在实验室设备中,生物反应器是一款无论是性能还是应用范围都较为**的仪器设备,对于科研人员的实验都大有助益。但想要利用得力助手来帮助实验生产,首先就要对你的“助手”有深入**的了解,掌握它在生化反应时各数值的变化信息。
一、检测的参数类型
物理参数包括温度、罐压、液位、通气流量、搅拌转速等等,化学、生物参数通常涉及pH、DO、溶解CO2浓度、目标产物浓度,以及细胞浓度等。
二、检测仪器及原理
生物反应器对于各参数的检测分为在线检测(On-line)和离线检测(Off-line),在线主要是利用各类传感器直接在反应器中测得,而离线则是需要从反应器中取样,再用其他检测仪器或方法来进行测量。综合考虑,在线检测是优选途径。
1.物理参数
从物理角度来看,生物反应器中较为常见的参数是温度、搅拌转速和通气流量。
温度的监测对于生物反应的控制至关重要。常见的温度检测方法包括水银玻璃温度计、热电偶、热敏电阻和热电阻温度计等。通常会采用热电阻来检测系统中的温度。热电阻利用金属导体或半导体的电阻随温度的变化而变化的原理,通过测量电阻值的变化来确定温度。目前普遍使用的热电阻是铂电阻和铜电阻,其中铂电阻精度高、稳定性好且性能可靠;铜电阻超过100 ℃时易被氧化。
2.化学参数
从化学角度来看,作为生物反应器关键参数之一,pH的变化会直接影响到生物过程的进行。pH检测方法主要包括化学分析法、试纸法和电极电位法, 而为保证精准测定,通常采用电极电位法。
基于电极法原理而构成的测量装置就是实验室和工业上所使用的pH计,它是由发送器(电极)与测量仪器(电位差或高阻转换器等)所组成。发送器所测得的信号就是指示电极、参比电极和被测溶液形成的原电池的电动势,通过测量即可计算出被测溶液的pH。
另一关键参数就是DO,也就是我们常说的溶解氧。DO对于生物反应器的有效工作至关重要,DO过低会影响细胞生长以及营养吸收,严重会导致实验失败。对于DO的检测一般有碘量法、极谱法和LDO法。
碘量法的步骤较为复杂,且检测时间也相对比较长。如遇到情况复杂的含有大量藻类的液体,水中氧气因光合作用而增加饱和,测量过程困难,结果也不够精准,因此此种方法比较少见。LDO法测定迅速便捷,但仪器价格高。考虑各方因素,极谱法的使用较广。极谱法使用的DO电极,其原理是在两极之间施加恒定电压,电子从阴极流向阳极,产生扩散电流;在一定温度下,扩散电流与溶解氧浓度成正比;在不同的DO浓度下,电流强度也不同,仪器自动将电流表读数转换成溶解氧浓度,*终计算得出DO值。但由于电解质参与了反应,电极的膜极易产生污垢,为了防止电解液被污染影响测量精度,需要定期更换电解液。(更换电解液的方法可参考往期文章。)
3.生物参数
从生物角度来看,细胞浓度作为一个重要的状态参数,如果失控将会严重影响产物的合成。普通的离线检测方法有细胞干重法、显微镜计数法等,在线检测方法*常用的是浊度法间接检测,其他还有荧光法、黏度、阻抗和产热等间接检测方法。以浊度法为例,浊度大小由溶液中含有的微量不溶性悬浮物质、胶体物质的多少决定,在培养过程中检测培养基的浊度,能及时反映低浓度单细胞的生长状况。
各种方法和仪器的应用使得我们能够准确地获得参数的信息,从而优化生物反应器的操作,提高产品的产量和质量。在未来的生物工程领域,随着科技的进步和仪器的不断**,我们相信生物反应器的参数检测技术将会得到更加**和高效的发展。这将为生物过程的控制和优化提供更多的可能性,促进生物技术的应用和发展,为人类的生活带来更多的福祉。