(qū)間內(nèi)。 在冷卻水溫度比較穩(wěn)定的情 況下，生化反應(yīng)器的溫度常 采用單回路的 PID控制。這 樣的溫度控制系統(tǒng)由四個(gè)環(huán) 節(jié)組成，即溫度測(cè)量元件， 通常用鉑熱電阻溫度計(jì) T， 控制器，調(diào)節(jié)閥和被控過(guò)程 的生化反應(yīng)器（發(fā)酵罐）。 （二） pH的控制 pH是發(fā)酵過(guò)程中代謝平衡，特別是 碳、氮平衡的反映。 系統(tǒng)由 pH測(cè)量電極和變送器、 pH 控制器、空氣開(kāi)關(guān)和氣動(dòng)開(kāi)關(guān)閥組 成。氨水不是直接加入反應(yīng)器，而 是通過(guò)空氣管道與空氣一起送入反 應(yīng)器，這樣使氨水充分分散于發(fā)酵 液中，不會(huì)造成局部 pH值的偏高或 偏低。為了防止調(diào)節(jié)閥門的泄漏， 調(diào)節(jié)閥采用氣動(dòng)開(kāi)關(guān)閥，它由電磁 空氣開(kāi)關(guān)來(lái)控制。所以， pH控制系 統(tǒng)是一開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)，控制器根據(jù) pH偏差信號(hào)計(jì)算出開(kāi)關(guān)閥門開(kāi)關(guān)周 期和開(kāi)與關(guān)的時(shí)間長(zhǎng)短，來(lái)控制輸 入的氨水的量，從而達(dá)到控制 pH的 目的。 （三）溶氧控制 由于溶氧濃度受到傳氧與耗 氧兩方面影響，從耗氧方面 考慮，溶氧濃度可作為補(bǔ)料 控制的依據(jù)。從傳氧方面考 慮，一般通過(guò)加大攪拌轉(zhuǎn)速、 通氣量或罐頂壓力的方法， 提高氧傳遞速率。 溶解氧通過(guò)控制發(fā)酵罐壓力 和空氣流量的方法來(lái)控制。 由于壓力控制系統(tǒng)與空氣流 量控制系統(tǒng)相互有影響，即 有耦合作用。因?yàn)樘岣甙l(fā)酵 壓力，使發(fā)酵中二氧化碳的 溶解度也增加，這不僅會(huì)改 變發(fā)酵液的 pH值，而且會(huì)影 響氧的溶解度，因此，常用 控制溶解氧的方法控制空氣 流量。 （四）補(bǔ)料控制 補(bǔ)料程序依賴于比生長(zhǎng)曲線 形態(tài)、產(chǎn)物生成速率及發(fā)酵 的初始條件等情況。 補(bǔ)料控制實(shí)際上是流量控制， 整個(gè)控制系統(tǒng)由流量測(cè)量環(huán) 節(jié)、流量控制器和調(diào)節(jié)閥組 成。其中流量測(cè)量環(huán)節(jié)可用 電磁流量計(jì)或帶遠(yuǎn)傳轉(zhuǎn)子流 量計(jì)來(lái)測(cè)量 。 二、先進(jìn)控制理論在反應(yīng)器控制中的應(yīng)用 （一）模糊邏輯控制在生化過(guò)程中的應(yīng)用 （二）生化過(guò)程知識(shí)庫(kù)系統(tǒng) 過(guò)程控制 狀態(tài)估算未來(lái)控制 與生產(chǎn)的預(yù)測(cè) 模擬 優(yōu)化 生物掃描器 檢測(cè)與監(jiān)督控制 相鑒別 操作策略 內(nèi)在模擬 預(yù)期軌道 錯(cuò)誤檢測(cè)與診斷 傳感器經(jīng)驗(yàn) 恢復(fù)意見(jiàn) 本地控制計(jì)算 機(jī) 過(guò)程 在線調(diào)度程序 在線 RDB 智能使用者接 口 離線數(shù)據(jù) （三）基于專家系統(tǒng)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 系統(tǒng)數(shù)據(jù) 專家知識(shí) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 整體分析 實(shí)際系統(tǒng) 局部?jī)?yōu)化 系統(tǒng)改進(jìn) 實(shí)際數(shù)據(jù) 專家神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析框圖 生化過(guò)程控制理論存在的難點(diǎn)： 無(wú)論是前饋還是反饋控制，都必須建立在在線監(jiān)測(cè)的各種參數(shù) 上，但適用于生化反應(yīng)過(guò)程的傳感器的研究大大落后于生物工 業(yè)的發(fā)展。 各種微生物具有獨(dú)特的生理特性、生產(chǎn)各種代謝產(chǎn)物又有各自 的代謝途徑，應(yīng)用于生化反應(yīng)過(guò)程的控制理論不具有普適性。 控制理論自身的局限，至今不能模擬生化反應(yīng)過(guò)程的高度非線 性的多容量特性。 在具體的控制模型構(gòu)建時(shí)，缺乏以細(xì)胞代謝流為核心的過(guò)程分 析，采用以動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)的最佳工藝控制點(diǎn)為依據(jù)的靜態(tài)操作 方法實(shí)質(zhì)上是化學(xué)工程動(dòng)力學(xué)概念在發(fā)酵工程上的延伸。目前 發(fā)酵動(dòng)力學(xué)模型主要通過(guò)經(jīng)驗(yàn)法、半經(jīng)驗(yàn)法或簡(jiǎn)化法得到，一 般為非結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，如 Monod、 Moser、 Tessier、 Contois 等模型方程。國(guó)內(nèi)外都有學(xué)者提出基于參數(shù)相關(guān)的發(fā)酵過(guò)程多 水平問(wèn)題的研究。