第六章 发酵过程检测与自控

思考题
• ⒈ 发酵产品生产中控制的参数有哪些？ 排气中二氧化碳控制的意义是什么？
• ⒉ 发酵过程温度升高的原因及其对微生 物生长和产物合成的影响有哪些？发酵 温度如何进行管理？
• ⒊ 生产中为什么要对pH值进行控制？如 何进行控制？
思考题
• ⒋ 临界溶氧浓度的概念及意义。供氧与微 生物代谢有何关系？如何控制溶氧？
2OH-
• 阳极上的反应是：
• Pb+2ACO-
Pb(ACO)2+2e-
• 阴极上失去电子后，阳极反应产生的电子流向阴极 ，于是在二电极之间形成电流，将氧的信号转变成电 信号。氧浓度越高，电流越大（化学信号转变成电信 号）。
(2)复膜氧电极的校正
两点校正法： ①先用饱和亚硫酸钠溶液校正零点， ②接种后，在一定的温度、搅拌转速和通
气量的情况下校正100%。
三、发酵过程的自控方式
• 一般自控系统包括3个部分：
• 1．测定元件：如温度计、压力表、电流计、pH计直接测 定发酵过程的各种参数，并输出相应信号。
• 2．控制部分：其功能主要是将测定元件测出的各种参数 信号与预先确定值进行比较，并且输出信号指令执行元件 进行调整控制。
• 3．执行元件：它接受控制部分的指令开启、或关闭有关 阀门、泵、开关等调节控制机构，使有关参数达到预定位 置。
• ⒌ 基质浓度对发酵有何影响？如何进行控 制？FBC的优点与作用。
• ⒍ 消泡的方法有哪几种？各有何优缺点？ • ⒎ 发酵过程主要在线传感器有哪些？使用
时应注意什么问题？
构紧凑，便于安装。
pH计
（1）pH电极测量原理
pH复合电极实际上是由参比 电极与指示电极组成的一个自 发电池，该电池的表达式可写 为：
参比电极 /溶液X /指示电极
RT
E[α]=E0-2.303 F pH
该电池的参比电极的输出电位 恒定，指示电极的输出电位随 被测体系中氢离子活度而变化。 因此整个自发电池的电动势就 是被测体系中氢离子活度的函 数。
DOT——溶氧传感器测量的溶氧压，％。
(1)复膜氧电极测量原理
• 将阴极、阳极和电解质溶液装入壳体，底部用能透过 氧分子的高分子薄膜封闭起来，并使阴极紧贴薄膜， 就成了复膜电极。复膜氧电极的阴极由铂、银、金等 贵金属组成，阳极由铅、锡、铝等组成 。
• 在阴极表面发生的电极反应：
• 1/2O2+H2O+e-
式中E0对某一给定电极为常数，是温度的函数，因此从 电位差计的E值可测出pH值。
（2）pH电极的校正
两点校正法： 先用pH=4.0的磷酸缓冲液校正， 再用pH=7.0的磷酸缓冲液校正。
• ⒉ 溶氧
• 一般使用覆膜氧电极，它实际测量的是溶氧分压 ，与溶氧浓度并不直接相关，故测量结果称为溶 氧压（dissolved oxygen tension，简称DOT）， 它以饱和值(即与气相氧分压平衡的溶氧浓度)的 百分数表示
四、其他重要离线检测参数
1 生物量分析 ① 细胞干重 ② 光密度（OD） 2 尾气分析
OUR与OTR 3 发酵液成分分析
高效液相色谱法（HPLC）
带计算机数据采集与控制的生物反应系统
• 过程监控计算机在发酵自控中的作用有： • ① 从发酵过程中采集和存贮数据； • ② 用图形和列表方式显示存贮的数据； • ③ 对存贮的数据进行各种处理和分析； • ④ 和检测仪表和其他计算机系统进行通讯 • ⑤ 对模型及其参数进行辨识； • ⑥ 实施复杂的控制算法。
准确性、精确度、响应时间、分辨能力、灵 敏度、测量范围、特异性、可维修性等，还 应当满足一些特殊要求：
• 一般要求传感器能与发酵液同时进行高压蒸 汽灭菌
• 其次是无灭菌死角 • 传感器易被培养基和细胞沾污，要求易清洗
• 二、发酵过程的主要在线传感器 • ⒈ pH电极 • 一般采用可蒸汽灭菌的复合pH电极，它结
覆 膜 氧 电 极
c
p 101325
c0
cL=c*·DOT 式中 P——实际操作压力，Pa；
c0*——在0.101325 MPa压力下的饱和溶 氧浓度，mol／m3或mmol／L；
c*——在实际操作压力P下的饱和溶氧浓 度，mol／m3或mmol／L；
cL——发酵液中溶氧浓度，mol／m3或 mmol／L；
第九节 发酵过程检测与自控
• 检测的参数有： • 物理参数(如温度、压力、体积、流量等) • 物理化学参数(pH值、溶O2、溶CO2 、氧化还原
电位、气相成分等) • 化学参数(基质、前体、产物等的浓度) • 生物参数(生物量、细胞形态、酶活性、胞内
成分等)
生物传感器测量原理Hale Waihona Puke Baidu
• 一、发酵过程对传感器的特殊要求 • 传感器除了满足常规要求，诸如：可靠性、