单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二层,第三层,第四层,第五层,*,*,*,第八章 生化过程参数的检测和控制,11/17/2024,1,第八章 生化过程参数的检测和控制8/7/20231,生化过程参数的分类,反映生化过程变化的参数分为两大类：一类是,可以直接采用特定的传感器检测的参数称为直接,参数，包括各种反映物理环境和化学环境变化的,参数：如温度、压力、流量、搅拌功率、转速、,泡沫、黏度、浊度、pH、离子强度、溶解氧和基,质浓度等。另一类是综合参数，包括细胞生长速,率、产物合成速率、呼吸商等。,11/17/2024,2,生化过程参数的分类 反映生化过程变化的参数分为两大类：,第一节 直接参数的检测和控制,一.温度检测和控制,严格保持菌种的生长繁殖和生物合成所需的最适温,度，对稳定发酵过程，缩短周期，提高产量，具有,重要意义。,通常可以采用水银温度计、热电阻监测系统中的温,度。普遍使用的热电阻有铂电阻和铜电阻。铂电阻,精度高、稳定性好、性能可靠；铜电阻超过100,时易被氧化。,为了使生物反应在适当的温度下进行，必须采取措,施在夹套或蛇管内通入冷却水加以控制。,11/17/2024,3,第一节 直接参数的检测和控制8/7/20233,发酵热的测定,(1)通过测量一定时间内冷却水的流量和冷却水的进出。,Q,发酵,=GC(T,2,-T,1,)/V,Q,发酵,-发酵热;C-冷却水的比热,G-冷却水的流量;T,1,T,2,-进出口冷却水的温度;V-发酵液的体积,(2)通过罐温度的自动控制，先使罐温达到恒定，,再关闭自控装置，测量温度随时间上升的速率S。,Q,发酵,=(M,1,C,1,+M,2,C,2,)S/V,11/17/2024,4,发酵热的测定8/7/20234,(3)根据化合物的燃烧值计算发酵过程中生物热,的近似值。,(4)测定微生物生长代谢中的耗氧量。,通风（耗氧）发酵过程生成的发酵热数量与过程,所消耗的氧是成正比。,Q,H,=(0.1060.124)Q,O2,(1/10)Q,O2,Q,O2,-氧的消耗比速(mmolO,2,/g菌体.h),Q,H,-发酵热生成的比速(kcal/g菌体.h),当通风发酵出现溶解氧不足时，有的的微生物能,够进行厌氧反应。则出现:Q,H,(0.1060.124)Q,O2,11/17/2024,5,(3)根据化合物的燃烧值计算发酵过程中生物热8/7/2023,二.pH的检测和控制,pH值可用耐灭菌的玻璃电极和银-汞参比电极以及pH,测量仪表的检测系统检测，可连续指示罐内酸碱变化。,微生物反应过程中pH的变化具有一定规律。,在微生物细胞的生长阶段，由于所用的微生物菌种不同，相对于接种后的起始pH值有上升或下降趋势,在生产阶段，一般反应液的pH值趋于稳定，维持在最适合产物形成的范围。,在微生物细胞的自溶阶段，随着培养基中的营养物质的耗尽，微生物细胞内蛋白酶的积累和活跃，微生物自溶，引起培养液中的氨基氮等的增加，致使pH值有上升。,11/17/2024,6,二.pH的检测和控制8/7/20236,引起反应液pH 值下降的主要原因有,1.培养基中的碳/氮比例不当，碳源过多，特别是葡萄,糖过量或者中间补糖过多或溶解氧不足，致使糖等物质,氧化不完全，培养液中有机酸会大量积累，从而使pH值,下降,2.消泡油加得过多；,3.微生物生理性物质的存在，使pH值下降。,引起反应液 pH值上升的主要原因有,：,1.培养基中的碳/氮比例不当，碳源过多，氨基氮释放,会使pH值上升。,2.生理碱性物质存在。,3.中间补料液中氨水或尿素等碱性物质的加入过多。,11/17/2024,7,引起反应液pH 值下降的主要原因有8/7/20237,1.调节培养基中的原始pH值，或加入缓冲溶液制成缓冲能力强、pH值变化不大的培养基。,2.可在反应过程中加入弱酸或弱碱进行pH值的调节，进而合理地控制发酵条件，也可通过调整通风量来控制pH值。,3.进行补料，既调节了培养液的pH值，又可补充营养，增加培养液的浓度和减少阻遏作用，进一步提高产率。,4.采用酸性铵盐作为氮源时，由于NH,4,+,被利用后，剩下的酸根会引起发酵液中的pH值下降，在培养液中可加入碳酸钙来调节pH值。,5.根据pH值的变化可用流加氨水的方法来调节，同时又可把氨水作为氮源供给。,6.以尿素作为氮源进行流加调节pH值。,反应液中pH值的控制方法,11/17/2024,8,1.调节培养基中的原始pH值，或加入缓冲溶液制成缓冲能力强、,三.泡沫的影响和控制,太多的泡沫给反应带来不利的影响,1.使反应器的装填系数减少；,2.造成大量逃液，导致产物的损失；,3.泡沫“顶罐”有可能使培养基从搅拌的轴封渗出，增加,了染菌的机会。,4.由于泡沫的液位变动，以及不同生长周期微生物随泡,沫漂浮，使微生物生长的环境发生了变化，影响了微生,物群体的效果，增加了微生物群体的不均一性。,5.影响了搅拌的正常进行，妨碍了微生物的呼吸。,6.使微生物提早自溶。,7.为了控制泡沫，需加入消泡剂。对产物的提取不利。,11/17/2024,9,三.泡沫的影响和控制8/7/20239,微生物反应过程产生泡沫的原因,1.由外界引进的气流被机械地分散形成,2.反应过程产生的气体聚结生成的泡沫,培养基的物理化学性质对泡沫形成的表面现象起,决定作用，此外，培养基的温度、酸碱度、浓度,等对过程的泡沫也有一定的影响。培养基中的蛋,白质含量越多，反应液的黏度也越大，越容易起,泡，泡沫多而且持久稳定。,11/17/2024,10,微生物反应过程产生泡沫的原因8/7/202310,泡沫的控制,化学消泡,消泡机理：1.消泡剂是表面活性物质，降低气泡表面张力，使气泡破裂2.降低机械强度（降低液膜的弹性）3.降低膜表面的黏度。,天然油脂类、高级醇类、聚醚类、硅酮类、氟化烷烃等,生产中的一些用法：,(1)通过机械搅拌，使消泡剂更易于分散在反应液中。,(2)将消泡剂与载体一起使用，使消泡剂溶于或分散于载体中，比如用聚氧丙烯甘油作消泡剂时，以豆油为载体的消泡增效作用明显。,(3)多种消泡剂并用可增强消泡作用。,(4)使用乳化剂增强消泡剂的消泡作用，如消泡剂聚氧丙烯甘油用吐温-80为乳化剂的增效作用可提高12倍。,11/17/2024,11,泡沫的控制8/7/202311,机械消泡,靠机械强烈振动和压力的变化，促使细胞破裂，或借,助机械力将排出气体中的液体加以分离回收，从而达,到消泡的作用。机械消泡的优点是不需在发酵液中加,入其他物质，减少了由于加入消泡剂所引起的染菌机,会和对后续分离的影响。但是机械效果不如化学消泡,迅速、可靠、不能根本上消除引起稳定泡沫的因素，,而且它还需要一定的设备和消耗一定的动力。,罐内消泡、罐外消泡。,11/17/2024,12,机械消泡8/7/202312,液位电极控制消泡剂的流加,液位电极是根据空气与带有发酵液的泡沫,导电率不同的原理制造。,采用双位式的控制方法，当反应物液面达,到一定的高度时，自动打开消泡剂的阀门，,当液面降回到正常时，自动关闭消泡剂的,阀门。,11/17/2024,13,液位电极控制消泡剂的流加8/7/202313,第二节 生物传感器,传感器,（电极或探头）：能感受规定的被测量并,按照一定的规律将其转换成可用信号的器件或装,置，它通常由敏感元件、转化元件及相应的机械,结构和线路组成。,生物传感器：,是利用酶、抗体、微生物等作为敏,感材料，将所感受的生物体信息转换成电信号进,行检测的传感器。,11/17/2024,14,第二节 生物传感器传感器（电极或探头）：能感受规定的被,生物传感器的应用领域,临床检测：葡萄糖85%，乳酸盐及其他4%，,研究4%。,药物：3%,环境：2%,食品：2%,机器人、国防及其他：1%,11/17/2024,15,生物传感器的应用领域临床检测：葡萄糖85%，乳酸盐及其他4%,生物传感器的结构和原理,生物传感器的结构一般是在基础传感器(电化学装置）上再耦合一个生物敏感膜（称为感受器或敏感元件）。生物敏感膜紧贴在探头表面上，再用一种半渗透膜与被测溶液隔开。当待测溶液中的成分透过半透膜有选择地附着于敏感物质时，形成复合体，随之进行生化和电化学反应，产生普通电化学装置能感知的O,2,、H,2,、NH,4,+,、CO,2,等，并通过电化学装置转换为电信号,11/17/2024,16,生物传感器的结构和原理 生物传感器的结构一般是在基础传感,生物传感器的特点,1)对被检测物质具有极好的选择性，噪音低。,2)操作简单，需用样品少，能直接完成测定。,3)经固定化处理后，可保持长期生物活性，传感,器可经得住反复使用。,4)能在短时间内完成测定。,5)不要求样品具有透明度。,6)主要缺点是寿命较短。,11/17/2024,17,生物传感器的特点1)对被检测物质具有极好的选择性，噪音低。8,生物传感器的种类,酶传感器,微生物传感器,免疫传感器,细胞传感器,组织传感器,生物电子传感器,11/17/2024,18,生物传感器的种类酶传感器8/7/202318,发酵工业中的传感器的特点,1.传感器能安装在发酵罐内耐受高压蒸汽（120135、30min以上）灭菌处理；,2.传感器及二次仪表具有长期工作稳定性，在12周内其测定误差应小于5%；,3.最好在使用过程中随时校正；,4.材料不易老化，使用寿命长；,5.传感器探头安装和使用方便；,6.探头不易被物料粘住、堵塞；,7.价格便宜,11/17/2024,19,发酵工业中的传感器的特点1.传感器能安装在发酵罐内耐受高压蒸,第三节 生产过程中的染菌及其控制,生物反应过程染菌的分析,1.种子培养和发酵的异常现象,种子培养异常,异常的主要表现有菌体生长缓慢、菌丝结团、菌体老化,以及培养液的理化参数变化。,发酵异常,主要表现在菌体生长速度缓慢，形态不粗壮或过早老化，,以及糖、氮、pH、泡沫、发酵产物、发酵浓度等理化参,数不正常。,11/17/2024,20,第三节 生产过程中的染菌及其控制生物反应过程染菌的分析8,发酵异常的原因主要有种子异常和发酵条,件差两方面。,菌体生长差,pH值过高或过低,泡沫过多,菌体浓度过高或过低,11/17/2024,21,发酵异常的原因主要有种子异常和发酵条8/7/202321,edba98754321+-)(*&$!#ZYWVUTSQPONMLJIHGFDCBAzxwvutrqponmkjihgedcba87654310+-)*&%$!ZYXWVUSRQPOMLKJIGFEDCAzyxwvtsrqpnmlkjhgfedca987643210-)(*&%!#ZYXVUTSRPONMLJIHGFECBAzywvutsqponmljihgfdcba97654320+-)(&%$!#YXWVUSRQPONLKJIHFEDCBzyxwvusrqpomlkjigfedcb987653210+)(*&%!#ZYXWUTSRQONMLKIHGFEDBAzyxvutsrponmljihgfecba98654320+-)(*%$!#ZXWVUTRQPONMKJIHGEDCBAyxwvusrqponlkjihfedcb987654210+-(*&%$#ZYXWVTSRQPNMLKJHGFEDBAzyxwutsrqonmlkihgfedba98754321+-)(*&$!#ZYWVUTSQPONMKJIHGFDCBAzxwvutrqponmkjihgedcba87654310+-)*&%$!ZYXWVTSRQPOMLKJIGFEDCAzyxwvtsrqpnmlkjhgfedca987643210-)(*&$!#ZYXVUTSRPONMLJIHGFECBAzywvutsqponmljihgfdcba97654310+-)(&%$!#YXWVUSRQPONLKJIHFEDCBzyxwvusrqpomlkjigfedca987653210+)(*&%!#ZYXWUTSRQONMLKIHGFEDBAzyxvutsrponmljihg