第十章生化过程参数检测课件.ppt

,第十章 生化过程参数检测,生物反应器的检测及控制,生化过程主要参数 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 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,生物反应过程及反应器的检测控制中应考虑的问题：（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。,生物反应器的检测及控制,生化过程参数的分类,反映生化过程变化的参数分为两大类：一类是可以直接采用特定的传感器检测的参数称为直接参数，包括各种反映物理环境和化学环境变化的参数：如温度、压力、流量、搅拌功率、转速、泡沫、黏度、浊度、pH、离子强度、溶解氧和基质浓度等。另一类是综合参数，包括细胞生长速率、产物合成速率、呼吸商等。,生化过程各参数及其测试概况,（a）物理、工程参数,生化过程各参数及其测试概况,（b）生物、化学参数,生化工程用传感器应具有的要求：（1）传感器能经受高压蒸汽灭菌；（2）传感器及其二次仪表具有长期稳定性；（3）最好能在过程中随时校正；（4）探头材料不易老化，使用寿命长；（5）探头安装使用和维修方便；（6）解决探头敏感部位被物料（反应液）粘住、堵塞问题；（7）价格合理，便于推广使用。,生化过程常用检测方法及仪器,物理环境参数的检测,取样系统,生化过程常用检测方法及仪器,温度的测定 严格保持菌种的生长繁殖和生物合成所需的最适温度，对稳定发酵过程，缩短周期，提高产量，具有重要意义。检测仪表有：水银温度计、热电阻检测器（resistance thermal detector，RTD）、半导体热敏电阻、热电偶、金属电阻。,普遍使用的热电阻有铂电阻和铜电阻。铂电阻精度高、稳定性好、性能可靠；铜电阻超过100时易被氧化。为了使生物反应在适当的温度下进行，必须采取措施在夹套或蛇管内通入冷却水加以控制。,生化过程常用检测方法及仪器,发酵热的测定与计算(1)通过测量一定时间内冷却水的流量和冷却水的进出。Q发酵=GC(T2-T1)/V Q发酵-发酵热;C-冷却水的比热；G-冷却水的流量;T1T2-进出口冷却水的温度;V-发酵液的体积；,生化过程常用检测方法及仪器,(2)通过罐温度的自动控制，先使罐温达到恒定，再关闭自控装置，测量温度随时间上升的速率S。Q发酵=(M1C1+M2C2)S/V Q发酵-发酵热;M1-发酵液质量；M2-发酵罐质量；C1-发酵液比热；C2-发酵罐材料比热；S-温升速率；V-发酵液体积；,生化过程常用检测方法及仪器,(3)根据化合物的燃烧热值计算发酵过程中生物热的近似值。根据赫斯定律：“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。反应热效应H=（H）作用物-（H）产物,生化过程常用检测方法及仪器,(4)测定微生物生长代谢过程中的耗氧量，Q=O2（-H0）O2 基质完全氧化需氧量与菌体和产物完全氧化需氧量之差，即在微生物生长代谢过程中所消耗的氧。通风发酵过程生成的发酵热数量与过程所消耗的氧是成正比。另，可根据理论推导和实验结果对生成热进行估算：qH=(0.1060.124)qO2(1/10)qO2 qO2-氧的消耗比速(mmolO2/g菌体 h)qH-发酵热生成的比速(kcal/g菌体 h)当通风发酵出现溶解氧不足时，有的的微生物能够进行厌氧反应。则出现:QH(0.1060.124)QO2,生化过程常用检测方法及仪器,热交换器发酵热测量微热量测量装置：绝热式微量热计、热流量热计、流通式量热计。,热交换器发酵热测量,流通式量热计,生化过程常用检测方法及仪器,压力 保持罐压稳定是很重要的。可以简单地由薄膜式压力计测定；罐压变送器采用隔膜式元件，可在排气管道上安装调解阀门；压力信号转换器：电阻式、电感式、电容式和半导体式等。,测压点和控制点的选择应考虑的因素：1）防止染菌，避免死角，防止固形物的堆积；2）注意气源波动对压力的影响。,生化过程常用检测方法及仪器,流量测定,空气流量 采用可变范围式流速计（如转子流量计）来测定通入发酵罐中的无菌空气的流量。流量计中浮动转子的位置可以通过电容或电阻原理转换成电信号，该信号经过加大之后启动控制器，可实现气体流量控制的自动化。,生化过程常用检测方法及仪器,料液流量 常用转子流量计、电磁流量计和通过测定发酵罐的质量变化间接测定液体流量的应变器。,椭圆流量计工作原理图,生化过程常用检测方法及仪器,体积流量型 根据流体动能的转换以及流体流动类型的改变而设计的测量装置。主要类型有同心孔板压差流量计和转子流量计。,轴功率 采用瓦特计联结在搅拌器的电机轴上来测量其功率消耗。这种近似的测量只适用于大型设备，对小型发酵罐不能适用。主要是因为填料匣的摩擦作用在电机的负荷中占有相当大的比率。小型发酵罐搅拌轴的功率多采用扭力功率计或者应变计来测量。应变片安装在发酵罐内的搅拌轴上，导线从轴的轴向孔中引出罐外，电信号通过旋转轴上的滑动环传出。,生化过程常用检测方法及仪器,转速 发酵搅拌罐的转速，依罐的大小而已。小罐的搅拌器转速要比大罐的快些，所有搅拌罐搅拌器的末端线速度ND，在一般情况下几乎都是恒定的值，即为150300m/min。搅拌器的转速可用测速发电机测定，测速发电机同搅拌器轴联接，根据输出的电压（一般是mV）值高低表示转速的快慢，使用时，应对仪表的刻度盘进行校正。,泡沫太多的泡沫给反应带来不利的影响1.使反应器的装填系数减少；2.造成大量逃液，导致产物的损失；3.泡沫“顶罐”有可能使培养基从搅拌的轴封渗出，增加染菌的机会。4.由于泡沫的液位变动，以及不同生长周期微生物随泡沫漂浮，使微生物生长的环境发生了变化，影响了微生物群体的效果，增加了微生物群体的不均一性。5.影响了搅拌的正常进行，妨碍了微生物的呼吸。6.使微生物提早自溶。7.为了控制泡沫，需加入消泡剂。对产物的提取不利。,微生物反应过程产生泡沫的原因 1.由外界引进的气流被机械地分散形成 2.反应过程产生的气体聚结生成的泡沫 培养基的物理化学性质对泡沫形成的表面现象起决定作用，此外，培养基的温度、酸碱度、浓度等对过程的泡沫也有一定的影响。培养基中的蛋白质含量越多，反应液的黏度也越大，越容易起泡，泡沫多而且持久稳定。,化学消泡消泡机理：1.消泡剂是表面活性物质，降低气泡表面张力，使气泡破裂；2.降低机械强度（降低液膜的弹性）；3.降低膜表面的黏度。天然油脂类、高级醇类、聚醚类、硅酮类、氟化烷烃等生产中的一些用法：(1)通过机械搅拌，使消泡剂更易于分散在反应液中。(2)将消泡剂与载体一起使用，使消泡剂溶于或分散于载体中，比 如用聚氧丙烯甘油作消泡剂时，以豆油为载体的消泡增效作用明显。(3)多种消泡剂并用可增强消泡作用。(4)使用乳化剂增强消泡剂的消泡作用，如消泡剂聚氧丙烯甘油用吐温-80为乳化剂的增效作用可提高12倍。,泡沫的控制,机械消泡 靠机械强烈振动和压力的变化，促使细胞破裂，或借助机械力将排出气体中的液体加以分离回收，从而达到消泡的作用。机械消泡的优点是不需在发酵液中加入其他物质，减少了由于加入消泡剂所引起的染菌机会和对后续分离的影响。但是机械效果不如化学消泡迅速、可靠、不能根本上消除引起稳定泡沫的因素，而且它还需要一定的设备和消耗一定的动力。罐内消泡、罐外消泡。,生化过程常用检测方法及仪器,压差法,液位电极控制消泡剂的流加 液位电极是根据空气与带有发酵液的泡沫导电率不同的原理制造。采用双位式的控制方法，当反应物液面达到一定的高度时，自动打开消泡剂的阀门，当液面降回到正常时，自动关闭消泡剂的阀门。,生化过程常用检测方法及仪器,液位的检测,液位探针,泡沫高度的检测 常用检测方法：电极探针测定法和声波法。,生化过程常用检测方法及仪器,发酵液黏度的检测 常用的黏度测定仪有：振动式黏度传感仪、毛细管黏度计、回转式黏度计和涡轮旋转黏度计等。,振动式黏度计,生化过程常用检测方法及仪器,发酵液黏度的检测,毛细管黏度计,将清洁干燥的乌氏粘度计垂直放入恒温水槽内，使水面完全浸没小球。用移液管吸10ml甲苯，从A管注入E球中，于25恒温槽中恒温3分钟，然后进行测定。在C管套一乳胶管，用手捏住，使之不通气。在B管用吸球将E球的溶剂吸起，经毛细管及F球吸入G球，然后先松开吸球，再松开C管橡皮管，让C管通大气，随即，被吸起的溶剂开始流回E球，此时操作者要集中精神，用眼睛水平地注视正在下降的液面，并用秒表准确地测出液面流经a线与b线之间所需的时间，并记录。重复上述操作三次，每次测定相差不大于0.2秒。取三次的平均值为t0，即为溶剂甲苯的流出时间。,生化过程常用检测方法及仪器,化学环境参数的检测,pH的检测,pH值可用耐灭菌的玻璃电极和银-汞参比电极以及pH测量仪表的检测系统检测，可连续指示罐内酸碱变化。微生物反应过程中pH的变化具有一定规律。在微生物细胞的生长阶段，由于所用的微生物菌种不同，相对 于接种后的起始pH值有上升或下降趋势 在生产阶段，一般反应液的pH值趋于稳定，维持在最适合产物 形成的范围。在微生物细胞的自溶阶段，随着培养基中的营养物质的耗尽，微生物细胞内蛋白酶的积累和活跃，微生物自溶，引起培养液中 的氨基氮等的增加，致使pH值有上升。,生化过程常用检测方法及仪器,pH的检测,引起反应液pH值下降的主要原因有：1.培养基中的碳/氮比不当，碳源过多，特别是葡萄糖过量或者中间补糖过多或溶解氧不足，致使糖等物质氧化不完全，培养液中有机酸会大量积累，从而使pH值下降2.消泡油加得过多；3.微生物生理性物质的存在，使pH值下降。引起反应液pH值上升的主要原因有：1.培养基中的碳/氮比不当，氮源过多，氨基氮释放会使pH值上升。2.生理碱性物质存在。3.中间补料液中氨水或尿素等碱性物质的加入过多。,1.调节培养基中的原始pH值，或加入缓冲溶液制成缓冲能力强、pH值变化不大的培养基。2.可在反应过程中加入弱酸或弱碱进行pH值的调节，进而合理地控制发酵条件，也可通过调整通风量来控制pH值。3.进行补料，既调节了培养液的pH值，又可补充营养，增加培养液的浓度和减少阻遏作用，进一步提高产率。4.采用酸性铵盐作为氮源时，由于NH4+被利用后，剩下的酸根会引起发酵液中的pH值下降，在培养液中可加入碳酸钙来调节pH值。5.根据pH值的变化可用流加氨水的方法来调节，同时又可把氨水作为氮源供给。6.以尿素作为氮源进行流加调节pH值。,反应液中pH值的控制方法,生化过程常用检测方法及仪器,溶氧浓度的检测 溶氧电极法测定，根据电极电流和氧分压成正比例，而溶液中的氧浓度又与氧分压成正比的关系进行测定。该法只有当发酵罐温度、压力及发酵液组成一定时，才能准确地反映发酵液中的氧浓度。管道法测定溶氧，借助于测量由液体扩散到管道中的氧气含量的方法，将惰性气体（He或N2）通过安装在发酵罐中的一种可透气的盘管，然后测量扩散到管内的溶解气体的含量。测量系统滞后2-3min，可用于长期监测用。,生化过程常用检测方法及仪器,溶解CO2浓度的测定,溶解CO2浓度的检测原理是利用对CO2分子有特殊选择渗透性的微孔膜，并使扩散通过的CO2进入饱和碳酸钠缓冲液中，平衡后显示的pH与溶解的CO2浓度成正比，由此可测出溶解CO2浓度。,CO2电极结构,生化过程常用检测方法及仪器,氧化还原电位（ORP）的检测,ORP的检测原理是基于溶液中的金属电极上进行的电子交换达到平衡时，具有相应的氧化还原电位值。表示式为：,排气的氧分压的测定,生化过程常用检测方法及仪器,气体中氧浓度的检测方法主要有磁氧分析、极谱电位法和质谱法。,排气的CO2分压的测定,生化过程常用检测方法及仪器,排气中CO2浓度常用检测仪有红外线二氧化碳测定仪和二氧化碳电极。CO2气体在红外2.62.9103和4.14.5103nm之间有吸收峰,细胞浓度的测定,生化过程常用检测方法及仪器,全细胞浓度的测定,细胞浓度在线检测浊度计,浊度分光光度计测量样品中颗粒物的阻碍作用造成的透射光强衰减程度来估计。,生物发酵溶液中营养成分与产物的分析,生物传感器(Biosensor),传感器：能感受(或响应)一种信息并变换成可测量信号(一般指电学量)的器件。它通常由敏感元件、转化元件及相应的机械结构和线路组成。生物传感器：将生物体的成份（酶、抗原、抗体、激素）或生物体本身（细胞、细胞器、组织）固定化在一器件上作为敏感元件的传感器称为生物传感器。,根据输出信号方式分类 a生物亲合型传感器 被测物质与分子识别元件上的敏感物质具有生物亲合作用，即二者能特异地相结合，同时引起敏感材料的分子结构和/或固定介质发生变化。例如：电荷温度光学性质等的变化。反应式可表示为：S（底物）+R（受体）=SR,生物传感器的分类,b代谢型或催化型传感器 底物（被测物）与分子识别元件上的敏感物质相作用并生成产物，信号转换器将底物的消耗或产物的增加转变为输出信号，这类传感器称为代谢型或催化型传感器，其反应形式可表示为：S（底物）R（受体）=SRP（生成物）,生物传感器的分类,根据分子识别元件上的敏感物质分类 生物传感器中分子识别元件上所用的敏感物质有酶、微生物、动植物组织、细胞器、抗原和抗体等；根据所用的敏感物质可将生物传感器分为酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞器传感器、免疫传感器等。,生物传感器的分类,根据生物传感器的信号转换器分类：电化学生物传感器、半导体生物传感器、热学型生物传感器、光学型生物传感器、声学型生物传感器等根据检测对象的多少：以单一化学物质为检测对象的单功能型生物传感器和同时检测微量多种化学物质的多功能型生物传感器。根据生物传感器的用途：免疫传感器、药物传感器等。,生物传感器的特点,由选择性好的主体材料构成的分子识别元件，一般不需进行样品的预处理；利用优异的选择性把样品中被测组分的分离和检测统一为一体；测定时一般不需另加其它试剂；由于它的体积小、可以实现连续在位监测；响应快、样品用量少，且由于敏感材料是固定化的，可以反复多次使用。传感器连同测定仪的成本远低于大型的分析仪器，因而便于推广普及。,生物传感器的基本组成,组成：敏感元件（分子识别元件）和信号转换器件,生物传感器的基本原理,换能器（Transducer）,感受器（Receptor）,测量信号（Measurable Signal）,=分析物（Analyte）,溶液（Solution）,选择性膜（Thin selective membrane）,识别元件（RECOGNITION）,生物传感器工作机理,生物分子特异性识别（生物感受器）,生物感受器是一种可以识别目标分析物的生物材料。,表生物传感器的分子识别元件,生物放大,生物放大作用:指模拟和利用生物体内的某些生化反应，通过对反应过程中产量大、变化大或易检测物质的分析来间接确定反应中产量小、变化小、不易检测物质的(变化)量的方法。通过生物放大原理可以大幅度提高分析测试的灵敏度。生物传感器常用的生物放大作用:酶催化放大 酶溶出放大 酶级联放大 脂质体技术 聚合酶链式反应和离子通道放大等。,将热能变化转换为电信号将光效应转换为电信号直接产生电信号,信号转换与处理,表生物传感器的信号处理方法,生物传感器的信号转换器,生物传感器中的信号转换器是将分子识别元件进行识别时所产生的化学的或物理的变化转换成可用信号的装置。常用的生物传感器换能器件有电化学电极、热敏器件、半导体器件、光电原理器件等，目前以电化学电极应用最广且比较成熟。电化学电极可用作生物传感器的信号转换器的电化学电极一般可以分为两种类型。电位型电极和电流型电极,电位型电极 离子选择电极 离子选择性电极是一类对特定的阳离子或阴离子呈选择性响应的电极，具有快速、灵敏、可靠、价廉等优点，因此应用范围很广离子选择性电极作为生物传感器的信号转换器只是它的一种应用，在生物医学领域也常直接用它测定体液中的一些成分（如H+，K+，Na+、Ca2+等）。,生物传感器的信号转换器,生物传感器的信号转换器,电流型电极 电化学生物传感器中采用电流型电极为信号转换器的趋势日益增加，这是因为这类电极和电位型电极相比有以下优点：（1）电极的输出直接和被测物的浓度呈线性关系，而电位型电极那样和被测物浓度的对数呈线性关系；（2）电极输出值的读数误差所对应的待测物浓度的相对误差比电位型电极的小；（3）电极的灵敏度比电位型电极的高。,生物传感器的信号转换器,生物热敏器件 基于温度测量原理，把生物功能材料和高性能检测器件结合而成，如酶热敏电阻。,酶热敏电阻检测系统,敏感器件（分子识别元件),酶电极,酶电极结构原理示意图,免疫传感器(Immunosensor),免疫电极,敏感器件（分子识别元件),酶标记免疫传感器原理示意图,几种主要的生物传感器,1、酶传感器(Enzyme Sensor),优点：酶易被分离，贮存较稳定，所以目前被广泛 的应用。缺点：1.酶的特异性不高。2.酶在测试的过程中因被消耗而需要不断的更换。,酶传感器的特点：,2、组织传感器(Tissue Sensor),3、微生物传感器(Microorganism Sensor),生物芯片,所谓生物芯片，是通过微加工技术和微电子技术在固体芯片表面构建微型生物化学分析系统，将成千上万与生命相关的信息集成在一块面积约为1cm2的硅、玻璃、塑料等材料制成的芯片上，在待分析样品中的生物分子与生物芯片的探针分子发生相互作用后，对作用信号进行检测和分析，以达到到基因、细胞、蛋白质、抗原以及其他生物组分准确、快速的分析和检测。,几种主要的生物芯片,基因芯片:也称DNA芯片，它是在基因探针基础上研制而成的 蛋白质芯片:以蛋白质代替DNA作为检测目的物，蛋白质芯片与基因芯片的原理基本相同，但其利用的不是碱基配对而是抗体与抗原结合的特异性，即免疫反应来实现检测 细胞芯片:由裸片、封装盖板和底板组成，裸片上密集分布有600010000乃至更高密度不同细胞阵列，封装于盖板与底板之间。细胞芯片能够通过控制细胞培养条件使芯片上所有细胞处于同一细胞周期，在不同细胞间生化反应及化学反应结果可比性强；一块芯片上可同时进行多信息量检测 组织芯片:是基因芯片技术的发展和延伸，它可以将数十个甚至上千个不同个体的临床组织标本按预先设计的顺序排列在一张玻璃芯片上进行分析研究,基因芯片,基因芯片又称寡核苷酸探针微阵列。将系列DNA片段固定在载体上（硅片、尼龙膜）。可同时进行数百次常规测试。大量探针分子固定于支持物上后，利用DNA双链的互补碱基之间的氢键作用，与标记的样品分子进行杂交，然后用精密扫描仪或摄像纪录，通过计算机软件分析处理，得到有价值的生物信息。在基因芯片制备过程中，使用了半导体领域的微加工技术（如右图中的光刻技术）。基因芯片可同时对大量核酸分子进行检测分析，已应用于生物医学、生物分子学、人类基因组研究和医学临床诊断领域。,生物芯片,生物芯片是生物传感器的阵列和集成化。,生物芯片是指包被在硅片、尼龙膜等固相支持物上的高密度的组织、细胞、蛋白质、核酸、糖类以及其它生物组分的微点阵。芯片与标记的样品进行杂交，通过检测杂交信号即可实现对生物样品的分析。,生物芯片的类型,常见的生物芯片主要有:基因芯片;蛋白质芯片;组织芯片。,世界著名生物芯片公司:Affymetrix(Santa Clara,California),其他:BraxGenomicsLimited(Cambridge,UK)，Hyseq(Sunnyvale,California)，IncytePharmaceuticals(PaloAlto,Cali-fornia)等等。,蛋白质芯片,蛋白质芯片主要是蛋白质如抗原或抗体在载体上的有序排列，依据蛋白质 分子、蛋白质与核酸相互作用的原理进行杂交、检测和分析。,如：,组织芯片,组织芯片与基因芯片、蛋白质芯片及细胞芯片等一样，属于一种特殊、新型的生物芯片，是一种新型的高通量、多样本的研究工具。,它将数十个甚至上千个不同个体的组织标本集成在一张固相载体上，为医学分子生物学提供了一种高通量、大样本以及快速的分子水平的分析工具。,生物传感器的发展,开发新材料，采用新工艺研究仿生传感器研究多功能集成的智能式传感器成本低、高灵敏度、高稳定性、高寿命和微型化生物传感器,快速葡萄糖(glucose)分析仪,生物传感器应用举例,德国研发的环境废水BOD分析仪,一种血糖乳酸自动分析仪,生物传感器的应用,目前，生物传感器应用较多的领域是在医疗、医药、生物工程、环境保护、食品、农业、畜牧等与生命科学关系密切的一些领域 随着社会的进一步信息化，生物传感器必将获得越来越广泛的应用,生物传感器的主要应用领域,生物传感在线分析系统,生化过程的控制,生化过程的控制,温度的控制 pH的控制,生化过程的控制,溶氧的控制 泡沫的控制,生化过程的控制,生化过程的控制,生化过程的控制,