第八章发酵过程控制
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其中敏感性膜部分随组成 材料的不同而各有特色。 测定pH值的玻璃电极的 敏感膜是厚度为10－1～ 10－3mm的玻璃薄膜，其 电阻为50～500mΩ。
离子选择性电极的结构
发酵过程控制
❖ 微生物培养过程的参数检测
指示电极的关键是敏感膜 KCl溶液
H+ H+ H+
H+ H+ H+
待测溶液
玻璃敏感膜
浓度差引起电位差——浓差电极
发酵过程控制
❖ 微生物培养过程的参数检测
由于微生物培养过程是纯培养过程，无菌要求高， 因此对传感器有特殊要求：
插入罐内的传感器必须能经受高压蒸汽灭菌 （材料、数据）
传感器结构不能存在灭菌不透的死角，以防染 菌（密封性好）
传感器对测量参数要敏感，且能转换成电信号。 （响应快、灵敏）
传感器性能要稳定，受气泡影响小。
发酵过程控制
❖ 微生物培养过程的参数检测
△ε膜=常数+
RT F
Ln H
在25℃下： △ε膜=常数-0.0591pH（试液）
但实际上玻璃膜内外侧表面性状总有微小差别，即使 α1=α2时，△ε膜≠0，这差别所产生的电位叫不对称电 位（ε不对称），这样整个玻璃电极（指示电极）的电 位应是内参比电位、膜电位与不对称电位之和。
发酵过程控制
❖ 微生物培养过程的参数检测 第三节 微生物培养过程的参数检测
黑箱
参数检测灰箱
检测仪器：气相色谱、高效液相、离子色谱、
双向电泳、毛细管电泳、红外光谱、基因测序仪等 检测代谢中间物，分析代谢流向、RNA检测
一 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。
发酵过程控制
❖ 微生物培养过程的参数检测
由此可见，甘汞电极是由金属汞及其难溶盐——氯
化亚汞以及含氯离子的电解质溶液组成。这种半电
池可表示为Hg(L) Hg2Cl2(S) Cl-(L) 电极电位产生 于汞和甘汞的界面，其电极反应为：
2Cl-+2Hg
Hg2Cl2+2e-
其电极电位为
ε =ε + Cl/HgCl,Hg
RT F
Ln
1
' 1
内侧：ε2=K2+
RT F
Ln
2 ' 2
以α1、α2分别表示试液 内与内参比溶液中H+离 子活度，α1’、α2’分别表 示外侧与内侧硅胶层表 面H+离子活度， 由于水合硅胶层表面与 内（内参比溶液）、外 （试液）溶液中的H+离 子从活度大的一方向小 的一方迁移，使玻璃膜 的外、内侧分别产生相 界电位ε1和ε2。
0 Cl / HgCl,Hg
RTln1/α
F
Cl
由此可见甘汞电极的电极电位只与氯化钾的活 度有关而不受被测溶液的酸碱度影响
发酵过程控制
❖ 微生物培养过程的参数检测
（2）指示电极 对指示电极的电位值随被测溶液氢离子活度的变 化而变化。原则上讲，任何与氢离子可逆反应的 电极都可用来测定溶液的pH。
离子选择性电极的结构
发酵过程控制
❖ 微生物培养过程的参数检测
（3）膜电位
膜电位是由于膜两侧离子活度的差异而产生，故可 看作是一种浓差电位。玻璃电极在使用前必须先在 水中浸泡一段时间，玻璃膜表面吸收水分溶解，并 且其中的一价阳离子（如Na+离子）与水中H+离子发 生离子交换反应。
SiO-Na++H+
SiO-H++Na+
=E0-2.303
RT pH
F
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。
发酵过程控制
❖ 微生物培养过程的参数检测
极 参 比 电
甘汞电极（a）232型（b）217型
1－导线；2－加液口；3-KCl溶液；4－素烧瓷芯；5－铂丝；6－ Hg；7－Hg2Cl2 一般的参比电极是甘汞电极。电极的外壳是玻璃管，里面套一根小 玻璃管，其顶部伸出电极引线，引线的下端浸没在汞中，汞的下端 有糊状甘汞，汞和甘汞用棉花堵住，只有离子才能通过，而汞和甘 汞不会漏失，小管和大管之间充满KCl溶液，末端用多孔陶瓷渗入 到溶液中，实现电极引线与溶液间的电导通。
发酵过程控制
❖ 微生物培养过程的参数检测 2、pH测量方法
pH试纸 pH电极 pH试纸曾经是一种广泛采用的方法 优点：方便，易操作 缺点：它主观性较强
质量差异，不同厂家不同批号的pH试纸测出 的pH值会有较大的差别，有时甚至达0.5~1。 对于一些要求较高的场合就适用
发酵过程控制
❖ 微生物培养过程的参数检测
发酵过程控制
❖ 微生物培养过程的参数检测 （一） pH测量
pH值的测量在生物反应中普遍进行，对于生物过程 控制是一个非常重要的参数。
1、pH的定义
影响化学平衡的往往是活度，而不是浓度，但对
于稀溶液为了避免在氢离子活度很小时表达方式
上的麻烦
引进pH=-lg[H+]
[H+]=0.00001时
用pH5表示
发酵过程控制
❖ 微生物培养过程的参数检测
可以认为，玻璃膜两侧表面性状基本相同，故
K1=K2，水合硅胶层表面一价阳离子点已基本被质 子占据，故α1’=α2’，于是玻璃膜内、外侧之间的 电位差
△ε膜=ε1-ε2=
RT Ln 1 F 2
由于内参比溶液的H+活度α2一定，故玻璃膜电位 与待测溶液的H+离子活度（pH值）成线性关系。
（1）pH电极测量原理
pH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
E[α]=E0-
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Βιβλιοθήκη 电池的电动势就是被测体系中氢离
子活度的函数。
RT F
ln1/
a H
使膜表面形成以 SiO-H+为主要成分的水合硅胶层， 厚度约为10-4~10-5mm
发酵过程控制
❖ 微生物培养过程的参数检测
经水浸泡 后的玻璃 膜截面成 为三层结
液胶 水层 干层 水溶 内
层合 试硅
玻 合液 参 硅
璃胶 比
构，如图: α1 α1’ α2 ’ α2
ε1—--△ε--—ε2
则有： 外侧: ε1=K1+
发酵过程控制
❖ 微生物培养过程的参数检测
带计算机数据采集与控制的生物反应系统
P188
发酵过程控制
❖ 微生物培养过程的参数检测
原理：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
发酵过程控制
❖ 微生物培养过程的参数检测
介绍几种常用的在线检测的传感器及其工作原理
pH电极 溶氧电极 它们是基础电极，以它们为基础可以制作各 种离子电极和酶电极
离子选择性电极的结构
发酵过程控制
❖ 微生物培养过程的参数检测
指示电极的关键是敏感膜 KCl溶液
H+ H+ H+
H+ H+ H+
待测溶液
玻璃敏感膜
浓度差引起电位差——浓差电极
发酵过程控制
❖ 微生物培养过程的参数检测
由于微生物培养过程是纯培养过程，无菌要求高， 因此对传感器有特殊要求：
插入罐内的传感器必须能经受高压蒸汽灭菌 （材料、数据）
传感器结构不能存在灭菌不透的死角，以防染 菌（密封性好）
传感器对测量参数要敏感，且能转换成电信号。 （响应快、灵敏）
传感器性能要稳定，受气泡影响小。
发酵过程控制
❖ 微生物培养过程的参数检测
△ε膜=常数+
RT F
Ln H
在25℃下： △ε膜=常数-0.0591pH（试液）
但实际上玻璃膜内外侧表面性状总有微小差别，即使 α1=α2时，△ε膜≠0，这差别所产生的电位叫不对称电 位（ε不对称），这样整个玻璃电极（指示电极）的电 位应是内参比电位、膜电位与不对称电位之和。
发酵过程控制
❖ 微生物培养过程的参数检测 第三节 微生物培养过程的参数检测
黑箱
参数检测灰箱
检测仪器：气相色谱、高效液相、离子色谱、
双向电泳、毛细管电泳、红外光谱、基因测序仪等 检测代谢中间物，分析代谢流向、RNA检测
一 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。
发酵过程控制
❖ 微生物培养过程的参数检测
由此可见，甘汞电极是由金属汞及其难溶盐——氯
化亚汞以及含氯离子的电解质溶液组成。这种半电
池可表示为Hg(L) Hg2Cl2(S) Cl-(L) 电极电位产生 于汞和甘汞的界面，其电极反应为：
2Cl-+2Hg
Hg2Cl2+2e-
其电极电位为
ε =ε + Cl/HgCl,Hg
RT F
Ln
1
' 1
内侧：ε2=K2+
RT F
Ln
2 ' 2
以α1、α2分别表示试液 内与内参比溶液中H+离 子活度，α1’、α2’分别表 示外侧与内侧硅胶层表 面H+离子活度， 由于水合硅胶层表面与 内（内参比溶液）、外 （试液）溶液中的H+离 子从活度大的一方向小 的一方迁移，使玻璃膜 的外、内侧分别产生相 界电位ε1和ε2。
0 Cl / HgCl,Hg
RTln1/α
F
Cl
由此可见甘汞电极的电极电位只与氯化钾的活 度有关而不受被测溶液的酸碱度影响
发酵过程控制
❖ 微生物培养过程的参数检测
（2）指示电极 对指示电极的电位值随被测溶液氢离子活度的变 化而变化。原则上讲，任何与氢离子可逆反应的 电极都可用来测定溶液的pH。
离子选择性电极的结构
发酵过程控制
❖ 微生物培养过程的参数检测
（3）膜电位
膜电位是由于膜两侧离子活度的差异而产生，故可 看作是一种浓差电位。玻璃电极在使用前必须先在 水中浸泡一段时间，玻璃膜表面吸收水分溶解，并 且其中的一价阳离子（如Na+离子）与水中H+离子发 生离子交换反应。
SiO-Na++H+
SiO-H++Na+
=E0-2.303
RT pH
F
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。
发酵过程控制
❖ 微生物培养过程的参数检测
极 参 比 电
甘汞电极（a）232型（b）217型
1－导线；2－加液口；3-KCl溶液；4－素烧瓷芯；5－铂丝；6－ Hg；7－Hg2Cl2 一般的参比电极是甘汞电极。电极的外壳是玻璃管，里面套一根小 玻璃管，其顶部伸出电极引线，引线的下端浸没在汞中，汞的下端 有糊状甘汞，汞和甘汞用棉花堵住，只有离子才能通过，而汞和甘 汞不会漏失，小管和大管之间充满KCl溶液，末端用多孔陶瓷渗入 到溶液中，实现电极引线与溶液间的电导通。
发酵过程控制
❖ 微生物培养过程的参数检测 2、pH测量方法
pH试纸 pH电极 pH试纸曾经是一种广泛采用的方法 优点：方便，易操作 缺点：它主观性较强
质量差异，不同厂家不同批号的pH试纸测出 的pH值会有较大的差别，有时甚至达0.5~1。 对于一些要求较高的场合就适用
发酵过程控制
❖ 微生物培养过程的参数检测
发酵过程控制
❖ 微生物培养过程的参数检测 （一） pH测量
pH值的测量在生物反应中普遍进行，对于生物过程 控制是一个非常重要的参数。
1、pH的定义
影响化学平衡的往往是活度，而不是浓度，但对
于稀溶液为了避免在氢离子活度很小时表达方式
上的麻烦
引进pH=-lg[H+]
[H+]=0.00001时
用pH5表示
发酵过程控制
❖ 微生物培养过程的参数检测
可以认为，玻璃膜两侧表面性状基本相同，故
K1=K2，水合硅胶层表面一价阳离子点已基本被质 子占据，故α1’=α2’，于是玻璃膜内、外侧之间的 电位差
△ε膜=ε1-ε2=
RT Ln 1 F 2
由于内参比溶液的H+活度α2一定，故玻璃膜电位 与待测溶液的H+离子活度（pH值）成线性关系。
（1）pH电极测量原理
pH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
E[α]=E0-
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Βιβλιοθήκη 电池的电动势就是被测体系中氢离
子活度的函数。
RT F
ln1/
a H
使膜表面形成以 SiO-H+为主要成分的水合硅胶层， 厚度约为10-4~10-5mm
发酵过程控制
❖ 微生物培养过程的参数检测
经水浸泡 后的玻璃 膜截面成 为三层结
液胶 水层 干层 水溶 内
层合 试硅
玻 合液 参 硅
璃胶 比
构，如图: α1 α1’ α2 ’ α2
ε1—--△ε--—ε2
则有： 外侧: ε1=K1+
发酵过程控制
❖ 微生物培养过程的参数检测
带计算机数据采集与控制的生物反应系统
P188
发酵过程控制
❖ 微生物培养过程的参数检测
原理：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
发酵过程控制
❖ 微生物培养过程的参数检测
介绍几种常用的在线检测的传感器及其工作原理
pH电极 溶氧电极 它们是基础电极，以它们为基础可以制作各 种离子电极和酶电极