生化過(guò)程參數(shù)的檢測(cè)和控制【享-】課件

第八章生化過(guò)程參數(shù)的檢測(cè)和控制9/27/20231第八章生化過(guò)程參數(shù)的檢測(cè)和控制8/7/20231生化過(guò)程參數(shù)的分類(lèi)反映生化過(guò)程變化的參數(shù)分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是可以直接采用特定的傳感器檢測(cè)的參數(shù)稱(chēng)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)：如溫度、壓力、流量、攪拌功率、轉(zhuǎn)速、泡沫、黏度、濁度、pH、離子強(qiáng)度、溶解氧和基質(zhì)濃度等。另一類(lèi)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。9/27/20232生化過(guò)程參數(shù)的分類(lèi)反映生化過(guò)程變化的參數(shù)分為兩大類(lèi)：第一節(jié)直接參數(shù)的檢測(cè)和控制一.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。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)100℃時(shí)易被氧化。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——在夾套或蛇管內(nèi)通入冷卻水加以控制。9/27/20233第一節(jié)直接參數(shù)的檢測(cè)和控制8/7/20233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進(jìn)出。Q發(fā)酵=GC(T2-T1)/VQ發(fā)酵-----------發(fā)酵熱;C-------冷卻水的比熱G-----------冷卻水的流量;T1T2------進(jìn)出口冷卻水的溫度;V----------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，再關(guān)閉自控裝置，測(cè)量溫度隨時(shí)間上升的速率S。Q發(fā)酵=(M1C1+M2C2)S/V9/27/20234發(fā)酵熱的測(cè)定8/7/20234(3)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。(4)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)程所消耗的氧是成正比。QH=(0.106~0.124)QO2≈(1/10)QO2QO2-------------氧的消耗比速(mmolO2/g菌體.h)QH--------------發(fā)酵熱生成的比速(kcal/g菌體.h)當(dāng)通風(fēng)發(fā)酵出現(xiàn)溶解氧不足時(shí)，有的的微生物能夠進(jìn)行厭氧反應(yīng)。則出現(xiàn):QH>>(0.106~0.124)QO29/27/20235(3)根據(jù)化合物的燃燒值計(jì)算發(fā)酵過(guò)程中生物熱8/7/2023二.pH的檢測(cè)和控制pH值可用耐滅菌的玻璃電極和銀-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。微生物反應(yīng)過(guò)程中pH的變化具有一定規(guī)律。①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pH值有上升或下降趨勢(shì)②在生產(chǎn)階段，一般反應(yīng)液的pH值趨于穩(wěn)定，維持在最適合產(chǎn)物形成的范圍。③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。9/27/20236二.pH的檢測(cè)和控制8/7/20236引起反應(yīng)液pH值下降的主要原因有1.培養(yǎng)基中的碳/氮比例不當(dāng)，碳源過(guò)多，特別是葡萄糖過(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pH值下降2.消泡油加得過(guò)多；3.微生物生理性物質(zhì)的存在，使pH值下降。引起反應(yīng)液pH值上升的主要原因有：1.培養(yǎng)基中的碳/氮比例不當(dāng)，碳源過(guò)多，氨基氮釋放會(huì)使pH值上升。2.生理堿性物質(zhì)存在。3.中間補(bǔ)料液中氨水或尿素等堿性物質(zhì)的加入過(guò)多。9/27/20237引起反應(yīng)液pH值下降的主要原因有8/7/202371.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強(qiáng)、pH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pH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pH值。3.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)，增加培養(yǎng)液的濃度和減少阻遏作用，進(jìn)一步提高產(chǎn)率。4.采用酸性銨鹽作為氮源時(shí)，由于NH4+被利用后，剩下的酸根會(huì)引起發(fā)酵液中的pH值下降，在培養(yǎng)液中可加入碳酸鈣來(lái)調(diào)節(jié)pH值。5.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)pH值。反應(yīng)液中pH值的控制方法9/27/202381.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強(qiáng)、三.泡沫的影響和控制太多的泡沫給反應(yīng)帶來(lái)不利的影響1.使反應(yīng)器的裝填系數(shù)減少；2.造成大量逃液，導(dǎo)致產(chǎn)物的損失；3.泡沫“頂罐”有可能使培養(yǎng)基從攪拌的軸封滲出，增加了染菌的機(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。5.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。7.為了控制泡沫，需加入消泡劑。對(duì)產(chǎn)物的提取不利。9/27/20239三.泡沫的影響和控制8/7/20239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2.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。9/27/202310微生物反應(yīng)過(guò)程產(chǎn)生泡沫的原因8/7/202310泡沫的控制化學(xué)消泡消泡機(jī)理：1.消泡劑是表面活性物質(zhì)，降低氣泡表面張力，使氣泡破裂2.降低機(jī)械強(qiáng)度（降低液膜的彈性）3.降低膜表面的黏度。天然油脂類(lèi)、高級(jí)醇類(lèi)、聚醚類(lèi)、硅酮類(lèi)、氟化烷烴等生產(chǎn)中的一些用法：(1)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。(3)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，如消泡劑聚氧丙烯甘油用吐溫-80為乳化劑的增效作用可提高1~2倍。9/27/202311泡沫的控制8/7/202311機(jī)械消泡靠機(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)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)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，而且它還需要一定的設(shè)備和消耗一定的動(dòng)力。罐內(nèi)消泡、罐外消泡。9/27/202312機(jī)械消泡8/7/202312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)到一定的高度時(shí)，自動(dòng)打開(kāi)消泡劑的閥門(mén)，當(dāng)液面降回到正常時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉消泡劑的閥門(mén)。9/27/202313液位電極控制消泡劑的流加8/7/202313第二節(jié)生物傳感器傳感器（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。生物傳感器：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)行檢測(cè)的傳感器。9/27/202314第二節(jié)生物傳感器傳感器（電極或探頭）：能感受規(guī)定的被生物傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域臨床檢測(cè)：葡萄糖85%，乳酸鹽及其他4%，研究4%。藥物：3%環(huán)境：2%食品：2%機(jī)器人、國(guó)防及其他：<1%9/27/202315生物傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域臨床檢測(cè)：葡萄糖85%，乳酸鹽及其他4%生物傳感器的結(jié)構(gòu)和原理生物傳感器的結(jié)構(gòu)一般是在基礎(chǔ)傳感器(電化學(xué)裝置）上再耦合一個(gè)生物敏感膜（稱(chēng)為感受器或敏感元件）。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)換為電信號(hào)9/27/202316生物傳感器的結(jié)構(gòu)和原理生物傳感器的結(jié)構(gòu)一般是在基礎(chǔ)傳感生物傳感器的特點(diǎn)1)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。3)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。4)能在短時(shí)間內(nèi)完成測(cè)定。5)不要求樣品具有透明度。6)主要缺點(diǎn)是壽命較短。9/27/202317生物傳感器的特點(diǎn)1)對(duì)被檢測(cè)物質(zhì)具有極好的選擇性，噪音低。8生物傳感器的種類(lèi)酶?jìng)鞲衅魑⑸飩鞲衅髅庖邆鞲衅骷?xì)胞傳感器組織傳感器生物電子傳感器9/27/202318生物傳感器的種類(lèi)酶?jìng)鞲衅?/7/202318發(fā)酵工業(yè)中的傳感器的特點(diǎn)1.傳感器能安裝在發(fā)酵罐內(nèi)耐受高壓蒸汽（120~135℃、30min以上）滅菌處理；2.傳感器及二次儀表具有長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性，在1~2周內(nèi)其測(cè)定誤差應(yīng)小于5%；3.最好在使用過(guò)程中隨時(shí)校正；4.材料不易老化，使用壽命長(zhǎng)；5.傳感器探頭安裝和使用方便；6.探頭不易被物料粘住、堵塞；7.價(jià)格便宜9/27/202319發(fā)酵工業(yè)中的傳感器的特點(diǎn)1.傳感器能安裝在發(fā)酵罐內(nèi)耐受高壓蒸第三節(jié)生產(chǎn)過(guò)程中的染菌及其控制生物反應(yīng)過(guò)程染菌的分析1.種子培養(yǎng)和發(fā)酵的異常現(xiàn)象種子培養(yǎng)異常異常的主要表現(xiàn)有菌體生長(zhǎng)緩慢、菌絲結(jié)團(tuán)、菌體老化以及培養(yǎng)液的理化參數(shù)變化。發(fā)酵異常主要表現(xiàn)在菌體生長(zhǎng)速度緩慢，形態(tài)不粗壯或過(guò)早老化，以及糖、氮、pH、泡沫、發(fā)酵產(chǎn)物、發(fā)酵濃度等理化參數(shù)不正常。9/27/202320第三節(jié)生產(chǎn)過(guò)程中的染菌及其控制生物反應(yīng)過(guò)程染菌的分析8發(fā)酵異常的原因主要有種子異常和發(fā)酵條件差兩方面。菌體生長(zhǎng)差pH值過(guò)高或過(guò)低泡沫過(guò)多菌體濃度過(guò)高或過(guò)低9/27/202321發(fā)酵異常的原因主要有種子異常和發(fā)酵條8/7/202321edba98754321+-)(*&$!#ZYWVUTSQPONMLJIHGFDCBAzxwvutrqponmkjihgedcba87654310+-)*&%$!ZYXWVUSRQPOMLKJIGFEDCAzyxwvtsrqpnmlkjhgfedca987643210-)(*&%!#ZYXVUTSRPONMLJIHGFECBAzywvutsqponmljihgfdcba97654320+-)(&%$!#YXWVUSRQPONLKJIHFEDCBzyxwvusrqpomlkjigfedcb987653210+)(*&%!#ZYXWUTSRQONMLKIHGFEDBAzyxvutsrponmljihgfecba98654320+-)(*%$!#ZXWVUTRQPONMKJIHGEDCBAyxwvusrqponlkjihfedcb987654210+-(*&%$#ZYXWVTSRQPNMLKJHGFEDBAzyxwutsrqonmlkihgfedba98754321+-)(*&$!#ZYWVUTSQPONMKJIHGFDCBAzxwvutrqponmkjihgedcba87654310+-)*&%$!ZYXWVTSRQPOMLKJIGFEDCAzyxwvtsrqpnmlkjhgfedca987643210-)(*&$!#ZYXVUTSRPONMLJIHGFECBAzywvutsqponmljihgfdcba97654310+-)(&%$!#YXWVUSRQPONLKJIHFEDCBzyxwvusrqpomlkjigfedca987653210+)(*&%!#ZYXWUTSRQONMLKIHGFEDBAzyxvutsrponmljihgfecba98654320+-)(*%$!#ZXWVUTRQPONMKJIHGEDCBAyxwvusrqponlkjihfedcb987654210+-(*&%$#ZYXWVTSRQPNMLKJHGFEDBAzyxwutsrqonmlkihgfedba98754321+-)(*&$!#ZYWVUTSQPONMKJIHGFDCBAzxwvutrqponmkjihgedcba87654210+-)*&%$!ZYXWVTSRQPOMLKJIGFEDCAzyxwvtsrqpnmlkjhgfedba987643210-)(*&$!#ZYXVUTSRPONMLJIHGFECBAzywvutsqponmkjihgfdcba97654310+-)(&%$!#YXWVUSRQPONLKJIHFEDCBzyxwvtsrqpomlkjigfedca987653210+)(*&%!#ZYXWUTSRQONMLKIHGFECBAzyxvutsrponmljihgfecba643210-)(*&$!#ZYXVUTSRPONMLJIHGFECBAzywvutsqponmljihgfdcba97654310+-)(&%$!#YXWVUSRQPONLKJIHFEDCBzyxwvusrqpomlkjigfedca987653210+)(*&%!#ZYXWUTSRQONMLKIHGFECBAzyxvutsrponmljihgfecba98654320+-)(*%$!#ZXWVUTRQPONLKJIHGEDCBAyxwvusrqponlkjihfedcb987654210+-(*&%$#ZYXWUTSRQPNMLKJHGFEDBAzyxwutsrqonmlkihgfedba98754321+-)(*%$!#ZYWVUTSQPONMKJIHGFDCBAzxwvutrqponmkjihgedcba87654210+-)*&%$!ZYXWVTSRQPOMLKJIGFEDCAzyxwvtsrqpnmlkjhgfedba987643210-)(*&$!#ZYXVUTSRPONMLJIHGFECBAzywvutsqponmkjihgfdcba97654310+-)(&%$!#YXWVUSRQPONLKJIHFEDCBzyxwvtsrqpomlkjigfedca987653210+)(*&%!#ZYXWUTSRQONMLKIHGFECBAzyxvutsrponmljihgfecba98654320+-)(*%$!#ZXWVUTRQPONLKJIHGEDCBAyxtsqponmkjihgfdcba97654310+-)(&%$!#YXWVUSRQPONLKJIHFEDCBzyxwvtsrqpomlkjigfedca987653210+)(*&%!#ZYXWUTSRQONMLKIHGFECBAzyxvutsrponmljihgfecba98654320+-)(*%$!#ZXWVUTRQPONLKJIHGEDCBAyxwvusrqponlkjihfedcb987654210+-(*&%$#ZYXWUTSRQPNMLKJHGFEDBAzyxwutsrqonmlkihgfedba98754321+-)(*%$!#ZYWVUTSQPONMKJIHGFDCBAzxwvutrqponmkjihgedcba87654210+-)*&%$!ZYXWVTSRQPOMLKJIGFEDCAzyxwvtsrqpnmlkjhgfedba987643210-)(*&$!#ZYXVUTSRPONMLJIHGFECBAzywvutsqponmkjihgfdcba97654310+-)(&%$!#YXWVUSRQPOMLKJIHFEDCBzyxwvtsrqpomlkjigfedca987653210+)(*&%!#ZYXVUTSRQONMLKIHGFECBAzyxvutsrponmljihgfecba98654320+-)(&%$!#ZXWVUTRQPONLKJIHGEDCBAyxwvusrqponlkjihfedcb987653210+-(*&%$#ZYXWUTSRQPNMLKJHGFEDBAzyxwutsrqonmlkihdca987653210+)(*&%!#ZYXWUTSRQONMLKIHGFECBAzyxvutsrponmljihgfecba98654320+-)(*%$!#ZXWVUTRQPONLKJIHGEDCBAyxwvusrqponlkjihfedcb987653210+-(*&%$#ZYXWUTSRQPNMLKJHGFEDBAzyxwutsrqonmlkihgfecba98754321+-)(*%$!#ZYWVUTSQPONMKJIHGFDCBAzxwvutrqponlkjihgedcba87654210+-)*&%$!ZYXWVTSRQPOMLKJIGFEDCAzyxwutsrqpnmlkjhgfedba987643210-)(*&$!#ZYXVUTSRPONMLJIHGFDCBAzywvutsqponmkjihgfdcba97654310+-)(&%$!#YXWVUSRQPOMLKJIHFEDCBzyxwvtsrqpomlkjigfedca987653210+)(*&%!#ZYXVUTSRQONMLKIHGFECBAzyxvutsrponmljihgfecba98654320+-)(&%$!#ZXWVUTRQPONLKJIHGEDCBAyxwvusrnmkjihgfdcba97654310+-)(&%$!#YXWVUSRQPOMLKJIHFEDCBzyxwvtsrqpomlkjigfedca987653210+)(*&%!#ZYXVUTSRQONMLKIHGFECBAzyxvutsrponmljihgfecba98654320+-)(&%$!#ZXWVUTRQPONLKJIHGEDCBAyxwvusrqponlkjihfedcb987653210+-(*&%$#ZYXWUTSRQPNMLKJHGFEDBAzyxwutsrqonmlkihgfecba98754321+-)(*%$!#ZYWVUTSQPONMKJIHGFDCBAzxwvutrqponlkjihgba98654320+-)(&%$!#ZXWVUTRQPONLKJIHGEDCBAyxwvusrqponlkjihfedcb987653210+-(*&%$#ZYXWUTSRQPNMLKJHGFEDBAzyxwutsrqonmlkihgfecba98754321+-)(*%$!#ZYWVUTSQPONMKJIHGFDCBAzxwvutrqponlkjihgedcba87654210+-)*&%$!ZYXWVTSRQPOMLKJIGFEDCAzyxwutsrqpnmlkjhgfedba987643210-)(*&$!#ZYXVUTSRPONMLJIHGFDCBAzywvutsqponmkjihgfdcba97654310+-)(&%$!#YXWVUSRQPOMLKJIHFEDCBzyxwvtsrqpomlkjigfedca987653210+)(*&%!#ZYXVUTSRQONMLKIHGFECBAzyxvutsrponmljihgfecba98654320+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