第十章-发酵过程的参数检测课件

第十章发酵过程的参数检测第十章1直接参数间接参数物理参数

（温度、压力、搅拌速度、通气流量、泡沫水平、加料速率、生物热、黏度等）化学参数(pH、溶氧浓度、溶解CO2浓度、碳源含量、氮源含量、代谢物浓度）（摄氧率OUR、CO2释放率CER、呼吸商RQ、细胞浓度、比生长速率）直接参数间接参数物理参数（摄氧率OUR、CO2释放率CER2发酵过程参数检测的复杂性：1）罐内插入的传感器必须能耐热，经受高温灭菌。2）菌体以及其它固体物质附在表面，使一些传感器的使用性能受到影响。3）罐内气泡影响，带来对测量干扰。4）传感器结构必须防止杂菌进入和避免产生灭菌死角，因而使传感器结构复杂。5）化学成分的分析是重要的检测内容，但电信号转换困难。发酵过程参数检测的复杂性：1）罐内插入的传感器必须能耐热，经3第一节物理参数检测第一节4感温元件1）热电偶2）热电阻

感温元件装置在金属套管内安装在罐壁感温元件1）热电偶感温元件装置在金属套管内安装在罐壁5热电偶工作原理：

两种不同成分的导体（称为热电偶丝材或热电极）两端接合成回路，当接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，这种电动势称为热电势。热电偶就是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接用做测量介质温度的一端叫做工作端（测量端），另一端叫做冷端（亦称作补偿端）。冷端与显示仪表连接。热电偶实际上是一种能量转换器，它将热能转换为电能，用所产生的热电势测量温度。热电偶热电偶工作原理：热电偶6热电偶导线热电偶导线7工作原理：电阻线中的金属丝在不同的温度有不同的电阻,根据这条热电阻线的电阻变化可以求出被测物体的即时温度。热电阻常用热电阻：铂电阻精度高，性能可靠，但价格贵铜电阻-50-150℃线性响应较好，价低工作原理：热电阻常用热电阻：8铂电阻Pt100铂电阻Pt1009铜电阻铜电阻10二次仪表应与所选用的感温元件的类别和型号匹配；并注意选择合适的温度范围二次仪表应与所选用的感温元件的类别和型号匹配；11温度显示仪表温度显示仪表12二、生物热的测量微热量测定器要满足一定的条件：

长时间的稳定性；适合微生物培养的特殊要求（如搅拌、通气、补料等）二、生物热的测量微热量测定器要满足一定的条件：131、绝热量热计尽可能把微生物反应器与外界环境隔绝，以减少热量损失所造成的测量误差原理：

当由生物热造成反应器升温时，可计算使平衡罐与反应罐温度相等所需的加热功率，就可得到反应罐中生物热量的大小。1、绝热量热计尽可能把微生物反应器与外界环境隔绝，14反应平衡量热计标定零检测器t反t平加热控制

不平衡信号

计算器记录仪反馈回路

绝热式微量热器原理图反应平衡量热计标定零检测器t反t平加热控制不平衡信号计算152、热流量热计

热量被允许拖着一定的途径流到一个冷阱（或热源）中去，所传过的热量速率可以通过检测所形成的温度梯度得到。如Calvet微量热器2、热流量热计热量被允许拖着一定的途径流到一个冷阱16

Calvet微量热器Calvet微量热器173、流通式量热计

把器内培养液与器外的培养液进行交换，这个器外培养罐可以是连续发酵罐或批发酵罐，因此试剂或样品的加入是在量热器外进行而不影响量热器的测量。3、流通式量热计把器内培养液与器外的培养液进行交换18流通式量热计流通式量热计19三、通气流量测量根据作用原理，可分两种类型：体积流量型质量流量型三、通气流量测量根据作用原理，可分两种类型：体积流量型201、体积流量型

根据流体动能的转换及流体流动类型的改变而设计的测量装置。

这种测量装置会引起流体能量的不同程度的损失，且测量值受到温度和压力变化的影响。1、体积流量型

根据流体动能的转换及流体流动类型的改21主要型式：转子流量计刻度管：玻璃、金属信号传送：指示式、远传式优点：

结构简单、使用方便、价格低Note:

按20℃、103.32KPa设计，实际使用中应校正主要型式：转子流量计刻度管：玻璃、金属信号传送：指示式、远传22第十章--发酵过程的参数检测课件23第十章--发酵过程的参数检测课件24第十章--发酵过程的参数检测课件25金属转子流量计金属转子流量计262、质量流量型

根据流体的固有性质，如质量、导电性、电磁感应性、热传导性能等设计的流量计。

这种测量没有能量损耗，可直接读出气体的质量流量，不受温度和压力变化的影响。2、质量流量型根据流体的固有性质，如质量、导电性、电磁27热质量流量传感器结构示意图热质量流量传感器结构示意图28随流量变化的温度分布无空气流过有空气流过●有空气流过时，上游温度下降，下游温度上升，导致测量管中温度分布发生畸变；●不平衡电桥输出的电势E=bcM

b—系数

c—介质比热容

M—质量流量●当气体比热容恒定时，流量信号与质量成正比随流量变化的温度分布无空气流过有空气流过●29四、罐压测量就地指示式：

压力表信号远传式：

压力信号转换器电阻式、电容式、电感式、半导体式四、罐压测量就地指示式：压力表信号远传式：压力信号转换30五、液位测量发酵罐内保持一定的压力，同时存在泡沫，故一般受压式液面计不适用。常用双法兰差压法：

法兰上装有可传递压强的金属薄片；

罐底的法兰上所受到的压强是液柱压强与罐内保压之和，罐顶法兰所受压强仅为保压压强；两者之差即为液柱压强（P)。

如发酵液的重度r已知，则液柱高度H=P/r。五、液位测量发酵罐内保持一定的压力，同时存在泡沫，31六、发酵液黏度测量

发酵液通常属非牛顿流体，不能采用一般的工业黏度计或油品黏度计测量。

可测量发酵液黏度的黏度计：毛细管黏度计回转式黏度计涡轮旋转黏度计旋转黏度计六、发酵液黏度测量发酵液通常属非牛顿流体，不能采用一32毛细管黏度计●恒温●毛细管半径和长度要精确计算●被测置于贮筒，在恒定压差△P下从毛细管排出毛细管黏度计●恒温33第二节化学参数测量第二节34一、pH测量1、取样罐外测量试纸法（精密级）酸度计法罐外取样测量不利于实现自动化管理一、pH测量1、取样罐外测量试纸法（精密级）罐外取样测352、在线测量发酵用复合pH电极+pH显示仪表pH测量原理图2、在线测量发酵用复合pH电极+pH显示仪表pH测36发酵用复合pH电极

过高的温度将对玻璃膜材质和参比电极性质产生影响，造成不可逆转的破坏。

外加不锈钢护套后安装于罐内发酵用复合pH电极过高的温度将对玻璃膜材质和参比电极性37第十章--发酵过程的参数检测课件38pH显示仪表应具有较高的输入阻抗（1011-1012

）并具有自动或手动的温度补偿功能pH显示仪表应具有较高的输入阻抗（1011-1012）39二、溶解氧（DO)的测量电极法

电解型（极谱型）电极

如阴极和阳极都用银制成，参比电解液用KCl溶液

原电池型

如阴极用银，阳极用铅二、溶解氧（DO)的测量电极法

电解型（极谱型）电极

40

当把电极放在一被测溶液中时，就在阴极表面发生了电极反应，使距表面越近的溶液中的氧被还原了；此时，电极表面的氧浓度与液流主体中的氧浓度就形成了一个梯度，这时电极反应速度是受氧扩散控制的。

由于这个氧浓度梯度随时间而减小，且易受到搅拌程度等物理因素的影响，造成电极输出信号不稳定，使整个电极测量难以进行。

因此，一个基本的DO电极测量系统不仅要具备指示电极和参比电极之间形成的电位差，使此时只有氧在电极上发生反应，而且要使电极表面与液流主体之间有一个稳定的氧扩散梯度。

当把电极放在一被测溶液中时，就在阴极表面发生了电极反应41复膜氧电极：电极的阴极、阳极和电解质被一层聚分子膜（如聚四氟乙烯）与被测溶液隔开；该膜能透过氧分子，但不能透过溶液中的其它离子或分子。复膜氧电极：42复膜氧电极复膜氧电极43溶氧电极溶氧电极44三、溶解CO2测量

在NaHCO3溶液中：pH=常数-lgPCO2

使用特殊的气体渗透膜（如玻璃膜），能够使CO2扩散到NaHCO3溶液中；

溶液中的pH变化就是CO2实际压力的测量值。三、溶解CO2测量

在NaHCO3溶液中：pH=45CO2电极CO2电极46第三节间接参数的获得第三节471、离线取样分析

一、菌量测量称重法离心叠集法光学（浊度）法细胞蛋白测定法核酸测定法ATP测定法显微镜直接计数法平板培养法1、离线取样分析一、菌量测量称重法482、在线测量1）浊度法

常用流通式浊度计原理：

使发酵液进入一流通式薄层比色杯，用500～600nm波长的光束测定发酵液的光密度（消光系数）；然后发酵液再返回到发酵罐中。2、在线测量1）浊度法原理：49流通式浊度计流通式浊度计50适用：

流通式浊度计适用于无固体培养基的单细胞微生物浓度的测量注意：

壁生长（可提高发酵液通过比色杯表面的速度；或将壁生长考虑在内的光电补偿）

气泡对浊度的影响（可使用气液分离器，使除气后的发酵液进入比色杯）适用：注意：512）荧光探测法

NADH受一定波长的光激发后可发出荧光

在微生物培养过程的一定时期内，产生的NADH的量是不变的，例如，在对数生长时，NADH浓度与活性生物量成线性关系。2）荧光探测法

NADH受一定波长的光激发后可发出荧光52NDAH检测器滤光片低压水银蒸汽灯光纤荧光探测法示意图NDAH检测器滤光片低压水银光纤荧光探测法示意图53二、体积氧传递系数KLa的测定以前介绍了亚硫酸盐氧化法此处介绍采用复膜氧电极进行测量的动态法二、体积氧传递系数KLa的测定以前介绍了亚硫酸盐氧化法544）以溶解氧浓度为纵坐标，以测定时间为横坐标绘制曲线方法：1）在发酵过程中突然停气，保持搅拌；2）立即用氮气将发酵罐上部空气驱出；随着微生物细胞的呼吸作用，使发酵液中溶解氧浓度迅速下降，一定时间后，溶解氧浓度下降速度减慢3）待溶解氧浓度达到一个较低点时，再恢复通气；4）以溶解氧浓度为纵坐标，以测定时间为横坐标绘制曲线方法：155当溶解氧降至b点以下，因溶解氧浓度过低，对细胞的呼吸产生了抑制作用，因此b点的溶解氧浓度可认为是微生物呼吸所需的临界氧浓度ab段表明在停气后，由于微生物的呼吸作用使发酵液中溶解氧浓度迅速下降；溶解氧浓度与通气变化的关系当溶解氧降至b点以下，因溶解氧浓度过低，对细胞的呼吸产生了抑56停气后，发酵液中溶解氧浓度的变化率可表示为:dCL/dt=KLa(C*－CL)－QO2·XCL=–(+QO2·X)+C*

1dCLKLadt以CL为纵坐标，以(dCL/dt+QO2·X)为横坐标作图停气后，发酵液中溶解氧浓度的变化率可表示为:dCL/dt=57dCL/dt+QO2·XCLab斜率=－1/KLa

C*dCL/dt+QO2·XCLab斜率=－1/KLa58第四节生物传感器第四节59生物传感器的工作原理生物体功能材料被测物换能器件电信号生物传感器的工作原理生物体功能材料被测物换能器件电信号60生物材料：主要有酶、微生物、组织、抗体、抗原、结合蛋白、植物凝集素、激素受体等反应物（被测物）：底物、辅酶、酶、维生素、抗菌素、抗原、抗体等换能器件：电化学电极、热敏电阻、离子敏场效应管、光纤、压电晶体管等生物材料：反应物（被测物）：换能器件：61例如酶电极例如酶电极62酶电极的结构原理测定对象酶膜转换器酶电极的结构原理测定对象酶膜转换器63

主要组成部分：

电化学探头固定化酶层（附在探头表面）原理：

基质（被测定物）由被测系统扩散到固定化酶层并把基质转化成产物；然后由酶层扩散到电化学探头；根据在电化学探头表面所形成的产物浓度的大小，转换成不同大小的电信号。主要组成部分：原理：基质（被测定物）由被测系统扩散64酶电极技术的关键：1）根据被测的物质，选择有特异作用的生物酶；2）采用合适的固定化技术；3）根据酶促反应产物的特点，选择对这种产物有选择性响应的电化学探头酶电极技术的关键：1）根据被测的物质，选择有特异作用的生物酶65酶的固定化：1）为什么需固定？

固定化酶往往比非固定化酶稳定，酶活力不易丧失；

酶不易流失，因而不需要使用过量的酶；

保持稳定的几何外形，有利于稳定扩散，改善电极的响应特性。酶的固定化：1）为什么需固定？

固定化酶往往比非固定662）如何固定？固定方法分化学方法和物理方法2）如何固定？固定方法分化学方法和物理方法67化学方法：

依靠化学键的结合力，把载体和酶的某种功能团结合起来常用的方法有：

分子间交联共价结合化学方法：常用的方法有：68

分子间交联即通过适度的双功能试剂，如戊二醛，把醛基与惰性载体（如硅粒、明胶）交联在一起

共价结合借助于共价键把酶的功能团与载体结合起来可用的载体很多，如二氧化硅、葡聚糖、纤维素、尼龙、聚苯乙烯等适合于共价结合的功能团有：和-氨基，、和-羧基，半胱氨酸的—SH，丝氨酸的—OH等

分子间交联

共价结合69物理方法：

吸附法酶被吸附在水不溶性的载体上可用的吸附介质很多，如多孔玻璃、纤维素、活性炭、离子交换树脂等

包埋法把酶包埋在惰性载体里，常制成凝胶格子的形式或物理夹持的方法包于电极的敏感部分

包埋剂有淀粉、凝胶、聚丙烯酰胺等物理方法：

吸附法酶被吸附在水不溶性的载体上70酶电极的种类：糖电极、尿电极、氨基酸电极、醇类电极、青霉素电极等酶电极的种类：糖电极、尿电极、氨基酸电极、醇类电极、青霉素电71例如葡萄糖电极采用适当的方法，制备含有葡萄糖氧化酶(GOD)的生物功能膜；然后将该膜覆盖在电化学传感器件表面的透析膜上；如此制成葡萄糖电极。例如葡萄糖电极采用适当的方法，制备含有葡72

GOD葡萄糖+O2+H2O——→+H2O2

0.6V（极谱电压）H2O2——→O2+2H++2ePt（铂阳极）

73第五节发酵过程的自动控制第五节74

根据对过程变量的有效测量和对发酵过程变化规律的认识，借助于由自动化仪表和计算机组成的控制器，控制一些关键变量，达到控制发酵过程的目的。根据对过程变量的有效测量和对发酵过程变化规律的认751、发酵过程的自动控制包括三方面内容：1）与发酵过程的未来状态相联系的控制目标如需要控制的温度、pH、生物量等；2）一组可供选择的控制动作如阀门的开或关、泵的开与停等；3）能够预测控制动作对过程状态影响的模型（数学表达式）1、发酵过程的自动控制包括三方面内容：1）与发酵过程的未来状762、基本的自动控制系统前馈控制反馈控制自适应控制2、基本的自动控制系统前馈控制771）前馈控制

如被控对象动态反应慢，则可通过对一种动态反应快的变量（称干扰量）的测量来预测被控对象的变化，在被控对象尚未发生变化时提前实施控制，此为前馈控制。

如对发酵罐温度的控制，可采用前馈控制系统冷却水的压力被测量但不控制，当压力发生变化时，控制器提前对冷却水控制阀发出控制动作指令，以避免温度的波动。前馈控制的精度取决于干扰量的测量精度，以及预报干扰量对控制变量影响的数学模型的准确性1）前馈控制如被控对象动态反应慢，则可通过对一种782）反馈控制控制器被控对象r(t)x(t)传感器y(t)u(t)反馈控制系统r(t)设定值x(t)输出量y(t)检测量e偏差u(t)控制动作+e2）反馈控制控制器被控对象r(t)x(t)传感器y(t)u(79被控