发酵过程检测与传感器

发酵过程检测与传感器第一页，编辑于星期六：十四点二十五分。过程控制和监测SugarconsumptionpHTemperatureFermentationtime(h)AgitationCellDryWeightProduct第二页，编辑于星期六：十四点二十五分。第一节概述一、发酵过程检测的参数

图6-2具有检测与控制设备的标准发酵装置(a)和具有更为复杂的检测控制设备的发酵装置(b)第三页，编辑于星期六：十四点二十五分。电极法，生物传感器：葡萄糖，酒精，青霉素计算：尾气分析—耗氧速率，二氧化碳释放率，呼吸商—基质消耗表6-1发酵过程物理参数的测定第四页，编辑于星期六：十四点二十五分。发酵工程试验118页表2表三第五页，编辑于星期六：十四点二十五分。二、用于发酵过程检测的传感器1传感器：非电信号-电信号关键组成部分延迟2工作特性：

--无菌（o型环或者双o型环）

--高度可靠性及稳定性（双探头），满足：温度，压力，

--准确度，精度，分辨率（调整位置，再校准），

--响应速度（测量值达到终值90%的时间）3传感器的分类检测对象：数量，长度，面积，体积，压力，水分，离子强度，湿度，温度等第六页，编辑于星期六：十四点二十五分。1）操作特性ａ）离线（off-line）ｂ）在线（on-line）：设备一部分，检测值不直接用于控制，输入后调控

pH，溶氧，二氧化碳溶解

ｃ）原位（in-line）：设备一部分，检测值直接用于控制,

温度2）采用不同检测原理的传感器：ａ）力敏传感器：压敏传感器，压差传感器ｂ）热敏传感器：温度，热量传感器

ｃ）电化学传感器：化学反应为基础，非电信号-电信号(pH)第七页，编辑于星期六：十四点二十五分。d)光敏传感器：光导纤维，光电管4传感器的选用

1）性能：量程，灵敏度，分辨率，精度，准确度，响应时间等

2）测量条件：测量范围，要求的精度等

3）传感器的使用条件：环境等第八页，编辑于星期六：十四点二十五分。第二节pH检测及传感器

生长，生物催化，培养基制备，产物分离纯化一pH传感器的工作原理

图6-3可灭菌的pH电极的典型设计图6-4第九页，编辑于星期六：十四点二十五分。

E=E0+RT/F㏑(αH+)E:测量电位

E0：标准电极电位

E=E0–K[pH-pH0]零点校准：标准缓冲液pH=7，K由另外一种标准缓冲液确定pH与温度有关系，电极内有铂电阻温度计自动补偿体系图6-5组合pH电极中不同来源的电位第十页，编辑于星期六：十四点二十五分。二pH传感器的使用1传感器的使用

1）校准：一种或者多种标准缓冲液中，发酵温度下

2）灭菌：罐内灭菌：连接物取开罐外酒精灭菌：无水乙醇中1小时以上，连接时罐内通入蒸汽

3）校准的检查：移出

罐外测定校准第十一页，编辑于星期六：十四点二十五分。2维护

1）填充或者充满电解液

2）清洗：10mmol/LHCl

3)防止机械损坏第十二页，编辑于星期六：十四点二十五分。

第三节发酵过程中溶氧的检测及溶氧电极

氧溶解浓度：细胞生长，产物的生成

测定通性：采用膜将测定点与发酵液分开，需要校准

1）导管法：导管内充满惰性气体，氧从发酵液扩散至管中，在出口处采用氧气分析仪分析扩散动力：浓度差特点：响应慢，校准难，，可以原位灭菌

2）质谱仪电极：膜隔开发酵液，质谱测氧（可扩散成分）

第十三页，编辑于星期六：十四点二十五分。3）电化学电极：膜隔开发酵液，氧扩散，氧化还原反应,见图6-6。图6-6电化学溶氧电极结构示意图图6-7可灭菌的极谱式溶氧电极第十四页，编辑于星期六：十四点二十五分。一溶氧电极装置1工作原理

电化学电极：氧透过膜，电化学室内发生氧化还原反应产生电势极谱电极：氧扩散至碱性水溶液中的电化学池内，氧浓度与通过细胞的电量成正比。

区别：前者无外加电压，原因：前者产生的电压足以降低阴极表面的氧

a)电流电极:

贵金属阴极（AgorPt）+碱金属阳极（ＰborSn）

+电解质溶液（醋酸铅、醋酸钠、乙酸）银-铅溶氧电极

阴极：O2+2H2O+4e-→4OH-

阳极：Pb→Pb2++2e-总反应：O2+2Ｐb+4H2O→2H2O+2Pb(OH)2第十五页，编辑于星期六：十四点二十五分。b)极谱电极重金属阴极（AuorPt）+阳极（AgorAgCl）

+电解质溶液（AgClorKCl）+负偏压阴极：O2+2H2O+2e-→H2O2+2OH-

H2O2+2e-→2OH-

阳极：Ag+Cl-→AgCl+e-总反应：O2+4Ag+2H2O+4Cl-→4AgCl+4OH-

经常更换电解质图6-8几种常见电流电极的结构第十六页，编辑于星期六：十四点二十五分。*膜需要很薄，响应性好，但必须具有强度耐受灭菌c)膜覆盖溶氧电极的操作原理：氧专一性透过，电极产生的电流与液体介质中氧分压成正比，并且假定：

--膜表面的氧分压与液体分压相同（液体混合良好）

--膜和阴极间的电解质层厚度忽略不计

--扩散是单向，即垂直于电极表面

--电极的电流输出与阴极表面的氧流量成比例第十七页，编辑于星期六：十四点二十五分。2电极的选择：

a)电流输出大，与溶氧成线性

b)稳定性好

c)响应迅速,与液体温度无关

d)残留电流小（零级溶氧电流）

e)机械强度大，对co2渗透少二电极的制备和安装

a)膜：10-40µm聚四氟乙烯易损坏或结垢，出现漂移或响应滞后

安装或更换：膜与电极无气泡，见图6-9

图6-9使用O形环的氧电极膜安装系统第十八页，编辑于星期六：十四点二十五分。b)电解液：定期更换c)安装及灭菌：灭菌时导线短接三溶氧电极的使用

1搅拌的影响：最初的校准时搅拌

2温度：温度影响扩散—温度补偿

3压力影响：P(O2)=C(O2)P(T)P(O2)------氧分压

C(O2)------气相中氧摩尔分率

P(T)------总压力校准：操作压力下校准

4校准：零点：不含氧气的气体通入发酵罐（灭菌后进行）满刻度：发酵罐大量充气搅拌，操作温度下进行第十九页，编辑于星期六：十四点二十五分。4其他

--膜外表面存在微生物的生长

--硫化氢、二氧化硫、有机硫化物会毒化阴极

--位置第二十页，编辑于星期六：十四点二十五分。

第四节菌体浓度和生物量的检测一定细胞数目：

1浊度计比浊法测定稀的细胞悬液的透光量，间接测出细胞数量的生长测定法，此法简单而快速，但只适用于色浅和其它悬粒极少的悬浮液测定。由于悬浮液浓度只有一定范围内与光穿透的量成反比，所以应事先将悬浮液浓度控制在一定的范围。

2计数器计数法：显微镜下用血球计数器直接数出酵母菌或霉菌孢子数目，以及用细菌计数片直接测出细菌数的生长测定法。

速度快，若用活体染色剂（亚甲基蓝）染色还可测出活菌数。由于细菌很小，且酵母菌和霉菌不能形成离散的细胞，因此要精确测定细胞数比较困难。第二十一页，编辑于星期六：十四点二十五分。二测定细胞重量

1细胞干重称量法：直接测定单位体积培养物的细胞干重，以代表菌体细胞物质总量的生长。

--直接可靠，较适用于丝状菌的生长测定。

--必须清除非细胞固体物质。若存在大量碳酸钙，纤维素等在细胞洗涤时难以除去的物质，应尽量在细胞重量比杂质重量大得多的条件下测定。

2细胞堆积容积测量法：用锥形刻度管测量经离心的细胞沉淀物的容积，以间接表示细胞重量的生长测定法。

--实际生产中常用。由于细胞密度随时间的变化很小（1.05-1.1）。而且细胞比其他固体物沉降慢，可凭经验直观将二者区别，因而具有一定的正确性。第二十二页，编辑于星期六：十四点二十五分。

3细胞组成分析法测定一种大分子的细胞组成(蛋白质、RNA、DNA等)，间接地算出细胞重量的生长。

--测定大分子物质较正确，尤其用双缩脲反应测定蛋白质简单而快速。由于这些大分子物质的比例在细胞中随着时间变化，因此所选被测样的菌体应处于对数生长期，此时生长速度恒定，细胞组成也恒定。（Lowrey法：可检出10微克级蛋白质，易受葡萄糖尿素干扰；双缩脲法：可检出毫克级蛋白质，受多肽的影响）

4营养物消耗分析法测定培养基中不用于合成代谢产物的营养物（磷酸盐、硫酸盐等）的消耗，由此间接表示细胞重量的生长。

--适用于菌体细胞是主要产物时生长的测定，可由磷源和氧的消耗间接地表示细胞重量。第二十三页，编辑于星期六：十四点二十五分。5产物重量分析法测定培养中途形成的二氧化碳，氢，ATP等产物，由此间接地换算出细胞重量的生长。例如：一般细菌细胞的ATP含量大约是1mgATP/g干细菌细胞，因此测定中间产物ATP便可算出细胞重量。三其它理化方法和活菌平板计数法。原则：有效，快速、简便第二十四页，编辑于星期六：十四点二十五分。

第五节发酵过程中其它参数的监测及传感器一温度温度计，热敏电阻，热电偶，热电阻热电阻（电阻随温度变化）：惠斯通电桥温度计置于夹套中二压力安全考虑测定压力，气升式反应罐隔膜式压力表：将压力信号转变为电信号，管路需耐受高温灭菌方法：压电现象：施加于不对称晶体上的压力产生弹性形变，产生电流可变电阻：半导体出片上的弯曲影响其电阻系数第二十五页，编辑于星期六：十四点二十五分。三黏度的检测及粘度计（略）四溶解CO2传感器

CO2溶解水平影响细胞的生理学性质，代谢分析中使用五泡沫电极