【正文】 難用于在線控制環(huán)路。酶電極原型樣品反映了許多化合物包括葡萄糖、sucrose、urea、丙酮酸、青霉素、乙醇、乳酸鹽、甲烷、膽固醇及一些氨基酸。固定化酶探頭 這些新一代的探頭是將酶固定于靠近一種電化學(xué)傳感器的表面上而制造出來(lái)的，常常是DO或者CO2探頭。膜包裹的酶電極現(xiàn)在用于溶解的CO2的測(cè)定，但它們昂貴而且不穩(wěn)定。生物反應(yīng)器的攝氧速率可采用順磁氧分析儀或者質(zhì)譜儀來(lái)測(cè)定輸入與輸出氣流氧的濃度而獲得，質(zhì)譜儀速度很快但是非常昂貴。DO探頭的最大的問(wèn)題是它們應(yīng)變慢而且在低DO濃度下非常不穩(wěn)定。有兩種DO探頭，原電池型和質(zhì)譜型。溶解氧（DO）探針測(cè)量過(guò)程中液體中溶解的氧的含量?，F(xiàn)代pH探頭可以耐受蒸汽滅菌和某些高程度的處理。pH確信它主要影響細(xì)胞壁的通透性及有鍵合于細(xì)胞壁外的酶參與的反應(yīng)速率。pH 大多數(shù)有機(jī)體的生長(zhǎng)對(duì)于pH的變化是敏感的，每群有機(jī)體有特定的最優(yōu)的pH值。有許多能調(diào)節(jié)生物反應(yīng)器溫度的傳感器類型包括thermocouples, resistance thermometers, thermistors and ，這個(gè)信號(hào)用在控制環(huán)路中。一些已證明比較好的在線系統(tǒng)將通過(guò)某些未來(lái)的工程化在線控制技術(shù)來(lái)進(jìn)行檢驗(yàn)。完整的生物反應(yīng)器過(guò)程仍由于缺乏能夠?qū)ο馜NA、RNA、酶及生物體這些重要的變量進(jìn)行控制的可靠工具而受到嚴(yán)重限制。缺乏有效的用于控制的傳感器是發(fā)酵技術(shù)發(fā)展中的一個(gè)主要的障礙（bottleneck）。一種理想的傳感器是經(jīng)過(guò)蒸汽滅菌的、可產(chǎn)生可靠的連續(xù)的信號(hào)并且能進(jìn)行在線操作。生物反應(yīng)器控制措施可以以在線或者離線方式進(jìn)行。這兩項(xiàng)值之間的差異（discrepancy）用來(lái)改動(dòng)對(duì)過(guò)程進(jìn)行操作的激勵(lì)器的位置，這樣確保改動(dòng)的值更接近于固定值。生物反應(yīng)器的儀器化對(duì)于控制特定參數(shù)、對(duì)它們進(jìn)行記錄、然后用這些信息提高和優(yōu)化過(guò)程已經(jīng)越來(lái)越重要了（）。這只能依靠鑒別和控制這許多已知的調(diào)節(jié)有機(jī)體活性的因子來(lái)實(shí)現(xiàn)。這些每個(gè)因子的鑒定和作用都源于傳統(tǒng)的生理和生化研究。直接通入蒸汽也被用來(lái)滅菌。高溫/瞬時(shí)滅菌過(guò)程提高了生長(zhǎng)因子的保存時(shí)間且產(chǎn)生很少的顏色變化。實(shí)際中，連續(xù)滅菌是通過(guò)給培養(yǎng)基中穿過(guò)一個(gè)熱交換器來(lái)進(jìn)行的，在那里（where）熱交換器在短時(shí)間內(nèi)升至所要求的高溫度。對(duì)于多數(shù)培養(yǎng)基，分批滅菌仍是所選擇的方法，盡管連續(xù)滅菌已被廣泛采納。在這些溫度下，許多培養(yǎng)基組分是脆弱的（laible）而且會(huì)被破壞。培養(yǎng)基的滅菌方法應(yīng)以對(duì)培養(yǎng)基組分或者參與的礦物質(zhì)的最小程度的溫度損害實(shí)現(xiàn)最大程度的殺死污染微生物。一種工業(yè)培養(yǎng)基的組成不僅基于發(fā)酵時(shí)期的需要而且基于后續(xù)的純化步驟。阻遏可通過(guò)用慢發(fā)酵的碳水化合物或者特別是水解淀粉取代葡萄糖而避免。某些過(guò)程需要培養(yǎng)集中含有一種誘導(dǎo)物，而其他過(guò)程可能被培養(yǎng)基的一種組分所阻遏。對(duì)不是生長(zhǎng)限制性的化合物，例如有機(jī)酸、抗生素等等，在初生長(zhǎng)期后，培養(yǎng)基要成為一種或者多種養(yǎng)分的缺陷型。發(fā)酵過(guò)程中培養(yǎng)基的配制和特定養(yǎng)分的可利用性對(duì)產(chǎn)物的優(yōu)化有著極大的影響。一個(gè)發(fā)酵過(guò)程攝入的原料主要取決于特定時(shí)期原料的成本，因?yàn)樯唐返膬r(jià)格隨著季節(jié)和其他變化而上下浮動(dòng)的。可利用的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)將對(duì)發(fā)酵反應(yīng)和產(chǎn)物形成過(guò)程進(jìn)行強(qiáng)大的生理控制。以特定的速率為基礎(chǔ)通過(guò)添加某些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的方式（半連續(xù)培養(yǎng)），對(duì)分批培養(yǎng)中的發(fā)酵反應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行調(diào)控。對(duì)大多數(shù)過(guò)程而言，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)必須溶于水。所需要的生長(zhǎng)因子的主要的類型是B族維生素或者相關(guān)化合物，特定的氨基酸和某些脂肪酸。對(duì)于大多數(shù)生物工程過(guò)程，碳源及氮源常常來(lái)源于廉價(jià)的天然產(chǎn)物或者副產(chǎn)物的復(fù)雜的混合物（），而自來(lái)水中或者主要的初原料中常含有足量的稀有金屬。對(duì)于許多大規(guī)模的生物工程成本，培養(yǎng)基組分的可利用性和處理特點(diǎn)是決定選擇的主要因素。工業(yè)廢物廢水的厭氧生物處理較為采納的原因是：（1） 通氣時(shí)不需要能量；（2） 有機(jī)物質(zhì)高效的轉(zhuǎn)化為生物氣，用來(lái)作為燃料；（3） 沒有氣味問(wèn)題；（4） 產(chǎn)生很少的surplus sludge；（5） 經(jīng)過(guò)顯微操作，可以生產(chǎn)出高附加值的產(chǎn)物。這些生物反應(yīng)器是很大的，為了使其發(fā)揮最佳的功能，有一些或者許多的攪拌單元使容易的進(jìn)行混合及許多處理城市污水的植物攝取氧。激活的污水sludge處理過(guò)程廣泛用于污水及其他工業(yè)垃圾的氧化處理。甲烷發(fā)酵最杰出的例子就是中國(guó)的生物氣生產(chǎn)過(guò)程，建立了幾百萬(wàn)個(gè)家庭規(guī)模的厭氧生物反應(yīng)器。由此，固體retention time與液體retention time無(wú)關(guān)（uncouopled from），在消化罐中可以獲得高的微生物濃度，而產(chǎn)生高的降解速率。利用這個(gè)系統(tǒng)，濃縮的廢水——例如，城市污水處理的sludge——與厭氧微生物大約在30℃下混合，選擇the hydraulic retention time (反應(yīng)器中水滯留的平均時(shí)間)使廢水有效的穩(wěn)定而獲得高的甲烷產(chǎn)量。這與好氧降解過(guò)程形成鮮明的對(duì)比，好氧過(guò)程中，大約有60%的可利用的能量用于新細(xì)胞的生長(zhǎng)，而約40%作為過(guò)程中熱量而損失。在沒有氧氣的情況下，某些專門化的微生物能夠?qū)⒖缮锝到獾挠袡C(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為甲烷、二氧化碳和新的新的微生物細(xì)胞。這通過(guò)引入draft或者擋板tubes 產(chǎn)生一種液體“內(nèi)部循環(huán)”或者通過(guò)使用循環(huán)管的“外部循環(huán)”來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于這個(gè)原因，有機(jī)體受shear的影響很少。 塔式生物反應(yīng)器可定義為加長(zhǎng)的攪拌容器，徑高比大于6:1（(b)）。既然氧氣是一種在水溶液中sparingly可溶的氣體，那么發(fā)酵過(guò)程可由vigorous aretation of the broth 來(lái)支持。攪拌的主要作用是使細(xì)胞和養(yǎng)分懸浮通過(guò)培養(yǎng)基，使養(yǎng)分包括氧氣能夠被細(xì)胞利用并且使熱量轉(zhuǎn)移。攪拌漿葉的作用是在生物反應(yīng)器中進(jìn)行攪拌和混合并且使通氣便于進(jìn)行（）。大部分生物反應(yīng)器采用平葉式透平攪拌器，一般35 are mounted進(jìn)行良好的攪拌和分散于系統(tǒng)高度（(a)）。直立shaft with overhead drive 帶有一個(gè)或者多個(gè)攪拌漿葉取決于徑高比。它常為一個(gè)完全直立的有擋板cylinder而且擋板的寬度為罐直徑的10%。決定選擇的一個(gè)進(jìn)一步的考慮是許多工業(yè)需要處理一個(gè)植物體內(nèi)不同的產(chǎn)物；因此，可以容易的進(jìn)行改動(dòng)的可變系統(tǒng)將是人們所喜歡的。然而，在所有系統(tǒng)中，黏度的提高將產(chǎn)生關(guān)于通氣的主要問(wèn)題，由于小的氣泡合并為大的氣泡而表面積減少。在沒有機(jī)械攪拌的生物反應(yīng)器中，例如，塔式或者環(huán)路式生物反應(yīng)器，通過(guò)通入氣體來(lái)實(shí)現(xiàn)攪拌（(b)）。（f） 某些生產(chǎn)菌株的不穩(wěn)定性需要regular renewal.（g） 連續(xù)過(guò)程有許多技術(shù)難題。（d） 需要高的產(chǎn)物濃度以優(yōu)化下游處理過(guò)程。（a） 在任意設(shè)定的時(shí)間內(nèi)，所需要的產(chǎn)物相對(duì)數(shù)量較小。幾乎所有其他的工業(yè)過(guò)程采用的是分批或者半連續(xù)培養(yǎng)方法。工業(yè)生物反應(yīng)器的大小受所需要的產(chǎn)物的濃度影響，無(wú)論選擇的是分批還是連續(xù)操作。工業(yè)生物反應(yīng)器常常用highly polished不銹鋼建造。能量輸入的處理低于決定整個(gè)混合和通氣速率是必要的。對(duì)于耗氧過(guò)程，設(shè)計(jì)必須包括通入空氣和混合物質(zhì)的機(jī)制，并且所有的系統(tǒng)都必須提供接種和檢樣及charging and discharging the vessel。當(dāng)采用連續(xù)過(guò)程，就需要更加嚴(yán)格的滅菌操作。 在發(fā)酵工業(yè)中，會(huì)有污染微生物確實(shí)進(jìn)入到生物反應(yīng)器中并產(chǎn)生破壞的偶然情況發(fā)生。為了防止出現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題，培養(yǎng)基、生物反應(yīng)器和所有附屬工具（pipework）都要進(jìn)行滅菌（常用高壓蒸汽），而且通入的空氣需要通過(guò)滅菌玻璃wool去除去污染物。許多生物反應(yīng)器系統(tǒng)需要在aseptic condition 下進(jìn)行操作。 生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)生物反應(yīng)器是生物工程過(guò)程中進(jìn)行生物反應(yīng)的容器系統(tǒng)。出于很多的原因，分批培養(yǎng)技術(shù)代表了工業(yè)生產(chǎn)的主要形式。這個(gè)方法在工業(yè)中被廣泛使用，例如，在面包酵母的生產(chǎn)中。半連續(xù)培養(yǎng)是培養(yǎng)的一種形式，它涉及向初始批次中連續(xù)或者系列的添加培養(yǎng)基或者底物，而沒有任何缺點(diǎn)。這樣的最佳條件只與生物體生成相關(guān)。為了獲得最大ouput細(xì)胞或者生物體，稀釋率必須高但是它顯然不能超過(guò)μmax。當(dāng)一個(gè)連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)被看作一個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)（例如SCP）過(guò)程的時(shí)候，它的performances用兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)價(jià)：（1）單位時(shí)間產(chǎn)生的細(xì)胞數(shù)——ouput速率；和（2）單位重量的底物生成的細(xì)胞數(shù)——有效生長(zhǎng)速率或產(chǎn)量系數(shù)。在生物反應(yīng)器中，底物進(jìn)入時(shí)的濃度為sR，被有機(jī)體消耗流出時(shí)的濃度為s。在這種情況下，形成穩(wěn)定狀態(tài)，有機(jī)體的濃度隨時(shí)間不發(fā)生變化。假設(shè)混合完全，生物反應(yīng)器中的每個(gè)細(xì)胞在設(shè)定的時(shí)間里，有相等的離開或者被洗出的能力。在連續(xù)培養(yǎng)中，停留時(shí)間不是由流速和容積的絕對(duì)值決定的，而是由它們的比值，稀釋率D，D=f/v，或者每小時(shí)整個(gè)體積數(shù)的變化。所有攪拌式連續(xù)生物反應(yīng)器系統(tǒng)的特點(diǎn)都可以通過(guò)建立細(xì)胞、底物、產(chǎn)物等等的平衡方程式以數(shù)學(xué)形式進(jìn)行描述，在方程中給出了由所有過(guò)程增加或者減少這個(gè)組分的速率而引起的任何組分濃度變化的總體速率。在一個(gè)完全混合的連續(xù)式培養(yǎng)系統(tǒng)中，無(wú)菌培養(yǎng)基以穩(wěn)定的流速（f）流加到生物反應(yīng)器中，同時(shí)culture broth 從此開始以