發(fā)酵中間控制7

1、2021-11-1512021-11-152 反映生化過(guò)程變化的參數(shù)分為兩大類：一類是反映生化過(guò)程變化的參數(shù)分為兩大類：一類是可以直接采用特定的傳感器檢測(cè)的參數(shù)稱為直接可以直接采用特定的傳感器檢測(cè)的參數(shù)稱為直接參數(shù)，包括各種反映物理環(huán)境和化學(xué)環(huán)境變化的參數(shù)，包括各種反映物理環(huán)境和化學(xué)環(huán)境變化的參數(shù)：如溫度、壓力、流量、攪拌功率、轉(zhuǎn)速、參數(shù)：如溫度、壓力、流量、攪拌功率、轉(zhuǎn)速、泡沫、黏度、濁度、泡沫、黏度、濁度、pH、離子強(qiáng)度、溶解氧和、離子強(qiáng)度、溶解氧和基基質(zhì)濃度等。另一類是綜合參數(shù)，包括細(xì)胞生長(zhǎng)速質(zhì)濃度等。另一類是綜合參數(shù)，包括細(xì)胞生長(zhǎng)速率、產(chǎn)物合成速率、呼吸商等。率、產(chǎn)物合成速率、呼吸商等

2、。2021-11-153第一節(jié)第一節(jié) 直接參數(shù)的檢測(cè)和控制直接參數(shù)的檢測(cè)和控制一一. 溫度檢測(cè)和控制溫度檢測(cè)和控制嚴(yán)格保持菌種的生長(zhǎng)繁殖和生物合成所需的最適溫嚴(yán)格保持菌種的生長(zhǎng)繁殖和生物合成所需的最適溫度，對(duì)穩(wěn)定發(fā)酵過(guò)程，縮短周期，提高產(chǎn)量，具有度，對(duì)穩(wěn)定發(fā)酵過(guò)程，縮短周期，提高產(chǎn)量，具有重要意義。重要意義。通常可以采用水銀溫度計(jì)、熱電阻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的溫通?？梢圆捎盟y溫度計(jì)、熱電阻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的溫度。普遍使用的熱電阻有鉑電阻和銅電阻。鉑電阻度。普遍使用的熱電阻有鉑電阻和銅電阻。鉑電阻精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠；銅電阻超過(guò)精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠；銅電阻超過(guò)100時(shí)易被氧化。時(shí)易被氧化。為了使生

3、物反應(yīng)在適當(dāng)?shù)臏囟认逻M(jìn)行，必須采取措為了使生物反應(yīng)在適當(dāng)?shù)臏囟认逻M(jìn)行，必須采取措施施在夾套或蛇管內(nèi)通入冷卻水加以控制。在夾套或蛇管內(nèi)通入冷卻水加以控制。發(fā)酵熱的測(cè)定發(fā)酵熱的測(cè)定(1)通過(guò)測(cè)量一定時(shí)間內(nèi)冷卻水的流量和冷卻水的通過(guò)測(cè)量一定時(shí)間內(nèi)冷卻水的流量和冷卻水的進(jìn)出。進(jìn)出。Q發(fā)酵發(fā)酵=GC(T2-T1)/VQ發(fā)酵發(fā)酵-發(fā)酵熱發(fā)酵熱;C-冷卻水的比熱冷卻水的比熱G-冷卻水的流量冷卻水的流量;T1T2-進(jìn)出口冷卻水進(jìn)出口冷卻水的溫度的溫度; V-發(fā)酵液的體積發(fā)酵液的體積(2)通過(guò)罐溫度的自動(dòng)控制，先使罐溫達(dá)到恒定，通過(guò)罐溫度的自動(dòng)控制，先使罐溫達(dá)到恒定，再關(guān)閉自控裝置，測(cè)量溫度隨時(shí)間上升的速率再關(guān)

4、閉自控裝置，測(cè)量溫度隨時(shí)間上升的速率S。Q發(fā)酵發(fā)酵=(M1C1+M2C2)S/V(3)根據(jù)化合物的燃燒值計(jì)算發(fā)酵過(guò)程中生物熱根據(jù)化合物的燃燒值計(jì)算發(fā)酵過(guò)程中生物熱的近似值。的近似值。(4)測(cè)定微生物生長(zhǎng)代謝中的耗氧量。測(cè)定微生物生長(zhǎng)代謝中的耗氧量。通風(fēng)（耗氧）發(fā)酵過(guò)程生成的發(fā)酵熱數(shù)量與過(guò)通風(fēng)（耗氧）發(fā)酵過(guò)程生成的發(fā)酵熱數(shù)量與過(guò)程程所消耗的氧是成正比。所消耗的氧是成正比。QH=(0.1060.124)QO2(1/10)QO2QO2-氧的消耗比速氧的消耗比速(mmolO2/g菌體菌體.h)QH-發(fā)酵熱生成的比速發(fā)酵熱生成的比速(kcal/g菌體菌體.h)當(dāng)通風(fēng)發(fā)酵出現(xiàn)溶解氧不足時(shí)，有的的微生物當(dāng)通

5、風(fēng)發(fā)酵出現(xiàn)溶解氧不足時(shí)，有的的微生物能能夠進(jìn)行厭氧反應(yīng)。則出現(xiàn)夠進(jìn)行厭氧反應(yīng)。則出現(xiàn): QH(0.1060.124)QO2二二. pH的檢測(cè)和控制的檢測(cè)和控制pH值可用耐滅菌的玻璃電極和銀值可用耐滅菌的玻璃電極和銀-汞參比電極以及汞參比電極以及pH測(cè)量?jī)x表的檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)，可連續(xù)指示罐內(nèi)酸堿變化。測(cè)量?jī)x表的檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)，可連續(xù)指示罐內(nèi)酸堿變化。微生物反應(yīng)過(guò)程中微生物反應(yīng)過(guò)程中pH的變化具有一定規(guī)律。的變化具有一定規(guī)律。在微生物細(xì)胞的生長(zhǎng)階段，由于所用的微生物菌種在微生物細(xì)胞的生長(zhǎng)階段，由于所用的微生物菌種不同，相對(duì)于接種后的起始不同，相對(duì)于接種后的起始pH值有上升或下降趨勢(shì)值有上升或下降趨勢(shì)在生

6、產(chǎn)階段，一般反應(yīng)液的在生產(chǎn)階段，一般反應(yīng)液的pH值趨于穩(wěn)定，維持在值趨于穩(wěn)定，維持在最適合產(chǎn)物形成的范圍。最適合產(chǎn)物形成的范圍。在微生物細(xì)胞的自溶階段，隨著培養(yǎng)基中的營(yíng)養(yǎng)物在微生物細(xì)胞的自溶階段，隨著培養(yǎng)基中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的耗盡，微生物細(xì)胞內(nèi)蛋白酶的積累和活躍，微質(zhì)的耗盡，微生物細(xì)胞內(nèi)蛋白酶的積累和活躍，微生物自溶，引起培養(yǎng)液中的氨基氮等的增加，致使生物自溶，引起培養(yǎng)液中的氨基氮等的增加，致使pH值有上升。值有上升。引起反應(yīng)液引起反應(yīng)液pH pH 值下降的主要原因有值下降的主要原因有1.1.培養(yǎng)基中的碳培養(yǎng)基中的碳/ /氮比例不當(dāng)，碳源過(guò)多，特別是葡萄氮比例不當(dāng)，碳源過(guò)多，特別是葡萄糖過(guò)量或者中間

7、補(bǔ)糖過(guò)多或溶解氧不足，致使糖等物質(zhì)糖過(guò)量或者中間補(bǔ)糖過(guò)多或溶解氧不足，致使糖等物質(zhì)氧化不完全，培養(yǎng)液中有機(jī)酸會(huì)大量積累，從而使氧化不完全，培養(yǎng)液中有機(jī)酸會(huì)大量積累，從而使pHpH值值下降下降2. 2. 消泡油加得過(guò)多；消泡油加得過(guò)多；3. 3. 微生物生理性物質(zhì)的存在，使微生物生理性物質(zhì)的存在，使pHpH值下降。值下降。引起反應(yīng)液引起反應(yīng)液 pHpH值上升的主要原因有值上升的主要原因有：1.1.培養(yǎng)基中的碳培養(yǎng)基中的碳/ /氮比例不當(dāng)，碳源過(guò)多，氨基氮釋放氮比例不當(dāng)，碳源過(guò)多，氨基氮釋放會(huì)使會(huì)使pHpH值上升。值上升。2.2.生理堿性物質(zhì)存在。生理堿性物質(zhì)存在。3.3.中間補(bǔ)料液中氨水或尿素等

8、堿性物質(zhì)的加入過(guò)多。中間補(bǔ)料液中氨水或尿素等堿性物質(zhì)的加入過(guò)多。1.調(diào)節(jié)培養(yǎng)基中的原始調(diào)節(jié)培養(yǎng)基中的原始pH值，或加入緩沖溶液制成緩沖能力值，或加入緩沖溶液制成緩沖能力強(qiáng)、強(qiáng)、pH值變化不大的培養(yǎng)基。值變化不大的培養(yǎng)基。2. 可在反應(yīng)過(guò)程中加入弱酸或弱堿進(jìn)行可在反應(yīng)過(guò)程中加入弱酸或弱堿進(jìn)行pH值的調(diào)節(jié)，進(jìn)而合值的調(diào)節(jié)，進(jìn)而合理地控制發(fā)酵條件，也可通過(guò)調(diào)整通風(fēng)量來(lái)控制理地控制發(fā)酵條件，也可通過(guò)調(diào)整通風(fēng)量來(lái)控制pH值。值。3. 進(jìn)行補(bǔ)料，既調(diào)節(jié)了培養(yǎng)液的進(jìn)行補(bǔ)料，既調(diào)節(jié)了培養(yǎng)液的pH值，又可補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)，增加值，又可補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)，增加培養(yǎng)液的濃度和減少阻遏作用，進(jìn)一步提高產(chǎn)率。培養(yǎng)液的濃度和減少阻遏作用，

9、進(jìn)一步提高產(chǎn)率。4. 采用酸性銨鹽作為氮源時(shí)，由于采用酸性銨鹽作為氮源時(shí)，由于NH4+被利用后，剩下的酸被利用后，剩下的酸根會(huì)引起發(fā)酵液中的根會(huì)引起發(fā)酵液中的pH值下降，在培養(yǎng)液中可加入碳酸鈣值下降，在培養(yǎng)液中可加入碳酸鈣來(lái)調(diào)節(jié)來(lái)調(diào)節(jié)pH值。值。5. 根據(jù)根據(jù)pH值的變化可用流加氨水的方法來(lái)調(diào)節(jié)，同時(shí)又可把值的變化可用流加氨水的方法來(lái)調(diào)節(jié)，同時(shí)又可把氨水作為氮源供給。氨水作為氮源供給。6. 以尿素作為氮源進(jìn)行流加調(diào)節(jié)以尿素作為氮源進(jìn)行流加調(diào)節(jié)pH值。值。7. 現(xiàn)在國(guó)內(nèi)有一些工廠采用液氨來(lái)調(diào)解現(xiàn)在國(guó)內(nèi)有一些工廠采用液氨來(lái)調(diào)解PH值。值。三三. 泡沫的影響和控制泡沫的影響和控制太多的泡沫給反應(yīng)帶來(lái)

10、不利的影響太多的泡沫給反應(yīng)帶來(lái)不利的影響1. 使反應(yīng)器的裝填系數(shù)減少；使反應(yīng)器的裝填系數(shù)減少；2. 造成大量逃液，導(dǎo)致產(chǎn)物的損失；造成大量逃液，導(dǎo)致產(chǎn)物的損失；3. 泡沫泡沫“頂罐頂罐”有可能使培養(yǎng)基從攪拌的軸封滲出，增有可能使培養(yǎng)基從攪拌的軸封滲出，增加加了染菌的機(jī)會(huì)。了染菌的機(jī)會(huì)。4. 由于泡沫的液位變動(dòng)，以及不同生長(zhǎng)周期微生物隨泡由于泡沫的液位變動(dòng)，以及不同生長(zhǎng)周期微生物隨泡沫漂浮，使微生物生長(zhǎng)的環(huán)境發(fā)生了變化，影響了微生沫漂浮，使微生物生長(zhǎng)的環(huán)境發(fā)生了變化，影響了微生物群體的效果，增加了微生物群體的不均一性。物群體的效果，增加了微生物群體的不均一性。5. 影響了攪拌的正常進(jìn)行，妨礙了微

11、生物的呼吸。影響了攪拌的正常進(jìn)行，妨礙了微生物的呼吸。6. 使微生物提早自溶。使微生物提早自溶。7. 為了控制泡沫，需加入消泡劑。對(duì)產(chǎn)物的提取不利。為了控制泡沫，需加入消泡劑。對(duì)產(chǎn)物的提取不利。微生物反應(yīng)過(guò)程產(chǎn)生泡沫的原因微生物反應(yīng)過(guò)程產(chǎn)生泡沫的原因1. 由外界引進(jìn)的氣流被機(jī)械地分散形成由外界引進(jìn)的氣流被機(jī)械地分散形成2. 反應(yīng)過(guò)程產(chǎn)生的氣體聚結(jié)生成的泡沫反應(yīng)過(guò)程產(chǎn)生的氣體聚結(jié)生成的泡沫培養(yǎng)基的物理化學(xué)性質(zhì)對(duì)泡沫形成的表面現(xiàn)象起培養(yǎng)基的物理化學(xué)性質(zhì)對(duì)泡沫形成的表面現(xiàn)象起決定作用，此外，培養(yǎng)基的溫度、酸堿度、濃度決定作用，此外，培養(yǎng)基的溫度、酸堿度、濃度等對(duì)過(guò)程的泡沫也有一定的影響。培養(yǎng)基中的蛋

12、等對(duì)過(guò)程的泡沫也有一定的影響。培養(yǎng)基中的蛋白質(zhì)含量越多，反應(yīng)液的黏度也越大，越容易起白質(zhì)含量越多，反應(yīng)液的黏度也越大，越容易起泡，泡沫多而且持久穩(wěn)定。泡，泡沫多而且持久穩(wěn)定。泡沫的控制泡沫的控制化學(xué)消泡化學(xué)消泡消泡機(jī)理：消泡機(jī)理：1.消泡劑是表面活性物質(zhì)，降低氣泡表面張力，消泡劑是表面活性物質(zhì)，降低氣泡表面張力，使氣泡破裂使氣泡破裂2. 降低機(jī)械強(qiáng)度（降低液膜的彈性）降低機(jī)械強(qiáng)度（降低液膜的彈性）3.降低膜表降低膜表面的黏度。面的黏度。天然油脂類、高級(jí)醇類、聚醚類、硅酮類、氟化烷烴等天然油脂類、高級(jí)醇類、聚醚類、硅酮類、氟化烷烴等生產(chǎn)中的一些用法：生產(chǎn)中的一些用法：(1)通過(guò)機(jī)械攪拌，使消泡劑

13、更易于分散在反應(yīng)液中。通過(guò)機(jī)械攪拌，使消泡劑更易于分散在反應(yīng)液中。(2)將消泡劑與載體一起使用，使消泡劑溶于或分散于載體將消泡劑與載體一起使用，使消泡劑溶于或分散于載體中，比如用聚氧丙烯甘油作消泡劑時(shí)，以豆油為載體的消中，比如用聚氧丙烯甘油作消泡劑時(shí)，以豆油為載體的消泡增效作用明顯。泡增效作用明顯。(3)多種消泡劑并用可增強(qiáng)消泡作用。多種消泡劑并用可增強(qiáng)消泡作用。(4)使用乳化劑增強(qiáng)消泡劑的消泡作用，如消泡劑聚氧丙烯使用乳化劑增強(qiáng)消泡劑的消泡作用，如消泡劑聚氧丙烯甘油用吐溫甘油用吐溫-80為乳化劑的增效作用可提高為乳化劑的增效作用可提高12倍。倍。機(jī)械消泡機(jī)械消泡靠機(jī)械強(qiáng)烈振動(dòng)和壓力的變化，促

14、使細(xì)胞破裂，或借靠機(jī)械強(qiáng)烈振動(dòng)和壓力的變化，促使細(xì)胞破裂，或借助機(jī)械力將排出氣體中的液體加以分離回收，從而達(dá)助機(jī)械力將排出氣體中的液體加以分離回收，從而達(dá)到消泡的作用。機(jī)械消泡的優(yōu)點(diǎn)是不需在發(fā)酵液中加到消泡的作用。機(jī)械消泡的優(yōu)點(diǎn)是不需在發(fā)酵液中加入其他物質(zhì)，減少了由于加入消泡劑所引起的染菌機(jī)入其他物質(zhì)，減少了由于加入消泡劑所引起的染菌機(jī)會(huì)和對(duì)后續(xù)分離的影響。但是機(jī)械效果不如化學(xué)消泡會(huì)和對(duì)后續(xù)分離的影響。但是機(jī)械效果不如化學(xué)消泡迅速、可靠、不能根本上消除引起穩(wěn)定泡沫的因素，迅速、可靠、不能根本上消除引起穩(wěn)定泡沫的因素，而且它還需要一定的設(shè)備和消耗一定的動(dòng)力。而且它還需要一定的設(shè)備和消耗一定的動(dòng)力

15、。罐內(nèi)消泡、罐外消泡。罐內(nèi)消泡、罐外消泡。液位電極控制消泡劑的流加液位電極控制消泡劑的流加液位電極是根據(jù)空氣與帶有發(fā)酵液的泡沫液位電極是根據(jù)空氣與帶有發(fā)酵液的泡沫導(dǎo)電率不同的原理制造。導(dǎo)電率不同的原理制造。采用雙位式的控制方法，當(dāng)反應(yīng)物液面達(dá)采用雙位式的控制方法，當(dāng)反應(yīng)物液面達(dá)到一定的高度時(shí)，自動(dòng)打開(kāi)消泡劑的閥門，到一定的高度時(shí)，自動(dòng)打開(kāi)消泡劑的閥門，當(dāng)液面降回到正常時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉消泡劑的當(dāng)液面降回到正常時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉消泡劑的閥門。閥門。2021-11-1514傳感器傳感器（電極或探頭）：能感受規(guī)定的被測(cè)量并（電極或探頭）：能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝按照一定的規(guī)

16、律將其轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置，它通常由敏感元件、轉(zhuǎn)化元件及相應(yīng)的機(jī)械置，它通常由敏感元件、轉(zhuǎn)化元件及相應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和線路組成。結(jié)構(gòu)和線路組成。生物傳感器：生物傳感器：是利用酶、抗體、微生物等作為敏是利用酶、抗體、微生物等作為敏感材料，將所感受的生物體信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)進(jìn)感材料，將所感受的生物體信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)的傳感器。行檢測(cè)的傳感器。2021-11-1515臨床檢測(cè)：葡萄糖臨床檢測(cè)：葡萄糖85%，乳酸鹽及其他，乳酸鹽及其他4%，研究研究4%。藥物：藥物：3%環(huán)境：環(huán)境：2%食品：食品：2%機(jī)器人、國(guó)防及其他：機(jī)器人、國(guó)防及其他：1%2021-11-1516 生物傳感器的結(jié)構(gòu)一般是在基

17、礎(chǔ)傳感器生物傳感器的結(jié)構(gòu)一般是在基礎(chǔ)傳感器(電化學(xué)電化學(xué)裝置）上再耦合一個(gè)生物敏感膜（稱為感受器裝置）上再耦合一個(gè)生物敏感膜（稱為感受器或敏感元件）。生物敏感膜緊貼在探頭表面上，或敏感元件）。生物敏感膜緊貼在探頭表面上，再用一種半滲透膜與被測(cè)溶液隔開(kāi)。當(dāng)待測(cè)溶再用一種半滲透膜與被測(cè)溶液隔開(kāi)。當(dāng)待測(cè)溶液中的成分透過(guò)半透膜有選擇地附著于敏感物液中的成分透過(guò)半透膜有選擇地附著于敏感物質(zhì)時(shí)，形成復(fù)合體，隨之進(jìn)行生化和電化學(xué)反質(zhì)時(shí)，形成復(fù)合體，隨之進(jìn)行生化和電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生普通電化學(xué)裝置能感知的應(yīng)，產(chǎn)生普通電化學(xué)裝置能感知的O2、H2、 NH4+、CO2等，并通過(guò)電化學(xué)裝置轉(zhuǎn)換為電信等，并通過(guò)電化學(xué)裝置

18、轉(zhuǎn)換為電信號(hào)號(hào)1)對(duì)被檢測(cè)物質(zhì)具有極好的選擇性，噪音低。對(duì)被檢測(cè)物質(zhì)具有極好的選擇性，噪音低。2)操作簡(jiǎn)單，需用樣品少，能直接完成測(cè)定。操作簡(jiǎn)單，需用樣品少，能直接完成測(cè)定。3)經(jīng)固定化處理后，可保持長(zhǎng)期生物活性，傳感經(jīng)固定化處理后，可保持長(zhǎng)期生物活性，傳感器可經(jīng)得住反復(fù)使用。器可經(jīng)得住反復(fù)使用。4)能在短時(shí)間內(nèi)完成測(cè)定。能在短時(shí)間內(nèi)完成測(cè)定。5)不要求樣品具有透明度。不要求樣品具有透明度。6)主要缺點(diǎn)是壽命較短。主要缺點(diǎn)是壽命較短。2021-11-1518酶?jìng)鞲衅髅競(jìng)鞲衅魑⑸飩鞲衅魑⑸飩鞲衅髅庖邆鞲衅髅庖邆鞲衅骷?xì)胞傳感器細(xì)胞傳感器組織傳感器組織傳感器生物電子傳感器生物電子傳感器2021-11-15191.傳感器能安裝在發(fā)酵罐內(nèi)耐受高壓蒸汽傳感器能安