第八章 生物反应器参数控制综述
生物反应器原理
生物反应器原理生物反应器是一种用于进行生物反应的设备，它在现代生物工程领域中起着重要作用。
生物反应器原理涉及到物质转化、细胞生长、微生物代谢等多个方面。
本文将介绍生物反应器的原理及其相关内容。
一、生物反应器的基本原理生物反应器是一个封闭的设备，用于控制和模拟生物活性环境，以实现所需的物质转化和生物过程。
其基本原理如下：1. 控制环境参数：生物反应器中的环境参数包括温度、pH值、氧气和营养物质的浓度等。
通过精确控制这些参数，可以提供一个适宜的环境，促进生物反应的进行。
2. 提供合适的生物体：根据所需的反应类型，选择合适的生物体，如细胞、微生物等。
这些生物体可根据具体要求进行培养和添加到反应器中。
3. 提供适宜的培养基：在生物反应器中，需要提供适宜的培养基来满足生物体的生长和代谢需求。
培养基可以包含有机物、无机盐、维生素等。
4. 控制反应过程：生物反应器中的反应过程可以分为两种类型，即静态和动态反应。
静态反应是指保持环境参数不变的情况下进行的反应，而动态反应则是通过改变环境参数来调节反应过程。
二、生物反应器的种类及应用根据不同的应用需求，生物反应器可分为多种类型。
下面介绍几种常见的生物反应器及其应用：1. 批量反应器：批量反应器是最简单的生物反应器类型，适用于小规模实验室研究。
其特点是一次性添加反应物，控制一定的反应时间后停止反应。
2. 连续流反应器：连续流反应器是以连续加入反应物和排出产物的方式进行反应。
由于连续供料和产物排出，使得反应过程更加稳定和持续。
3. 内循环反应器：内循环反应器是在连续流反应器的基础上发展而来的一种类型。
其特点是在反应器内保持较高的物质浓度，以增加反应效率。
4. 固定床反应器：固定床反应器是一种多孔载体上附着生物体进行反应的装置。
通过固定生物体，可提高床内微生物的多样性和稳定性。
5. 喷射式反应器：喷射式反应器是一种通过喷射和混合气体和液体来加速反应速率的装置。
其特点是能够提供高活性和高反应效果。
第八章生物反应器
第八章生物反应器教学目标：掌握返混的概念；了解理想反应器模型；了解发酵罐的基本结构。
教学重点：返混的概念；发酵罐的基本结构。
教学难点：发酵罐的基本结构。
课时：6学时生物反应器：利用生物催化剂进行生物技术产品生产的反应装臵。
（古代欧洲用牛胃盛牛奶，牛胃中的活性物质把牛奶转化为乳酪。
牛胃便是生物反应器，活性物质是凝乳酶）第一节生物反应器基本知识一、生物反应器类型1、按操作方式分：间歇、连续、半连续；2、按照反应器内流体流动及物料混合程度：理想、非理想；3、按照几何构型和结构特征：罐式、管式、塔式、膜式；4、按照相态：非均相、均相；5、按照流体与固体催化剂的接触方式：固定床、流化床；6、按照所使用的催化剂：酶催化反应期、微生物反应器。
例如：葡萄糖被葡萄糖异构酶所催化是单一的酶催化反应，所需的反应器为酶反应器。
葡萄糖发酵成乙醇是由微生物酵母生产的一系列酶在无氧条件下催化而成的产品，所用酶反应器为发酵罐。
随着生物工程技术的发展，动植物细胞逐渐从实验室规模过渡到生产规模。
动植物细胞培养是指动物或植物在体外条件下进行培养繁殖，此时细胞虽然生长增多，但不再形成组织。
动植物培养与微生物培养有较大区别，首先是动物细胞没有细胞壁，而且大多数哺乳动物细胞附着在固体或半固体表面才能生长，并对培养基的营养要求苛刻等原因，所以强烈的机械搅拌与通气鼓泡产生较大的剪切力都会损伤细胞，使细胞破裂。
植物细胞具有细胞壁，可以像微生物一样在液体中悬浮培养，但对流体的剪切力的耐受性比微生物低，再加上动物细胞的生长比微生物缓慢，并且动物细胞培养条件又非常适合杂菌生长。
所以反应器在结构上有特殊要求。
二、生物反应器设计内容与开发趋势1、设计内容：生物反应器在生物工程中处于极为重要的中心地位，它通常影响整个过程经济效益的重要方面。
反应器设计的基本准则是操作状态最佳化。
（1）反应器类型：根据生产工艺特征、反应及物料特性等因素确定反应器的操作方式、结构类型、传动和流动方式等。
生物反应器工程课件8
8.1 概述 8.1.1 特点 避免生物反应的抑制特性； 底物流加作为一种代谢调控手段； 既有分批特性、也有连续操作特性； 有些生物反应的时变性； 有利于细胞高密度培养； 空时得率大于分批培养、可接近于连续操作。 8.1.2 分类 补料分批培养，fed-batch culture ； 反复补料分批培养， repeated fed-batch/cyclic fed-batch culture ； 反复分批培养， repeated /cyclic batch culture
排料体积与流加 VRm − VR 0 结束时的体积比：η = V
Rm
流加开始时的反应器体积与 结束时的反应器体积之比： γ = 1 −η
流加结束 排料和重新 开始流加
开始流加 F(t), cS0
流加中间 F(t), cS0
VRm VR VR0 cS0 ， cX0 cS ， cX cSm ，cXm VR0 cS0 ， cX0
0 S 0 S
µ 0 c XVR
=
µ0
c X 0VR 0 exp(µ 0 t )
限制性底物浓度始终为常数
cS = cS 0
8.2.4 定值控制的流加模型 8.2.4.1 恒pH法
H O ) + B (NH ) + C (O ) → D(C H O N ) + B( H ) + E (CO ) + F ( H O ) A(C
+ x y z 4 2 +
α
β
γ
δ
2
2
Y X B cOH , B ⎛ FC ⎞ ⎜ ⎟ = c SY X S ⎝ FB ⎠ C
8.2.4.2 恒溶氧法
生物反应器的控制与优化技术
生物反应器的控制与优化技术生物反应器作为现代生物技术的核心工具，在生物制药、食品工业、环境保护等众多领域发挥着至关重要的作用。
然而，要实现生物反应器的高效运行和优质产物的生产，精确的控制与优化技术必不可少。
生物反应器的控制，旨在维持反应系统内各种参数的稳定，为生物过程创造适宜的环境。
这就好比给生物反应搭建一个舒适的“家”，让其中的生物活动能够有条不紊地进行。
温度、pH 值、溶氧浓度、营养物质浓度等参数，每一个都直接影响着生物反应的速率和产物的质量。
比如，温度过高或过低都会影响酶的活性，从而改变生物反应的进程；pH 值的变化可能导致蛋白质变性，使反应无法正常进行；溶氧浓度不足会限制好氧微生物的生长和代谢。
在控制这些参数时，传感器起着关键的作用。
它们就像是生物反应器的“眼睛”，实时监测着内部的变化。
然而，传感器并非完美无缺，可能存在测量误差、响应延迟等问题。
为了提高控制的准确性，常常需要采用多种传感器进行交叉验证，并结合先进的信号处理技术来降低误差的影响。
除了参数的控制，生物反应器的搅拌和通气系统也需要精心设计。
搅拌可以使反应物均匀分布，避免局部浓度差异过大；通气则为好氧生物提供足够的氧气。
但搅拌速度和通气量的不当设置，可能会产生剪切力，对细胞造成损伤。
因此，需要根据生物体系的特性和反应的需求，优化搅拌和通气策略。
优化技术则是在控制的基础上，进一步提升生物反应器的性能。
这包括对反应过程的建模和模拟，以及基于模型的优化算法的应用。
通过建立数学模型，可以更深入地理解生物反应的内在机制，预测不同条件下的反应结果。
例如，利用代谢模型可以分析细胞内的物质代谢途径，找出关键的控制点和限速步骤，为优化提供方向。
然而，生物反应过程的复杂性使得建立精确的模型充满挑战。
生物体系往往具有非线性、时变性和不确定性等特点，这就要求模型不断地更新和完善。
同时，优化算法的选择也至关重要。
常见的优化算法如遗传算法、粒子群优化算法等，在解决生物反应器优化问题上各有优劣。
生物反应器中的过程监控与控制
生物反应器中的过程监控与控制生物反应器是一种能够培养生物组织、细胞和微生物培养物的设备，由于其具有高效、稳定、可控的特点，被广泛应用于生物化工、药物制造、生物制品和食品生产等领域。
而对于其中过程的监控与控制则成为了关键的问题，因为它们直接影响着产品的质量和产量。
本文将介绍生物反应器中的过程监控与控制的相关技术和方法。
一、生物反应器中的过程监控1.参数监测：生物反应器中常见的参数包括温度、pH值、氧气含量和压力等。
这些参数对生化过程和微生物的生长都有着十分重要的影响，因此需要实时地对这些参数进行监测。
现代生物反应器通常都具备自动化控制系统，可以通过传感器实时地获取这些参数的值，并自动调节操作。
2.微生物生长监测：微生物的生长速率和生长阶段对反应器中过程的监测和控制也有着非常重要的作用。
一些光学技术，如荧光假膜染料和生物发光技术，可以用于实时监测微生物的生长。
此外，也可以通过取样并检测微生物数量和代谢产物等方式进行监测。
3.培养物中有害物质检测：生物反应器中存在的某些化合物或微生物，可能对产品的质量造成一定的影响，因此需要在反应器中对这些物质进行实时检测。
现代生物反应器通常都配备有气体色谱仪、液流色谱仪、光谱仪等高分辨率仪器，可以针对不同物质进行检测。
4.反应器状态监测：反应器的运行状态也是一项很重要的监测内容。
主要包括反应器内压力、温度、容积、氧气含量等的监测，通过这些信息来判断反应器是否正常运行，并作出相应的控制调整。
二、生物反应器中的过程控制1.实时反馈控制：实时反馈控制是针对反应器中的参数实时取样和分析，以实现反馈控制的方式。
通过反应釜内的传感器来反馈反应器内各个数据，包括压力、温度、气体浓度等，从而控制反应器内的物质输送，保证了反应体系内重要参数的稳定。
2.偏差误差控制：偏差误差控制是针对反应器中参数的误差，进行误差控制的方式。
读数误差、时间延迟误差、传感器响应误差等误差需要通过不同的控制方式进行补偿。
生物反应器
连续式生物反应器：以一定的流量不断加人新的培养基， 同时以相同的流量不断取出反应液。
这样就可以不断地补充细胞需要的营养物质，而代谢产物 则不断被稀释而排出，使生化反应连续稳定地进行下去。
酿酒工业
麦芽产生的淀粉酶、蛋白 酶、葡萄糖酶
β-葡聚糖酶 淀粉葡萄糖苷酶 木瓜蛋白酶
将淀粉和蛋白质降解成级被酵母使用 的单糖、氨基酸和肽，从而提高乙醇 的产量
改进啤酒的过滤性能
用于生产低糖啤酒
去降乳糖为葡萄糖和半乳糖
第八章 生物反应器
应用领域
使用的酶种类
用途
乳制品工业 糖工业
凝乳酶 乳糖酶 淀粉酶，淀粉葡萄糖苷酶 葡萄糖异构酶
3、酶在工业上的应用
应用领域
使用的酶种类
用途
洗涤剂工业 细菌蛋白酶类
淀粉酶类
用于污渍去除，可以直接液体使用或 用胶囊包埋后使用
可作为洗碗机的洗涤剂，用于去除难 溶的淀粉残迹等
烘烤食品工业 真菌产的-淀粉酶
蛋白酶类
催化淀粉降解成可被酵母利用的糖类， 用于面包及面卷的制作等
在饼干制作过程中，用于降低面粉中 的蛋白质含量等
半连续生物反应器同时具有间歇式生物反应 器和连续式生物反应器的一些特点。
第八章 生物反应器
3、按反应器结构特征分
釜式、管式、塔式、膜式等类型
第八章 生物反应器
4、按能量的输入方式分
通过机械搅拌输入能量的机械搅拌式 利用气体喷射动能的气升式 利用泵对液体的喷射作用而使液体循环的生物反应器等
第八章 物反应器
用于伤口愈合和溶解血凝块，还可用于 去除坏死组织，抑制污染微生物生长
生物反应器设计及控制技术
生物反应器设计及控制技术生物反应器是一种用于生物系统培养和生产的设备，通常可以控制反应环境的温度、升降速度、液位、搅拌速度和氧气浓度。
随着生物技术的快速发展，生物反应器成为了生产过程中不可或缺的重要设备。
本文将介绍生物反应器的设计及控制技术，以及其在生产中的应用与发展。
一、生物反应器的设计生物反应器的设计通常需要考虑以下几个方面：1、容积：反应器的容积应该适当，既不能过大又不能过小。
容积过大会增加成本，容积过小则会导致生产率下降。
2、搅拌系统：搅拌系统通常包括驱动装置、搅拌器和控制器等部分。
搅拌速度应该适当，过快会造成气泡太小、液体过度搅拌，导致细胞破碎和死亡；过慢则会导致细胞堆积、生产力下降。
3、气体供应：气体通常用于供氧、溶解氧和刺激生产。
气体供应系统通常包括气源、气体调节阀、气体过滤器和气体分配系统。
4、温度控制：温度是生物反应器中重要的环境参数之一。
温度控制通常包括加热和冷却系统。
反应器内的温度应稳定且可控，以保证生产质量。
5、PH值控制：反应器内的PH值应稳定且可控，过高或过低对生产过程会造成不良的影响。
作为控制系统的一部分，PH值调节系统通常由PH电极、控制器和酸碱液供应系统组成。
6、混合控制：反应器中通常有多个相，需要通过混合控制来达到混合均匀的目的。
混合控制系统通常包括流量计、输送泵、混合槽和搅拌器等部分。
二、生物反应器的控制技术生物反应器的控制技术主要包括闭环控制和开环控制两种方式。
闭环控制利用传感器测量反应器内部环境参数并将其与设定值进行比较，通过控制器的反馈作用来调节设备的输出参数，从而使反应器的环境参数得到稳定控制。
开环控制则是在确定好需要达到的反应条件后，直接调节设备的运行参数以达到目的。
这种方式适用于简单反应器和基础实验研究，一般用于确定物理参数和生化反应过程。
三、生物反应器的应用与发展随着生物技术的快速发展，生物反应器广泛应用于制药、食品、化学和环保等领域。
生产有价值的生物制品，如酶、抗体、生物燃料等，是目前广泛应用反应器的主要领域之一。
制药过程中的生物反应器控制
制药过程中的生物反应器控制制药是一项十分重要的工作，它涉及到对人们身体健康的保护和维护，因此在整个过程中需要严格的控制。
其中，生物发酵反应器是制药过程中的一个重要环节，需要精确的控制参数来确保生产过程的成功和安全。
本文将就制药过程中的生物反应器控制进行详细介绍。
一、生物反应器的基本结构为了更好的理解生物反应器控制的重要性，我们首先要了解一下生物反应器的基本结构。
生物反应器一般包含一个反应池和一个控制系统。
反应池主要是将营养物和微生物进行混合和反应。
而控制系统则是用于监测和调节反应池中的环境参数，如温度、pH值、氧气含量等。
二、影响生物反应器的环境参数在反应器中，微生物对环境的微小变化极其敏感，它们的生长和代谢都要求一定的环境条件。
因此，在生产过程中必须控制反应池的环境参数，以确保微生物的最佳生长和代谢。
以下是一些常规的环境参数：1.温度：微生物对温度非常敏感，不同的微生物需要不同的温度。
过高或过低的温度都会影响微生物的生长和代谢，不利于产品合成。
2.pH值：合适的pH值对提高产品产量和提高微生物生长速度都非常重要。
3.氧气含量：微生物需要氧气来进行代谢和生长，氧气调节是保证微生物正常生长和代谢的重要因素。
三、常用的生物反应器控制策略为了最大程度地提高微生物生长和代谢，我们可以采用一些常用的生物反应器控制策略。
1.闭环控制闭环控制是最常用的生物反应器控制策略之一。
在这种控制策略中，反应器中的参数被持续地测量和比较，然后与理论值进行比较，以确定是否需要进行调整。
这种方法可以更精确地控制反应池中的环境参数，有效提高产品的合成效率。
2.开环控制开环控制是反应器控制的一种方法，它是通过预测所需的环境参数变化，并在反应器中进行相应的调整，以提高微生物的生长和代谢效率。
3.逆向控制逆向控制是一种更加精确的生物反应器控制方法，它是针对反应器中微生物代谢产生的影响进行调整。
这种方法可以提高微生物的生长速度和反应速度，从而提高产品的合成效率。
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mV % Pa %
生长和生化活性 qo2 反映OUR 和 Kla 反映OUR 和 Kla
发酵过程检测控制的主要的参数 3、生物参数
检测参数 菌丝形态 菌体浓度 检测方法 摄像显微镜 取样镜检 取样 ：干重、浊度、 gL-1 活菌计数、离心沉 降 单位 影响 反映菌体发育阶段 和正常与否 影响菌体的生化反应 Kla
粘度
浊度
旋转粘度计
浊度计
Pas
%
Kla
反映单细胞的生长
料液的流量
蠕动泵 荷重传感器
Lh-1
S
发酵过程检测控制的主要的参数 2、化学参数 7个
检测参数 PH 基质浓度 产物浓度 检测方法 复合玻璃电极 HPLC 离子选择电极 生物传感器 取样 氧化还原电位电极 覆膜氧电极 顺磁氧分析仪 红外气体分析仪 gL-1 单位 影响及作用 菌体和产物合成速度 酶促反应的方向 μ qP 发酵周期的长短
第一节生化过程主要参数 第二节常用检测方法及仪器 主要参数检测原理及仪器 发酵液中营养成分与产物的分析 第三节生物传感器的研究开发与应用 生物传感器的类型及结构原理 第四节 计算机自动控制
典型工业生物技术过程
细胞 酶 空气 除 菌
检测控 制仪表
副产品
产品提取纯化
生物催化剂 （游离或固定化）
生物反应器
罐压 空气流量
传感器
压力表 传感器
维持生长、合成
维持正压、增加DO 供氧、排泄废气、提高KLa
搅拌速率
粘度 液面 浊度 泡沫 传质系数 加糖速率
传感器
粘度计 传感器 传感器 传感器 间接计算，在线检测 传感器
物料混合、提高KLa
反映细胞生长、 KLa 反映操作稳定性、生产率 反映细胞生长情况 反映发酵代谢、操作稳定性 反映供氧效率 反映耗氧情况
（1）进行检测的目的；
（2）有多少必须检测的状态参数，参变量能否检测；
（3）参数能否在线检测，其响应滞后是否太长； （4）利用检测结果怎样判断生物反应器及生物细胞本身的状态； （5）需控制的主要参变量是哪些。
生化过程各参数及其测试概况
（a）物理、工程参数 12
参数名称 测试方法 意义、主要作用
温度
产品 废物
原材料 营养物
底物
经加工 原料
机械能
热能
培养基
核心技术？
第一篇 生物质原料处理设备
• • • • 第一章 生物质原料预处理设备 第二章 生物细胞培养基制备设备 第三章 生物培养基灭菌设备 第四章 原料（物料）输送设备
第二篇 生物反应设备
第五章 生物反应器—通风搅拌发酵罐
第一节 发酵设备概述 第二节 通风发酵罐结构与工作原理 第三节 自吸式发酵罐结构与工作原理 第四节 气升式发酵罐(ALR)结构与工作原理
发酵机械与设备
•徐 明 芳 博 士 •教 授 •暨 南 大 学 生 科 院 • 2015-12-4
目录
绪论
第一篇
生物质原料处理设备
第二篇
第三篇
第四篇
生物反应设备
产物分离设备
其他设备
典型工业生物技术过程
细胞 酶 空气 除 菌
检测控 制仪表
副产品
产品提取纯化
生物催化剂 （游离或固定化）
生物反应器
（灭菌）
加消泡剂速率
加其它基质速率
传感器
传感器
反映泡沫情况
反映基质利用情况
第一节生化过程各参数及其测试概况
（b）生物、化学参数 10
参数名称 细胞浓度 取样 细胞中ATP、ADP 取样 测试方法 意义、主要作用 了解生长情况 了解细胞的能量代谢活力
细胞中NADH2
溶解氧浓度 排气O2浓度
在线荧光法
传感器 传感器
第二节生化过程常用检测方法及仪器
主要参数检测原理及仪器
1取样系统
生化过程常用检测方法及仪器
主要参数检测原理及仪器
2温度的测定
检测仪表有：热电阻检测器（resistance thermal detector，RTD）、
了解细胞的合成能力
反映供氧情况 了解耗氧情况
溶解CO2浓度
排气CO2浓度 酸碱度 产物浓度 基质浓度
传感器
传感器（红外吸收） 传感器 取样（传感器） 取样
了解CO2对发酵的影响
了解细胞的呼吸情况 反映细胞的代谢途径 产物合成情况 了解基质的利用情况
第一节、发酵过程检测控制的主要的参数 1、物理参数8个
第八章
生物反应器的检测及自动控制
第一节生化过程主要参数 第二节常用检测方法及仪器
• • 主要参数检测原理及仪器 发酵液中营养成分与产物的分析
第三节生物传感器的研究开发与应用
• 生物传感器的类型及结构原理
第一节生化过程主要参数
生物反应器的检测及控制
生物反应过程及反应器的检测控制中应考虑的问题：
第六章厌氧（嫌气）发酵设备
第一节 酒精发酵设备 第二节 啤酒发酵设备 第三节连续发酵设备
第七章 生物反应器—细胞培养反应器
第一节 第二节 第三节 植物细胞反应器 动物细胞反应器 微藻培养反应器
第二篇 生物反应设备
第五章 生物反应器—通风搅拌发酵罐
第六章厌氧（嫌气）发酵设备
第七章 生物反应器—细胞培养反应器 第八章 生物反应器的检测及控制
（灭菌）
产品 废物
原材料 营养物
底物
经加工 原料
机械能
热能
培养基
核心技术？
思考题
1、发酵过程检测控制的主要的参数与作用 2、温度的 检测仪表有哪几类？ 3、热量测定装置有哪几类？ 4、 简述压差法测定液位的原理 5、泡沫高度的检测采用那些方法？ 6、发酵液黏度的检测采用那些仪器 7、pH的检测计的结构及其工作原理 8、简述溶解CO2浓度的测定原理 9、简述氧化还原电位（ORP）的检测原理 10、简述排气的氧分压的测定的方法与原理 11、简述排气的CO2分压的测定的方法与原理 12、生物发酵溶液中营养成分与产物的分析主要包括那些？ 13、生物传感器的基本组成包括那些部分？简述其工作原理。 14、列表分析生物传感器的分类。 15、生物传感器的信号转换器有哪几类？ 16、敏感器件（分子识别元件)有哪几类？ 17、般检控系统包括那几个部分？ 18、如何实现温度、pH、溶解氧、泡沫控制？
检测参数 温度 罐压(0.20.5×105Pa) 搅拌转数 搅拌功率(2 -4KW/m3) 空气流量 检测方法 铂电阻 热 敏电阻 隔膜传感器 压敏电阻 频率计数器 功率计 浮子流量计 孔板差压计 单位 ℃ Pa r/min Kw m3h-1 vvm 影响 μ qP c* 保持正压，防止染菌 O2 及 CO2 的溶解度 Kla 发酵液的均匀性 Kla Kla