發(fā)酵過程檢測(cè)與傳感器

發(fā)酵過程檢測(cè)與傳感器第一頁，共28頁。過程控制和監(jiān)測(cè)SugarconsumptionpHTemperatureFermentationtime(h)AgitationCellDryWeightProduct第二頁，共28頁。第一節(jié)概述一、發(fā)酵過程檢測(cè)的參數(shù)

圖6-2具有檢測(cè)與控制設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)酵裝置(a)和具有更為復(fù)雜的檢測(cè)控制設(shè)備的發(fā)酵裝置(b)第三頁，共28頁。電極法，生物傳感器：葡萄糖，酒精，青霉素計(jì)算：尾氣分析—耗氧速率，二氧化碳釋放率，呼吸商—基質(zhì)消耗表6-1發(fā)酵過程物理參數(shù)的測(cè)定第四頁，共28頁。發(fā)酵工程試驗(yàn)118頁表2表三第五頁，共28頁。二、用于發(fā)酵過程檢測(cè)的傳感器1傳感器：非電信號(hào)-電信號(hào)關(guān)鍵組成部分延遲2工作特性：

--無菌（o型環(huán)或者雙o型環(huán)）

--高度可靠性及穩(wěn)定性（雙探頭），滿足：溫度，壓力，

--準(zhǔn)確度，精度，分辨率（調(diào)整位置，再校準(zhǔn)），

--響應(yīng)速度（測(cè)量值達(dá)到終值90%的時(shí)間）3傳感器的分類檢測(cè)對(duì)象：數(shù)量，長(zhǎng)度，面積，體積，壓力，水分，離子強(qiáng)度，濕度，溫度等第六頁，共28頁。1）操作特性ａ）離線（off-line）ｂ）在線（on-line）：設(shè)備一部分，檢測(cè)值不直接用于控制，輸入后調(diào)控

pH，溶氧，二氧化碳溶解

ｃ）原位（in-line）：設(shè)備一部分，檢測(cè)值直接用于控制,

溫度2）采用不同檢測(cè)原理的傳感器：ａ）力敏傳感器：壓敏傳感器，壓差傳感器ｂ）熱敏傳感器：溫度，熱量傳感器

ｃ）電化學(xué)傳感器：化學(xué)反應(yīng)為基礎(chǔ)，非電信號(hào)-電信號(hào)(pH)第七頁，共28頁。d)光敏傳感器：光導(dǎo)纖維，光電管4傳感器的選用

1）性能：量程，靈敏度，分辨率，精度，準(zhǔn)確度，響應(yīng)時(shí)間等

2）測(cè)量條件：測(cè)量范圍，要求的精度等

3）傳感器的使用條件：環(huán)境等第八頁，共28頁。第二節(jié)pH檢測(cè)及傳感器

生長(zhǎng)，生物催化，培養(yǎng)基制備，產(chǎn)物分離純化一pH傳感器的工作原理

圖6-3可滅菌的pH電極的典型設(shè)計(jì)圖6-4第九頁，共28頁。

E=E0+RT/F㏑(αH+)E:測(cè)量電位

E0：標(biāo)準(zhǔn)電極電位

E=E0–K[pH-pH0]零點(diǎn)校準(zhǔn)：標(biāo)準(zhǔn)緩沖液pH=7，K由另外一種標(biāo)準(zhǔn)緩沖液確定pH與溫度有關(guān)系，電極內(nèi)有鉑電阻溫度計(jì)自動(dòng)補(bǔ)償體系圖6-5組合pH電極中不同來源的電位第十頁，共28頁。二pH傳感器的使用1傳感器的使用

1）校準(zhǔn)：一種或者多種標(biāo)準(zhǔn)緩沖液中，發(fā)酵溫度下

2）滅菌：罐內(nèi)滅菌：連接物取開罐外酒精滅菌：無水乙醇中1小時(shí)以上，連接時(shí)罐內(nèi)通入蒸汽

3）校準(zhǔn)的檢查：移出

罐外測(cè)定校準(zhǔn)第十一頁，共28頁。2維護(hù)

1）填充或者充滿電解液

2）清洗：10mmol/LHCl

3)防止機(jī)械損壞第十二頁，共28頁。

第三節(jié)發(fā)酵過程中溶氧的檢測(cè)及溶氧電極

氧溶解濃度：細(xì)胞生長(zhǎng)，產(chǎn)物的生成

測(cè)定通性：采用膜將測(cè)定點(diǎn)與發(fā)酵液分開，需要校準(zhǔn)

1）導(dǎo)管法：導(dǎo)管內(nèi)充滿惰性氣體，氧從發(fā)酵液擴(kuò)散至管中，在出口處采用氧氣分析儀分析擴(kuò)散動(dòng)力：濃度差特點(diǎn)：響應(yīng)慢，校準(zhǔn)難，，可以原位滅菌

2）質(zhì)譜儀電極：膜隔開發(fā)酵液，質(zhì)譜測(cè)氧（可擴(kuò)散成分）

第十三頁，共28頁。3）電化學(xué)電極：膜隔開發(fā)酵液，氧擴(kuò)散，氧化還原反應(yīng),見圖6-6。圖6-6電化學(xué)溶氧電極結(jié)構(gòu)示意圖圖6-7可滅菌的極譜式溶氧電極第十四頁，共28頁。一溶氧電極裝置1工作原理

電化學(xué)電極：氧透過膜，電化學(xué)室內(nèi)發(fā)生氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生電勢(shì)極譜電極：氧擴(kuò)散至堿性水溶液中的電化學(xué)池內(nèi)，氧濃度與通過細(xì)胞的電量成正比。

區(qū)別：前者無外加電壓，原因：前者產(chǎn)生的電壓足以降低陰極表面的氧

a)電流電極:

貴金屬陰極（AgorPt）+堿金屬陽極（ＰborSn）

+電解質(zhì)溶液（醋酸鉛、醋酸鈉、乙酸）銀-鉛溶氧電極

陰極：O2+2H2O+4e-→4OH-

陽極：Pb→Pb2++2e-總反應(yīng)：O2+2Ｐb+4H2O→2H2O+2Pb(OH)2第十五頁，共28頁。b)極譜電極重金屬陰極（AuorPt）+陽極（AgorAgCl）

+電解質(zhì)溶液（AgClorKCl）+負(fù)偏壓陰極：O2+2H2O+2e-→H2O2+2OH-

H2O2+2e-→2OH-

陽極：Ag+Cl-→AgCl+e-總反應(yīng)：O2+4Ag+2H2O+4Cl-→4AgCl+4OH-

經(jīng)常更換電解質(zhì)圖6-8幾種常見電流電極的結(jié)構(gòu)第十六頁，共28頁。*膜需要很薄，響應(yīng)性好，但必須具有強(qiáng)度耐受滅菌c)膜覆蓋溶氧電極的操作原理：氧專一性透過，電極產(chǎn)生的電流與液體介質(zhì)中氧分壓成正比，并且假定：

--膜表面的氧分壓與液體分壓相同（液體混合良好）

--膜和陰極間的電解質(zhì)層厚度忽略不計(jì)

--擴(kuò)散是單向，即垂直于電極表面

--電極的電流輸出與陰極表面的氧流量成比例第十七頁，共28頁。2電極的選擇：

a)電流輸出大，與溶氧成線性

b)穩(wěn)定性好

c)響應(yīng)迅速,與液體溫度無關(guān)

d)殘留電流?。慵?jí)溶氧電流）

e)機(jī)械強(qiáng)度大，對(duì)co2滲透少二電極的制備和安裝

a)膜：10-40μm聚四氟乙烯易損壞或結(jié)垢，出現(xiàn)漂移或響應(yīng)滯后

安裝或更換：膜與電極無氣泡，見圖6-9

圖6-9使用O形環(huán)的氧電極膜安裝系統(tǒng)第十八頁，共28頁。b)電解液：定期更換c)安裝及滅菌：滅菌時(shí)導(dǎo)線短接三溶氧電極的使用

1攪拌的影響：最初的校準(zhǔn)時(shí)攪拌

2溫度：溫度影響擴(kuò)散—溫度補(bǔ)償

3壓力影響：P(O2)=C(O2)P(T)P(O2)------氧分壓

C(O2)------氣相中氧摩爾分率

P(T)------總壓力校準(zhǔn)：操作壓力下校準(zhǔn)

4校準(zhǔn)：零點(diǎn)：不含氧氣的氣體通入發(fā)酵罐（滅菌后進(jìn)行）滿刻度：發(fā)酵罐大量充氣攪拌，操作溫度下進(jìn)行第十九頁，共28頁。4其他

--膜外表面存在微生物的生長(zhǎng)

--硫化氫、二氧化硫、有機(jī)硫化物會(huì)毒化陰極

--位置第二十頁，共28頁。

第四節(jié)菌體濃度和生物量的檢測(cè)一定細(xì)胞數(shù)目：

1濁度計(jì)比濁法測(cè)定稀的細(xì)胞懸液的透光量，間接測(cè)出細(xì)胞數(shù)量的生長(zhǎng)測(cè)定法，此法簡(jiǎn)單而快速，但只適用于色淺和其它懸粒極少的懸浮液測(cè)定。由于懸浮液濃度只有一定范圍內(nèi)與光穿透的量成反比，所以應(yīng)事先將懸浮液濃度控制在一定的范圍。

2計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)法：顯微鏡下用血球計(jì)數(shù)器直接數(shù)出酵母菌或霉菌孢子數(shù)目，以及用細(xì)菌計(jì)數(shù)片直接測(cè)出細(xì)菌數(shù)的生長(zhǎng)測(cè)定法。

速度快，若用活體染色劑（亞甲基藍(lán)）染色還可測(cè)出活菌數(shù)。由于細(xì)菌很小，且酵母菌和霉菌不能形成離散的細(xì)胞，因此要精確測(cè)定細(xì)胞數(shù)比較困難。第二十一頁，共28頁。二測(cè)定細(xì)胞重量

1細(xì)胞干重稱量法：直接測(cè)定單位體積培養(yǎng)物的細(xì)胞干重，以代表菌體細(xì)胞物質(zhì)總量的生長(zhǎng)。

--直接可靠，較適用于絲狀菌的生長(zhǎng)測(cè)定。

--必須清除非細(xì)胞固體物質(zhì)。若存在大量碳酸鈣，纖維素等在細(xì)胞洗滌時(shí)難以除去的物質(zhì)，應(yīng)盡量在細(xì)胞重量比雜質(zhì)重量大得多的條件下測(cè)定。

2細(xì)胞堆積容積測(cè)量法：用錐形刻度管測(cè)量經(jīng)離心的細(xì)胞沉淀物的容積，以間接表示細(xì)胞重量的生長(zhǎng)測(cè)定法。

--實(shí)際生產(chǎn)中常用。由于細(xì)胞密度隨時(shí)間的變化很?。?.05-1.1）。而且細(xì)胞比其他固體物沉降慢，可憑經(jīng)驗(yàn)直觀將二者區(qū)別，因而具有一定的正確性。第二十二頁，共28頁。

3細(xì)胞組成分析法測(cè)定一種大分子的細(xì)胞組成(蛋白質(zhì)、RNA、DNA等)，間接地算出細(xì)胞重量的生長(zhǎng)。

--測(cè)定大分子物質(zhì)較正確，尤其用雙縮脲反應(yīng)測(cè)定蛋白質(zhì)簡(jiǎn)單而快速。由于這些大分子物質(zhì)的比例在細(xì)胞中隨著時(shí)間變化，因此所選被測(cè)樣的菌體應(yīng)處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，此時(shí)生長(zhǎng)速度恒定，細(xì)胞組成也恒定。（Lowrey法：可檢出10微克級(jí)蛋白質(zhì)，易受葡萄糖尿素干擾；雙縮脲法：可檢出毫克級(jí)蛋白質(zhì)，受多肽的影響）

4營(yíng)養(yǎng)物消耗分析法測(cè)定培養(yǎng)基中不用于合成代謝產(chǎn)物的營(yíng)養(yǎng)物（磷酸鹽、硫酸鹽等）的消耗，由此間接表示細(xì)胞重量的生長(zhǎng)。

--適用于菌體細(xì)胞是主要產(chǎn)物時(shí)生長(zhǎng)的測(cè)定，可由磷源和氧的消耗間接地表示細(xì)胞重量。第二十三頁，共28頁。5產(chǎn)物重量分析法測(cè)定培養(yǎng)中途形成的二氧化碳，氫，ATP等產(chǎn)物，由此間接地?fù)Q算出細(xì)胞重量的生長(zhǎng)。例如：一般細(xì)菌細(xì)胞的ATP含量大約是1mgATP/g干細(xì)菌細(xì)胞，因此測(cè)定中間產(chǎn)物ATP便可算出細(xì)胞重量。三其它理化方法和活菌平板計(jì)數(shù)法。原則：有效，快速、簡(jiǎn)便第二十四頁，共28頁。

第五節(jié)發(fā)酵過程中其它參數(shù)的監(jiān)測(cè)及傳感器一溫度溫度計(jì)，熱敏電阻，熱電偶，熱電阻熱電阻（電阻隨溫度變化）：惠斯通電橋溫度計(jì)置于夾套中二壓力安全考慮測(cè)定壓力，氣升式反應(yīng)罐隔膜式壓力表：將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，管路需耐受高溫滅菌方法：壓電現(xiàn)象：施加于不對(duì)稱晶體上的壓力產(chǎn)生彈性形變，產(chǎn)生電流可變電阻：半導(dǎo)體出片上的彎曲影響其電阻系數(shù)第二十五頁，共28頁。三黏度的檢測(cè)及粘度計(jì)（略