1. Детекторы для определения физических и химических параметров среды и газов
На рис. 1 представлена одна из последних схем приборного оснащения биохимического реактора. Она предназначена в основном для определения химического состава и физических свойств среды и газовой фазы и лишь очень немногих особенностей популяции клеток. Следовательно, при анализе результатов определения параметров системы в биореакторе желательно (или даже необходимо) оценить особенности популяции клеток по доступным данным физико-химического анализа газовой фазы и среды. В этом разделе мы сконцентрируем внимание на неавтономной аппаратуре, работающей в реальном масштабе времени и предназначенной для контроля физических и химических параметров системы в биореакторе.
РИС. 1. Схема приборного оснащения биохимического реактора. [Воспроизведено с разрешения из работы: Erickson L. Е., Stephanopoulos G., Biological Reactors, in Chemical Reaction and Reactor Engineering, Carberry J. J., Varma A. (eds.), chap. 13, Marcel Dekker, Inc., New York, 1985.]
1.1. Детекторы для определения физических свойств среды и газов
Из параметров, влияющих на жизнедеятельность клеток и экономичность биопроцесса, в ходе процесса можно непрерывно определять температуру, давление, мощность, расходуемую на перемешивание, скорость вращения мешалки, вязкость бульона, объемные скорости газовой и жидкой фаз, пенообразование, объем или массу содержимого реактора. На небольших лабораторных установках обычно измеряют только температуру и объемную скорость воздуха. Определение и регулирование давления более типично для больших ферментеров.
В качестве датчика температуры чаще всего применяют терморезисторы — полупроводниковые устройства, электрическое сопротивление которых зависит от температуры. Хотя зависимость сопротивления терморезистора от температуры носит нелинейный характер, это обстоятельство не является серьезным препятствием в узком температурном интервале (25—45 °С), в котором проходит подавляющее большинство микробиологических процессов. В качестве датчиков температуры также используются платиновые термометры сопротивления, ртутные термометры в стальном чехле и термопары.
Контроль давления особенно важен при стерилизации, когда в реакторе необходимо поддерживать небольшое избыточное давление (около 1,2 атм), чтобы предотвратить заражение системы. В микробиологических реакторах давление обычно контролируют с помощью мембранных манометров, дающих пневматический сигнал, который может быть преобразован в электрический.
Для измерения мощности, расходуемой реактором с механическим перемешиванием, применяются различные методы. С помощью ваттметра, работающего на принципе эффекта Холла, измеряется общая энергия на якоре электродвигателя, потребляемая перемешивающим устройством. Для определения мощности можно также использовать торсионный динамометр, установленный на валу мешалки. Как первый, так и второй метод измерения позволяют определять только суммарную мощность, куда входят также потери на подшипниках и уплотнениях. Изучение перемешивания в 270-литровом ферментере с рабочим объемом 200 л показало, например, что 30% энергии двигателя расходуется на преодоление трения в соединительных и герметизирующих деталях между двигателем и частью вала мешалки в реакторе. Показано также, что доля таких потерь возрастает при увеличении скорости вращения мешалки. Непосредственно определить мощность, передаваемую мешалкой реакционной массе, можно с помощью балансированных тензодатчиков, установленных на валу мешалки в реакторе.
Устройства для непрерывного измерения (в процессе работы) вязкости и других реологических характеристик культурального бульона пока еще не разработаны. Одно из возможных решений заключается в измерении мощности, потребляемой при нескольких скоростях вращения мешалки. Предлагался также динамический метод, в котором потребляемую мешалкой мощность измеряют во время и после короткого (продолжительностью менее 30 с) отключения питания электродвигателя, вращающего вал мешалки. Как показано на рис. 1 (и подтверждено экспериментально), ньютоновские и неньютоновскиежидкости в течение этого короткого нестационарного периода характеризуются различным поведением.
Существует несколько типов приборов для измерения скоростей газовых потоков (поступающего в реактор воздуха или отходящих газов). На простейшем из них — расходомере с переменной площадью проходного сечения (ротаметре) можно считывать показания непосредственно или преобразовывать их с помощью соответствующего устройства в электрический сигнал. В последнее время все большую популярность приобретают термические массовые расходомеры, особенно в лабораторных и пилотных установках. В этих приборах поток газа проходит через нагретый участок трубки, разность температур в сечении которого зависит от массовой скорости потока. Точность этих приборов составляет около 1 % от измеряемого диапазона; их целесообразно применять при скоростях потока ниже 500 л/мин. Имеются также устройства для определения скорости ламинарных потоков, которые измеряют перепады давления на матричном устройстве, разделяющем общий поток на множество параллельных капиллярных потоков. Важность определения скоростей газовых потоков определяется тем обстоятельством, что эти параметры часто применяются при расчетах материальных балансов.
Скорость потока жидкостей можно контролировать электромагнитными расходомерами, но эти приборы не находят широкого применения из-за их высокой стоимости. Иногда, особенно в лабораторных установках, необходимую скорость потока жидкости устанавливают с помощью дозиметра или тщательно откалиброванного насоса. В другом варианте жидкость вводят в реактор порциями строго определенного объема или массы. Длительный контроль скорости поступающего в реактор потока можно осуществлять посредством непрерывного взвешивания заполненного реактора с помощью тензометра (в случае реакторов объемом более 250 л) или весов (в случае реакторов меньшего объема). Для контроля за количеством находящейся в реакторе жидкой фазы можно также использовать датчик уровня жидкости, измеряющий электрическую емкость на заданном уровне в реакторе. Аналогичные зонды, действие которых основано на измерении электрической емкости или электропроводности, можно применять и для контроля пенообразования на поверхности находящейся в реакторе жидкой фазы. Иногда измерение осуществляют в циркуляционной линии (см. ниже), которая служит для отделения продукта процесса, рециркуляции клеток, для тепло- или газообмена. В таких случаях определение скорости потока жидкой фазы могут затруднять суспендированные нерастворимые вещества, а также непостоянство реологических свойств бульона.