第五章生物过程优化控制.pptx
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发酵过程控制与优化ppt课件
参数，使有利于生
产菌而不利于杂菌的生长，如降低发酵温度等。加人某些 抑制杂菌的化合物也不失为一种急办法，条件是这种化合 物对生产菌无害对生产影响不大和在下游精制阶段能被完 全去除。中后期染菌除非是噬菌体，通常后果不会那么严 重，这时发酵液中己产生一定浓度的抗生素，对杂菌已有 一定抑制作用。实际生产中常采用大接种量的原因之一是 即使不慎污染了极少量杂菌，生产菌也能很快占优势。
• 补料-分批发酵：是在
分批发酵过程中补入 新鲜料液，以克服由 于养分的不足，导致 发酵过早结束。
• 半连续发酵：在补料-
分批发酵的基础上加 上间歇放掉部分发酵 液便可称为半连续发 酵。
• 连续发酵： 是指发酵
过程中一面补入新鲜 的料液，一面以相同 的流速放料，维持发 酵液原来的体积。
5.2发酵条件的影响及其控制
生产方法
• 胰岛素的生产方法主要有两种，一种是从
动物脏器中生化提取的动物胰岛素，如猪 胰岛素、牛胰岛素等，动物脏器中生化提 取产量低、成本高（100公斤动物胰腺只 能提取4-5克胰岛素，一个病人所需胰岛 素要从40头牛或50头猪的胰腺中提取）、 纯度低，疗效差；一种是通过基因工程手 段的人胰岛素，基因重组人胰岛素纯度高、 疗效好.
5.4.发酵终点的判断与自溶的监测
• 5.4.1发酵终点的判断 • 发酵类型的不同，要求达到的目标也不同，因而
对发酵终点的判断标准也应有所不同。
• 判断放罐的指标主要有产物浓度、过滤速度、菌
丝形态、氨基氮、pH、DO、发酵液的粘度和外 观等。
• 对抗生素发酵，老品种抗生素发酵放罐时间一般
都按作业计划进行。但在发酵异常情况下，放罐 时间就需当机立断，以免倒罐。新品种发酵更需 探索合理的放罐时间。
产菌而不利于杂菌的生长，如降低发酵温度等。加人某些 抑制杂菌的化合物也不失为一种急办法，条件是这种化合 物对生产菌无害对生产影响不大和在下游精制阶段能被完 全去除。中后期染菌除非是噬菌体，通常后果不会那么严 重，这时发酵液中己产生一定浓度的抗生素，对杂菌已有 一定抑制作用。实际生产中常采用大接种量的原因之一是 即使不慎污染了极少量杂菌，生产菌也能很快占优势。
• 补料-分批发酵：是在
分批发酵过程中补入 新鲜料液，以克服由 于养分的不足，导致 发酵过早结束。
• 半连续发酵：在补料-
分批发酵的基础上加 上间歇放掉部分发酵 液便可称为半连续发 酵。
• 连续发酵： 是指发酵
过程中一面补入新鲜 的料液，一面以相同 的流速放料，维持发 酵液原来的体积。
5.2发酵条件的影响及其控制
生产方法
• 胰岛素的生产方法主要有两种，一种是从
动物脏器中生化提取的动物胰岛素，如猪 胰岛素、牛胰岛素等，动物脏器中生化提 取产量低、成本高（100公斤动物胰腺只 能提取4-5克胰岛素，一个病人所需胰岛 素要从40头牛或50头猪的胰腺中提取）、 纯度低，疗效差；一种是通过基因工程手 段的人胰岛素，基因重组人胰岛素纯度高、 疗效好.
5.4.发酵终点的判断与自溶的监测
• 5.4.1发酵终点的判断 • 发酵类型的不同，要求达到的目标也不同，因而
对发酵终点的判断标准也应有所不同。
• 判断放罐的指标主要有产物浓度、过滤速度、菌
丝形态、氨基氮、pH、DO、发酵液的粘度和外 观等。
• 对抗生素发酵，老品种抗生素发酵放罐时间一般
都按作业计划进行。但在发酵异常情况下，放罐 时间就需当机立断，以免倒罐。新品种发酵更需 探索合理的放罐时间。
高一人教版必修生物课件——第五章第一节降低化学反应活化能的酶
B、多样性 D、多变性
3、能水解脂肪酶的酶是
A、淀粉酶
B、蛋白酶
C、脂肪酶
D、麦芽糖酶
无关变量：反应物的浓度、剂量；实验室的温度等 二、对照原则： 对照实验：除了一个因素以外，其余因素都保持不
变的实验。 对照组：1号
实验组：2、3、4号
二、酶的本质
发酵是纯化学反应，与生命活动无关
资料分析
发酵与活 细胞有关
巴斯德 争论 李比希
发酵与死细胞 中的物质有关
脲酶是 蛋白质
毕希纳 萨姆纳
其他科学家
三、酶的特性
高温、低温、过酸和过碱对酶活性的影 响其本质相同吗？
不同。 过酸、过碱或温度过高，会使酶的(空间)结 构遭到破坏，使酶永久失活； 低温时酶空间结构依然稳定，但酶活性被 抑制，在适宜温度下其活性可以恢复。
三、酶的特性
例：下图表示某有机物加入催化剂后，置于由 0℃渐变至80℃的环境中，有机物的分解总量 与温度的关系图。根据该图判断，如果把这 些物质置于80℃渐变至0℃的环境中处理，其 关系图应为
注入5% 2 不同pH的处理 盐酸溶液
1ml
注入 注入5%
蒸馏水 1ml
N液aOH溶 1ml
3 注入过氧化氢 溶液
每支试管各2ml
4
用带火星的卫生香进行检验
三、酶的特性
3、酶的作用条件较温和
动物：35°~ 40° 植物：40°~ 50°
植物：pH 4.5 ~ 6.5 动物：pH 6.5 ~ 8.0 胃蛋白酶：1.5 ~ 2.2 胰蛋白酶:8 ~ 10
1000C
向混合液中加入1滴碘液 观察颜色变化情况
三、酶的特性
实验结果： 30~50℃中的试管中溶液几乎不变蓝
人教版生物必修一第五章第2节《降低化学反应活化能的酶》 共25张PPT)
(合成物质,储存能量)
细胞中每时每刻都进行着许多化学反应,统称为细胞代谢。
生物体外的化学反应
高温、高压、强酸、 强碱、催化剂
细胞代谢中的化学反应
常温、常压、 催化剂 PH近中性
两百多年前,人们认为鸟的胃只有物理性 消化,没有化学性消化,这种观点对吗?
讨论：
1.这个实验要解决什么问题？ 鸟类的胃是否只有物理性 消化，没有化学性消化。 2.是哪里的物质使肉块消化 了？ 1773年,意大利科学家斯帕 兰札尼(L.Spallanzani,17291799)做了一个巧妙的实验： 将肉块放入小巧的金属笼内， 然后让鹰把小笼子吞下去。过 一段时间后，他把小笼子取出 来，发现笼内的肉块消失了。 是胃内的化学物质将肉块 分解了。 3.怎样才能证明你的推测？ 收集胃内的化学物质，看 看这些物质在体外是否也 能将肉块分解。
2.滴加FeCL 3溶液和肝脏研磨液时不能共用一个吸管，并注意不 要滴到试管壁上，然后，用棉塞塞紧试管口，以免O 2 逸出。 3.观察要迅速，要特别注意4支试管中气泡、卫生香的状况。 4.插入卫生香时，注意不要碰到试管壁、试管内的液面和气泡 上，以免熄火。 5.迅速、及时地将观察到的现象记录到实验表中。 6.各小组成员分工要明确，相互协作，共同完成好实验和讨论。
酶在细胞代谢中究竟起什么作用呢？
实验 比较过氧化氢在不同条件下的分解
本实验的原理是什么？
3 加 热 、 F e 、 过 氧 化 氢 酶 H O 2 H O O ① 2 2 2 2 2
② 比较过氧化氢在不同条件下的分解速率，了解过氧 化氢酶的作用
1.本实验要通过比较过氧化氢的分解速率来了解酶的作 用,你认为最好比较反应中的哪一种物质的变化? ( C )
生物过程优化控制共24页PPT
生物过程优化控制
26、机遇对于有准备的头脑有特别的 亲和力 。 27、自信是人格的核心。
28、目标的坚定是性格中最必要的力 量泉源 之一， 也是成 功的利 器之一 。没有 它，天 才也会 在矛盾 无定的 迷径中 ，徒劳 无功。- -查士 德斐尔 爵士。 29、困难就是机遇。--温斯顿．丘吉 尔。 30、我奋斗，所以我快乐。--格林斯 潘。
END
16、业余生活要有意义，不要越轨。——华盛顿 17、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。——罗素·贝克 18、最大的挑战和突破在于用人，而用人最大的突破在于信任人。——马云 19、自己活着，就是为了ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ别人过得更美好。——雷锋 20、要掌握书，莫被书掌握；要为生而读，莫为读而生。——布尔沃
26、机遇对于有准备的头脑有特别的 亲和力 。 27、自信是人格的核心。
28、目标的坚定是性格中最必要的力 量泉源 之一， 也是成 功的利 器之一 。没有 它，天 才也会 在矛盾 无定的 迷径中 ，徒劳 无功。- -查士 德斐尔 爵士。 29、困难就是机遇。--温斯顿．丘吉 尔。 30、我奋斗，所以我快乐。--格林斯 潘。
END
16、业余生活要有意义，不要越轨。——华盛顿 17、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。——罗素·贝克 18、最大的挑战和突破在于用人，而用人最大的突破在于信任人。——马云 19、自己活着，就是为了ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ别人过得更美好。——雷锋 20、要掌握书，莫被书掌握；要为生而读，莫为读而生。——布尔沃
发酵过程控制与优化
整理课件
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11
2. 补料分批发酵的优缺点
优点 使发酵系统中维持很低的基质浓度； 不会产生菌种老化和变异等问题。
缺点 存在一定的非生产时间； 和分批发酵比，中途要流加新鲜培养基，增加 了染菌的危险。
整理课件
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3.补料分批发酵的类型
补料方式 连续流加 不连续流加 多周期流加
补料成分 单一组分流加 多组分流加
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3
5.1 发酵过程技术原理
代谢变化: 就是反映发酵过程中菌体的生长，发酵 参数（培养基，培养条件等）和产物形成速率三者间 的关系。
目的：了解生产菌种在具有合适的培养基、pH、 温度和通气搅拌等环境条件下对基质的利用、细胞的 生长以及产物合成的代谢变化，有利于人们对生产的 控制。
整理课件
4
发酵过程按进行过程有三种方式：
整理课件
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3 最适温度的确定
最适发酵温度与菌种，培养基成分，培养条件和 菌体生长阶段有关。
最适发酵温度的选择 在发酵的整个周期内仅选一个最适培养温度不一定好。 温度的选择要参考其它发酵条件。 温度的选择还应考虑培养基成分和浓度
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4 温度的控制
发酵罐：夹套（10 M3以下） 盘管（蛇管） （10 M3以上）
1. 影响发酵温度的因素
产热因素：生物热，搅拌热。 散热因素：蒸发热，辐射热。
发酵热：发酵过程中释放出来的净热量。 Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q辐射
整理课件
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生物热：生物热是生产菌在生长繁殖时产生的大量热量。 培养基中碳水化合物，脂肪，蛋白质等物质被分解为 CO2,NH3时释放出的大量能量。 用途：合成高能化合物，
新教材高中生物环境因素参与调节植物的生命活动pptx课件新人教版选择性必修1
向地性的机理——根尖水平放置时
（3）假说:“淀粉——平衡石假说 ” 是被普遍承 认的一种解释重力对植物生长调节的机制。
根尖中的平衡石细胞示意图
“淀粉——平衡石”假说感知重力方向的机理
机理：垂直时淀粉体对平衡石细胞底 部内质网压力均等，水平时不均等。
三、植物生长发育的整体调控
1.植物生长发育的调控，是基因表达调控、激素 调节和环境因素调节共同完成的。
光在植物生长发育的调节
资料2 豆芽是在黑暗的环境中培育的，它 的细胞中不含叶绿素，茎(实际上 很大一部分是下胚轴)比在光下要 长很多。豆芽一旦见光，就会发生 形态变化并长成豆苗。
讨论2: 从豆芽到豆苗，光对植物的颜色和 形态有什么影响?
光在植物生长发育的调节
资料3 很多植物的开花与昼夜长短有关。
实验思路:
①取10颗大小、萌发程度大致相同的刚刚萌发的同 种玉米粒，随机分成数量相同的甲、乙两组。 ②去除甲组玉米粒的根冠，乙组玉米粒不作处理， 分别放在两个含有湿棉花的培养皿中。 ③置于温度适宜的暗室中培养一段时间。 ④观测两组玉米粒根尖是否出现向地弯曲生长。
预期结果、得出结论：
如果甲组玉米根尖不出现向地弯曲生长,乙组均出现 向地弯曲生长,即可证明植物根向地性的感受部位在 根冠。
b.温度在很大程度上决定植物分布的地域性。
资料3：重力影响根的生长方向
结论：植物根具有向地性 意义：充分扎入土壤吸收物质 原因：
①生长素在近地侧分布多于 远地侧 ②重力使生长素沉降？
2.重力
（1）调节内容重力是调节植物生长发育和形 态建成的重要环境因素。
（2）影响过程植物根、茎中具有感受重力的 物质和细胞，可以将重力信号转换成运输生 长素的信号，造成生长素分布的不均衡，从 而调节植物的生长方向。
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• 溶氧检测主要有3种方法，均需利用膜将测定点与发酵液 分离，使用前均需进行校准。 1.导管法； 2.质谱电极法； 3.电化学检测法(极谱分析法)。
• 最常用的溶氧检测方法是可蒸汽灭菌的电化学检测器。分 为原电池型电极和极谱型电极两种。二者均用膜将电化学 电池与发酵液隔开。对于溶氧测定，膜仅对O2有渗透，对 其它干扰物则不能通过。
• 溶氧电极的使用，需要注意四个方面：搅拌、温度、压力、 以及电极校准。
呼吸代谢参数的计算
氧分析： • 微生物生长代谢过程中要利用氧，微生物的氧利用率(OUR)
是生化反应过程的重要参数，因此，测量发酵排出气体中 的氧含量成为研究生物生长和产物形成的主要变量。 • 氧浓度的分析测量主要采用磁风式氧分析仪(磁氧分析仪)。 • 原理：利用氧具有极高的磁化特性设计而成，当氧气通过 非均匀磁场的作用时，将会形成“热磁对流”或称“磁 风”，该磁风对敏感元件产生冷却作用，利用此进行氧浓 度的检测。
二氧化碳分析： • 大规模工业发酵的CO2量的测定具有重要价值，是发酵过
程控制中重要在线信息。
• 确定产生的CO2量有助于计算碳回收。 • 研究发现生物量生长率与CO2生成率成线性相关性，进而
开发估计细胞浓度的模型，由在线检测CO2的数据估算比 生长速率。
生化过程状态监测
• 合理选择观测变量和控制参数是优化控制的基础和关键问 题
• 物理参数 • 化学参数 • 生物参数
参数获取方法： • 取样检测 • 反应器内直接检测
• 相比而言，生物参数的监测较困难，往往需要间接获得。
生物传感器
• 生物传感器是借助于生物敏感元件并利用化学反应原理以 选择性方式对特定的待分析物质产生响应进行检测，并通 过转换器对分析物质进行定性或定量分析的装置。iBiblioteka k1DaApO 2 X
i 电极电流，k1 常数，D 膜中氧扩散系 数，a 膜材料氧浓度，A 阴极表面积， X 气体渗透膜厚度，pO2 溶液中氧分压
若电极材料一定，物理特性和尺寸一定，那么k1 、D 、a 、 A 、X 都确定，则：
i=KpO2 即电极电流与氧分压成正比关系。则可测定溶液中氧浓度。
由Henry定律可知，溶液中的氧浓度与其分压成正比 CL=pO2aL
pH在线检测
• 在发酵过程中由于微生物的代谢(消耗碳源或氮源，释放 代谢产物如酸等)会使得发酵液的酸碱度发生很大的变化， 而发酵过程需要维持在一定的酸碱度范围内。
• 在生化过程中，pH的控制和调整已成为过程操作不可缺少 的变量。因此pH的测量在生化过程控制中具有无比重要的 地位。
• pH：表示体系酸碱度的参数，为溶液中H+的活度，即 pH=-lg[H+]，其范围为0～14，pH<7为酸性，pH=7为中性， pH>7为碱性。
• pH一般是利用电化学原理进行测定。常用一组电极来测量， 即测量电极和参考电极。
• 电势与温度相关，pH转换器需具有温度补偿功能。
pH电极
参比电极
溶氧在线检测
• 溶氧(DO) 影响细胞的生长、产物的生成。反应器中溶氧 的检测远比温度等参数检测困难。
• 在有电流通过的条件下，可氧化物质在电极上发生极化反 应产生扩散电流，电流大小与参与反应物质浓度成正比， 通过改变外加电压得到相应曲线。
第五章 生物过程优化控制
概述
• 生化过程优化控制是一门交叉学科，它涉及生物化学原理、 生化反应工程、过程控制理论和应用数学理论等多种学科。
• 优化控制的目标函数：目标产物浓度、生产强度和底物转 化率。
• 实现发酵过程的优化控制，需要确定优化的目标函数、过 程的状态变量、操作变量以及动力学模型。
• 数学模型是实现过程优化控制的基础，可以分为：结构化 模型、非结构化模型和黑箱模型。
• 对电极寿命和稳定性影响最大的因素是发酵罐的高温灭菌。 为了消除这种损害，一般采用电极保护套的方法，将溶氧 电极装在可伸缩的保护套，灭菌后再推入发酵罐。
• 电极安装在发酵罐中最合适的位置，能准确反映发酵液中 溶氧的变化，其安装开孔不影响灭菌及留死角。一般安装 在中部偏下，安装时要有一定的向下的倾斜角，防止安装 口积液或清洗不到。
• 忽略传感器内动态效应，O2达到阴极的速率与氧跨膜扩散 速率、氧扩散至膜表面的速率相等，与氧传质总浓度驱动 力成比例。假定膜内表面O2浓度可有效降为0，则扩散速 率与发酵液中溶解氧成正比，阴极测定的电信号与发酵液 中溶氧成正比。
1
当两电极之间加一极化电压(0.6-0.8V)，有
3 4
氧存在时，电极上将产生氧化还原反应：
• 其原理是O2通过渗透膜从发酵液扩散到监测器的电化学电 池，O2在阴极被还原时产生可被检测的电流或电压，这与 O2到达阴极的速率成比例。
发酵液 O2扩散 膜外表面 跨膜扩散 膜内表面 电极内扩散 阴极
• 阴极检测到的是O2到达阴极的速率，取决于它到达膜表面 的速率、跨膜传递的速率及它从内膜表面传递到阴极的速 率。
2
5
6 7
阴极： O2+2H2O+4e-→4OH-
1 阴极，2 气体渗透膜，
阳极： 4Ag+4Cl-→4AgCl+4e-
3 外壳，4 电解质，5 阳 极，6 绝缘体，7 电解质
由此可见，在两电极之间就会有电流产
薄膜
生
当极化偏置电压一定时，电极极化电流的强弱与溶液中氧的 分压呈线性关系，根据Fick定律有：
其中：CL 溶氧浓度，pO2 氧分压，aL 溶解度常数 如果aL是常数，则电极电流信号可直接转化为溶液。但aL受温度 和溶液组成的变化而改变。
因此，用溶氧电极来测量发酵液中氧含量时，只有当罐内温度、
压力及发酵液组成一定时才准确。
• 极谱电极在测量中的动态响应速度、稳定性、温度漂移特 性都比较好，能适应工业发酵要求。
• 生物传感器主要包括两个部分：分子识别元件和换能器。 • 原理：被分析物扩散进入固定化生物敏感膜，经分子识别，
发生生物学反应，产生的信息继而被相应的化学换能器或 物理换能器转变成可定量和可处理的电信号，再经检测放 大器放大并输出，便可知道待测物浓度。
生物参数在线检测和计算
• pH值 • 溶氧 • 呼吸代谢参数 • 比生长速率 • 氧气体积传质系数 • 生物热
• 最常用的溶氧检测方法是可蒸汽灭菌的电化学检测器。分 为原电池型电极和极谱型电极两种。二者均用膜将电化学 电池与发酵液隔开。对于溶氧测定，膜仅对O2有渗透，对 其它干扰物则不能通过。
• 溶氧电极的使用，需要注意四个方面：搅拌、温度、压力、 以及电极校准。
呼吸代谢参数的计算
氧分析： • 微生物生长代谢过程中要利用氧，微生物的氧利用率(OUR)
是生化反应过程的重要参数，因此，测量发酵排出气体中 的氧含量成为研究生物生长和产物形成的主要变量。 • 氧浓度的分析测量主要采用磁风式氧分析仪(磁氧分析仪)。 • 原理：利用氧具有极高的磁化特性设计而成，当氧气通过 非均匀磁场的作用时，将会形成“热磁对流”或称“磁 风”，该磁风对敏感元件产生冷却作用，利用此进行氧浓 度的检测。
二氧化碳分析： • 大规模工业发酵的CO2量的测定具有重要价值，是发酵过
程控制中重要在线信息。
• 确定产生的CO2量有助于计算碳回收。 • 研究发现生物量生长率与CO2生成率成线性相关性，进而
开发估计细胞浓度的模型，由在线检测CO2的数据估算比 生长速率。
生化过程状态监测
• 合理选择观测变量和控制参数是优化控制的基础和关键问 题
• 物理参数 • 化学参数 • 生物参数
参数获取方法： • 取样检测 • 反应器内直接检测
• 相比而言，生物参数的监测较困难，往往需要间接获得。
生物传感器
• 生物传感器是借助于生物敏感元件并利用化学反应原理以 选择性方式对特定的待分析物质产生响应进行检测，并通 过转换器对分析物质进行定性或定量分析的装置。iBiblioteka k1DaApO 2 X
i 电极电流，k1 常数，D 膜中氧扩散系 数，a 膜材料氧浓度，A 阴极表面积， X 气体渗透膜厚度，pO2 溶液中氧分压
若电极材料一定，物理特性和尺寸一定，那么k1 、D 、a 、 A 、X 都确定，则：
i=KpO2 即电极电流与氧分压成正比关系。则可测定溶液中氧浓度。
由Henry定律可知，溶液中的氧浓度与其分压成正比 CL=pO2aL
pH在线检测
• 在发酵过程中由于微生物的代谢(消耗碳源或氮源，释放 代谢产物如酸等)会使得发酵液的酸碱度发生很大的变化， 而发酵过程需要维持在一定的酸碱度范围内。
• 在生化过程中，pH的控制和调整已成为过程操作不可缺少 的变量。因此pH的测量在生化过程控制中具有无比重要的 地位。
• pH：表示体系酸碱度的参数，为溶液中H+的活度，即 pH=-lg[H+]，其范围为0～14，pH<7为酸性，pH=7为中性， pH>7为碱性。
• pH一般是利用电化学原理进行测定。常用一组电极来测量， 即测量电极和参考电极。
• 电势与温度相关，pH转换器需具有温度补偿功能。
pH电极
参比电极
溶氧在线检测
• 溶氧(DO) 影响细胞的生长、产物的生成。反应器中溶氧 的检测远比温度等参数检测困难。
• 在有电流通过的条件下，可氧化物质在电极上发生极化反 应产生扩散电流，电流大小与参与反应物质浓度成正比， 通过改变外加电压得到相应曲线。
第五章 生物过程优化控制
概述
• 生化过程优化控制是一门交叉学科，它涉及生物化学原理、 生化反应工程、过程控制理论和应用数学理论等多种学科。
• 优化控制的目标函数：目标产物浓度、生产强度和底物转 化率。
• 实现发酵过程的优化控制，需要确定优化的目标函数、过 程的状态变量、操作变量以及动力学模型。
• 数学模型是实现过程优化控制的基础，可以分为：结构化 模型、非结构化模型和黑箱模型。
• 对电极寿命和稳定性影响最大的因素是发酵罐的高温灭菌。 为了消除这种损害，一般采用电极保护套的方法，将溶氧 电极装在可伸缩的保护套，灭菌后再推入发酵罐。
• 电极安装在发酵罐中最合适的位置，能准确反映发酵液中 溶氧的变化，其安装开孔不影响灭菌及留死角。一般安装 在中部偏下，安装时要有一定的向下的倾斜角，防止安装 口积液或清洗不到。
• 忽略传感器内动态效应，O2达到阴极的速率与氧跨膜扩散 速率、氧扩散至膜表面的速率相等，与氧传质总浓度驱动 力成比例。假定膜内表面O2浓度可有效降为0，则扩散速 率与发酵液中溶解氧成正比，阴极测定的电信号与发酵液 中溶氧成正比。
1
当两电极之间加一极化电压(0.6-0.8V)，有
3 4
氧存在时，电极上将产生氧化还原反应：
• 其原理是O2通过渗透膜从发酵液扩散到监测器的电化学电 池，O2在阴极被还原时产生可被检测的电流或电压，这与 O2到达阴极的速率成比例。
发酵液 O2扩散 膜外表面 跨膜扩散 膜内表面 电极内扩散 阴极
• 阴极检测到的是O2到达阴极的速率，取决于它到达膜表面 的速率、跨膜传递的速率及它从内膜表面传递到阴极的速 率。
2
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阴极： O2+2H2O+4e-→4OH-
1 阴极，2 气体渗透膜，
阳极： 4Ag+4Cl-→4AgCl+4e-
3 外壳，4 电解质，5 阳 极，6 绝缘体，7 电解质
由此可见，在两电极之间就会有电流产
薄膜
生
当极化偏置电压一定时，电极极化电流的强弱与溶液中氧的 分压呈线性关系，根据Fick定律有：
其中：CL 溶氧浓度，pO2 氧分压，aL 溶解度常数 如果aL是常数，则电极电流信号可直接转化为溶液。但aL受温度 和溶液组成的变化而改变。
因此，用溶氧电极来测量发酵液中氧含量时，只有当罐内温度、
压力及发酵液组成一定时才准确。
• 极谱电极在测量中的动态响应速度、稳定性、温度漂移特 性都比较好，能适应工业发酵要求。
• 生物传感器主要包括两个部分：分子识别元件和换能器。 • 原理：被分析物扩散进入固定化生物敏感膜，经分子识别，
发生生物学反应，产生的信息继而被相应的化学换能器或 物理换能器转变成可定量和可处理的电信号，再经检测放 大器放大并输出，便可知道待测物浓度。
生物参数在线检测和计算
• pH值 • 溶氧 • 呼吸代谢参数 • 比生长速率 • 氧气体积传质系数 • 生物热