生物反應(yīng)器
走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室：「生物反應(yīng)器」的參數(shù)秘密
時(shí)間：2024.01.22
在實(shí)驗(yàn)室設(shè)備中，生物反應(yīng)器是一款無論是性能還是應(yīng)用范圍都較為全面的儀器設(shè)備，對(duì)于科研人員的實(shí)驗(yàn)都大有助益。但想要利用得力助手來幫助實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)，首先就要對(duì)你的“助手”有深入全面的了解，掌握它在生化反應(yīng)時(shí)各數(shù)值的變化信息。
一、檢測(cè)的參數(shù)類型
物理參數(shù)包括溫度、罐壓、液位、通氣流量、攪拌轉(zhuǎn)速等等，化學(xué)、生物參數(shù)通常涉及pH、DO、溶解CO2濃度、目標(biāo)產(chǎn)物濃度，以及細(xì)胞濃度等。
二、檢測(cè)儀器及原理
生物反應(yīng)器對(duì)于各參數(shù)的檢測(cè)分為在線檢測(cè)（On-line）和離線檢測(cè)（Off-line），在線主要是利用各類傳感器直接在反應(yīng)器中測(cè)得，而離線則是需要從反應(yīng)器中取樣，再用其他檢測(cè)儀器或方法來進(jìn)行測(cè)量。綜合考慮，在線檢測(cè)是首選途徑。
1.物理參數(shù)
從物理角度來看，生物反應(yīng)器中較為常見的參數(shù)是溫度、攪拌轉(zhuǎn)速和通氣流量。
溫度的監(jiān)測(cè)對(duì)于生物反應(yīng)的控制至關(guān)重要。常見的溫度檢測(cè)方法包括水銀玻璃溫度計(jì)、熱電偶、熱敏電阻和熱電阻溫度計(jì)等。通常會(huì)采用熱電阻來檢測(cè)系統(tǒng)中的溫度。熱電阻利用金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻隨溫度的變化而變化的原理，通過測(cè)量電阻值的變化來確定溫度。目前普遍使用的熱電阻是鉑電阻和銅電阻，其中鉑電阻精度高、穩(wěn)定性好且性能可靠；銅電阻超過100 ℃時(shí)易被氧化。
2.化學(xué)參數(shù)
從化學(xué)角度來看，作為生物反應(yīng)器關(guān)鍵參數(shù)之一，pH的變化會(huì)直接影響到生物過程的進(jìn)行。pH檢測(cè)方法主要包括化學(xué)分析法、試紙法和電極電位法， 而為保證精準(zhǔn)測(cè)定，通常采用電極電位法。
基于電極法原理而構(gòu)成的測(cè)量裝置就是實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)上所使用的pH計(jì)，它是由發(fā)送器（電極）與測(cè)量?jī)x器（電位差或高阻轉(zhuǎn)換器等）所組成。發(fā)送器所測(cè)得的信號(hào)就是指示電極、參比電極和被測(cè)溶液形成的原電池的電動(dòng)勢(shì)，通過測(cè)量即可計(jì)算出被測(cè)溶液的pH。
另一關(guān)鍵參數(shù)就是DO，也就是我們常說的溶解氧。DO對(duì)于生物反應(yīng)器的有效工作至關(guān)重要，DO過低會(huì)影響細(xì)胞生長(zhǎng)以及營(yíng)養(yǎng)吸收，嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。對(duì)于DO的檢測(cè)一般有碘量法、極譜法和LDO法。
碘量法的步驟較為復(fù)雜，且檢測(cè)時(shí)間也相對(duì)比較長(zhǎng)。如遇到情況復(fù)雜的含有大量藻類的液體，水中氧氣因光合作用而增加飽和，測(cè)量過程困難，結(jié)果也不夠精準(zhǔn)，因此此種方法比較少見。LDO法測(cè)定迅速便捷，但儀器價(jià)格高?？紤]各方因素，極譜法的使用較廣。極譜法使用的DO電極，其原理是在兩極之間施加恒定電壓，電子從陰極流向陽極，產(chǎn)生擴(kuò)散電流；在一定溫度下，擴(kuò)散電流與溶解氧濃度成正比；在不同的DO濃度下，電流強(qiáng)度也不同，儀器自動(dòng)將電流表讀數(shù)轉(zhuǎn)換成溶解氧濃度，最終計(jì)算得出DO值。但由于電解質(zhì)參與了反應(yīng)，電極的膜極易產(chǎn)生污垢，為了防止電解液被污染影響測(cè)量精度，需要定期更換電解液。（更換電解液的方法可參考往期文章。）
3.生物參數(shù)
從生物角度來看，細(xì)胞濃度作為一個(gè)重要的狀態(tài)參數(shù)，如果失控將會(huì)嚴(yán)重影響產(chǎn)物的合成。普通的離線檢測(cè)方法有細(xì)胞干重法、顯微鏡計(jì)數(shù)法等，在線檢測(cè)方法最常用的是濁度法間接檢測(cè)，其他還有熒光法、黏度、阻抗和產(chǎn)熱等間接檢測(cè)方法。以濁度法為例，濁度大小由溶液中含有的微量不溶性懸浮物質(zhì)、膠體物質(zhì)的多少?zèng)Q定，在培養(yǎng)過程中檢測(cè)培養(yǎng)基的濁度，能及時(shí)反映低濃度單細(xì)胞的生長(zhǎng)狀況。
另一關(guān)鍵參數(shù)就是DO，也就是我們常說的溶解氧。DO對(duì)于生物反應(yīng)器的有效工作至關(guān)重要，DO過低會(huì)影響細(xì)胞生長(zhǎng)以及營(yíng)養(yǎng)吸收，嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。對(duì)于DO的檢測(cè)一般有碘量法、極譜法和LDO法。
碘量法的步驟較為復(fù)雜，且檢測(cè)時(shí)間也相對(duì)比較長(zhǎng)。如遇到情況復(fù)雜的含有大量藻類的液體，水中氧氣因光合作用而增加飽和，測(cè)量過程困難，結(jié)果也不夠精準(zhǔn)，因此此種方法比較少見。LDO法測(cè)定迅速便捷，但儀器價(jià)格高?？紤]各方因素，極譜法的使用較廣。極譜法使用的DO電極，其原理是在兩極之間施加恒定電壓，電子從陰極流向陽極，產(chǎn)生擴(kuò)散電流；在一定溫度下，擴(kuò)散電流與溶解氧濃度成正比；在不同的DO濃度下，電流強(qiáng)度也不同，儀器自動(dòng)將電流表讀數(shù)轉(zhuǎn)換成溶解氧濃度，最終計(jì)算得出DO值。但由于電解質(zhì)參與了反應(yīng)，電極的膜極易產(chǎn)生污垢，為了防止電解液被污染影響測(cè)量精度，需要定期更換電解液。（更換電解液的方法可參考往期文章。）
3.生物參數(shù)
從生物角度來看，細(xì)胞濃度作為一個(gè)重要的狀態(tài)參數(shù)，如果失控將會(huì)嚴(yán)重影響產(chǎn)物的合成。普通的離線檢測(cè)方法有細(xì)胞干重法、顯微鏡計(jì)數(shù)法等，在線檢測(cè)方法最常用的是濁度法間接檢測(cè)，其他還有熒光法、黏度、阻抗和產(chǎn)熱等間接檢測(cè)方法。以濁度法為例，濁度大小由溶液中含有的微量不溶性懸浮物質(zhì)、膠體物質(zhì)的多少?zèng)Q定，在培養(yǎng)過程中檢測(cè)培養(yǎng)基的濁度，能及時(shí)反映低濃度單細(xì)胞的生長(zhǎng)狀況。
各種方法和儀器的應(yīng)用使得我們能夠準(zhǔn)確地獲得參數(shù)的信息，從而優(yōu)化生物反應(yīng)器的操作，提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。在未來的生物工程領(lǐng)域，隨著科技的進(jìn)步和儀器的不斷創(chuàng)新，我們相信生物反應(yīng)器的參數(shù)檢測(cè)技術(shù)將會(huì)得到更加精確和高效的發(fā)展。這將為生物過程的控制和優(yōu)化提供更多的可能性，促進(jìn)生物技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，為人類的生活帶來更多的福祉。
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