发酵工程ppt韦革宏杨祥第6章2节

1、 第二节第二节 PH PH 的检测与控制的检测与控制 实际发酵生产和研究中主要检测的变量实际发酵生产和研究中主要检测的变量 （1）PH （2）DO （3）温度）温度 （4）转速）转速 （5）残糖）残糖 （6）其他）其他 （1）流量）流量 （2）温度）温度 （1）流量）流量 （2）温度）温度 进罐进罐罐中罐中出罐出罐 实际发酵生产和研究中主要的检查项目实际发酵生产和研究中主要的检查项目 （1）微生物形态的检查（）微生物形态的检查（2）无菌检查（）无菌检查（3）泡沫检查）泡沫检查 一、一、PH 检测控制的必要性检测控制的必要性 1、PH 与微生物与微生物 2、PH 对发酵的影响的机制对发酵的影响的

2、机制 2.1、对微生物的影响、对微生物的影响 2.2、对产物的影响、对产物的影响 3、PH 对发酵的影响的特点对发酵的影响的特点 特点：一是影响力很大，二是影响途径多样。特点：一是影响力很大，二是影响途径多样。 更重要的是，更重要的是，PH 在发酵过程中是在不断变化的。在发酵过程中是在不断变化的。 因此随时随地对发酵液的因此随时随地对发酵液的PH 进行全程的检测和控制就显的进行全程的检测和控制就显的 非常重要了。非常重要了。 二、二、PH 的检测方法的检测方法 （一）（一）PH 电极的构造和测量原理电极的构造和测量原理 PH 检测在发酵的生产和科研上主要有两种方法，检测在发酵的生产和科研上主要

3、有两种方法， 一是使用一是使用PH 试纸，试纸， 二是使用二是使用PH 电极。电极。 其中使用其中使用PH 电极是生产上广泛采用的方法。电极是生产上广泛采用的方法。 1、PH 电极的构造电极的构造 2、PH 电极的测量原理电极的测量原理各电势分析各电势分析 2.1、参比电极电势、参比电极电势 甘汞电极（甘汞电极（a）232型（型（b）217型型 1导线；导线；2加液口；加液口；3-KCl溶液；溶液；4素烧瓷芯；素烧瓷芯；5铂丝；铂丝；6 Hg；7Hg2Cl2 由此可见，甘汞电极是由金属汞及其难溶盐由此可见，甘汞电极是由金属汞及其难溶盐氯氯 化亚汞以及含氯离子的电解质溶液组成。这种半电化亚汞以及

4、含氯离子的电解质溶液组成。这种半电 池可表示为池可表示为Hg(L) Hg2Cl2(S) Cl-(L) 电极电位产生电极电位产生 于汞和甘汞的界面，其电极反应为：于汞和甘汞的界面，其电极反应为： Hg2Cl2+2e- 2Cl-+2Hg由由能斯特方程式能斯特方程式，其电极电位为：，其电极电位为： 由此可见甘汞电极的电极电位只与氯化钾的浓由此可见甘汞电极的电极电位只与氯化钾的浓 度有关而不受被测溶液的酸碱度影响度有关而不受被测溶液的酸碱度影响 22 22 () () ( )ln () 2 ( )ln () RTc Clc Hg T zFc Hg Cl RT Tc Cl zF 甘汞电极甘汞电极 甘汞电

5、极 其中敏感性膜部分随其中敏感性膜部分随 组成材料的不同而各组成材料的不同而各 有特色。测定有特色。测定pH值值 的玻璃电极的敏感膜的玻璃电极的敏感膜 是厚度为是厚度为10 1 10 3mm的玻璃薄膜， 的玻璃薄膜， 其电阻为其电阻为50500兆兆 。 2.2、测量电极电势、测量电极电势 （1）内参比电极电势）内参比电极电势 只与内参比溶液参与电极反应的离子浓度有关，是常数。只与内参比溶液参与电极反应的离子浓度有关，是常数。 （2）跨膜浓差电势）跨膜浓差电势 H+ H+ H+ H+H+ H+ HCl溶液溶液 待测溶液待测溶液 玻璃敏感膜玻璃敏感膜 其电势与膜两侧离子浓度有关，可由其电势与膜两侧

6、离子浓度有关，可由电化学势平衡电化学势平衡推倒出来：推倒出来： () ln () RTc zFc 跨膜 浓 稀 水合硅胶层的形成：水合硅胶层的形成： SiO-Na+H+ SiO-H+Na+ 使膜表面形成以使膜表面形成以 SiO-H+为主要成分的水合硅胶层，为主要成分的水合硅胶层， 厚度约为厚度约为10-410-5mm 试 试 液液 水合硅胶层水合硅胶层 干 干 玻玻 璃璃 层层 水合硅胶层水合硅胶层 内参比溶液内参比溶液 1 1 2 2 1-2 经水浸泡后的玻璃膜截面成为三层结构，如图。经水浸泡后的玻璃膜截面成为三层结构，如图。 外侧外侧: 1= 1 1 RT Ln F 内侧：内侧：2= 2

7、2 Ln F RT 膜膜=1-2= 2 1 Ln F RT 由于由于a1a2，所以：，所以： 但实际上玻璃膜内外侧表面性状总有微小差别，即使但实际上玻璃膜内外侧表面性状总有微小差别，即使 1=2时，时，膜膜0，这差别所产生的电位叫，这差别所产生的电位叫不对称电位不对称电位 （不对称 不对称），这样整个玻璃电极（指示电极）的电位 ），这样整个玻璃电极（指示电极）的电位 应是内参比电位、膜电位与不对称电位之和。应是内参比电位、膜电位与不对称电位之和。 所以测量电极的电势为：所以测量电极的电势为： 测量内参比跨膜不对称 () ln () RTc Fc 2 试液 常数 参比 ln () RT c F

8、3 常数试液 2.303lg () RT c F 3 常数试液 2.303() RT pH F 3 常数试液 3、液体接界电势、液体接界电势 由于不同离子迁移速率不同造成的电势。由于不同离子迁移速率不同造成的电势。 所以所以PH电极的总的电势为：电极的总的电势为： 其中常数其中常数5由参比电极电势、液体接界电势、内参比电极电由参比电极电势、液体接界电势、内参比电极电 势、玻璃膜不对称电势以及内参比溶液氢离子浓度共同决定，势、玻璃膜不对称电势以及内参比溶液氢离子浓度共同决定， 是是PH 电极的一个固有参数。温度对其有一定影响。电极的一个固有参数。温度对其有一定影响。 总测量参比接界 2.303(

9、) RT pH F 43 常数常数试液 2.303() RT pH F 5 常数试液 （二）（二） PH电极的使用电极的使用 温度对PH 测量的影响 PH 测量的标定 PH 测量的误差 PH 计的信号转换部分 PH 测量在实际中遇到的问题及解决的办法 专题讲解 三、三、PH 的控制方法的控制方法 1、对、对PH 检测数据的解读检测数据的解读 对发酵过程PH 检测数据的解读就是要了解PH 对发酵影 响的规律，制订PH 控制的目标。 1.1、PH 对发酵影响的规律对发酵影响的规律 （1）不同的微生物在其生长的不同阶段有不同的最适PH。 （2）不同的微生物在其生长的不同阶段对PH 的敏感性不同。 参

10、见P141图8-6 1.2、如何确定、如何确定PH 控制的目标控制的目标 通过实验确定，关键是目标参数的选定。通过实验确定，关键是目标参数的选定。 2、PH 控制的具体方法控制的具体方法 PH 调节 直接调节 （流加） 快速 慢速 直接流加强酸碱性物质 流加生理酸碱性物质 间接调节 在培养基中预先加入备用碱或是有缓冲作用的 成分 通过其他环节的控制改变菌体代谢，利用微生 物对PH 的反作用 3、PH 控制的仪器设备控制的仪器设备 主要是补料流加及其与检测系统构成的自动控制回路。主要是补料流加及其与检测系统构成的自动控制回路。 详 本章最后一节 流加生理酸碱性物质对发酵产量的效果流加生理酸碱性物质对发酵产量的效果 例：青霉素发酵补料工艺例：青霉素发酵补料工艺 参见P141图8-6 能斯特能斯特(Nernst)方程式方程式 表达某电化学反应产生的电势差与反应平衡时各物质浓度（活度）的关系。表达某电化学反应产生的电势差与反应平衡时各物质浓度（活度）的关系。 (伏特) c(a)（mol / L） 该反应该反应电势差电势差与与电功电功关系关系 电功电功与