走進實驗室：「生物反應器」的參數秘密
時間：2024.01.22
在實驗室設備中，生物反應器是一款無論是性能還是應用范圍都較為全面的儀器設備，對于科研人員的實驗都大有助益。但想要利用得力助手來幫助實驗生產，首先就要對你的“助手”有深入全面的了解，掌握它在生化反應時各數值的變化信息。
一、檢測的參數類型
物理參數包括溫度、罐壓、液位、通氣流量、攪拌轉速等等，化學、生物參數通常涉及pH、DO、溶解CO2濃度、目標產物濃度，以及細胞濃度等。
二、檢測儀器及原理
生物反應器對于各參數的檢測分為在線檢測（On-line）和離線檢測（Off-line），在線主要是利用各類傳感器直接在反應器中測得，而離線則是需要從反應器中取樣，再用其他檢測儀器或方法來進行測量。綜合考慮，在線檢測是首選途徑。
1.物理參數
從物理角度來看，生物反應器中較為常見的參數是溫度、攪拌轉速和通氣流量。
溫度的監測對于生物反應的控制至關重要。常見的溫度檢測方法包括水銀玻璃溫度計、熱電偶、熱敏電阻和熱電阻溫度計等。通常會采用熱電阻來檢測系統中的溫度。熱電阻利用金屬導體或半導體的電阻隨溫度的變化而變化的原理，通過測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、穩定性好且性能可靠；銅電阻超過100 ℃時易被氧化。
2.化學參數
從化學角度來看，作為生物反應器關鍵參數之一，pH的變化會直接影響到生物過程的進行。pH檢測方法主要包括化學分析法、試紙法和電極電位法， 而為保證精準測定，通常采用電極電位法。
基于電極法原理而構成的測量裝置就是實驗室和工業上所使用的pH計，它是由發送器（電極）與測量儀器（電位差或高阻轉換器等）所組成。發送器所測得的信號就是指示電極、參比電極和被測溶液形成的原電池的電動勢，通過測量即可計算出被測溶液的pH。
另一關鍵參數就是DO，也就是我們常說的溶解氧。DO對于生物反應器的有效工作至關重要，DO過低會影響細胞生長以及營養吸收，嚴重會導致實驗失敗。對于DO的檢測一般有碘量法、極譜法和LDO法。
碘量法的步驟較為復雜，且檢測時間也相對比較長。如遇到情況復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，測量過程困難，結果也不夠精準，因此此種方法比較少見。LDO法測定迅速便捷，但儀器價格高。考慮各方因素，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，產生擴散電流；在一定溫度下，擴散電流與溶解氧濃度成正比；在不同的DO濃度下，電流強度也不同，儀器自動將電流表讀數轉換成溶解氧濃度，最終計算得出DO值。但由于電解質參與了反應，電極的膜極易產生污垢，為了防止電解液被污染影響測量精度，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
從生物角度來看，細胞濃度作為一個重要的狀態參數，如果失控將會嚴重影響產物的合成。普通的離線檢測方法有細胞干重法、顯微鏡計數法等，在線檢測方法最常用的是濁度法間接檢測，其他還有熒光法、黏度、阻抗和產熱等間接檢測方法。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、膠體物質的多少決定，在培養過程中檢測培養基的濁度，能及時反映低濃度單細胞的生長狀況。
另一關鍵參數就是DO，也就是我們常說的溶解氧。DO對于生物反應器的有效工作至關重要，DO過低會影響細胞生長以及營養吸收，嚴重會導致實驗失敗。對于DO的檢測一般有碘量法、極譜法和LDO法。
碘量法的步驟較為復雜，且檢測時間也相對比較長。如遇到情況復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，測量過程困難，結果也不夠精準，因此此種方法比較少見。LDO法測定迅速便捷，但儀器價格高。考慮各方因素，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，產生擴散電流；在一定溫度下，擴散電流與溶解氧濃度成正比；在不同的DO濃度下，電流強度也不同，儀器自動將電流表讀數轉換成溶解氧濃度，最終計算得出DO值。但由于電解質參與了反應，電極的膜極易產生污垢，為了防止電解液被污染影響測量精度，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
從生物角度來看，細胞濃度作為一個重要的狀態參數，如果失控將會嚴重影響產物的合成。普通的離線檢測方法有細胞干重法、顯微鏡計數法等，在線檢測方法最常用的是濁度法間接檢測，其他還有熒光法、黏度、阻抗和產熱等間接檢測方法。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、膠體物質的多少決定，在培養過程中檢測培養基的濁度，能及時反映低濃度單細胞的生長狀況。
各種方法和儀器的應用使得我們能夠準確地獲得參數的信息，從而優化生物反應器的操作，提高產品的產量和質量。在未來的生物工程領域，隨著科技的進步和儀器的不斷創新，我們相信生物反應器的參數檢測技術將會得到更加精確和高效的發展。這將為生物過程的控制和優化提供更多的可能性，促進生物技術的應用和發展，為人類的生活帶來更多的福祉。