第一节 生物反应器的放大
? 一、经验放大法
? 二、其他放大方法 （一）几何相似放大
（二）以单位体积液体中搅拌功率相同放大
（三）以单位培养液体积的空气流量相同的原则进行放大
（四）以空气线速度相同的原则进行放大
（五）以 Ka相同的原则进行放大
（六）搅拌器叶尖速度相同的准则
（七）混合时间相同的准则
除了上述的一些放大方法之外，还在实验中采用因次分析法、
时间常数法、数学模拟法等。
基础实验
测定值
过程的模型
用电子计算机
作方案研究
模型的放大
计算机的结果与
实验结果的比较
基础模型
的修正
用电子
计算机
作设计
计算
过程的
基本设
计
小
试
中
试
图 7-1 数学模拟放大方法示意图
第二节 生物反应器的参数检测
? 一、生物加工过程的参数（物理、化学参数）
? 二、检测方法与仪器
成熟 尚不成熟
温度 pH 成分浓度 氧利用速率（ OUR ）
压力 氧化还原电位 糖 二氧化碳释放速率（ CE R ）
功率输入 溶解氧浓度 氮 呼吸熵（ RQ ）
搅拌速率 溶解 CO
2
浓度 前体 总氧利用体积氧传递系数
通气流量 排气氧分压 诱导物
位置 排气 CO
2
分压 产物
加料速率 其他排气成分 代谢物 细胞浓度（ X ）
金属离子 细胞生长速率
Mg
2+
,K
+
,Ca
2+
比生长速率（ μ ）
培养液重量 Na
+
,S O
4
2-
细胞得率（ Y
X / S
）
培养液体积 PO
4
3-
糖利用率
NAD, NADH 氧的利用率
培养液表观糖度 A T P, ADP, A M P 比基质消耗率（ υ ）
积累量 脱氢酶活力 前体利用率
酸 其它各种酶活力 产物量（ ρ ）
碱 细胞内成分 比生产率
消泡剂 蛋白质 其他需要计算的值参数
DNA
细胞量 RN A 功率 功率准数
气泡含量 雷诺数
面积 生物量
表面张力 生物热
碳平衡
能量平衡
物理参数
化学参数
间接参数
（一）设定参数
1．压强
2．温度
3．通气量
4．液面（或浆液量）
5．搅拌转速与搅拌功率
6．泡沫高度
7．培养基流加速度
8．冷却介质流量与速度
9．培养基质浓度和产物浓度
（二）状态参数
1．黏度（或表观黏度）
2,pH
3．溶氧浓度和氧化还原电位
4．发酵液中溶解 CO2浓度
5．细胞浓度及酶活特性
6．菌体形态
（三）间接参数
1．呼吸代谢参数
2．菌体比生长速率
3．氧比消耗速率（ rO2）
T F,
图7-2 生化反应过程测量仪器系统
空气
W
A
F
1
培养液
消泡
T,p,p,DO,V
F
加
X,S,p
c
消
F
2
T
2
CO,O %
M
G
p
2
RMP
（一）主要参数检测原理及应用
1．温度的测量
2．压强的检测
3．液位和泡沫高度的检测
4．流量测量
（ 1）差压式流量计
（ 2）转子流量计
（ 3）电磁流量计
5．发酵液黏度的测量
6．搅拌转速和搅拌功率
7,pH值的测量
8．溶氧浓度的检测
9．溶解 CO2浓度的检测
10．细胞浓度的测定
11．高压液相分析系统（ HPLC）
12．流动注射式（ Flow Injection Analyser）
分析系统
13．映像在线监控系统
（二）在线发酵仪器的研究进展
1．红外光谱技术
2．荧光检测技术
3．离子敏场效应晶体管传感技术
第三节 控制理论与应用
?一、生物过程的控制特征
（一）温度的控制
（二） pH的控制
（三）溶氧控制
（四）补料控制
?二、先进控制理论在反应器控制中的应用
（一）模糊逻辑控制在生化过程中的应用
（二）生化过程知识库系统
（三）基于专家系统的人工神经网络
图7-18 发酵过程温度控制
1-温度传感变送器 2-温度控制器
3-调节阀 4-生化反映器 5-夹套
1
空气
4
M
冷却水
3
5
TC
2
2
AC
1
冷却水
图7 - 1 9 p H 控制系统
1 - 测量电极和变送器 2 - 控制器 3 - 空气开关 4 - 气动开关阀门
氨气
空气
M
空气 3
4
1-溶 解氧电极和变送器 2-溶解 氧控制器 3-压 力传感变送器 4-压力 控制器
5-压力 调节阀 6-空 气流量变送器 7-流 量控制器 8-流量 调节阀
溶解氧
控制器
G CDO
图7-20 溶 解氧控制系统
6
空气
7
8
1
Gc
1
2
Gc
3
M
2
5
4
pH
冷却水
补料
2
CO
2
O
R
2
c
2
G
13M
排气
1- 流量测量及变送 2 -流 量控制器 3 -调 节阀
图7-21 补料控 制原理图
空气
DO
