天津科技大学生物过程检测控制复习题

第一章绪论
1. 为什么要对发酵过程进行控制？
任何发酵过程都是在一定的环境条件下进行的，即一定的温度、压力、PH、溶氧浓度、培养基成分等等。

①维持特定环境条件的需要；在发酵过程中，由于菌体、底物和发酵产物在数量和质量方面的变化，必然会引起环境因素的变化。

如不及时加以调节和控制，就会使发酵生产特定的工艺条件遭到破坏。

②发酵生产的水平取决于控制水平；发酵生产的水平取决于菌种的水平性能和环境条件的控制水平。

③菌种的生产性能越高，控制要求越严；发酵生产的菌种其遗传性状都得以改造，许多生理功能和自动调节能力丧失，这就对微生物的生长和发酵的工艺提出了较高的要求。

2. 发酵生产中使用的传感器应具备哪些基本条件？
1）稳定性好，可连续测定；2）耐温耐压；3）表面不易污染，易于清洗，最好是自洁式的；4）具有较高的专一性；5）能在工作状态下随时校正；6）使用寿命长；7）安装、使用、维修方便；8）价格合理，便于推广应用。

3. 何为直接参数？何为间接参数？并各举出三个以上参数的例子。

直接参数：（环境条件参数）系统通过传感器或取样分析测定的参数，分物理参数和化学参数两大类。

间接参数；根据物理和化学参数，通过物料和质量衡算等由计算机或人工计算得出的参数。

直接参数：密度、粘度、温度、罐压、细胞浓度、氧化还原电位、
间接参数：溶氧系数、好氧速率、生长速率、呼吸商、底物消耗速率、生产速率
第二章、物理参数检测与控制
1.生物热与生物能的区别？
微生物生长与代谢过程中，本身会产生的大量热称为生物热。

Q=Q1+Q2-Q3-Q4包括生物热、搅拌热、蒸发热和辐射热生物能是指太阳能以化学能形式贮存在生物中的一种能量形式，一种以生物质为载体的能量。

2.一些典型发酵生产生物热产生的高峰期在什么时候？氨基酸、抗菌素、酒精、酵母等。

发酵类型发酵周期放热高峰期高峰期生物热
谷氨酸30h左右12~18h/中期 3.0~3.5×104
酒精72h 12~30h/中偏前6.0~6.5×103
酵母18h 8~14h/中偏后 3.5~7.0×104
抗菌素120h 20~50h/中偏前(第1次代谢) 2.5~3.0×104
温度对发酵的影响
温度对微生物生长的影响：死亡速率比生长速率对温度的变化更为敏感
温度对生长得率的影响：较高的发酵温度需要较高的维持系数，其结果使微生物细胞的表观得率下降
温度对其它发酵因素的影响
1）温度影响发酵液的物理性质；2）温度有可能影响代谢途径和生物合成的方向；3）较高的发酵温度有利于冷却传热；
4.为什么说较高的发酵温度会使细胞的表观得率下降？
Y X/S=μ÷（μ/Y G+m）较高的发酵温度需要较高的维持系数，其结果使微生物细胞的表观得率下降。

5.为什么说较高的发酵温度有利于冷却传热？
发酵温度↑→蒸发热↑、辐射热↑→发酵热Q↓
发酵温度T↑→发酵液与冷却水的温差△T↑→冷却用水量↓或冷却面积F↓
6.适当降低发酵温度为什么可弥补供氧的不足？
温度↓→生长及产物形成速度↓→耗氧速度↓
温度↓→饱和溶氧浓度C*↑→传质推动力↑（C*－C）↑
7.最适温度的选择依据有哪些？
最适温度取决于下列因素：（1）菌种；（2）发酵生产的类型；（3）培养条件；（4）生长发酵的阶段。

泡沫产生的基本条件一是不溶性气体，二是起泡剂或稳泡剂。

8.简述发酵生产中泡沫形成的规律。

1）单细胞蛋白发酵，发酵中后期，细胞浓度高、通风量大，产生的CO2多，为泡沫形成高峰期。

2）对大多数霉菌发酵，发酵初期，高分子物质浓度高、粘度大，表面张力低，易形成稳定泡沫。

3）对于（细菌）代谢产物发酵，发酵后期，菌体自溶，泡沫形成上升。

4）培养基灭菌的影响：温度高、时间长、发泡能力上升。

消泡剂的选用原则：
1）能降低液膜的表面粘度和机械强度；2）易于分散，消泡效果持久；3）对微生物生长与代谢无抑制作用；4）对产品提取无影响；5）成本低，使用方便。

发酵过程中形成泡沫强弱的主要因素：（1）通风与搅拌的强度（↑）；（2）培养基组成（粘度大、表面张力小、高分子
物质多、小颗粒存在，易起泡）；（3）培养浓度（↑，细胞浓度越高越容易形成泡沫）；（4）培养温度（↑）；（5）培养液酸碱度——影响稳泡剂的极性(↑↓)。

泡沫对发酵生产的影响
1）降低反应器的装料系数2）增加了微生物群体的非均一性3）增加了污染的机会4）泡沫外逸，导致产物的损失。

5）消泡剂的加入，给产品提纯带来困难。

9.消泡剂类型的选择（GP或GPE）。

1）聚醚类：是最常用的消泡剂，用量为发酵液体积的0.01~0.03%（V）。

聚氧丙稀甘油（GP）——亲水性差，溶解度较小，其抑泡性比消泡强，宜于在培养基中加入。

聚氧乙稀氧丙稀甘油（GPE，又称泡敌）——亲水性好，易于分散，消泡能力强，但持泡性差，宜于小量多次加入。

2）天然油脂类：无亲水基团，难于分散，消泡效果较差，用量为0.1~0.2%（V）。

3）高级醇类：常用的有十八醇、聚二醇等，消泡效果持久，适用于霉菌发酵。

4）硅酮类：主要是聚二甲基硅氧烷及其衍生物。

用于中性或微碱性的放线菌和细菌发酵，在pH低时（5.0左右）效果较差。

10.简述消泡剂对溶氧的影响。

消泡剂在气液界面的吸附，对溶氧的影响包括如下两个方面：
1）液体表面张力↓→气泡直径↓→气液界面积a↑
2）液膜厚度↑→液膜传质系数k L↓
消泡剂的增效作用
1）加载体使用以增强消泡效果。

2）多种消泡剂并用，3）消泡剂乳化使用，以提高分散效果。

4）使用抗氧化剂。

第三章化学参数检测与控制
1. 选择过高的溶氧浓度对发酵生产有何不利影响？为什么？
①高浓度氧对微生物生长的影响
a．高浓度氧对某些酶促反应有抑制作用→生长速率下降
例如：谷氨酸发酵菌体生长阶段，在生物素限量的情况下，氧浓度高，反而抑制菌体生长，表现为耗糖缓慢、菌体生长慢，PH偏高
b．当培养液营养不足时，较高的氧浓度会加速细胞成分的氧化，使细胞早衰，甚至死亡
例如：在酵母生产过程中，氧浓度过高，会使细胞个体偏小，内含物低，细胞死亡率增大，产品质量不高
2. 简述引起溶氧浓度下降及上升的可能原因，并指出哪些为正常情况？哪些为非正常情况？
1当Na=r（供氧速率=好氧速率）时发酵液中的氧浓度C不变
2当Na小于r时，C值下降，下降的可能原因有：
1）发酵前期和中期，微生物细胞浓度增加，使细胞生长速率或者产物形成速率加快，因而好氧速率加快。

氧浓度下降，这是正常现象。

2）通风量和搅拌系统故障：通风和搅拌系统的故障，使供氧速率下降，溶氧浓度会迅速下降或出现零值。

①搅拌故障→k L a↓→↓Na →C↓
②进口空气压力下降→进口空气流量↓→a↓→k L a↓→↓Na →C↓
③发酵罐罐压下降→C*↓→↓Na →C↓
④罐内通风装置故障→空气分布不匀→a↓→k L a↓→↓Na →C↓
3）当溶氧在非固定时间内下降，并在短时间内跌至零时，可能污染了好气性强的杂菌。

4）流加培养时，流加速度过快，使底物浓度升高，耗氧速率加快。

F↑→S↑→μ↑→d x/d t↑→r↑→C↓
5）消泡剂的加入→k L a↓→↓Na →C↓
3当Na＞r时，发酵液氧浓度上升C↑，可能原因：
1）发酵后期细胞老化、营养耗尽细胞老化(μmax↓)，营养耗尽(S↓)→r↓→C↑
2）流加培养时流加速度太慢导致底物浓度下降F＜d S/d t→S↓→d x/dt或d P/d t↓→r↓→C↑
3）污染噬菌体或好气性差的杂菌，耗氧速率下降噬菌体——分解生产菌，溶氧浓度迅速回升好气性差的杂菌——抑制生产菌，溶氧浓度逐渐回升
影响溶氧速率的主要因素：概括起来可分为三类：（1）操作变量：温度、压力、通风量、搅拌转速等；（2）培养液的物理性质：粘度、密度、表面张力、氧扩散系数、溶氧浓度等；（3）反应器的结构：反应器型式、搅拌器型式、液体循环装置、通风装置、反应器各部分尺寸比例等。

溶氧系数主要影响因素：对于一定的反应器结构和发酵生产：1）风量Q或空气线速度v S或通风比Q/V（2）搅拌功率P g或单位液体体积搅拌功率P g/V（3）搅拌转速n（4）液位高度H L或高径比H L/D（5）罐压P0或饱和溶氧浓度C*
影响体积吸收系数K La的因素：搅拌空气流速培养液的物理性质有机物质和表面活性剂对K La 影响空气分布器和发酵液高度对通气效率的影响其它因素如盐度和微生物
溶氧浓度的检测方法有三种：1）导管法2）质谱电极法3）电化学电极法
3. 当发酵过程中溶氧浓度不足时可采用哪些方法弥补？
提高溶氧可以从以下两方面考虑
1从提高供氧速率Na方面考虑
1）提高通风量，以增加供氧（a↑或k L a↑）；2）适当提高罐压，以提高传质推动力（c*↑）；3）提高搅拌转速，以提高氧的利用率(a、k L↑或k L a↑)；4）改善发酵液的物理性质，以提高氧的扩散与传递系数(k L↑)；5）在耗氧高峰期，通入部分纯氧（c*）。

2从减少耗氧速率r方面考虑
1）适当降低培养浓度培养浓度↓→x↓→r↓→可满足耗氧要求2）对于流加培养，适当限制底物浓度底物流加速度↓→S↓→d x/d t↓→r↓3）适当降低培养温度培养温度↓→μx↓→r↓→达到满足耗氧需求培养温度↓→C*↑→Na ↑→达到满足耗氧需求培养温度↓→c crit↓→c≥c crit→达到满足耗氧需求
测定生物反应器溶氧系数的方法：概括起来可分为三大类：（1）亚硫酸盐氧化法系统特点：Na＜＜r，c=0 （2）稳态氧平衡法、系统特点：Na=r，d c/d t=0 （3）动态法系统特点：Na>r，d c/d t≠0
4. 简述亚硫酸盐氧化法测定kLa值的原理。

反应系统：0.5M Na2SO3 + 10-3M CuSO4水溶液。

通风时，发生如下氧化反应：2SO32-+O2→（Cu2+ ）→SO42-此反应速度远大于氧的溶解速度，所以氧一经溶于液相就立即被氧化（C→0）。

这样溶氧速度就成了控制氧化反应的决定因素，通过测定反应液中亚硫酸根离子浓度的变化即可测定出溶氧速度。

k Lα=Na/0.21×10-3
5. 简述稳态氧平衡法测定kLa值的原理。

在微生物的通风培养过程中，测定溶氧速率Na，氧的传递过程可表示为：气相→（供氧Na）→（耗氧r）→微生物
对反应器做平衡计算有：Vdc/dt=Q1c1-Q2c2-Vr 积累=输入-输出-消耗。

稳态下，Na=r dc/dt=0 于是有k Lα=Na/（c*-c）=Q/V×（c1-c2）/( c*-c）
6. 简述动态法测定k L a值的原理。

动态法是在不稳定条件下，通过测定醪液中溶氧浓度随时间的变化曲线来确定k L a值。

即：根据c~t曲线的变化情况测k L a一类是的发酵过程中动态法测定k L a值，另一类狮子啊无活细胞的模拟发酵醪中动态法测定k L a值。

发酵过程中动态法测定k L a值(Na>r, d c/d t>0)
对发酵液作氧平衡计算有：dc/dt=Na-r 或dc/dt=k L a（c*-c）-Q O2x ··①在某一时刻（t=0），暂时停止通风（即Na=0）则①式变为dc/dt= -Q O2x ··②当c＞c crit时，Q O2x为常数，对②式分离变量积分可得r=Q O2x=（c0-c t）/t1 当t=t1时，恢复通风，溶氧浓度将逐渐上升，对①式整理得：c=-1/k L a(dc/dt+ Q O2x)+c* 以（dc/dt+ Q O2x）为横坐标，c为纵坐标作图即可得一直线，直线的斜率为-1/k L a，截距为饱和氧浓度c*。

模拟发酵醪中动态法测定k L a值（r=0, dc/dt>0）
在模拟发酵液中，由于无活细胞，则耗氧速率r=0，于是式①变为：dc/dt=k L a（c*-c）··③实验开始前，通N2将醪液中的溶解氧赶跑（c0=0），然后通空气，则氧浓度c逐渐上升：lnc*/（c*-c0）=k L at。

以ln c*/(c*-c)为纵坐标，t为横坐标作图，得一直线。

直线的斜率即为k L a。

7. 指出采用亚硫酸盐氧化法、稳态法和动态法测定kLa值时，反应系统的主要特征（供氧与耗氧的关系，氧浓度变化情况）
亚硫酸盐氧化法特点：简单易行，多用于反应器性能的研究。

2）不能测定实际的发酵醪，只具有相对意义。

3）实际发酵醪的溶氧系数大约为亚硫酸盐氧化值的50%左右。

耗氧=溶氧
稳态法：积累=输入-输出-消耗。

发酵过程中动态法：（1）反应器的供氧能力必须大于微生物的耗氧能力。

否则QO2x不为常数。

（2）发酵过程频繁停止供气可影响发酵生产及耗氧速率，从而影响测定结果。

模拟发酵醪中动态法：只供氧
8. 采用动态法测定kLa值时，要注意哪些条件？为什么？
发酵过程中动态法：（1）反应器的供氧能力必须大于微生物的耗氧能力。

否则QO2x不为常数。

（2）发酵过程频繁停止供气可影响发酵生产及耗氧速率，从而影响测定结果。

模拟发酵醪中动态法：需要输入6倍发酵醪体积的氮气。

9. 用动态法测定kLa值时，若采用公式计算kLa值，所得结果与反应器实际的kLa值的关系怎样？为什么？
实际的k L a的值>仪表的k L a值。

当用仪表来测量某一变化的参数时，仪表的指示值总是落后于参数的实际值。

从测量开始至仪表指示值达实际值的95%（或99%）时所需的时间叫做响应时间T r。

∵k L a值∝C的变化值，而实际的C变
化值>仪表C的变化值，∴实际的k L a的值>仪表的k L a值。

pH对微生物生长的影响：1）影响微生物酶的活性，引起酶活性丧失或改变，2）改变细胞膜的渗透性，3）影响营养物质的利用
pH对代谢产物形成的影响：1）生长最适pH与产物形成最适pH，2）pH的变化改变代谢产物的合成方向
10. 发酵过程中影响pH值变化的因素有哪些？并举简例说明。

影响pH值变化的因素
1）营养物质的分解与利用：蛋白质物质蛋白酶离子↑→pH↑氨基酸脱羧酶胺类物质↑→pH↑尿素尿酶
CO2 + NH3 →pH↑盐的利用使pH值下降：NH4+ →NH3 + H+ 剩余的H+使pH下降
2）酸性或碱性代谢物质的形成。

如：有机酸、酸性氨基酸、碱性氨基酸等
3）培养基比例失调：碳源过多，氮源不足(葡萄糖过量)→有机酸形成→pH↓碳源不足，氮源过量→氨基氮释放→pH↑4）杂菌污染产酸细菌污染→有机酸↑→pH↓噬菌体污染→菌体自溶，蛋白质分解→pH↑(如谷氨酸发酵)
11. pH控制的方法有哪些？并举简例说明。

1）无机酸、碱调节常用酸：盐酸、硫酸常用碱：石灰水、碳酸钠、氢氧化钠
2）采用具有缓冲作用的培养基——三角瓶培养、小型试验
例1：细菌培养缓冲剂：等摩尔K2HPO4-KH2PO4，缓冲范围pH6.4~7.2
例2：CaCO3可作为产酸菌（如乳酸菌、己酸菌等）的缓冲剂，pH>4~5
3）补料控制——根据发酵过程pH变化的原因采用补料控制pH
例1：在青霉素发酵中，采用按需补糖控制pH
过量的糖会促使菌体产生有机酸→pH↓→加碱调节
若根据代谢需要流加糖，则pH较稳定→加碱量↓，且产量↑（25%）
4）培养基配方控制
氮源选择：尿素和氨水可以中和培养过程中的升酸现象；蛋白质和氨基酸有一定的缓冲作用；铵盐做氮源可中和培养过程中的碱性物质
磷源选择：磷酸可中和培养基中的碱性物质；磷酸二氢钾或钠对碱性代谢物具有一定的缓冲作用；磷酸氢二钾或钠队酸性代谢物具有一定的缓冲作用；过磷酸钙对碱性物质具有一定的缓冲作用
氧化还原电位的控制：1）添加氧化剂或还原剂流加葡萄糖或氮源、加半胱氨酸→氧化还原电位↑；加抗坏血酸或硫代乙醇酸钠→氧化还原电位↓2）供氧控制氧浓度↑→氧化还原电位↑；氢分压↑→氧化还原电位↓3）pH控制H+浓度↑→PH↓→氧化还原电位↑反之也成立。

12.试根据下列发酵过程的特点选择合适的氮源
（1）培养过程形成酸性代谢产物；尿素和氨水（2）培养过程形成碱性代谢产物；铵盐
（3）培养过程形成中性代谢产物.。

蛋白质和氨基酸
13. 采用下列措施将会使培养体系中氧化还原电位产生变化，试标出其变化的方向（升高用“↑”表示，下降用“↓”表示）。

（1）加大通风量；上升（2）加入抗坏血酸；下降（3）增加罐压；上升（4）加碱pH值上升下降。

二氧化碳对微生物的抑制作用主要是影响细胞膜的结构：当CO2达某一临界值时→膜的流动性及表面电荷密度发生变化→基质运输受阻→细胞处于“麻醉”状态→细胞形态改变→生长与代谢受抑制
14. 采用哪些方法可降低发酵培养液中CO2的浓度？并说明其理由。

1）通风量控制通风量↑→空气中氧的利用率↓→P CO2↓→C CO2↓通风量↑→功率消耗↑
2）罐压控制罐压P0↓→P CO2↓→C CO2↓罐压P0↓→C*↓→Na↓
3）液位高度控制对于大型发酵罐，采用大高径比的反应器
4)培养液物理性质控制温度高→C CO2↓pH↓→C CO2↓
一般地，基质的还原性越强，RQ值越低。

16. 简述发酵生产中RQ值的一般规律。

在发酵生产中，由于存在菌体生长、维持及产物形成等不同阶段，其RQ值也不一样。

一般地，若产物的氧化性>菌体的氧化性→产物形成RQ值<菌体生长RQ值。

在实际生产中，RQ值有时会偏离理论值，主要是产生了其它中间代谢产物的结果。

当生成其他中间代谢产物的还原性较细胞或主产物大时，RQ值就偏高，反之偏小。

17. 举例说明补料控制发酵过程的原理
在分批发酵过程中，根据monod模型，当底物浓度S＞＞K S时，菌体的比生长速率达到最大μmax，而与基质浓度无
关，蛋另一方面，当基质浓度达到一定值时，细胞的生长会受到抑制，是比生长速率下降。

事实上，各类发酵的底物浓度都不能超过一定的范围。

例如：大多数微生物的培养，糖浓度>5~7%时，生长速率下降；谷氨酸发酵糖浓度为10~15%；酵母菌酒精发酵糖浓度为13~20%；不影响酵母菌菌体生长（酵母菌培养）的糖浓度<5%。

为了解除高基质浓度对发酵的抑制，提高产品浓度和收得率，在分批发酵中采用补料的方法是较为有效地。

补料方式：连续流加——恒速流加、变速流加——用于底物抑制比较明显的场合；间歇补料——一次补料、多次补料——适于底物抑制相对较弱的场合。

当所控制的基质浓度较低（<1%）时，必须采用连续流加。

第四章生物传感器
传感器三要素：1）直接触被测物；2）可传递性；3）输出信号与被测参数有明确的关系，最好是线性关系。

1. 简述生物传感器的组成、特点和分类。

组成：固定化生物材料——具有专一性功能（感受器）+ 转换器——具有传递性功能
功能：被测物质浓度→生物传感器→可传递信号→数字量
特点1）特异性好：能从复杂的系统中准确测出某一物质的浓度。

2）灵敏度高：可检测0.1~1.0ppm浓度的物质，最小极限为10-10g/mL。

3）稳定性相对较差：检测结果易受物理和化学环境因素的影响。

4）不能加热杀菌处理：其中的生物物质有失活的可能，因此一般不能加热杀菌处理。

5）制作工艺精细，废品率高，成本昂贵。

分类：1）根据生物物质分类（感受器）
酶传感器微生物传感器细胞传感器组织传感器免疫传感器基因（DNA）传感器
2）根据转换器分类生物物质发出的信号转换器可传递信号
电极式热敏电阻式光电纤维式半导体式压电晶体式等离子体共振式
2. 举例说明酶传感器的原理。

酶传感器是应用固定酶膜作为识别被测物质敏感元件（感受器）的生物传感器。

酶传感器包括酶电极传感器、酶光纤传感器和酶热敏电阻传感器等。

耦联关系是指酶反应所生成（如：H2O2、CO2等）或消耗（如O2等）的某种物质，能被转换器转换成电信号。

酶膜制备实例:将乙醇氧化酶和聚乙烯亚胺及牛血清蛋白溶液混合起来，加入5%（V）戊二醛溶液，在5℃下，存放4小时。

这种酶的混合物包在聚碳酸脂膜（孔径0.03μm）和醋酸纤维素膜之间，并在5℃使其风干24h。

用0.02%（V）戊二醛溶液处理，并用磷酸盐缓冲液洗涤，即制得乙醇氧化酶膜(厚度约20μm)。

例1：葡萄糖传感器：①传感器组成：葡萄糖氧化酶+聚丙烯酰胺凝胶→（包埋法）→葡萄糖氧化酶膜+氧电极→葡萄糖传感器
②电极反应：酶膜上：C6H12O6+O2→（葡萄糖氧化酶）→C6H10O6+H2O2 在氧电极上：在Pb阳极：Pb→Pb2++2e 在Pt阴极：1/2O2+H2O+2e→2OHˉ
③测定原理：葡萄糖→（酶催化反应酶膜上）→电极旁O2浓度↓→（电化学反应氧电极上）→电流值↓→葡萄糖浓度
④主要性能：测量范围：1~500 mg/L 响应时间：10~30 s 使用寿命：60~100 day
氧化酶膜与过氧化氢电极组成葡萄糖传感器：
3. 简述微生物传感器、免疫传感器和基因传感器的原理。

微生物传感器：呼吸活性测定型——以微生物呼吸活性为指标；有好气性微生物固定化膜和氧电极或CO2电极组成，当这种微生物传感器插入到含有能被微生物所利用的待测物质和杨的试样中后，微生物的活性增强，呼吸量的变化可通过氧电极测定。

另一方面，微生物呼吸时生成CO2，因而也可以根据CO2的生成量来推测被测物质的浓度。

电极活性物质测定型——以微生物代谢产物为指标。

所适用的厌氧和好氧微生物。

当这种传感器插入待测试验中后，微生物利用试样中的待测物质进行生长与代谢，产生各种代谢物质，这些产物包含电极活性物质，通过电极转换成电流或电压值，即可测定代谢物质的浓度。

免疫电极(immuno bioelectrode)是以免疫物质（抗原或抗体）作为敏感元件的电化学生物传感器。

免疫物质的高特异性识别使免疫电极具有很高的特异性。

根据测定过程是否需要标记物可分为直接免疫电极和间接免疫电极。

基因传感器：DNA电化学传感器通常由已知序列的单链DNA（ssDNA，通常称为探针）分子和电极组成。

样品中互补的ssDNA→（固定化ssDNA 杂交反应）dsDNA结构变化→(电极表面电化学反应)→电信号变化→识别和测定靶基因
DNA传感器的特点①特异性好。

②稳定性好—离体DNA比蛋白质（酶）分子稳定。

③制备简单，DNA可用仪器批量合成。

④DNA的操作方法具有通用性，容易标准化。

⑤结合芯片技术，可制备DNA列阵，实现高通量测定。

⑥灵敏
度高，可以达到10-11mol/L以上。

⑦用途极其广泛。

4. 酶传感器、微生物传感器的工艺设计，包括传感器组成、电极反应、及测定原理。

例2：谷氨酸传感器
谷氨酸脱羧酶催化谷氨酸的反应为：
HOOC-(CH2)2-CHNH2-COOH →（谷氨酸脱羧酶）→HOOC-(CH2)2-CH2NH2 + CO2
组成：具有较高谷氨酸脱羧酶活性的微生物膜+CO2电极→测定谷氨酸传感器
原理：在无氧条件下1）无谷氨酸，不产生CO2；有谷氨酸→CO2↑→CO2电极电位↑→推算谷氨酸含量
性能A．响应时间：5min左右；B．测量范围：10~800mg/L；C．使用寿命：20day。

第五章
1.何为程序控制、直接数字控制（定值调节）和过程最优化控制？
程序控制——采用自动化工具，按预定的工艺要求，对生产过程进行顺序控制
直接数字控制（定值调节）采样控制器——依照一定的周期及次序将传感器的电信号接入模数转换器。

模数转换器（A/D）——将模拟量的电信号变成计算机能够接收的二进制数字信号。

数模转换器（D/A）——将计算机输出的二进制数字信号转变成模拟量的电信号，去控制执行机构。

模拟量的电信号——其大小与某参数的数字量相对应。

传感器在测量某一参数时，输出的是一个电信号，这个电信号的强弱就反映了被测参数的大小。

最优控制——根据生产情况，随时改变某些参数给定值，实现优化控制
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，以使生产过程在最优条件下运行。

最优控制常用观察指标有：最高产量、最优质量、最佳经济效益等。

2.直接数字控制与过程最优化控制有何不同？
（1）直控仪对每一参数是单独进行控制的，而最优控制机必须建立最优化的数学模型。

（2）过程最优化控制，要求计算机的存储量较大，运算速度高。

（3）过程最优化控制机不直接控制执行机构，当过程最优控制系统出现故障时，生产仍能正常进行；但若直接数字控制系统出现故障，则生产过程失去控制。

3.实现最优控制的条件是什么？当最优控制系统出现故障时生产是否可正常进行？为什么？
（1）有对象的数学模型：即最优化指标与各可控变量和不可控变量的函数关系式；
（2）必须具有准确检测各参数的传感器；
（3）要有相应的最优化方法。

当过程最优控制系统出现故障时，生产仍能正常进行，因为过程最优化控制机不直接控制执行机构
4.某发酵生产，要求pH控制在
5.5~
6.5范围内，试设计用计算机控制pH值的原理及流程图。