1.3. Газовый анализ

Концентрация СО₂ в отходящих газах биореактора, содержащего культуру клеток, связана с дыхательной или иной ферментативной активностью клеток. Неудивительно, что этот параметр широко и успешно применяется для контроля и регулирования биореакторов. Концентрацию СО₂ в отходящих газах биореактора чаще всего определяют с помощью инфракрасного спектрофотометра. Для предотвращения повреждений стекол ячейки анализируемый газ до поступления в спектрофотометр необходимо высушить. Концентрацию СО₂ в потоке газа можно также определять по теплопроводности, методом газовой хроматографии или масс-спектрометрии.

Парциальное давление кислорода в газовом потоке обычно измеряют с помощью парамагнитного анализатора. Приборы этого типа также требуют предварительного высушивания и тщательного регулирования скорости газового потока; только в этом случае обеспечиваются минимальный дрейф и достаточная надежность результатов. Парамагнитные анализаторы, кроме того, очень чувствительны даже к небольшим колебаниям общего атмосферного давления, поэтому необходим одновременный контроль барометрического давления, чтобы внести, соответствующие поправки в результаты анализа на кислород. В силу дрейфа показаний парамагнитных анализаторов их применение в микробиологических процессах часто требует повторной калибровки в ходе процесса.

С помощью газовой хроматографии можно определять несколько компонентов отходящих газов: О₂, СО₂, СН₄ (образующегося, например, в анаэробных процессах) и Н₂ (выделяемого, например, культурами Hydrogenomonas). Этим методом можно также определять парциальное давление летучих компонентов газовой фазы — этанола, ацетальдегида и карбоновых кислот. Таким образом, газовая хроматография дает ценную информацию о ходе микробиологического процесса в целом, а также о концентрациях перечисленных выше веществ в жидкой фазе. Применению газовой хроматографии для контроля; процессов в нестационарном состоянии препятствует периодический характер измерений, поскольку интервал между двумя последовательными измерениями составляет примерно 15 мин.

Д ля контроля состава газового потока в последнее время все чаще применяют масс-спектрометрический метод. Появление сравнительно недорогих серийных масс-спектрометров позволило расширить область применения этих приборов в исследовательских работах, а выпуск надежных, устойчивых к внешним воздействиям промышленных масс-спектрометров обусловил целесообразность их использования в промышленности. Масс-спектрометры выгодно отличаются малым временем отклика (менее 1 мин), высокой чувствительностью (предел обнаружения около 10^-5 М), способностью определять несколько компонентов одновременно, линейной зависимостью отклика от концентрации в достаточно широком диапазоне и очень малым дрейфом калибровки. Ввиду высокой стоимости масс-спектрометров целесообразно обслуживать одним прибором несколько биореакторов с помощью управляемого ЭВМ переключающего устройства, которое последовательно вводит в масс-спектрометр потоки из различных реакторов (рис. 4). Как показано на рис. 4, с помощью этой же ЭВМ можно управлять и процессом (здесь показаны три реактора, но практически один масс-спектрометр может обслуживать до 30 реакторов).

РИС. 4. Схема управляемой ЭВМ системы отбора проб при использовании масс-спектрометра для контроля процессов в нескольких реакторах. (Воспроизведено с разрешения из работы: Buckland R. С., Fastert Я., Analysis of Fermentation Exhaust Gas Using a Mass Spectrometer, in Computer Applications in Fermentation Technology, p. 119, Society of Chemical Industry, London, 1982.)

Часто в анализах принимают, что поступающий в систему воздух имеет стандартный состав (20,91% O₂, 0,03% СО₂), однако иногда в целях повышения надежности и достоверности результатов измерений целесообразно определять состав и поступающего в реактор воздуха, включив, как это показано на рис. 4, его поток в распределяющее устройство. Конечно, такое комплексное и многостороннее использование аналитических приборов с помощью распределяющих устройств выгодно не только в случае масс-спектрометров.