第二章 生化過程參數(shù)在線檢測技術(shù)課件

第二章生化過程參數(shù)在線

檢測技術(shù)第二章生化過程參數(shù)在線

檢測技術(shù)1主要內(nèi)容：1.物理參數(shù)的測量2.pH值的測量3.溶氧濃度（DO）的測量4.O2和CO2分壓測量及呼吸代謝參數(shù)的計算5.氧氣體積傳質(zhì)系數(shù)KLa的測量6.細(xì)胞濃度的在線測量和比增值速率的計算7.生物傳感器在發(fā)酵過程檢測中的應(yīng)用主要內(nèi)容：22.1概述發(fā)酵過程的中間分析是生產(chǎn)控制的眼睛，它顯示了發(fā)酵過程中微生物的主要代謝變化。因為微生物個體極微小，肉眼無法看見，要了解它的代謝狀況，只能從分析一些參數(shù)來判斷。這些代謝參數(shù)又稱為狀態(tài)參數(shù)，因為它們反映發(fā)酵過程中菌的生理代謝狀況，如pH，溶氧，尾氣氧，尾氣二氧化碳，粘度，菌濃度等2.1概述發(fā)酵過程的中間分析是生產(chǎn)控制的眼睛，它顯示32.1.1.代謝參數(shù)按性質(zhì)分可分三類：①物理參數(shù)：如溫度、攪拌轉(zhuǎn)速、壓力、流加物流量、料液體積、質(zhì)量、空氣流量、表觀粘度、流動特性、放熱量等②化學(xué)參數(shù)：如基質(zhì)濃度、氧化還原電位、pH、排氣O2（CO2）分壓、溶解氧、溶解CO2、KLa、產(chǎn)物濃度、核酸量等③生物參數(shù)：如菌絲形態(tài)、菌濃度、菌體比生長速率、呼吸商（RQ）、基質(zhì)消耗速率、關(guān)鍵酶活力等2.1.1.代謝參數(shù)按性質(zhì)分可分三類：42.1.2.從檢測手段分可分為：

直接參數(shù)、間接參數(shù)①直接參數(shù)：通過儀器或其它分析手段可以測得的參數(shù)，如溫度、pH、殘?zhí)堑娶陂g接參數(shù)：將直接參數(shù)經(jīng)過計算得到的參數(shù)，如攝氧率、KLa等2.1.2.從檢測手段分可分為：52.1.3.直接參數(shù)又可分為:

在線檢測參數(shù)、離線檢測參數(shù)

①在線檢測參數(shù)：指不經(jīng)取樣直接從發(fā)酵罐上安裝的儀表上得到的參數(shù)，如溫度、pH、攪拌轉(zhuǎn)速；②離線檢測參數(shù)：指取出樣后測定得到的參數(shù)，如殘?zhí)?、殘氮、菌體濃度。2.1.3.直接參數(shù)又可分為:6■參數(shù)在線測定的優(yōu)點及問題優(yōu)點：主要是及時、省力，且可從繁瑣操作中解脫出來，便于用計算機控制。問題：發(fā)酵液的性質(zhì)復(fù)雜。一般培養(yǎng)液中同時存在三相，即液、氣、固體不溶物或油；發(fā)酵要求純種培養(yǎng)，培養(yǎng)基和有關(guān)設(shè)備需用高壓蒸汽滅菌。因而要求使用的傳感器能耐蒸汽滅菌，這給各種傳感器的制造帶來很大的困難。

■參數(shù)在線測定的優(yōu)點及問題優(yōu)點：72.2發(fā)酵過程主要分析的參數(shù)2.2.1物理參數(shù)（1）溫度指發(fā)酵整個過程或不同階段所維持的溫度。溫度的高低與下列參數(shù)有密切關(guān)系發(fā)酵中的酶反應(yīng)速度菌體生長速度，產(chǎn)物合成速度氧在培養(yǎng)液中的溶解度，傳遞速度2.2發(fā)酵過程主要分析的參數(shù)2.2.1物理參數(shù)8嚴(yán)格保持菌種的生長繁殖和生物合成所需的最適溫度，對穩(wěn)定發(fā)酵過程，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、熱電阻監(jiān)測系統(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100℃時易被氧化。為了使生物反應(yīng)在適當(dāng)?shù)臏囟认逻M行，必須采取措施——在夾套或蛇管內(nèi)通入冷卻水加以控制。嚴(yán)格保持菌種的生長繁殖和生物合成所需的最適溫度，對穩(wěn)定發(fā)酵過9發(fā)酵熱的成分生物熱：微生物生長繁殖過程中的產(chǎn)熱攪拌熱：機械攪拌造成的摩擦熱蒸發(fā)熱：被通氣和蒸發(fā)水分帶走的熱量輻射熱：發(fā)酵罐罐體向外輻射的熱量顯熱：空氣流動過程夾帶著的熱量Q發(fā)酵=Q生物+Q攪拌-Q蒸發(fā)-Q顯-Q輻射

發(fā)酵熱的成分10發(fā)酵熱的測定(1)通過測量一定時間內(nèi)冷卻水的流量和冷卻水的進出。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------進出口冷卻水的溫度;V----------發(fā)酵液的體積(2)通過罐溫度的自動控制，先使罐溫達到恒定，再關(guān)閉自控裝置，測量溫度隨時間上升的速率S。Q發(fā)酵=(M1C1+M2C2)S/V發(fā)酵熱的測定11(3)根據(jù)化合物的燃燒值計算發(fā)酵過程中生物熱的近似值。(4)測定微生物生長代謝中的耗氧量。通風(fēng)（耗氧）發(fā)酵過程生成的發(fā)酵熱數(shù)量與過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，有的的微生物能夠進行厭氧反應(yīng)。則出現(xiàn):QH>>(0.106~0.124)QO2(3)根據(jù)化合物的燃燒值計算發(fā)酵過程中生物熱12(5)熱力學(xué)方法：根據(jù)蓋斯定律：“在恒壓和恒容條件下，一個反應(yīng)不論是一步完成或幾步完成，其反應(yīng)熱是相同的”。這實際上是熱力學(xué)第一定律的必然推論，因為焓（H）是狀態(tài)函數(shù)，過程的焓變與途徑無關(guān)，只決定于過程的始態(tài)和終態(tài)。發(fā)酵熱可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱或標(biāo)準(zhǔn)生成熱來計算。(5)熱力學(xué)方法：13

（2）罐壓指發(fā)酵罐維持的壓力。罐內(nèi)維持正壓，可防止外界空氣中雜菌的侵入，保證純種培養(yǎng)。罐壓的高低與氧，CO2在培養(yǎng)液中的溶解度有關(guān)，間接影響菌體代謝。罐壓一般維持在0.02~0.05MPa。罐壓測量：壓力表、壓力傳感器就地指示；轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺ㄟh傳）。選測、控點時，要避免死角，防止染菌。（2）罐壓14（3）攪拌轉(zhuǎn)速是指攪拌器在發(fā)酵罐中轉(zhuǎn)動速度。攪拌轉(zhuǎn)速大小與發(fā)酵液的均勻性和氧在發(fā)酵液中的傳遞速率有關(guān)。發(fā)酵罐的容積(L)攪拌轉(zhuǎn)速范圍(r/min)3200-200010200-120030150-100050100-80020050-40050050-3001000025-2005000025-160（3）攪拌轉(zhuǎn)速發(fā)酵罐的容積(L)攪拌轉(zhuǎn)速范圍(r/min)315攪拌轉(zhuǎn)速和攪拌功率的測量攪拌轉(zhuǎn)速：磁感應(yīng)式，光感應(yīng)式，測速電機；攪拌功率：（影響因素：菌絲濃度、黏度、泡沫）方法：功率表，測定力矩求功率法。攪拌轉(zhuǎn)速和攪拌功率的測量16（4）攪拌功率指攪拌器攪拌時所消耗的功率，常指每立方米發(fā)酵液所消耗的功率（kW/m3）。它的大小與溶氧傳遞系數(shù)KLa有關(guān)。（4）攪拌功率17（5）空氣流量指單位時間內(nèi)單位體積發(fā)酵液通入空氣的體積。它的大小與氧的傳遞和其它控制參數(shù)有關(guān)。一般控制在0.1~1.0vvm之間（5）空氣流量18空氣流量測定體積流量型：會引起流體能量損失，受溫度和壓力變化的影響；①同心孔板壓差式流量計；②轉(zhuǎn)子流量計。質(zhì)量流量型：根據(jù)流體固有性質(zhì)（質(zhì)量、導(dǎo)電性、熱傳導(dǎo)性能）設(shè)計的流量計。空氣流量測定19（6）黏度粘度大小可作為細(xì)胞生長或細(xì)胞形態(tài)的標(biāo)志之一。在發(fā)酵過程中通常用表觀粘度表示。粘度的大小可改變氧傳遞的阻力。粘度的大小可表示相對菌體濃度。（6）黏度20

發(fā)酵液粘度測定毛細(xì)管粘度計回轉(zhuǎn)式粘度計渦輪旋轉(zhuǎn)粘度計發(fā)酵液粘度測定21（7）料液計量與液位控制壓差法：H=（△P2/△P1）·△H直接重量測量法：直接稱重體積計量法：計算進出料液流量計量法：計算流量和時間液位探針（7）料液計量與液位控制22（8）排氣氧、排氣CO2排氣氧的濃度表征了進氣的氧被微生物利用以后還剩余的氧。排氣CO2反映了微生物代謝的情況，因為微生物攝入的氧并不是全部變成CO2的，有的進入代謝中間物分子，進入細(xì)胞或產(chǎn)物，因此消耗的氧并不等于排出的CO2；此外，含氧的有機物降解后會產(chǎn)生CO2，使排氣CO2大于消耗的氧。（8）排氣氧、排氣CO2排氣氧的濃度表征了進氣的氧23a）溶解二氧化碳測量復(fù)膜式電極法滲透膜—碳酸氫鈉法b）發(fā)酵尾氣的在線分析CO2分析氧濃度測量（如質(zhì)譜分析儀）a）溶解二氧化碳測量242.2.2化學(xué)參數(shù)（1）pH計工作原理pH=-lg[H+]pH測量：玻璃電極、參比電極（Ag/AgCl,汞、甘汞）（2）pH計的使用校準(zhǔn)維護：清洗、儲存2.2.2化學(xué)參數(shù)（1）pH計工作原理25微生物反應(yīng)過程中pH的變化具有一定規(guī)律。①在微生物細(xì)胞的生長階段，由于所用的微生物菌種不同，相對于接種后的起始pH值有上升或下降趨勢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。微生物反應(yīng)過程中pH的變化具有一定規(guī)律。26

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)，碳源過多，特別是葡萄糖過量或者中間補糖過多或溶解氧不足，致使糖等物質(zhì)氧化不完全，培養(yǎng)液中有機酸會大量積累，從而使pH值下降；2.消泡油加得過多；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)，碳源過多，氨基氮釋放會使pH值上升。2.生理堿性物質(zhì)存在。3.中間補料液中氨水或尿素等堿性物質(zhì)的加入過多。引起反應(yīng)液pH值下降的主要原因有271.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、pH值變化不大的培養(yǎng)基。2.可在反應(yīng)過程中加入弱酸或弱堿進行pH值的調(diào)節(jié)，進而合理地控制發(fā)酵條件，也可通過調(diào)整通風(fēng)量來控制pH值。3.進行補料，既調(diào)節(jié)了培養(yǎng)液的pH值，又可補充營養(yǎng)，增加培養(yǎng)液的濃度和減少阻遏作用，進一步提高產(chǎn)率。4.酸性銨鹽作為氮源時，由于NH4+被利用后，剩下的酸根會引起發(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調(diào)節(jié)，同時又可把氨水作為氮源供給。6.以尿素作為氮源進行流加調(diào)節(jié)pH值。反應(yīng)液中pH值的控制方法1.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、28（2）基質(zhì)濃度指發(fā)酵液中糖、氮、磷與重要營養(yǎng)物質(zhì)的濃度。基質(zhì)濃度的變化對產(chǎn)生菌的生長和產(chǎn)物的合成有重要影響，也是提高代謝產(chǎn)物產(chǎn)量的重要控制手段。（2）基質(zhì)濃度指發(fā)酵液中糖、氮、磷與重要營養(yǎng)物質(zhì)的濃度。29①糖含量微生物生長和產(chǎn)物合成與糖代謝有密切關(guān)系。糖的消耗反映產(chǎn)生菌的生長繁殖情況、產(chǎn)物合成的活力。菌體生長旺盛糖耗一定快，殘?zhí)且簿徒档偷每臁Ｍㄟ^糖含量的測定，可以控制菌體生長速率，可通過補糖來調(diào)節(jié)pH，促進產(chǎn)物合成。糖含量測定包括總糖和還原糖。總糖：指發(fā)酵液中殘留的各種糖的總量。如發(fā)酵中的淀粉、飴糖、單糖等各種糖。還原糖：指含有自由醛基的單糖，通常指的是葡萄糖。①糖含量微生物生長和產(chǎn)物合成與糖代謝有密切關(guān)系30②氨基氮和氨氮

氨基氮指有機氮中的氮（NH2-N），如氨基酸中的氮，黃豆餅粉、花生餅粉中都有有機氮。

氨氮指無機氨中的氮（NH3-N）。氮利用快慢可分析出菌體生長情況、含氮產(chǎn)物合成情況。但是氮源太多會促使菌體大量生長。有些產(chǎn)物合成受到過量銨離子的抑制，因此必須控制適量的氮。通過氨基氮和氨氮的分析可控制發(fā)酵過程，適時采取補氨措施。發(fā)酵后期氨基氮回升，這時就要放罐，否則影響提取過程。②氨基氮和氨氮氨基氮指有機氮中的氮（NH2-N）31③磷含量微生物體內(nèi)磷含量較高，培養(yǎng)基中以磷酸鹽為主，發(fā)酵中用來計算磷含量的是磷酸根。磷是核酸的組成部分，是高能化合物ATP的組成部分，磷還能促進糖代謝。因此磷在培養(yǎng)基中具有非常重要的作用，如果磷缺乏就要采取補磷措施。但是在某些次生代謝產(chǎn)物發(fā)酵過程中，磷濃度過高會抑制產(chǎn)物的合成。③磷含量微生物體內(nèi)磷含量較高，培養(yǎng)基中以磷酸鹽32（3）DO濃度氧是微生物體內(nèi)一系列細(xì)胞色素氧化酶催化產(chǎn)能反應(yīng)的最終電子受體，也是合成某些產(chǎn)物的基質(zhì)。利用DO濃度的變化，可以了解微生物對氧利用的規(guī)律，反映發(fā)酵的異常情況，是一個重要的控制參數(shù)。（3）DO濃度氧是微生物體內(nèi)一系列細(xì)胞色素氧化酶催化產(chǎn)能反33氧是制約發(fā)酵進行的重要因素氧難溶于水，培養(yǎng)基中貯存的氧量很少；【純氧溶純水，1.26mmol/L；空氣氧溶純水，0.25；培養(yǎng)基更低】高產(chǎn)株和加富培養(yǎng)基的采用以及發(fā)酵周期的縮短加劇了對氧的需求；形成產(chǎn)物的最佳氧濃度和生長的最佳氧濃度有可能是不同的；發(fā)酵罐中氧的吸收率很低；（多數(shù)＜2%；通常＜1%）加大通氣量會引起過多泡沫；消泡劑不利于氧的溶解。氧是制約發(fā)酵進行的重要因素34（一）溶解氧CL的測定原理與方法化學(xué)法極譜法復(fù)膜氧電極法（一）溶解氧CL的測定原理與方法化學(xué)法35（1）化學(xué)法原理：在樣品中加入硫酸錳和堿性KI溶液，生成氫氧化錳沉淀，與溶解氧反應(yīng)生成錳酸錳，再在反應(yīng)液中加入H2SO4,釋放出游離的碘，然后用標(biāo)準(zhǔn)Na2S2O3液滴定。MnSO4+2NaOH→Mn(OH)2↓十Na2SO42Mn(OH)2+O2→MnO(OH)2↓MnO(OH)2+Mn(OH)2→MnMnO3+2H2OMnMnO3+3H2SO4+2KI→2MnSO4+I2+3H2O+H2SO4I2+2Na2S2O3→2NaI十Na2S4O6（1）化學(xué)法原理：在樣品中加入硫酸錳和堿性KI溶液，生成氫36優(yōu)點：測定較準(zhǔn)確，且能得到氧的濃度值。缺點：當(dāng)樣品中存在氧化還原性物質(zhì)，測定結(jié)果會有偏差；當(dāng)樣品帶有顏色時，會影響測定終點的判斷，故不適合測定發(fā)酵液的溶解氧濃度。優(yōu)點：測定較準(zhǔn)確，且能得到氧的濃度值。37（2）極譜法原理：給浸在待測液體中的貴金屬（Pt）陰極和參考(Ag)電極（陽極）加上直流電壓，當(dāng)電解電壓固定在0.8V左右時，與陰極接觸的液體中的溶解氧發(fā)生如下氧化還原反應(yīng)而被消耗，酸性時O2+2H++2e→H2O2中性或堿性時O2＋2H2O+2e→H2O2＋2OH－

（2）極譜法原理：給浸在待測液體中的貴金屬（Pt）陰極和參38原理：陰極表面與液體的主體之間存在氧的濃度差，于是液體主體的溶解氧就會擴散到陰極的表面參加電極反應(yīng)，使電路中維持一定的電流。當(dāng)氧的擴散過程達到穩(wěn)定狀態(tài)時，溶解氧濃度與測得的擴散電流成正比。原理：39氧濃度與擴散電流的關(guān)系

氧濃度與擴散電流的關(guān)系40陰極表面極易被污染，影響重現(xiàn)性，所以一般采用滴汞電板作為陰極，陽極則可用甘汞電極。如果樣品中含有其它的氧化還原性物質(zhì)會影響電極反應(yīng)，從而影響到該法的準(zhǔn)確性，使測定結(jié)果有誤差。陰極表面極易被污染，影響重現(xiàn)性，所以一般采用滴汞電板作為陰極41復(fù)膜氧電極類型：極譜型；原電池型原理：復(fù)膜氧電極測得的實際為氧從液相主體到陰極的擴散速率。當(dāng)擴散過程達到穩(wěn)定狀態(tài)時，單位面積氧的擴散速率為：no2=kL(PL-P1)=km(P1-P2)=ke(P2-Pc)=K(PL-Pc)根據(jù)Faraday定律，原電池型氧電極的穩(wěn)定電流為：i=4FAno2=4FAK(PL-Pc)=K’PL∴溶氧電極測定的實際是液體中的氧分壓（3）復(fù)膜氧電極法c復(fù)膜氧電極類型：極譜型；原電池型（3）復(fù)膜氧電極法c42

復(fù)膜氧電極示意圖

（a）極譜型（b）原電池型復(fù)膜氧電極示意圖（a）極譜型（b）原電池型43溶氧電極的使用攪拌的影響可提高氧跨膜傳質(zhì)系數(shù)溫度的影響溫度變化影響氧擴散速率壓力的影響影響氧電極讀數(shù)校準(zhǔn)線形校準(zhǔn)，零點和斜率的調(diào)節(jié)溶氧電極的使用攪拌的影響44（二）氧氣和CO2分壓的測量及呼吸代謝參數(shù)的計算1氧分析儀（二）氧氣和CO2分壓的測量及呼吸代謝參數(shù)的計算45工作原理工作原理462.尾氣中CO2分壓的檢測原理：在近紅外波段CO2氣體的吸收造成光強度的衰減，其遵循朗伯-比爾定律：式中，I0,I---入射光強度和衰減后光強度a---光吸收系數(shù)cCO2---CO2氣體的濃度，%2.尾氣中CO2分壓的檢測原理：在近紅外波段CO2氣體的吸47（三）呼吸代謝參數(shù)的計算(1)呼吸強度（比耗氧速率）QO2：單位質(zhì)量干菌體在單位時間內(nèi)消耗氧的量。單位：mmolO2/（kg干菌體·h）。(2)攝氧率γ（耗氧速率,OUR）：單位體積培養(yǎng)液在單位時間內(nèi)消耗氧的量。單位：γ=QO2·xx——細(xì)胞濃度，kg(干重)/m3（三）呼吸代謝參數(shù)的計算(1)呼吸強度（比耗氧速率）QO248（3）CO2釋放速率(CER，CarbonDioxideEmittingRate)：單位時間、單位發(fā)酵液體積內(nèi)細(xì)胞釋放的CO2

量，稱為CO2釋放速率或CO2生成率。（4）呼吸商(RQ,RespiratoryQuotient)CO2釋放速率與氧消耗速率的比值，即（3）CO2釋放速率(CER，CarbonDioxide491.攝氧率γ的測定原理與方法瓦氏呼吸儀法物料衡算法氧電極法1.攝氧率γ的測定原理與方法瓦氏呼吸儀法50（1）瓦氏呼吸儀法通過測壓計測定密閉三角瓶的壓力變化速率即氧的消耗速率，根據(jù)培養(yǎng)液體積計算攝氧率。（1）瓦氏呼吸儀法通過測壓計測定密閉三角瓶的壓力變化速率即氧51（2）物料衡算法穩(wěn)態(tài)時，（2）物料衡算法穩(wěn)態(tài)時，52（3）氧電極法如果在某一時刻停止向發(fā)酵液通氣，而維持原來的攪拌轉(zhuǎn)速，則（CL>Ccr）（3）氧電極法如果在某一時刻停止向發(fā)酵液通氣，而維持原來的攪532.CO2釋放速率可由系統(tǒng)內(nèi)CO2的動態(tài)質(zhì)量平衡估計整理后，可得穩(wěn)態(tài)時，2.CO2釋放速率可由系統(tǒng)內(nèi)CO2的動態(tài)質(zhì)量平衡估計整543.呼吸商3.呼吸商55（四）KLa的測定原理與方法亞硫酸鹽氧化法取樣極譜法物料衡算法動態(tài)法排氣法復(fù)膜電極法（四）KLa的測定原理與方法亞硫酸鹽氧化法56（1）亞硫酸鹽氧化法原理利用亞硫酸根在銅或鎂離子作為催化劑時被氧迅速氧化的特性來測定發(fā)酵設(shè)備的氧傳遞系數(shù)。當(dāng)亞硫酸鈉濃度為0.018～0.5kmol/m3、溫度在20～45℃之間，反應(yīng)速度與亞硫酸鈉濃度無關(guān)。用碘量法測定Na2SO3消耗的速率，即可求得氧傳遞速率OTR,再由式OTR=KLaC*求出KLa。

（1）亞硫酸鹽氧化法原理572Na2SO3+O2→2Na2SO4

H2O+Na2SO3+I2→Na2SO4+2HI

2Na2S2O3+I2→Na2S4O6+2NaI亞硫酸鹽氧化法值Kd

2Na2SO3+O2→2Na2SO458優(yōu)點氧溶解速度與亞硫酸鹽濃度無關(guān)，且反應(yīng)速度快，不需特殊儀器。缺點不及極譜法準(zhǔn)確；只能評價發(fā)酵罐的傳氧性能，且工作容積在4-80L以內(nèi)才較準(zhǔn)確可靠；不能對發(fā)酵過程實測，∵Na2SO3對微生物生長有影響，且發(fā)酵液的性質(zhì)影響氧的傳遞。優(yōu)點59（2）取樣極譜法原理：當(dāng)電解電壓為0.6～1.0V時，擴散電流的大小與液體中溶解氧的濃度呈正比關(guān)系。由式求得KLa

優(yōu)點：可以測定培養(yǎng)狀態(tài)下發(fā)酵液中的溶解氧濃度，進而可計算出溶氧系數(shù)。缺點：樣品取出發(fā)酵罐后，外壓自罐壓降至大氣壓，測得的氧濃度已不準(zhǔn)確，且在靜止條件下所測得的QO2與在發(fā)酵罐中的實際情況不完全一致，因而誤差較大。（2）取樣極譜法原理：當(dāng)電解電壓為0.6～1.0V時，擴散電60極譜法工作曲線極譜法工作曲線61(3)物料衡算法對發(fā)酵液中的氧進行物料衡算穩(wěn)態(tài)時于是對大型發(fā)酵罐，可用平均推動力(3)物料衡算法對發(fā)酵液中的氧進行物料衡算穩(wěn)態(tài)時于是對大62（4）動態(tài)法原理發(fā)酵過程中停止通氣片刻，人為制造一個不穩(wěn)定狀態(tài)來求KLa。不穩(wěn)定狀態(tài)時發(fā)酵液中某一時間間隔的溶氧量為：可改寫為

（4）動態(tài)法原理63停氣t1,C1→C2,γ=QO2·x=通氣t2，C2→C1，將CL對作圖可得一直線，斜率為－1/KLa,在CL軸上截距為C*.停氣t1,C1→C2,γ=QO2·x=64停氣和通氣后培養(yǎng)液中溶氧濃度的變化情況停氣和通氣后培養(yǎng)液中溶氧濃度的變化情況65利用動態(tài)過程測得的數(shù)據(jù)求出KLa和C*利用動態(tài)過程測得的數(shù)據(jù)求出KLa和C*66優(yōu)點：可以測定真實培養(yǎng)狀態(tài)下發(fā)酵液中溶解氧濃度，并可計算出溶氧系數(shù)。缺點：人為停止通氣后的情況與在發(fā)酵罐中連續(xù)通氣的實際情況會有一定的差異，而且停止通氣會影響微生物的正常生長，因而存在一定的誤差。優(yōu)點：可以測定真實培養(yǎng)狀態(tài)下發(fā)酵液中溶解氧濃度，并可計算出溶67（5）排氣法原理在被測定的發(fā)酵罐中先用氮氣趕去液體中的溶解氧或裝入已除去溶解氧的0.1mol/L的KCl溶液，當(dāng)開始通氣及攪拌后，定時取樣用極譜儀或其它溶氧測定儀測出溶氧濃度CL，同時通過將CL對t作圖求出溶液中飽和的溶氧濃度C*.以對t標(biāo)繪即可得一直線，KLa=-2.303×斜率（5）排氣法原理68排氣法測定溶氧系數(shù)的曲線排氣法測定溶氧系數(shù)的曲線69缺點結(jié)果不真實，不能代表發(fā)酵過程中的實際情況，也不能反映當(dāng)時發(fā)酵液的特性，同時也沒有考慮到氧濃度差△C對KLa的影響。缺點70（6）復(fù)膜電極法利用復(fù)膜電極可在發(fā)酵過程中測定發(fā)酵液的溶解氧濃度、微生物菌體的耗氧速率及溶氧系數(shù)KLa，這樣測出的溶解氧濃度、微生物菌體的耗氧速率及溶氧系數(shù)可代表發(fā)酵過程中的實際情況，是比較理想的測定方法，也是目前較為常用的方法。（6）復(fù)膜電極法利用復(fù)膜電極可在發(fā)酵過程中測定發(fā)酵液的溶解712.2.3生物參數(shù)（1）菌濃度和菌形態(tài)菌形態(tài)和菌濃度直接反映菌生長的情況。菌形態(tài)：顯微鏡觀察菌濃度：是衡量產(chǎn)生菌在整個培養(yǎng)過程中菌體量的變化，一般前期菌濃增長很快，中期菌濃基本恒定。補料會引起菌濃的波動，這也是衡量補料量適合與否的一個參數(shù)。2.2.3生物參數(shù)（1）菌濃度和菌形態(tài)72

(2)菌濃測定方法：壓縮體積法（離心）靜置沉降體積法干重法光密度測定法熒光測量排氣分析法熱量恒算法酶電極法恒電位電極法全細(xì)胞濃度法活細(xì)胞濃度法(2)菌濃測定方法：全細(xì)胞濃度法活細(xì)胞濃度法73（3）產(chǎn)物濃度物理方法化學(xué)方法生物方法（4）比速率比菌體生長速率比底物消耗速率比產(chǎn)物生成速率（3）產(chǎn)物濃度（4）比速率比底物消耗速率比產(chǎn)物生成速率742.2.4.間接參數(shù)檢測1）數(shù)據(jù)處理2）間接數(shù)據(jù)的獲得質(zhì)量傳遞速率:OTR≈OUR(氧吸收率)=QO2X組分比率（呼吸商RQ：形成的CO2與耗O2之比）質(zhì)量傳遞系數(shù)：如氧：W=OTR=KLα（C*-CL）熱傳遞系數(shù)：QC=Fin△H0,in-Fout△H0,out其他間接參數(shù):如攪拌功率、葉尖速度、發(fā)酵液體積等。2.2.4.間接參數(shù)檢測1）數(shù)據(jù)處理75第二章生化過程參數(shù)在線

檢測技術(shù)第二章生化過程參數(shù)在線

檢測技術(shù)76主要內(nèi)容：1.物理參數(shù)的測量2.pH值的測量3.溶氧濃度（DO）的測量4.O2和CO2分壓測量及呼吸代謝參數(shù)的計算5.氧氣體積傳質(zhì)系數(shù)KLa的測量6.細(xì)胞濃度的在線測量和比增值速率的計算7.生物傳感器在發(fā)酵過程檢測中的應(yīng)用主要內(nèi)容：772.1概述發(fā)酵過程的中間分析是生產(chǎn)控制的眼睛，它顯示了發(fā)酵過程中微生物的主要代謝變化。因為微生物個體極微小，肉眼無法看見，要了解它的代謝狀況，只能從分析一些參數(shù)來判斷。這些代謝參數(shù)又稱為狀態(tài)參數(shù)，因為它們反映發(fā)酵過程中菌的生理代謝狀況，如pH，溶氧，尾氣氧，尾氣二氧化碳，粘度，菌濃度等2.1概述發(fā)酵過程的中間分析是生產(chǎn)控制的眼睛，它顯示782.1.1.代謝參數(shù)按性質(zhì)分可分三類：①物理參數(shù)：如溫度、攪拌轉(zhuǎn)速、壓力、流加物流量、料液體積、質(zhì)量、空氣流量、表觀粘度、流動特性、放熱量等②化學(xué)參數(shù)：如基質(zhì)濃度、氧化還原電位、pH、排氣O2（CO2）分壓、溶解氧、溶解CO2、KLa、產(chǎn)物濃度、核酸量等③生物參數(shù)：如菌絲形態(tài)、菌濃度、菌體比生長速率、呼吸商（RQ）、基質(zhì)消耗速率、關(guān)鍵酶活力等2.1.1.代謝參數(shù)按性質(zhì)分可分三類：792.1.2.從檢測手段分可分為：

直接參數(shù)、間接參數(shù)①直接參數(shù)：通過儀器或其它分析手段可以測得的參數(shù)，如溫度、pH、殘?zhí)堑娶陂g接參數(shù)：將直接參數(shù)經(jīng)過計算得到的參數(shù)，如攝氧率、KLa等2.1.2.從檢測手段分可分為：802.1.3.直接參數(shù)又可分為:

在線檢測參數(shù)、離線檢測參數(shù)

①在線檢測參數(shù)：指不經(jīng)取樣直接從發(fā)酵罐上安裝的儀表上得到的參數(shù)，如溫度、pH、攪拌轉(zhuǎn)速；②離線檢測參數(shù)：指取出樣后測定得到的參數(shù)，如殘?zhí)?、殘氮、菌體濃度。2.1.3.直接參數(shù)又可分為:81■參數(shù)在線測定的優(yōu)點及問題優(yōu)點：主要是及時、省力，且可從繁瑣操作中解脫出來，便于用計算機控制。問題：發(fā)酵液的性質(zhì)復(fù)雜。一般培養(yǎng)液中同時存在三相，即液、氣、固體不溶物或油；發(fā)酵要求純種培養(yǎng)，培養(yǎng)基和有關(guān)設(shè)備需用高壓蒸汽滅菌。因而要求使用的傳感器能耐蒸汽滅菌，這給各種傳感器的制造帶來很大的困難。

■參數(shù)在線測定的優(yōu)點及問題優(yōu)點：822.2發(fā)酵過程主要分析的參數(shù)2.2.1物理參數(shù)（1）溫度指發(fā)酵整個過程或不同階段所維持的溫度。溫度的高低與下列參數(shù)有密切關(guān)系發(fā)酵中的酶反應(yīng)速度菌體生長速度，產(chǎn)物合成速度氧在培養(yǎng)液中的溶解度，傳遞速度2.2發(fā)酵過程主要分析的參數(shù)2.2.1物理參數(shù)83嚴(yán)格保持菌種的生長繁殖和生物合成所需的最適溫度，對穩(wěn)定發(fā)酵過程，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、熱電阻監(jiān)測系統(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100℃時易被氧化。為了使生物反應(yīng)在適當(dāng)?shù)臏囟认逻M行，必須采取措施——在夾套或蛇管內(nèi)通入冷卻水加以控制。嚴(yán)格保持菌種的生長繁殖和生物合成所需的最適溫度，對穩(wěn)定發(fā)酵過84發(fā)酵熱的成分生物熱：微生物生長繁殖過程中的產(chǎn)熱攪拌熱：機械攪拌造成的摩擦熱蒸發(fā)熱：被通氣和蒸發(fā)水分帶走的熱量輻射熱：發(fā)酵罐罐體向外輻射的熱量顯熱：空氣流動過程夾帶著的熱量Q發(fā)酵=Q生物+Q攪拌-Q蒸發(fā)-Q顯-Q輻射

發(fā)酵熱的成分85發(fā)酵熱的測定(1)通過測量一定時間內(nèi)冷卻水的流量和冷卻水的進出。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------進出口冷卻水的溫度;V----------發(fā)酵液的體積(2)通過罐溫度的自動控制，先使罐溫達到恒定，再關(guān)閉自控裝置，測量溫度隨時間上升的速率S。Q發(fā)酵=(M1C1+M2C2)S/V發(fā)酵熱的測定86(3)根據(jù)化合物的燃燒值計算發(fā)酵過程中生物熱的近似值。(4)測定微生物生長代謝中的耗氧量。通風(fēng)（耗氧）發(fā)酵過程生成的發(fā)酵熱數(shù)量與過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，有的的微生物能夠進行厭氧反應(yīng)。則出現(xiàn):QH>>(0.106~0.124)QO2(3)根據(jù)化合物的燃燒值計算發(fā)酵過程中生物熱87(5)熱力學(xué)方法：根據(jù)蓋斯定律：“在恒壓和恒容條件下，一個反應(yīng)不論是一步完成或幾步完成，其反應(yīng)熱是相同的”。這實際上是熱力學(xué)第一定律的必然推論，因為焓（H）是狀態(tài)函數(shù)，過程的焓變與途徑無關(guān)，只決定于過程的始態(tài)和終態(tài)。發(fā)酵熱可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱或標(biāo)準(zhǔn)生成熱來計算。(5)熱力學(xué)方法：88

（2）罐壓指發(fā)酵罐維持的壓力。罐內(nèi)維持正壓，可防止外界空氣中雜菌的侵入，保證純種培養(yǎng)。罐壓的高低與氧，CO2在培養(yǎng)液中的溶解度有關(guān)，間接影響菌體代謝。罐壓一般維持在0.02~0.05MPa。罐壓測量：壓力表、壓力傳感器就地指示；轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺ㄟh傳）。選測、控點時，要避免死角，防止染菌。（2）罐壓89（3）攪拌轉(zhuǎn)速是指攪拌器在發(fā)酵罐中轉(zhuǎn)動速度。攪拌轉(zhuǎn)速大小與發(fā)酵液的均勻性和氧在發(fā)酵液中的傳遞速率有關(guān)。發(fā)酵罐的容積(L)攪拌轉(zhuǎn)速范圍(r/min)3200-200010200-120030150-100050100-80020050-40050050-3001000025-2005000025-160（3）攪拌轉(zhuǎn)速發(fā)酵罐的容積(L)攪拌轉(zhuǎn)速范圍(r/min)390攪拌轉(zhuǎn)速和攪拌功率的測量攪拌轉(zhuǎn)速：磁感應(yīng)式，光感應(yīng)式，測速電機；攪拌功率：（影響因素：菌絲濃度、黏度、泡沫）方法：功率表，測定力矩求功率法。攪拌轉(zhuǎn)速和攪拌功率的測量91（4）攪拌功率指攪拌器攪拌時所消耗的功率，常指每立方米發(fā)酵液所消耗的功率（kW/m3）。它的大小與溶氧傳遞系數(shù)KLa有關(guān)。（4）攪拌功率92（5）空氣流量指單位時間內(nèi)單位體積發(fā)酵液通入空氣的體積。它的大小與氧的傳遞和其它控制參數(shù)有關(guān)。一般控制在0.1~1.0vvm之間（5）空氣流量93空氣流量測定體積流量型：會引起流體能量損失，受溫度和壓力變化的影響；①同心孔板壓差式流量計；②轉(zhuǎn)子流量計。質(zhì)量流量型：根據(jù)流體固有性質(zhì)（質(zhì)量、導(dǎo)電性、熱傳導(dǎo)性能）設(shè)計的流量計。空氣流量測定94（6）黏度粘度大小可作為細(xì)胞生長或細(xì)胞形態(tài)的標(biāo)志之一。在發(fā)酵過程中通常用表觀粘度表示。粘度的大小可改變氧傳遞的阻力。粘度的大小可表示相對菌體濃度。（6）黏度95

發(fā)酵液粘度測定毛細(xì)管粘度計回轉(zhuǎn)式粘度計渦輪旋轉(zhuǎn)粘度計發(fā)酵液粘度測定96（7）料液計量與液位控制壓差法：H=（△P2/△P1）·△H直接重量測量法：直接稱重體積計量法：計算進出料液流量計量法：計算流量和時間液位探針（7）料液計量與液位控制97（8）排氣氧、排氣CO2排氣氧的濃度表征了進氣的氧被微生物利用以后還剩余的氧。排氣CO2反映了微生物代謝的情況，因為微生物攝入的氧并不是全部變成CO2的，有的進入代謝中間物分子，進入細(xì)胞或產(chǎn)物，因此消耗的氧并不等于排出的CO2；此外，含氧的有機物降解后會產(chǎn)生CO2，使排氣CO2大于消耗的氧。（8）排氣氧、排氣CO2排氣氧的濃度表征了進氣的氧98a）溶解二氧化碳測量復(fù)膜式電極法滲透膜—碳酸氫鈉法b）發(fā)酵尾氣的在線分析CO2分析氧濃度測量（如質(zhì)譜分析儀）a）溶解二氧化碳測量992.2.2化學(xué)參數(shù)（1）pH計工作原理pH=-lg[H+]pH測量：玻璃電極、參比電極（Ag/AgCl,汞、甘汞）（2）pH計的使用校準(zhǔn)維護：清洗、儲存2.2.2化學(xué)參數(shù)（1）pH計工作原理100微生物反應(yīng)過程中pH的變化具有一定規(guī)律。①在微生物細(xì)胞的生長階段，由于所用的微生物菌種不同，相對于接種后的起始pH值有上升或下降趨勢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。微生物反應(yīng)過程中pH的變化具有一定規(guī)律。101

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)，碳源過多，特別是葡萄糖過量或者中間補糖過多或溶解氧不足，致使糖等物質(zhì)氧化不完全，培養(yǎng)液中有機酸會大量積累，從而使pH值下降；2.消泡油加得過多；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)，碳源過多，氨基氮釋放會使pH值上升。2.生理堿性物質(zhì)存在。3.中間補料液中氨水或尿素等堿性物質(zhì)的加入過多。引起反應(yīng)液pH值下降的主要原因有1021.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、pH值變化不大的培養(yǎng)基。2.可在反應(yīng)過程中加入弱酸或弱堿進行pH值的調(diào)節(jié)，進而合理地控制發(fā)酵條件，也可通過調(diào)整通風(fēng)量來控制pH值。3.進行補料，既調(diào)節(jié)了培養(yǎng)液的pH值，又可補充營養(yǎng)，增加培養(yǎng)液的濃度和減少阻遏作用，進一步提高產(chǎn)率。4.酸性銨鹽作為氮源時，由于NH4+被利用后，剩下的酸根會引起發(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調(diào)節(jié)，同時又可把氨水作為氮源供給。6.以尿素作為氮源進行流加調(diào)節(jié)pH值。反應(yīng)液中pH值的控制方法1.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、103（2）基質(zhì)濃度指發(fā)酵液中糖、氮、磷與重要營養(yǎng)物質(zhì)的濃度?；|(zhì)濃度的變化對產(chǎn)生菌的生長和產(chǎn)物的合成有重要影響，也是提高代謝產(chǎn)物產(chǎn)量的重要控制手段。（2）基質(zhì)濃度指發(fā)酵液中糖、氮、磷與重要營養(yǎng)物質(zhì)的濃度。104①糖含量微生物生長和產(chǎn)物合成與糖代謝有密切關(guān)系。糖的消耗反映產(chǎn)生菌的生長繁殖情況、產(chǎn)物合成的活力。菌體生長旺盛糖耗一定快，殘?zhí)且簿徒档偷每?。通過糖含量的測定，可以控制菌體生長速率，可通過補糖來調(diào)節(jié)pH，促進產(chǎn)物合成。糖含量測定包括總糖和還原糖?？偺牵褐赴l(fā)酵液中殘留的各種糖的總量。如發(fā)酵中的淀粉、飴糖、單糖等各種糖。還原糖：指含有自由醛基的單糖，通常指的是葡萄糖。①糖含量微生物生長和產(chǎn)物合成與糖代謝有密切關(guān)系105②氨基氮和氨氮

氨基氮指有機氮中的氮（NH2-N），如氨基酸中的氮，黃豆餅粉、花生餅粉中都有有機氮。

氨氮指無機氨中的氮（NH3-N）。氮利用快慢可分析出菌體生長情況、含氮產(chǎn)物合成情況。但是氮源太多會促使菌體大量生長。有些產(chǎn)物合成受到過量銨離子的抑制，因此必須控制適量的氮。通過氨基氮和氨氮的分析可控制發(fā)酵過程，適時采取補氨措施。發(fā)酵后期氨基氮回升，這時就要放罐，否則影響提取過程。②氨基氮和氨氮氨基氮指有機氮中的氮（NH2-N）106③磷含量微生物體內(nèi)磷含量較高，培養(yǎng)基中以磷酸鹽為主，發(fā)酵中用來計算磷含量的是磷酸根。磷是核酸的組成部分，是高能化合物ATP的組成部分，磷還能促進糖代謝。因此磷在培養(yǎng)基中具有非常重要的作用，如果磷缺乏就要采取補磷措施。但是在某些次生代謝產(chǎn)物發(fā)酵過程中，磷濃度過高會抑制產(chǎn)物的合成。③磷含量微生物體內(nèi)磷含量較高，培養(yǎng)基中以磷酸鹽107（3）DO濃度氧是微生物體內(nèi)一系列細(xì)胞色素氧化酶催化產(chǎn)能反應(yīng)的最終電子受體，也是合成某些產(chǎn)物的基質(zhì)。利用DO濃度的變化，可以了解微生物對氧利用的規(guī)律，反映發(fā)酵的異常情況，是一個重要的控制參數(shù)。（3）DO濃度氧是微生物體內(nèi)一系列細(xì)胞色素氧化酶催化產(chǎn)能反108氧是制約發(fā)酵進行的重要因素氧難溶于水，培養(yǎng)基中貯存的氧量很少；【純氧溶純水，1.26mmol/L；空氣氧溶純水，0.25；培養(yǎng)基更低】高產(chǎn)株和加富培養(yǎng)基的采用以及發(fā)酵周期的縮短加劇了對氧的需求；形成產(chǎn)物的最佳氧濃度和生長的最佳氧濃度有可能是不同的；發(fā)酵罐中氧的吸收率很低；（多數(shù)＜2%；通常＜1%）加大通氣量會引起過多泡沫；消泡劑不利于氧的溶解。氧是制約發(fā)酵進行的重要因素109（一）溶解氧CL的測定原理與方法化學(xué)法極譜法復(fù)膜氧電極法（一）溶解氧CL的測定原理與方法化學(xué)法110（1）化學(xué)法原理：在樣品中加入硫酸錳和堿性KI溶液，生成氫氧化錳沉淀，與溶解氧反應(yīng)生成錳酸錳，再在反應(yīng)液中加入H2SO4,釋放出游離的碘，然后用標(biāo)準(zhǔn)Na2S2O3液滴定。MnSO4+2NaOH→Mn(OH)2↓十Na2SO42Mn(OH)2+O2→MnO(OH)2↓MnO(OH)2+Mn(OH)2→MnMnO3+2H2OMnMnO3+3H2SO4+2KI→2MnSO4+I2+3H2O+H2SO4I2+2Na2S2O3→2NaI十Na2S4O6（1）化學(xué)法原理：在樣品中加入硫酸錳和堿性KI溶液，生成氫111優(yōu)點：測定較準(zhǔn)確，且能得到氧的濃度值。缺點：當(dāng)樣品中存在氧化還原性物質(zhì)，測定結(jié)果會有偏差；當(dāng)樣品帶有顏色時，會影響測定終點的判斷，故不適合測定發(fā)酵液的溶解氧濃度。優(yōu)點：測定較準(zhǔn)確，且能得到氧的濃度值。112（2）極譜法原理：給浸在待測液體中的貴金屬（Pt）陰極和參考(Ag)電極（陽極）加上直流電壓，當(dāng)電解電壓固定在0.8V左右時，與陰極接觸的液體中的溶解氧發(fā)生如下氧化還原反應(yīng)而被消耗，酸性時O2+2H++2e→H2O2中性或堿性時O2＋2H2O+2e→H2O2＋2OH－

（2）極譜法原理：給浸在待測液體中的貴金屬（Pt）陰極和參113原理：陰極表面與液體的主體之間存在氧的濃度差，于是液體主體的溶解氧就會擴散到陰極的表面參加電極反應(yīng)，使電路中維持一定的電流。當(dāng)氧的擴散過程達到穩(wěn)定狀態(tài)時，溶解氧濃度與測得的擴散電流成正比。原理：114氧濃度與擴散電流的關(guān)系

氧濃度與擴散電流的關(guān)系115陰極表面極易被污染，影響重現(xiàn)性，所以一般采用滴汞電板作為陰極，陽極則可用甘汞電極。如果樣品中含有其它的氧化還原性物質(zhì)會影響電極反應(yīng)，從而影響到該法的準(zhǔn)確性，使測定結(jié)果有誤差。陰極表面極易被污染，影響重現(xiàn)性，所以一般采用滴汞電板作為陰極116復(fù)膜氧電極類型：極譜型；原電池型原理：復(fù)膜氧電極測得的實際為氧從液相主體到陰極的擴散速率。當(dāng)擴散過程達到穩(wěn)定狀態(tài)時，單位面積氧的擴散速率為：no2=kL(PL-P1)=km(P1-P2)=ke(P2-Pc)=K(PL-Pc)根據(jù)Faraday定律，原電池型氧電極的穩(wěn)定電流為：i=4FAno2=4FAK(PL-Pc)=K’PL∴溶氧電極測定的實際是液體中的氧分壓（3）復(fù)膜氧電極法c復(fù)膜氧電極類型：極譜型；原電池型（3）復(fù)膜氧電極法c117

復(fù)膜氧電極示意圖

（a）極譜型（b）原電池型復(fù)膜氧電極示意圖（a）極譜型（b）原電池型118溶氧電極的使用攪拌的影響可提高氧跨膜傳質(zhì)系數(shù)溫度的影響溫度變化影響氧擴散速率壓力的影響影響氧電極讀數(shù)校準(zhǔn)線形校準(zhǔn)，零點和斜率的調(diào)節(jié)溶氧電極的使用攪拌的影響119（二）氧氣和CO2分壓的測量及呼吸代謝參數(shù)的計算1氧分析儀（二）氧氣和CO2分壓的測量及呼吸代謝參數(shù)的計算120工作原理工作原理1212.尾氣中CO2分壓的檢測原理：在近紅外波段CO2氣體的吸收造成光強度的衰減，其遵循朗伯-比爾定律：式中，I0,I---入射光強度和衰減后光強度a---光吸收系數(shù)cCO2---CO2氣體的濃度，%2.尾氣中CO2分壓的檢測原理：在近紅外波段CO2氣體的吸122（三）呼吸代謝參數(shù)的計算(1)呼吸強度（比耗氧速率）QO2：單位質(zhì)量干菌體在單位時間內(nèi)消耗氧的量。單位：mmolO2/（kg干菌體·h）。(2)攝氧率γ（耗氧速率,OUR）：單位體積培養(yǎng)液在單位時間內(nèi)消耗氧的量。單位：γ=QO2·xx——細(xì)胞濃度，kg(干重)/m3（三）呼吸代謝參數(shù)的計算(1)呼吸強度（比耗氧速率）QO2123（3）CO2釋放速率(CER，CarbonDioxideEmittingRate)：單位時間、單位發(fā)酵液體積內(nèi)細(xì)胞釋放的CO2

量，稱為CO2釋放速率或CO2生成率。（4）呼吸商(RQ,RespiratoryQuotient)CO2釋放速率與氧消耗速率的比值，即（3）CO2釋放速率(CER，CarbonDioxide1241.攝氧率γ的測定原理與方法瓦氏呼吸儀法物料衡算法氧電極法1.攝氧率γ的測定原理與方法瓦氏呼吸儀法125（1）瓦氏呼吸儀法通過測壓計測定密閉三角瓶的壓力變化速率即氧的消耗速率，根據(jù)培養(yǎng)液體積計算攝氧率。（1）瓦氏呼吸儀法通過測壓計測定密閉三角瓶的壓力變化速率即氧126（2）物料衡算法穩(wěn)態(tài)時，（2）物料衡算法穩(wěn)態(tài)時，127（3）氧電極法如果在某一時刻停止向發(fā)酵液通氣，而維持原來的攪拌轉(zhuǎn)速，則（CL>Ccr）（3）氧電極法如果在某一時刻停止向發(fā)酵液通氣，而維持原來的攪1282.CO2釋放速率可由系統(tǒng)內(nèi)CO2的動態(tài)質(zhì)量平衡估計整理后，可得穩(wěn)態(tài)時，2.CO2釋放速率可由系統(tǒng)內(nèi)CO2的動態(tài)質(zhì)量平衡估計整1293.呼吸商3.呼吸商130（四）KLa的測定原理與方法亞硫酸鹽氧化法取樣極譜法物料衡算法動態(tài)法排氣法復(fù)膜電極法（四）KLa的測定原理與方法亞硫酸鹽氧化法131（1）亞硫酸鹽氧化法原理利用亞硫酸根在銅或鎂離子作為催化劑時被氧迅速氧化的特性來測定發(fā)酵設(shè)備的氧傳遞系數(shù)。當(dāng)亞硫酸鈉濃度為0.018～0.5kmol/m3、溫度在20～45℃之間，反應(yīng)速度與亞硫酸鈉濃度無關(guān)。用碘量法測定Na2SO3消耗的速率，即可求得氧傳遞速率OTR,再由式OTR=KLaC*求出KLa。

（1）亞硫酸鹽氧化法原理1322Na2SO3+O2→2Na2SO4

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