发酵过程的参数检测
(简)发酵过程参数相关分析
代谢曲线对照
.
常规发酵过程分析的缺陷性
分析发酵数据时，通过产品小试研究形成工厂生产的 工艺控制为目标，把重点放在寻找最佳的操作点或某 参数时序变化规律，在方法上主要依据人工经验的试 差法，由此逐渐形成作为生产工艺管理的工艺规程。
----缺乏机理性认识，有局限性。 发酵过程动力学研究强调了参数趋势曲线的动态性并 采用了过程数学模拟等进行仿真，可进一步总结经验 规律，引入动态优化控制方法，为过程工艺优化研究 提供了内容。
.
参数曲线相关分析的优势
从发酵过程多尺度系统理论来看，参数趋势曲 线相关有可能是某一尺度的线性或动力学行为， 也可能是多尺度系统的结构性突变，因此用常 规的单一尺度模式有时就无法解释过程中发生 的许多现象。 虽然这些过程检测大多是环境中的状态或操作 量，但可以通过进一步分析，得到反映分子、 细胞和反应器工程水平的不同尺度问题的联系， 从而实现跨尺度观察和跨尺度操作。
发酵过程参数相关分析原理及应用
国家生化工程技术研究中心（上海） 庄英萍 ypzhuang@
.
主要内容
发酵过程特性概述 发酵过程的参数分类及检测 理化相关 生物相关 应用举例 下阶段工作展望
.
发酵过程特性概述
生物反应器中基因、细胞和反应器不同尺度网络之 间存在着以时间为坐标多输入多输出的互动关系。 表现在同一尺度下多过程的耦合，不同尺度下也往 往会有不同过程发生。 多尺度的研究方法要求从一个尺度观察另一尺度现 象，即所谓跨尺度观察与控制，即可能提供在生物 技术研究中所没有发现的现象。 研究尺度间相互作用和耦合的原则和条件，只有这 样才能进一步分析不同尺度下的各种子过程之间的 相互量化关系，并与已知条件关联，构成描述复杂 系统的综合模型或描述。
第八章_发酵过程参数的检测及控制
主要参数检测原理及仪器
•液体和气体流量测定
主要参数检测原理及仪器
• 搅拌转速
常用检测方法：磁感应式、光感应式和测速发电机等。
感应片切割磁 场或光速。
输出电压与转 速成正比。
主要参数检测原理及仪器
• pH的检测
常用pH检定仪为复合pH电极，具有
结构紧凑，可蒸汽加热灭菌的优点。
思考：pH电极如何标定？
③自适应控制：
提取有关输入、输出信息，对模型和
参数不断进行辩识，使模型逐渐完善；同
时自动修改控制器的动作，适应实际过 程。——自适应控制系统。
2、发酵自动控制系统的硬件组成
传感器 变送器 执行机构
电磁阀、气动控制阀、电动调节阀、变速电机、 正位移泵、蠕动泵。
转换器 过程接口 监控计算机
（一）温度的控制
生长阶段
生成阶段
自溶阶段
2、引起pH下降的因素
碳源过量 消泡油添加过量 生理酸性物质的存在
3、引起pH上升的因素
氮源过多
生理碱性物质的存在 中间补料，碱性物质添加过多
4、 pH的控制
调节基础培养基的配方
调节碳氮比（C/N）
添加缓冲剂 补料控制 – 直接加酸加碱 – 补加碳源或氮源
1、基本的自动控制系统
②反馈控制 反馈控制是自动控制的主要方式
控制器
被控对象
传感器
1、基本的自动控制系统
②反馈控制
开关控制：控制阀门的全开全关；
PID控制：采用比例、积分、微分控制算法；
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ串联反馈控制：
两个以上控制器对一变量实施联合控制；
前馈/反馈控制：
前馈控制与反馈控制相结合。
发酵过程检测技术
能 够 长 时 间稳 定 工 作 ， 靠 性 好 ， ２ ３ １ 按 测 量 方 式 分 类 可 ．．
（ ） 线 传 感 器 传 感 器 不 安 可 以 在 带 压状 态 下 使 传 感 器 自由 １离 装 在 发酵 罐 内 ，由人 工取 样 进 行 插 入 或 取 出 发酵 罐 ，便 于 罐 外 灭
的 原 理 、方 法 也 不 同 。各 种 参 数
维普资讯
２ ＯＯ２ 年 第 ５ ｓ Ｎｏ． ｌ ｏｖＥＲ Ｅ ＡＰＥ ＮＥ ＆ ｗ ｌ ｓ ＡｓＧＲ ｖＩ ＮＥ
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变 送 器 转 换 为标 准 信 号 ，通过 二 及泡 沫 干 扰 等 。 ． 次 仪 表 显 示 、记 录 ，或 传送 给计 ２ ３ 发 酵 用 传 感 器的 分 类
发酵 过 程 的 主要 在线 感 器
有ｐ Ｈ传 感 器 、溶 氧 传 感 器 、氧 化
还 原 电位 传 感 器 、溶 二 氧 化 碳 传
算机处理 。
求
传 感器 有不 同的 分类 方法 ，
２ １ 发 酵 过 程 对 传 感 器 的 常 规 要 按测 量方 式 有离 线 传感 器 、在 线 感 器 。 ．
维普资讯
２０ ０２ 年 第 ５
ｓＮｏ． ｌ ｏｖＥ Ｅ Ｒｓ ＡｓＧＲＡＰＥ ＮＥ ＆ ＷＩ Ｖｌ ＮＥ
⑧ 厘
发 酵 过 程 检 测 技 术
高 畅 ， 高树 贤 ，李 华 ，沈 忠勋
（ 西北 农林 科 技 大 学 葡 萄 酒 学院 ７２０ ） １ １０
果， 引起 了温 度 、 Ｈ、 解 氧 、 ｐ 溶 氧 化 还 原 电位 、排 气 二 氧 化 碳 和排 气 氧 的 变 化 。为 了能 够 有 效地 控
发酵过程检测与控制-第三章化学参数检测与控制5
⚫葡萄糖、蔗糖等 ⚫迅速参与代谢、合成菌体和产生能量，并产 生分解产物，有利于菌体生长，但有的分解代 谢产物对产物的合成可能产生阻遏作用；
⚫多数为聚合物，淀粉等 ⚫为菌体缓慢利用，有利于延长代谢产物的合成， 特别有利于延长抗生素的分泌期，也有许多微生 物药物的发酵所采用。
在工业上，发酵培养基中常采用含迅速和缓 慢利用的混合碳源。
• 补加无机氮源：氨水或硫酸铵
氨水：既可作为无机氮源，又可调节pH值。在抗 生素发酵工业中，通氨是提高发酵产量的有效措 施，如与其他条件相配合，有的抗生素的发酵单 位可提高50％左右。
硫酸铵：生理酸性，当pH值偏高而又需补氮时补 加，以达到提高氮含量和调节pH值的双重目的。
根据发酵控制的要求选择其他无机氮源。
如：氨基酸发酵用铵盐(硫酸铵或醋酸铵)和麸皮水解 液、玉米浆；
链霉素发酵采用硫酸铵和黄豆饼粉。
• 补加有机氮源 酵母粉、玉米浆、尿素等。
如：土霉素发酵，补加酵母粉可提高发酵单位；
青霉素发酵，后期出现糖利用缓慢、菌浓变 稀、pH值下降的现象，补加尿素可改善这种状 况并提高发酵单位；
氨基酸发酵补加作为氮源和pH值调节剂的 尿素。
发酵过程检测与控制
天津科技大学 郭学武
第三章 化学参数的检测与控制
3.1 溶氧浓度 3.2 溶氧系数的测定方法 3.3 pH与氧化还原电位 3.4 二氧化碳与呼吸商 3.5 基质浓度与补料控制
3.5 菌体浓度、基质浓度与补料
3.5.1 菌体浓度对发酵的影响及其控制
菌体浓度简称菌浓（cell concentration）是指单位 体积培养液中菌体的含量。
常温下，淀粉溶液、稀糖水、浓糖水，微生物在哪种液 体中生长最好？为什么？
发酵过程中工艺参数的检测和控制
发酵过程中工艺参数的检测和控制引言发酵是许多生物过程中的重要步骤，广泛应用于食品工业、制药工业以及生物燃料生产等领域。
在发酵过程中，工艺参数的检测和控制对于保证产品质量和提高生产效率起着关键作用。
本文将介绍发酵过程中常见的工艺参数，以及如何通过检测和控制这些参数来优化发酵过程。
1. 温度的检测和控制温度是发酵过程中最基本也是最重要的工艺参数之一。
不同的微生物对温度的要求不同，因此在发酵过程中，需要准确地检测和控制温度以满足微生物的生长和代谢需求。
1.1 温度的检测方法常用的温度检测方法包括使用温度计、红外线测温仪以及温度传感器等。
温度计适用于小规模的发酵过程，能够直接测量液体中的温度。
红外线测温仪可以通过测量光谱的方式非接触地测量物体表面的温度，适用于大规模发酵过程中的温度检测。
温度传感器可以安装在发酵罐内，通过测量发酵液的温度来得到准确的温度数据。
1.2 温度的控制方法温度的控制可以通过调节加热或冷却系统来实现。
在小规模的发酵过程中，可以使用加热器和冷却器来控制温度。
温度传感器监测到的温度与设定的目标温度进行比较，然后通过调节加热器或冷却器的电流或气流来调整温度。
在大规模发酵过程中，还可以使用冷却水循环系统或蒸汽加热系统来控制温度。
2. pH值的检测和控制pH值是指溶液酸碱程度的指标，对于许多微生物的生长和代谢过程也起着重要作用。
在发酵过程中，pH值的检测和控制对于调节微生物的生长环境、抑制有害菌的生长以及促进产品产生等方面起着重要作用。
2.1 pH值的检测方法常用的pH值检测方法包括使用酸碱度试纸、玻璃电极pH计以及电化学传感器等。
酸碱度试纸是一种简单易用的检测方法，通过试纸的颜色变化来判断溶液的pH值范围。
玻璃电极pH计可以直接测量溶液的pH值，并给出精确的数值结果。
电化学传感器也可以被用于连续监测pH值的变化。
2.2 pH值的控制方法pH值的控制可以通过添加酸或碱来实现。
根据pH值的变化情况，通过自动控制系统来准确地调节加酸或加碱的量。
发酵过程检测与控制-第二章-物理参数检测与控制
−
I1 )
式中：G — 空气重量流量（kg/h） I1、I2 — 进、出口空气的热焓（kJ/kg）
2.1.1.4辐射热Q4 (kJ/m3·h)
——取决于罐内、外温差的大小，一般冬天影响 大些，夏天影响小些。
2.1.1.5发酵热Q (kJ/m3·h)
Q = Q1 + Q2 − Q3 − Q4
当Q＞0时→发酵液温度↑→需冷却带走热量 Q＜0时→发酵液温度↓→需加热保温
胶束
定向吸附层
溶液中当表面活性剂的浓度低于临界胶束浓度时，以
第一种情况为主；
表面活性剂浓度高于临界胶束浓度时出现第二种情况。
在泡沫不断增加时，表面活性剂会从胶束中不断转移
到新产生的气液界面上。
表面活性剂为什么会定向排列在表面？
在液相中因为水分子之间的吸引力大于水对 表面活性剂的吸引力，表面活性剂的疏水部 分被水分子之间的吸引力挤出溶液，到达气 液界面。这就是表面活性剂易于在泡沫上形 成定向吸附层的原因。
• 当温度较高时，μ值上升不 变，而α值迅速增加，使生 长速率减慢，达某一值时， 生长速率为0；
• 随后细胞生长小于细胞死亡， 活细胞数将逐渐减少。
lnα
死亡区
dx/dt=0
lnμ
生长区
1/T
各种微生物生长有一定的温度范围
μ（1/h）
嗜冷菌
常 温 嗜温菌 菌
0 10 20 30 40 50 60 70 温度（℃）
（℃）
谷氨酸发酵
30~32
34~37
酵母菌酒精发酵 （耐高温菌） 28~30（30~34）
30~33（35~38）
青霉素发酵
30
20
2.1.3.2 适当降低温度可弥补供氧不足
发酵过程的检测
完成的。
传感器又称探测器或变换器，是利用物理、
化学和生物学某些效应和原理，按照一定制造
工艺研制出来和获取信息的器件 。
它不受环境的影响。
工作原理
将所感受到的物理量转换成便于测 量的量（一般是电学量）。
物理量等 非电量
敏感元件 传感元件 信号调节 转换电路
输出
记录，显示，执行机构等 传感器工作原理图
影响特异性的因素除传感器本身外, 还有对
传感器信号的干扰如电噪声等。
(9) 可维修性
指的是传感器发生故障或失效后进行修 理和校准的可能性及难易程度。这对于任何 传感器来说都是非常重要的，除非那种一次
性使用的产品。
(10) 发酵过程对题。
一般要求传感器能与发酵液同时进行高 压蒸汽灭菌, 这对于大部分物理和物理化学 传感器来说都没有问题, 但有的传感器(如pH 和溶氧)传感器在灭菌后需要重新校准。不能 耐受蒸汽灭菌的传感器可在罐外用其他方法 灭菌后无菌装入。
溶解氧浓度是发酵过程中的一个重要参数， 近年来，已广泛地采用复膜电极测定溶解氧浓度， 直接插入发酵罐内的复膜溶解氧测定电极可分为两 大类即电解型(极谱型)电极及原电池型电极，前者 工作时需外加直流电源，后者则不需加任何电源。
复膜电极(探头)示意图，由薄膜及电极两部分组成
三、发酵过程检测仪器：传感器
一、发酵过程检测的意义
工业生产中的机械化和自动化是实现高产 优质、改善劳动条件、保障生产安全和降低生产 成本的一项重要措施。发酵过程复杂，要求严格， 因此在生产中应尽可能采用有关检测及显示仪表 以指示或记录生产中有关参数并通过调节器和执
行机构对生产中有关参数进行自动控制或调节，
发酵过程的参数相关分析
红霉素生物合成过程中组分研究
目前市 场上对 EA的比 例要求 在78 % 以上。
发酵初始添加六种氨基酸对产量与组分影响
添加Gly后对红霉素产量、组分时序变化
EA%
120 100 80 60 40 20
0 72
对照 1# 2#
96
120
144 t/h
Fig.5.10 Effect of Gly on the component percent of erythromycin in the fermentation process (1# 0.05, 2#0.15%)
8
80
7
70
6
60
5
50
4
40
3
30
2
20
1
10
0
0
24
48
72
96 120 144 168 192
hour
10000 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0
8
Gly
80
10000
9000
7
70
8000
6
60
7000
5
50
6000
4
40
5000
3
相关性分析：发酵过程中加油的作用
EO2 ECO2
DO
消泡
释放CO2
(h)
RQ OUR
CER DO
作为碳源利用
(h)
OUR
CER
DO
KLa
改变流变特性
(h)
加糖 加油
作为氧载体
(h)
提高对氧亲和力
3. 发酵培养基分析
生化工艺 第五章发酵过程及控制 第四节发酵过程检测和自控
第四节 发酵过程检测和自控
2．尾气分析 尾气分析能在线、即时反映生产菌的生长情况。通 风发酵尾气中pH的减少和CO2的增加是培养基中营养物质 好氧代谢的结果。这两种气体（CO2 、O2）的在线分析所 获得的耗氧率（ OUR）和CO2释放率（CER）是目前有效 的微生物代谢活性指示值。目前主要有红外CO2分析仪 (IR)、热导式气相色谱法（GC）、CO2电极法、质谱仪等。 IR和电极法较为常用。O2分析仪有顺磁氧分析仪、极谱 氧电极和质谱仪。
第四节 发酵过程检测和自控
3．发酵液成分分析 发酵液成分的分析对于认识和控制发酵过程也是十分 重要的。高效液相层析(HPLC)具有分辨率高、灵敏度好、 测量范围广、快速及系统特异性等优点。目前已成为实验 室分析的主导方法。但进行分析前必须选择适当的层析柱、 操作温度、溶剂系统、梯度等，而且样品要经过亚微米级 过滤处理。与适当的自动取样系统连接，HPLC可对发酵液 进行在线分析。
第四节 发酵过程检测和自控
由生物化学性质可得到呼吸活动及糖代谢等信息， 这对了解发酵的代谢途径是很重要的。通过计算机可确 定碳平衡的变化，运用寄存数据可得细胞产量。采用不 同的底物并将计算得到的细胞产率和有机能量产率加以 比较，可能反映出有机化合物的分解代谢机制。这些变 量之间的关系将有助于阐明发酵过程的主要代谢途径以 及发酵生产的效率。
第四节 发酵过程检测和自控
③最优控制 最优控制是指根据生产情况，随时改变某些参数给定 值，以达到生产过程的最优化控制。最优控制常用观察指 标：最高产量、最优质量、最佳经济效益等。最优化控制 时，根据生产过程的变化情况，改变其中某些参数给定值， 使产量达到最大。 使用计算机对发酵过程中的有关参数进行数据分析， 可深入了解发酵过程的物理、化学、生理和生化条件，指 导生产，调整操作参数，获取新的信息。否则这些条件或 者无从了解或者由于测定或计算费事、费时而只能在事后 才能加以测定。
2012发酵工程实验指导书
实验二酵母培养中的基质代谢、呼吸和生长的参数检测与参数相关分析一、实验目的微生物的生长受自身代谢特性和环境的影响，比如在不同的介质中同一种菌的代谢特性和代谢速率会不一样，不同的生长阶段菌的代谢也会不同。
在分批培养中，随着微生物的生长，基质的利用，代谢产物的积累，环境发生变化，从而对微生物代谢产生影响。
所以测定代谢过程的参数，如菌浓度、基质浓度、pH 、溶氧浓度等，并对这些参数的时序变化进行分析及动力学分析，可以使人们对微生物培养过程有一个量化的了解，所以检测代谢参数是过程控制与优化的基本前提，其中基质代谢、氧的消耗与菌体生长密切相关。
本实验力图使学生掌握测定菌体浓度、基质消耗、呼吸相关的各种参数的方法，以及学会分析这些参数的时序变化和相互间的关系。
一种参数可以有不同的检测方法，本实验将选取在实际应用中比较常见的检测项目，使学生通过实验能掌握常用参数的测定方法，并且将实时测定的数据进行时序分析和多参数的关联分析使学生对代谢的网络化有一个初步的认识。
二、实验原理在需氧代谢中，菌体生长是以基质代谢和氧的消耗为基础的，因为他们提供了生长所需要的前体物质和能量，而且从基质和氧的消耗速率也可以反映菌生长的状况和阶段。
本实验在15L 发酵罐中进行酵母培养，可保证发酵全过程生长条件的一致性（较之摇瓶），对菌的生长代谢分析有参数的稳定性和可靠性。
酵母的生长以葡萄糖为碳源，随着葡萄糖的利用，酵母生长同时也会产生代谢副产物——小分子酸，因此要用氨水调节pH 。
氨水消耗的多少与糖代谢相关。
分批发酵中，酵母生长会出现延迟期、对数生长期、稳定期、衰亡期等阶段，通过测定菌量就可以了解生长情况与阶段。
三、器材与试剂1.种子培养基配方（1L ）酵母提取物10g 、蛋白胨20g 、葡萄糖20g 、pH5.5。
2.发酵培养基配方（1L ）酵母提取物10g 、蛋白胨20g 、葡萄糖20g 、灭菌前pH5.5，泡敌0.1%。
3.补糖配方（1L ）葡萄糖200g 、K 2HPO 410g 、MgSO 4·H 2O1.6g 、NH 4Cl1.4g 。
微生物工程发酵第七章发酵中的参数检测及自动控制
7.1.1 物理参数
⑦浊度 能及时反映单细胞生长状况；
7.1.2 化学参数
① pH • 发酵过程中各种产酸，产碱生化反应的综
合结果，与菌体生长和产物合成有重要的 关系； • pH的高低与菌体生长和产物合成有着重要 的关系；
7.1.2 化学参数
② 基质浓度 • 指发酵液中糖，氮，磷与重要营养物质的
• 不常测定的参数有氧化还原电位、粘度、 尾气中的O2和CO2含量等。
• 参数测定方法有： • – 在线测定 • – 取样测定（离线测定）
7.2.1参数在线检测
• 在线检测必须用专门的传感器（也叫电极 或探头）放入发酵系统，将发酵的一些信 息传递出来，为发酵控制提供依据；
发酵用传感器及探头
发酵所用传感器的要求
• 发酵是一个较复杂的生化反应过程，大滞 后和时变性是其主要特征；
传感器 • – 不能蒸汽灭菌； • – 会和产品发生反应； • – 过分敏感；
7.3.4基本的自动控制系统(control loop)
7.3.4.1 前馈控制(feedforward control) 7.3.4.2 后（反）馈控制(feedback control ) 7.3.4.3 自适应控制(adaptive control)
动控制功能的自控系统。
7.3.2 自动化控制的优缺点
• 提高产品的得率； • 改进产品的质量； • 降低后续加工过程的损耗； • 在整个操作过程中能稳定的保持最优条件； • 提高对原料质量波动的适应性； • 减少人为因素的影响； • 提高工厂的生产效率； • 降低能耗； • 降低分析和操作成本；
7.3.3 存在的问题
化学或物理信号
电信号
放大
记录显示仪
控制器（与设定参数比较） 发出调节信号控制器动作
发酵罐操作与发酵过程中主要生化指标测定
小型发酵罐的使用与发酵过程中主要生化指标测定华南农业大学为研究小型发酵罐分批培养过程中大肠杆菌的菌体生长状况，本实验以分批培养法培养大肠杆菌，通过控制发酵过程的温度、溶氧、搅拌速度、空气流量、泡沫水平等参数，并每小时取样测OD值和还原糖量，制作菌体生长曲线，以此判断大肠杆菌的生长发酵状况。
结果表明大肠杆菌在发酵的前三个小时处于生长延迟期，发酵3～6小时为对数生长期，发酵6小时后该菌开始进入平衡期，第8小时时结束发酵实验。
发酵罐是进行液体发酵的特殊设备。
生产上使用的发酵罐容积大，均用钢板或不锈钢板制成；供实验室使用的小型发酵罐，其容积可从约1L至数百升或稍大些。
一般来说，5L以下是用耐压玻璃制作罐体，10 L 以上用不锈钢板或钢板制作罐体。
发酵罐配备有控制器和各种电极，可以自动地调控试验所需要的培养条件，是微生物学、遗传工程、医药工业等科学研究所必需的设备[1]。
在当今市场上，各厂家生产的发酵罐会有所差别，但基本原理是相同的，基本结构是类似的。
本实验使用的是BIOTECH-7BGZ发酵罐，其结构主要又罐体和控制器两大部分组成，罐体为一硬质玻璃圆筒，底和顶两端用不锈钢板及橡胶垫圈密封构成，容积为5L，顶盖上有多个孔口，分别是加料及接种口补料口、放置DO（溶解氧）电极口、放置pH电极口、放置消泡电极口、放置取样管口等[2]；本罐可配置不同性能的控制器，控制器能完成最基本的功能，它由下列几部分构成：⑴参数输入及显示装置，用以输入控制发酵条件的各种参数及显示发酵过程中罐内培养液的温度，pH、DO（溶氧）的测定数值。
⑵碱泵和酸泵分别用以向发酵罐加入碱液和酸液以调节培养液中的pH；⑶消泡剂加入泵用以向发酵罐加入消泡剂，以消除发酵过程中产生过多的泡沫。
⑷自动或人工控制按钮用以决定本控制器是处在自动控制或人工控制状态。
⑸电极连接导线：有三条连接导线，分别与pH、DO和AF（消泡）电极连接。
1．材料与方法1.1 实验材料1.1.1 菌种大肠杆菌（E.coil）1.1.2 培养基配方种子培养基：葡萄糖1.0g，蛋白胨1.0g，酵母膏0.5g，牛肉膏1.0g，氯化钠0.5g，水1000mL，pH7.0。
乳酸菌发酵过程参数的研究
乳酸菌发酵过程参数的研究杨俊慧;马恒;满德恩;郭脉海;刘庆艾;马耀宏;史建国【摘要】为准确、快捷地掌握乳酸菌发酵过程中主要参数的变化情况,通过KRH-BI0300型发酵罐控制系统、细胞密度监测系统、SHP8400PM过程气体质谱分析仪、生物传感分析仪等多种发酵过程分析检测手段,对乳酸发酵过程中乳酸菌活细胞数、尾气成分、葡萄糖及乳酸含量的变化情况进行测定.结果表明,应用多种现代化分析检测手段可以快速、精确地掌握乳酸菌发酵过程参数变化情况.该研究为乳酸菌发酵过程的优化控制及规模工业化奠定了基础.【期刊名称】《山东科学》【年(卷),期】2018(031)005【总页数】5页(P38-42)【关键词】乳酸菌发酵;检测方法;过程参数【作者】杨俊慧;马恒;满德恩;郭脉海;刘庆艾;马耀宏;史建国【作者单位】齐鲁工业大学(山东省科学院),山东省科学院生物研究所,山东省生物传感器重点实验室,山东济南250014;齐鲁工业大学(山东省科学院),山东省科学院生物研究所,山东省生物传感器重点实验室,山东济南250014;菱花集团有限公司,山东济宁272032;菱花集团有限公司,山东济宁272032;齐鲁工业大学(山东省科学院),山东省科学院生物研究所,山东省生物传感器重点实验室,山东济南250014;齐鲁工业大学(山东省科学院),山东省科学院生物研究所,山东省生物传感器重点实验室,山东济南250014;齐鲁工业大学(山东省科学院),山东省科学院生物研究所,山东省生物传感器重点实验室,山东济南250014【正文语种】中文【中图分类】Q815凡是能利用葡萄糖或乳糖发酵产生乳酸的细菌统称为乳酸菌[1]，分为18个属，共有200多种[2]。
乳酸菌不仅在理论研究上具有重要的学术价值，是研究分类、生化、遗传、分子生物学和基因工程的理想材料，在工业、农牧业、食品和医药等与人类生活密切相关的重要领域应用价值也极高。
研究乳酸菌发酵过程中乳酸[3]、葡萄糖以及细胞数量等各参数的变化情况，可以更好地了解乳酸菌的发酵代谢过程，有利于发酵过程的调控。
发酵参数的测定
发酵参数的测定发酵是一种常见的生物过程，广泛应用于食品、饮料、药品和化妆品等领域。
发酵参数的测定是控制发酵过程的关键，它能够帮助生产者提高产品的质量和产量。
本文将介绍发酵参数的测定方法以及其在不同领域的应用。
我们来了解一下发酵参数的含义。
发酵参数是指影响发酵过程的各种因素，包括温度、pH值、氧气供应、营养物质浓度和微生物菌种等。
这些参数的合理控制对于发酵过程的顺利进行至关重要。
温度是一个重要的发酵参数。
不同的微生物对温度有不同的适应范围。
一般来说，温度较高时微生物的生长速度较快，但过高的温度会导致微生物活性下降甚至死亡。
因此，在发酵过程中需要根据微生物的适应温度来选择合适的温度条件。
pH值也是一个重要的发酵参数。
不同的微生物对pH值有不同的适应范围。
pH值过高或过低都会影响微生物的生长和代谢。
因此，在发酵过程中需要根据微生物的适应pH值来调整发酵液的酸碱度。
氧气供应是发酵过程中另一个重要的参数。
一些微生物需要氧气来进行呼吸作用，而另一些微生物则需要无氧条件下进行发酵。
因此，在发酵过程中需要根据微生物的需氧性来调节氧气供应条件。
营养物质浓度也是发酵过程中需要控制的参数之一。
微生物的生长和代谢需要一定的营养物质供应，包括碳源、氮源、矿物质和维生素等。
因此，在发酵过程中需要根据微生物的营养需求来调整营养物质的浓度。
微生物菌种的选择也是发酵过程中需要考虑的参数之一。
不同的微生物对于不同的发酵产品有不同的适应性。
因此，在发酵过程中需要选择合适的微生物菌种来进行发酵。
发酵参数的测定方法主要有实验室方法和在线监测两种。
实验室方法是通过取样、培养和分析等步骤来确定发酵参数的数值。
在线监测则是通过在发酵过程中实时测量参数的数值来进行控制。
实验室方法可以提供准确的数据，但需要较长的时间和较多的人力物力投入。
在线监测则可以实现实时控制，但需要选择合适的在线监测设备和传感器。
发酵参数的测定在食品、饮料、药品和化妆品等领域都有广泛的应用。
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5气相氧浓度测定
• （1）磁氧分析仪 • （2）极谱氧电极法 • （3）质谱分析仪
8.1.2 化学参数检测
6 菌浓度的测量
微生物在生命活动中总是伴随着增殖和增长。有关菌量 的测量方法很多。 离线取样分析： 称重法； 细胞蛋白质测定法； 核酸测定法； 平板计数法。 在线连续菌量测量方法： 浊度法； 荧光测量法； 电容测定法； 排气分析法等。
8.1发酵过程的参数检测
8.1发酵过程的参数检测
8.1.1 物理参数检测
1.温度测量 1）感温元件： 液体温度计 热电偶 热电阻 2）二次仪表 信号放大、显示和记录： 模拟值 数字值
8.1.1 物理参数检测
2.热量测量 测量方法： 恒温法； 绝热量热法； 热流量热 流通式量热计 动态量热法 补偿法连续测量法
8.1.1 物理参数检测
3.搅拌转速和搅拌功率的测量 1)搅拌转速 搅拌转速的检测一般应用磁感应式、光感应式或测 速发电机来实现。 磁感应式和光感应式检测器是通过计测脉冲数来测 量转速。安装在搅拌轴或电动机轴上的切片切割磁场或 光速而产生脉冲电信号，一定时间间隔内的脉冲频率反 应了搅拌转速的大小。 测速发电机是安装在搅拌轴或电动机轴上的小型发 电机，它的输出电压与转速之间有良好的线形对应关系。 大型发酵罐可以采用变频控制器来调节交流电动机 的转速，也可以采用直流电动机进行调速。小型机械搅 拌式发酵罐的搅拌转速都是可调的。
8.1.1 物理参数检测
5. 罐压测量 发酵过程中维持一定的正压，是防止杂菌污染的重 要措施。 压力信号转换器很多，如电阻式、电感式、电容式 和半导体式等。
8.1.1 物理参数检测
6.料液计量测量 压差法 称重器法 流量计法 液位探针
8.1.1 物理参数检测
7.发酵液黏度测定 毛细管黏度计 回转式黏度计 涡轮旋转黏度计
8.1.2 化学参数检测
1 pH的测量 pH是微生物重要的生长环境条件。在发酵过程中， 微生物的代谢活动会明显改变发酵液的pH。 1）复合pH电极（探头） 2 ）pH测量仪器（处理和显示）
8.1.2 化学参数检测
2溶解氧的测量 溶解氧浓度直接影响微生物的代谢，它的大小与 氧的传递速率、微生物的摄氧率等有关。所以也是一个 重要的参数。 1）复膜氧电极 2 ）测量和显示
8.2.1基本的自动控制系统
3自适应控制 对于复杂和不确定的发酵过程的控制，须要提取有 关的输入、输出信息，对模型和参数不断进行辨识，使 模型逐渐完善，同时自动修改控制器的控制动作，使之 适应于实际过程。这样的控制系统称为自适应控制系统。
8.2.2 发酵自控系统的硬件组成
发酵自控系统组成： 传感器； 变送器； 执行机构； 转换器； 过程接口； 监控计算机。
除了直接用于发酵过程检测的传感器外，一些根据 直接测量数据对不可测变量进行估计的变量估计器，也 称为传感器。 传感器获取的信息需要特殊的电路将其转变为标准 输出信号，才能被控制器所接受。这种电路装置称做变 送器。 执行机构是直接实施控制动作的元件。 当涉及到计算机时，控制器输入信号必须转化成数 字当量，而与执行机构连接的模拟输出信号必须有数字 当量产生。所以对于计算机控制系统，必须使用 A/D 和 D/A转换器。
8.1.1 物理参数检测
3.搅拌转速和搅拌功率的测量 2)轴搅拌功率 轴搅拌功率是主要的测量参数，在设备和操作条件 固定的情况下，搅拌功率随着发酵过程中发酵液性质的 不同而发生变化。因此有时也作为发酵工艺正常与否的 判断依据。 搅拌功率与氧的传递系数，与KLa值有正相关关系。 常用功率表来测量电动机进线功率，但由于减速机 构的能量消耗、机械磨损等原因，容易造成较大的误差。 还有几种比较精确的测定方法，如电机反转矩测定法、 轴功率和应片法，多数是测定力矩来求得功率。
8.1.3 间接参数检测
间接参数可以分成质量传速率、成分比率、质量 传递系数、热传递系数和能量平衡等几方面。 间接参数可以反映微生物细胞的生理特性或对象的 工程特性。
8.2.1基本的自动控制系统
发酵过程采用的基本自控系统主要有前馈控制、后 馈控制和自适应控制。 1前馈控制 如果被控对象动态反应慢，并且干扰频繁，则可通 过对一种动态反应快的变量（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。这种控制方法叫做前馈控制。 2反馈控制 被控过程的输出量 x(t) 被传感器检测，以检测量 y(t) 反馈到控制系统，控制器使之与预定的值r(t)（设定点） 进行比较，得出偏差值 e ，然后采用某种控制算法根据 偏差e 确定控制动作u(t)。根据算法的不同，可分为开关 控制、PID控制、串级反馈控制、前馈／反馈控制。
8.1.1 物理参数检测
4.空气流量测定 在微生物深层培养中，通入无菌空气起到供应氧气、 提高KLa值以及排出废气的重要作用。通气量的大小直 接影响发酵液中氧的传递。根据作用原理，测量空气 流量的流量计分成两大类：体积流量型和质量流量型。 1）体积流量型 这是一类根据流体动能的转换以及流体流动类型 的改变而设计的测量装置。 (1)同心孔板压差式流量计 (2)转子流量计 2 ）质量流量型 这是根据流体的固有性质，如质量、导电性、电磁 感应性、离子化、热传导性能等设计的流量计。
8.1.2 化学参数检测
3溶解二氧化碳测量 发酵液中二氧化碳的浓度，指示的是菌体的呼吸商， 呼吸商实际上反映出微生物的代谢强度。 1）复膜氧电极 2 ）测量和显示
8.1.2 化学参数检测
4 气态二氧化碳浓度测量 用以测定尾气二氧化碳含量的方法和检测仪器： 热导式气相色谱法（GC）； 二氧化碳电极法； 红外线二氧化碳测定仪（IR）； 质谱仪。 较为常用的是IR法和电极法。
第8章 发酵过程的参数检测和自动控制
对发酵过程实现有效的控制的目的是高效地利用微 生物所具有的内在生产能力，以较低的能耗和物耗最大 限度地生产生物产品。 发酵过程是通过各种参数的检测，对生产过程进行 定性和定量地描述，以期达到对发酵过程进行有效控制 的目的。
8.1发酵过程的参数检测
根据参数的性质特点，发酵参数可以分为三类： 物理参数，化学参数，间接参数。见表8-1。 发酵过程的参数按测量形式又可以分为：就地信号 系统、在线测量系统、离线测量。 就地信号系统对发酵过程不发生影响的检测系统。 在线测量是利用连续的取样系统与相关的分析器联 接，取得测量信号。 离线测量是指在一定的时间内离散取样，采用常规 的化学分析和自动的分析系统，在发酵罐外进行样品的 处理和分析测量。