發(fā)酵過程工藝控制

發(fā)酵過程工藝控制第1頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月第一章發(fā)酵工程總論第二章發(fā)酵設(shè)備第三章發(fā)酵工業(yè)原料及其處理第四章發(fā)酵滅菌與無菌空氣制備第五章發(fā)酵菌種的制備第六章發(fā)酵工業(yè)放大第七章發(fā)酵機(jī)制第八章發(fā)酵動力學(xué)第九章發(fā)酵過程工藝控制第十章發(fā)酵染菌及防治第十一章發(fā)酵工業(yè)廢物、廢水處理和資源化技術(shù)第十二章展望發(fā)酵工程發(fā)酵工程第2頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月第九章發(fā)酵過程工藝控制1培養(yǎng)基對發(fā)酵的影響2氧對發(fā)酵的影響3溫度對發(fā)酵的影響及控制4pH對發(fā)酵過程的影響及控制5泡沫對發(fā)酵的影響及控制6流加補(bǔ)料的控制7co2濃度和呼吸商8微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測

發(fā)酵染菌及其防治

第3頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月學(xué)習(xí)本章的目的

微生物發(fā)酵的生產(chǎn)水平除取決于生產(chǎn)菌種本身的性能外，還必須予以微生物合適的環(huán)境條件才能發(fā)揮和表現(xiàn)出它的優(yōu)良生產(chǎn)能力。研究和了解與生產(chǎn)菌種相關(guān)的環(huán)境條件，如培養(yǎng)基組成、溫度、pH、氧的需求、泡沫、發(fā)酵過程中補(bǔ)料等，可以為掌握菌種在發(fā)酵過程中的代謝變化規(guī)律，進(jìn)行合理的生產(chǎn)工藝控制提供理論基礎(chǔ)。

第4頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月本章的重點和難點重點：溫度、pH、氧的需求、泡沫、補(bǔ)料對發(fā)酵的影響及其調(diào)控。

難點：影響發(fā)酵因素的調(diào)控2/jing/C76/zcr-1.htm第5頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月§9-5泡沫對發(fā)酵的影響及其控制一、泡沫的性質(zhì)、發(fā)酵泡沫形成的原因三、發(fā)酵過程中泡沫的變化四、影響泡沫穩(wěn)定性的因素五、泡沫對發(fā)酵的影響六、發(fā)酵過程中泡沫的控制第6頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月一泡沫的性質(zhì)1、氣/泡間液膜的性質(zhì)2、泡沫是熱力學(xué)不穩(wěn)定體系3、泡沫體系的三階段變化泡沫是氣體被分散在少量液體中的膠體體系，屬于氣液非均相體系。第7頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月

氣泡大小分布的變化氣泡液膜變薄泡沫破滅3、泡沫體系的三階段變化2/jing/C76/zcr-1.htm一泡沫的性質(zhì)第8頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月二泡沫形成的原因1、氣液接觸泡沫是氣體在液體中的粗分散體，產(chǎn)生泡沫的首要條件是氣體和液體發(fā)生接觸。而且只有氣體與液體連續(xù)、充分地接觸才會產(chǎn)生過量的泡沫。氣液接觸大致有以下兩類情況：（1）氣體從外部進(jìn)入液體，如攪拌液體時混入氣體。（2）氣體從液體內(nèi)部產(chǎn)生。氣體從液體內(nèi)部產(chǎn)生時，形成的泡沫一般氣泡較小、較穩(wěn)定。第9頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月2、含助泡劑在未加助泡劑，但并不純凈的水中產(chǎn)生的泡沫，其壽命在0.5秒之內(nèi)，只能瞬間存在。搖蕩純?nèi)軇┎黄鹋?，如蒸餾水，只有搖蕩某種溶液才會起泡。

在純凈的氣體、純凈的液體之外，必須存在第三種物質(zhì)，才能產(chǎn)生氣泡。對純凈液體來說，這第三種物質(zhì)是助泡劑。當(dāng)形成氣泡時，液體中出現(xiàn)氣液界面，這些助泡劑就會形成定向吸附層。與液體親和性弱的一端朝著氣泡內(nèi)部，與液體親和性強(qiáng)的一端伸向液相，這樣的定向吸附層起到穩(wěn)定泡沫的作用。二泡沫形成的原因第10頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月3、起泡速度高于破泡速度

二泡沫形成的原因

起泡的難易，取決于液體的成分及所經(jīng)受的條件；破泡的難易取決于氣泡和泡破滅后形成的液滴在表面自由能上的差別；同時還取決于泡沫破裂過程進(jìn)行得多快這一速度因素。高起泡的液體，產(chǎn)生的泡沫不一定穩(wěn)定。體系的起泡程度是起泡難易和泡沫穩(wěn)定性兩個因素的綜合效果：（1）泡沫產(chǎn)生速度小于泡沫破滅速度，則泡沫不斷減少，最終呈不起泡狀態(tài)；（2）泡沫產(chǎn)生速度等于泡沫破滅速度，則泡沫數(shù)量將維持在某一平衡狀態(tài)；（3）泡沫產(chǎn)生速度高于泡沫破滅速度，泡沫量將不斷增加。第11頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月4、發(fā)酵過程泡沫產(chǎn)生的原因（1）通氣攪拌的強(qiáng)烈程度

通氣大、攪拌強(qiáng)烈可使泡沫增多，因此在發(fā)酵前期由于培養(yǎng)基營養(yǎng)成分消耗少，培養(yǎng)基成分豐富，易起泡。對策：應(yīng)先開小通氣量，再逐步加大。攪拌轉(zhuǎn)速也如此。也可在基礎(chǔ)料中加入消泡劑。二泡沫形成的原因第12頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月4、發(fā)酵過程泡沫產(chǎn)生的原因二泡沫形成的原因（2）培養(yǎng)基配比與原料組成培養(yǎng)基營養(yǎng)豐富，黏度大，產(chǎn)生泡沫多而持久，前期難易攪拌。例：在50L罐中投料10L，成分為淀粉水解糖、豆餅水解液、玉米漿等，攪拌90r/min，通氣，泡沫生成量為培養(yǎng)基的2倍。對策：如培養(yǎng)基適當(dāng)稀一些，接種量大一些，生長速度快些，前期就容易攪拌。

第13頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）菌種、種子質(zhì)量和接種量菌種質(zhì)量好，生長速度快，可溶性氮源較快被利用，泡沫產(chǎn)生幾率也就少。對策：菌種生長慢的可以加大接種量。二泡沫形成的原因4、發(fā)酵過程泡沫產(chǎn)生的原因第14頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）滅菌質(zhì)量培養(yǎng)基滅菌質(zhì)量不好，糖氮被破壞，抑制微生物生長，使種子菌絲自溶，產(chǎn)生大量泡沫，加消泡劑也無效。對策：嚴(yán)格按照培養(yǎng)基基質(zhì)特性施行相應(yīng)的滅菌方法。二泡沫形成的原因4、發(fā)酵過程泡沫產(chǎn)生的原因第15頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月三發(fā)酵過程中泡沫的變化發(fā)酵過程中，泡沫的形成有一定的規(guī)律性。發(fā)酵中起泡的方式被認(rèn)為有五種：①整個發(fā)酵過程中，泡沫保持恒定的水平；②發(fā)酵早期，起泡后穩(wěn)定地下降，以后保持恒定；③發(fā)酵前期，泡沫稍微降低后又開始回升；④發(fā)酵開始起泡能力低，以后上升；⑤以上類型的綜合方式。這些方式的出現(xiàn)與基質(zhì)的種類、通氣攪拌強(qiáng)度和滅菌條件等因素有關(guān)，其中基質(zhì)中的有機(jī)氮源(如黃豆餅粉等)是起泡的主要因素。第16頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月

四影響泡沫穩(wěn)定性的因素引起危害，需要消除的，只是穩(wěn)定的泡沫。泡沫的穩(wěn)定性受液體、氣體許多性質(zhì)的影響。不同介質(zhì)的泡沫，穩(wěn)定程度相差很多，影響泡沫穩(wěn)定性的因素十分復(fù)雜，概括國內(nèi)外研究者的說法，主要因素有：第17頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月泡徑大小溶液所含助泡物的類型和濃度起泡液的粘度其他因素：溫度、pH、表面張力、培養(yǎng)基的滅菌方法和操作條件、染菌等。四影響泡沫穩(wěn)定性的因素第18頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月五泡沫對發(fā)酵的影響1、降低生產(chǎn)能力2、引起原料浪費3、影響菌的呼吸4、引起染菌2/jing/C76/zcr-1.htm5、加入消泡劑后會使下游工程的分離困難第19頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月六發(fā)酵過程中泡沫的控制發(fā)酵工業(yè)消泡法化學(xué)消泡法機(jī)械消泡法罐內(nèi)消泡罐外消泡第20頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月六發(fā)酵過程中泡沫的控制機(jī)械消泡法罐內(nèi)消泡罐外消泡(一）機(jī)械消泡耙式消泡槳旋轉(zhuǎn)圓板式氣流吸入式流體吹入式?jīng)_擊反射板式碟式超聲波的旋轉(zhuǎn)葉片式噴霧式離心力式轉(zhuǎn)向板式第21頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）羅氏假說1941年哈金斯（HarkinssW.D）曾提出鋪展系數(shù)S的概念，即：S=σF－σFA－σAσF——起泡介質(zhì)的表面張力σFA——消泡劑與起泡介質(zhì)的界面張力σA——消泡劑的表面張力以鋪展系數(shù)S值的正負(fù)判斷消泡劑是否能夠在泡沫上擴(kuò)展。σAσFAσF1、泡沫形成假說第22頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月1948年魯賓遜（Robinson,J.V）和伍茲（Words,W.W）提出了浸入系數(shù)E的概念，即E=以浸入系數(shù)E值的正負(fù)判斷消泡劑能否進(jìn)入泡沫表面。σAσFAσF第23頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月美國膠體化學(xué)家羅斯（Ross,S.），四十年代初就開始研究泡沫問題，對添加了各種表面活性劑的起泡體系，進(jìn)行試驗和觀察，尋找消泡劑在起泡液中溶解性與消泡效力的對應(yīng)關(guān)系。羅斯提出一種假說：在溶液中，溶解狀態(tài)的溶質(zhì)是穩(wěn)泡劑；不溶狀態(tài)的溶質(zhì)，當(dāng)浸入系數(shù)與鋪展系數(shù)均為正值時即是消泡劑。羅斯認(rèn)為，消泡劑的分子團(tuán)，即一小滴，一接觸泡沫，首先便是浸入，之后在泡沫上擴(kuò)展，局部變薄而破裂。當(dāng)浸入系數(shù)和鋪展系數(shù)均為負(fù)值時，小滴既不浸入也不擴(kuò)展；當(dāng)浸入系數(shù)大于零，鋪展系數(shù)為負(fù)數(shù)時小滴成棱鏡狀，不鋪展；只有二者均為正值時才可能是消泡劑，這種假說為消泡劑作用機(jī)理奠定了基礎(chǔ)。第24頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月b、消泡劑能破壞膜彈性而導(dǎo)致氣泡破滅C、消泡劑能促使液膜排液，因而導(dǎo)致氣泡破滅（2）與穩(wěn)泡因素有關(guān)的幾種消泡機(jī)理a、消泡劑可使泡沫液局部表面張力降低，因而導(dǎo)致泡沫破滅第25頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）與穩(wěn)泡因素有關(guān)的幾種消泡機(jī)理a、消泡劑可使泡沫液局部表面張力降低，因而導(dǎo)致泡沫破滅希勒（Shearer,L.T）和艾克斯(Akers,W.W.)在油體系中研究聚硅氧烷油的消泡過程。他們對泡沫體系以1/1000秒的速度連續(xù)拍照，照片放大100倍第26頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月由圖可以看出，硅油微粒到達(dá)泡沫表面使泡沫破滅，氣泡合并，氣液迅速分離。研究發(fā)現(xiàn)：低濃度的，表面張力比起泡液低的物質(zhì)，如果與起泡液成為均相，則促進(jìn)起泡；如果呈飽和狀態(tài)，而且被均勻分散在起泡液中，就可能有消泡作用。附著了消泡劑小滴的泡沫能夠迅速破滅，與局部降低表面張力有關(guān)。第27頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月日本高野信之提出類似的觀點：在起泡液中分散的消泡劑顆粒，隨著泡沫液變薄，露到表面，因消泡劑表面張力比泡沫液低，該處受到周圍的拉伸、牽引。不斷變薄，最后破滅。把高級醇或植物油灑在泡沫上，當(dāng)其附著到泡沫上，即溶入泡沫液，會顯著降低該處的表面張力。因為這些物質(zhì)一般對水的溶解度較小，表面張力降低只限于局部，而泡沫周圍的表面張力幾乎沒有發(fā)生變化。表面張力降低的部分，被強(qiáng)烈地向四周牽引、延展，最后破裂。第28頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月2、破泡劑與抑泡劑的區(qū)別（1）消泡劑可分為破泡劑和抑泡劑

破泡劑是加到已形成的泡沫中，使泡沫破滅的添加劑。如低級醇、天然油脂。一般來說，破泡劑都是其分子的親液端與起泡液親和性較強(qiáng)，在起泡液中分散較快的物質(zhì)。這類消泡劑隨著時間的延續(xù)，迅速降低效率，并且當(dāng)溫度上升時，因溶解度增加，消泡效率會下降。

抑泡劑是發(fā)泡前預(yù)先添加而阻止發(fā)泡的添加劑。聚醚及有機(jī)硅等屬于抑泡劑。一般是分子與氣泡液親和性很弱的難溶或不溶的液體第29頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）作用機(jī)理上的區(qū)別

破泡劑的破泡機(jī)理大致有二種。2、破泡劑與抑泡劑的區(qū)別ONE，吸附助泡劑，加入電解質(zhì)，瓦解雙電層，及使助泡物被增溶等機(jī)理，這樣就破壞助泡物的穩(wěn)泡作用。在這些過程中消泡劑發(fā)揮一次消泡作用就被消耗。同時消耗掉相應(yīng)的助泡物。TWO，低級醇等溶解性較大的消泡劑，加到氣泡液中局部降低表面張力，發(fā)揮破泡作用，同時本身不斷破為碎塊，陸續(xù)溶解而失去破泡作用。破泡過程中，破泡劑不斷失效、消耗，而助泡劑卻不受影響第30頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月抑泡機(jī)理：一般認(rèn)為抑泡劑分子在氣液界面上優(yōu)先被吸附，它比助泡劑的表面活性更強(qiáng)，更易吸附到泡膜上，但是由于本身不賦予泡膜彈性，所以不具備穩(wěn)泡作用。這樣當(dāng)液體中產(chǎn)生泡沫時，抑泡劑首先占據(jù)泡膜，抑制了助泡劑的作用，抑制了氣泡。2、破泡劑與抑泡劑的區(qū)別（2）作用機(jī)理上的區(qū)別第31頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月溶解度大的破泡劑，消泡作用只發(fā)揮一次；溶解度小的破泡劑，消泡作用可持續(xù)一段時間。如果溶解度進(jìn)一步降低，即成為抑泡劑。另一方面，破泡劑大量使用，比有抑泡作用，抑泡劑大量使用也比有破泡作用。2、破泡劑與抑泡劑的區(qū)別（3）破泡劑與抑泡劑的相互關(guān)系第32頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月A)消泡劑必須是表面活性劑，且具有較低的表面張力，消泡作用迅速，效率高；B)消泡劑在氣-液界面有足夠大的散布系數(shù)，才能迅速發(fā)揮其消泡活性，這就要求消泡劑有一定的親水性；C)消泡劑在水中的溶解度較小，以保持其持久的消泡或抑泡性能，并防止形成新的泡沫；3、對消泡劑的要求第33頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月D)對微生物和發(fā)酵過程無毒，對人、畜無害，不被微生物同化，對菌體的生長和代謝無影響，對產(chǎn)物提取和產(chǎn)品質(zhì)量無影響；E)不干擾溶解氧、pH等測定儀表使用，不影響氧的傳遞；F)消泡劑來源方便，價格便宜，不會在使用和運輸中引起任何危害；G)能耐受高溫滅菌。3、對消泡劑的要求第34頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月發(fā)酵工業(yè)常用的消泡劑主要有天然油脂類，高碳醇、脂肪酸和酪類，聚醚類，硅酮類(聚硅油)等四類，以天然油脂類和聚醚類最為常用。4、常用消泡劑的種類和性能第35頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月4、常用消泡劑的種類和性能（1）天然油脂

天然油脂是最早用的消泡劑，它來源容易，價格低，使用簡單，一般來說沒有明顯副作用，如豆油、菜油、魚油等。油脂主要成分是高級脂肪酸酯和高級一元醇酯，還有高級醇、高級烴等。但油脂如保藏不好，易變質(zhì)，使酸值增高，對發(fā)酵有毒性。此外，有些油是發(fā)酵產(chǎn)物的前體，如豆油是紅霉素的前體，魚油是螺旋霉素的前體。近年來出于對環(huán)境保護(hù)的重視，天然產(chǎn)物消泡劑的地位又有些提高，而且還在研究新的天然消泡劑。第36頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月例：A酒糟榨出液羅伯茨（RobertsR.T.）在英國釀造業(yè)研究基金會資助的試驗啤酒廠發(fā)現(xiàn)：全麥芽浸出漿桶中最后倒出的沉積物能破滅泡沫。于是聯(lián)想到，是否可以由制作全麥芽浸出漿以后的酒糟壓榨出有效的消泡劑？經(jīng)過試驗，由酒糟中壓榨出大約40%液體，在50℃真空蒸餾，濃縮19倍，果然得到可用于麥芽汁發(fā)酵過程的消泡劑。效果很好，沒有副作用。經(jīng)分析證明，酒糟榨出液中存在C8~C18的全部脂肪酸，存在極性類脂物，尤其是卵磷脂等物，這些物質(zhì)的協(xié)同作用下的消泡作用比這些物質(zhì)單獨消泡作用強(qiáng)得多。B啤酒花油研究年發(fā)現(xiàn)向啤酒添加1~5ppm啤酒花油是減輕氣泡溢出損失的有效措施。經(jīng)分析啤酒花油具含有消泡活性的物質(zhì)有：石竹烯、荷蘭芹萜烯、香葉烯和蒎烯等。第37頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）聚醚類消泡劑聚醚類消泡劑種類很多，我國常用的主要是甘油三羥基聚醚。六十年代發(fā)明此類消泡劑，美國道康寧化學(xué)公司首先投產(chǎn)。它是以甘油為起始劑，由環(huán)氧丙烷，或環(huán)氧乙烷與環(huán)氧丙烷的混合物進(jìn)行加成聚合而制成的。只在甘油分子上加成聚合環(huán)氧丙烷的產(chǎn)物叫聚氧丙烯甘油定名為GP型消泡劑；用于鏈霉素發(fā)酵，代替天然油，加入基礎(chǔ)料，效果很好。在GP型消泡劑的聚丙二醇鏈節(jié)末端再加成環(huán)氧乙烷，成為鏈端是親水基的聚氧乙烯氧丙烯甘油，也叫GPE型消泡劑（泡敵）。按照環(huán)氧乙烷加成量為10%，20%，……50%分別稱為GPE10，GPE20，……GPE50。這類消泡劑稱為“泡敵”。用于四環(huán)素發(fā)酵效果很好，相當(dāng)于豆油的10~20倍。4、常用消泡劑的種類和性能第38頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月GP型的消泡劑親水性差，在發(fā)泡介質(zhì)中的溶解度小，所以宜使用在稀薄的發(fā)酵液中。它的抑泡能力比消泡能力優(yōu)越，適宜在基礎(chǔ)培養(yǎng)基中加入，以抑制整個發(fā)酵過程的泡沫產(chǎn)生。GPE型消泡劑親水性較好，在發(fā)泡介質(zhì)中易鋪展，消泡能力強(qiáng)，但溶解度也較大，消泡活性維持時間短，因此用在粘稠發(fā)酵液中效果較好。有一種新的聚醚類消泡劑，在GPE型消泡劑鏈端用疏水基硬脂酸酯封頭，便形成兩端是疏水鏈，當(dāng)中間隔有親水鏈的嵌段共聚物。這種結(jié)構(gòu)的分子易于平臥狀聚集在氣液界面，因而表面活性強(qiáng)，消泡效率高。這類化合物叫GPES型消泡劑。第39頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）高碳醇高碳醇是強(qiáng)疏水弱親水的線型分子，在水體系里是有效的消泡劑。70年代初前蘇聯(lián)學(xué)者在陰離子、陽離子、非離子型表面活性劑的水溶液中試驗，提出醇的消泡作用，與其在起泡液中的溶解度及擴(kuò)散程度有關(guān)。C7~C9的醇是最有效的消泡劑。C12~C22的高碳醇借助適當(dāng)?shù)娜榛瘎┡渲瞥闪６葹?~9μm，含量為20~50%的水乳液，即是水體系的消泡劑。還有些成酯，如苯乙醇油酸酯、苯乙酸月桂醇酯等在青霉素發(fā)酵中具有消泡作用，后者還可作為前體。4、常用消泡劑的種類和性能第40頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）硅酮類

最常用的是聚二甲基硅氧烷，也稱二甲基硅油。它表面能低，表面張力也較低，在水及一般油中的溶解度低且活性高。它的主鏈為硅氧鍵，為非極性分子。與極性溶劑水不親和，與一般油的親和性也很小。它揮發(fā)性低并具有化學(xué)惰性，比較穩(wěn)定且毒性小。純粹的聚二甲基硅氧烷，不經(jīng)分散處理難以作為消泡劑?？赡苁怯捎谒c水有高的界面張力，鋪展系數(shù)低，不易分散在發(fā)泡介質(zhì)上。因此將硅油混入SiO2氣溶膠，所構(gòu)成的復(fù)合物，即將疏水處理后的SiO2氣溶膠混入二甲基硅油中，經(jīng)一定溫度、一定時間處理，就可制得。4、常用消泡劑的種類和性能第41頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月也有在硅油和SiO2氣溶膠的復(fù)合物中添加一種或兩種乳化劑，加熱溶勻，與增稠劑水溶液混合后乳化。乳化劑有甘油單硬脂酸酯，聚氧乙烯山梨糖醇單硬脂酸酯（Tween60）、聚氧乙烯山梨糖醇單油酸酯（Tween80）、山梨糖醇單硬脂酸酯（Spen60）、山梨糖醇三硬脂酸酯（Spen65）。增稠劑有羧甲基纖維素鈉鹽。這類消泡劑廣泛用于抗生素發(fā)酵及食品工業(yè)。值得注意的是：消泡劑有選擇性。消泡劑用多了有毒性，而且還影響通氣和氣體分散，因此要少量地加。4、常用消泡劑的種類和性能第42頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月§9-5小結(jié)泡沫的性質(zhì)：氣/泡間液膜的性質(zhì)泡沫是熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，泡沫體系的三階段變化。發(fā)酵泡沫形成的原因：氣液接觸、含助泡劑、攪拌、培養(yǎng)基質(zhì)、菌種、種子質(zhì)量、接種量、滅菌等。發(fā)酵過程中泡沫的變化影響泡沫穩(wěn)定性的因素：泡徑大小，溶液所含助泡物的類型和濃度，起泡液的粘度，溫度、pH、表面張力、培養(yǎng)基的滅菌方法和操作條件、染菌等。泡沫對發(fā)酵的影響：發(fā)酵過程中泡沫的控制：第43頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月1.泡沫對發(fā)酵有哪些有益之處，哪些有害之處？2.發(fā)酵中泡沫形成的原因是什么？3.沒有外界作用力泡沫是否穩(wěn)定？在什么條件下泡沫會穩(wěn)定？4.對于黏稠的發(fā)酵液應(yīng)選怎樣的消泡劑，對于較稀的發(fā)酵液應(yīng)選怎樣的消泡劑？5.常用的消泡劑有哪幾類？對消泡劑有哪些要求？§9-5思考題第44頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月本章內(nèi)容結(jié)束，謝謝！歡迎指導(dǎo)!第45頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月第九章發(fā)酵過程工藝控制1培養(yǎng)基對發(fā)酵的影響2氧對發(fā)酵的影響3溫度對發(fā)酵的影響及控制4pH對發(fā)酵過程的影響及控制5泡沫對發(fā)酵的影響及控制6流加補(bǔ)料的控制7co2濃度和呼吸商8微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測

發(fā)酵染菌及其防治

第46頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月§9-6流加補(bǔ)料的控制補(bǔ)料的內(nèi)容和原則補(bǔ)糖的控制補(bǔ)充氮源及無機(jī)鹽2/jing/C76/zcr-1.htm第47頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月一、補(bǔ)料的必要性在分批發(fā)酵期間，當(dāng)基質(zhì)過量時，菌體的比生長速率與營養(yǎng)物質(zhì)的濃度無關(guān)，但生長速率是基質(zhì)濃度的函數(shù)。當(dāng)基質(zhì)濃度較低時，菌體生長速率隨著基質(zhì)濃度的增加而增加，但當(dāng)基質(zhì)濃度達(dá)到一定程度時會產(chǎn)生抑制，甚至酶“中毒”。由于誘導(dǎo)和阻遏機(jī)制而導(dǎo)致反應(yīng)遲緩，出現(xiàn)滯后現(xiàn)象。對產(chǎn)物的形成來說也是如此，當(dāng)培養(yǎng)基過于豐富，有時會使菌體生長過盛，發(fā)酵液黏稠，傳質(zhì)效果很差，菌體細(xì)胞不得不花費較多能量來維持其生存環(huán)境，使用于非生產(chǎn)的能量大大增加。因此，必須控制基質(zhì)濃度，使菌體細(xì)胞達(dá)到一定水平后再逐步加入營養(yǎng)物質(zhì)供合成產(chǎn)物用。第48頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月一、補(bǔ)料的必要性為了解除基質(zhì)過濃的抑制、產(chǎn)物反饋抑制和葡萄糖分解阻遏效應(yīng)，以及避免在分批發(fā)酵中因一次性投糖過多造成細(xì)胞大量生長，耗氧過多而供氧不足的狀況，采用中間補(bǔ)料的培養(yǎng)方法是較為有效的。第49頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月二、補(bǔ)料發(fā)酵工藝的優(yōu)點（一）與傳統(tǒng)的分批培養(yǎng)相比有以下優(yōu)點:1）可以解除底物抑制、產(chǎn)物反饋抑制和分解代謝物的阻遏;2）可以避免在分批發(fā)酵中因一次投料過多造成細(xì)胞大量生長所引起的發(fā)酵液流變學(xué)性質(zhì)的改變;3）可用作控制細(xì)胞質(zhì)量的手段，以提高發(fā)芽孢子的比例;4）可作為理論研究的手段，為自動控制和最優(yōu)化控制提供實驗基礎(chǔ)。第50頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月二、補(bǔ)料發(fā)酵工藝的優(yōu)點（二）同連續(xù)培養(yǎng)相比它不需要嚴(yán)格的無菌條件，產(chǎn)生菌也不會產(chǎn)生老化和變異問題，使用范圍廣泛等。在酶制劑、抗生素、激素類藥物、氨基酸、微生物等發(fā)酵產(chǎn)品的生產(chǎn)中廣泛使用補(bǔ)料發(fā)酵工藝。

第51頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月三、補(bǔ)料的內(nèi)容和原則

1·補(bǔ)料的內(nèi)容補(bǔ)料，是指在發(fā)酵過程中補(bǔ)充某些營養(yǎng)物質(zhì)以維持菌體的生理代謝活動和合成的需要。第52頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月三、補(bǔ)料的內(nèi)容和原則

補(bǔ)料的內(nèi)容大致可分為以下四個方面:1）補(bǔ)充微生物所需要的能源和碳源，如在發(fā)酵液中添加葡萄糖、飴糖、液化淀粉。作為消泡劑的天然油脂，同時也起了補(bǔ)充碳源的作用;2）補(bǔ)充菌體所需要的氮源，如在發(fā)酵過程中添加蛋白胰、豆餅粉、花生餅、玉米漿、酵母粉和尿素等有機(jī)氮源。有的發(fā)酵品種還采用通人氨氣或添加氨水。以上這些氮源，由于它本身和代謝后的酸堿度也可用于控制發(fā)酵的合適的pH范圍;3）加入某些微生物生長或合成需要的微量元素或無機(jī)鹽，如磷酸鹽、硫酸鹽、氯化鉆等;4）對于產(chǎn)誘導(dǎo)酶的微生物，在補(bǔ)料中適當(dāng)加入該酶的作用底物，是提高酶產(chǎn)量的重要措施。第53頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月三、補(bǔ)料的內(nèi)容和原則

2、補(bǔ)料的原則

菌體的生理調(diào)節(jié)活動和生物合成，除了決定于本身的遺傳特性外，還決定于外界的環(huán)境條件，其中一個重要的條件就是培養(yǎng)基的組成和濃度。若在菌體的生長階段，有過于豐富的碳源和氮源以及適合的生長條件，就會使菌體向著大量菌絲繁殖方向發(fā)展，使得養(yǎng)料主要消耗在菌絲生長上;而在生物合成階段養(yǎng)料便不足以維持正常生理代謝和合成的需要，導(dǎo)致菌絲過早地自溶，使生物合成階段縮短。第54頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月三、補(bǔ)料的內(nèi)容和原則

2、補(bǔ)料的原則

在現(xiàn)代化大規(guī)模發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)中，中間補(bǔ)料的數(shù)量為基礎(chǔ)料量的1-3倍。如果將所補(bǔ)加的全部料量合并在基礎(chǔ)培養(yǎng)基內(nèi)，勢必造成菌體代謝的紊亂而失去控制，或者因為培養(yǎng)基濃度過高，影響細(xì)胞膜內(nèi)的滲透壓而無法生長。

補(bǔ)料的原則在于控制微生物的中間代謝，使之向著利于產(chǎn)物積累的方向發(fā)展。為此，要根據(jù)菌體的生長代謝、生物合成規(guī)律，利用中間補(bǔ)料的措施給予產(chǎn)生菌適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，讓它在生物合成階段有足夠而又不過多的養(yǎng)料供給其合成和維持正常代謝的需要。補(bǔ)料的方式有連續(xù)流加、非連續(xù)流加和多周期流加。每次流加又可分為快速流加、恒速流加、指數(shù)速率流加和變速流加。從補(bǔ)料的培養(yǎng)基成分來區(qū)分，又可分為單一組分補(bǔ)料和多組分補(bǔ)料等等。第55頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月三、補(bǔ)料的內(nèi)容和原則

2、補(bǔ)料的原則流加操作控制系統(tǒng)分為有反饋控制和無反饋控制兩類。反饋控制系統(tǒng)是由傳感器、控制器和驅(qū)動器三個單元所組成。根據(jù)控制依據(jù)的指標(biāo)不同，又分為直接方法和間接方法。為了有效地進(jìn)行補(bǔ)料，必須選擇恰當(dāng)?shù)姆答伩刂茀?shù)，以及了解這些參數(shù)與微生物代謝、菌體生長、基質(zhì)消耗以及產(chǎn)物合成之間的關(guān)系。采用最優(yōu)的補(bǔ)料程序也是依賴于比生長曲線形態(tài)、產(chǎn)物生成速率及發(fā)酵的初始條件等情況。因此，建立分批補(bǔ)料發(fā)酵的數(shù)學(xué)模型及選擇最佳控制程序都必須充分了解微生物在發(fā)酵過程中的代謝規(guī)律及對環(huán)境條件的要求。在反饋控制的操作中，間接方法，即以溶解氧、pH、呼吸商、尾氣中co2，分壓及代謝物質(zhì)濃度等作為反饋控制參數(shù)。直接方法是以限制性營養(yǎng)物質(zhì)濃度作為反饋控制參數(shù)，例如，控制氮源、碳源或碳，氮等方式。第56頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月三、補(bǔ)糖的控制

在確定補(bǔ)料的內(nèi)容后，選擇適當(dāng)?shù)臅r機(jī)是相當(dāng)重要的。補(bǔ)糖過早，有可能刺激菌絲的生長，加速糖的利用，在相同耗糖情況下，發(fā)酵單位偏低。

補(bǔ)糖的時機(jī)不能單純以培養(yǎng)時間作為依據(jù)，還要根據(jù)基礎(chǔ)培養(yǎng)基中碳源種類、用量和消耗速度、前期發(fā)酵條件、菌種特性和種子質(zhì)量等因素判斷。因此，根據(jù)代謝變化，如殘?zhí)呛?、pH或菌絲形態(tài)來考慮，比較切合實際。補(bǔ)糖的方法一般都以間歇定時加入為主，但近年來也開始注意用定時連續(xù)滴加的方式補(bǔ)進(jìn)所需要的養(yǎng)料。連續(xù)滴加比分批加入控制效果更好，這可以避免一次大量加入而引起菌體的代謝受到環(huán)境突然改變的影響。有時會出現(xiàn)一次補(bǔ)料過多，十幾個小時不增加單位的現(xiàn)象，這可能是由于環(huán)境的突然變化，對菌體來說需要一個更新適應(yīng)的過程。第57頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月第九章發(fā)酵過程工藝控制1培養(yǎng)基對發(fā)酵的影響2氧對發(fā)酵的影響3溫度對發(fā)酵的影響及控制4pH對發(fā)酵過程的影響及控制5泡沫對發(fā)酵的影響及控制6流加補(bǔ)料的控制7co2濃度和呼吸商8微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測

發(fā)酵染菌及其防治

第58頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月§9-7CO2濃度和呼吸商CO2對菌體生長和產(chǎn)物形成的影響呼吸商和發(fā)酵的關(guān)系CO2濃度的測定與控制2/jing/C76/zcr-1.htm第59頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月

co2是微生物的代謝產(chǎn)物，也是合成反應(yīng)所需的基質(zhì)。co2對微生物生長和發(fā)酵具有刺激作用，它是細(xì)胞代謝和微生物發(fā)酵的可貴指標(biāo)，有人把細(xì)胞量和尾氣co2的生成相關(guān)聯(lián)，作為手段通過碳元素平衡來估算細(xì)胞的生長速率和細(xì)胞量。溶解在發(fā)酵液中的co2對氨基酸、抗生素等產(chǎn)品的發(fā)酵具有抑制或刺激作用。第60頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月一、CO2對菌體生長和產(chǎn)物形成的影響1、CO2對微生物生長有直接作用，微生物代謝產(chǎn)生的CO2濃度高于0.91mol/L時，糖類的代謝和微生物的呼吸速率將下降。Pdt和Manctant曾報道過，通過恒化器培養(yǎng)，并自動控制pH和溶解氧濃度，檢測到生產(chǎn)過程中CO2的抑制作用。CO2的分壓達(dá)到0.08×105Pa時，會降低40%青霉素的合成。酒精發(fā)酵液中溶解的CO2濃度為1.6×1O-2mol/L時，會嚴(yán)重抑制酵母的生長。當(dāng)微生物生長受到抑制時，也會阻礙基質(zhì)的異化和ATP的生成量，并進(jìn)一步影響產(chǎn)物的合成。第61頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月一、CO2對菌體生長和產(chǎn)物形成的影響2、CO2會影響菌體的形態(tài)。以產(chǎn)黃青霉菌為例，當(dāng)CO2分壓為0.0l×105Pa時，菌絲主要呈絲狀;當(dāng)CO2分壓為0.02×105-0.03×105Pa，菌絲主要呈膨脹、粗短狀;當(dāng)CO2分壓為0.08×105Pa時，則出現(xiàn)球狀或酵母狀，致使青霉素合成受阻。第62頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月一、CO2對菌體生長和產(chǎn)物形成的影響

CO2和HCO3-

都會影響細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)，它們分別作餌于細(xì)胞膜的不同位點。溶解于培養(yǎng)液中的CO2主要作用于細(xì)胞膜的脂肪酸核心部位，而HCO3-則影響磷脂、親水頭部帶電荷表面及細(xì)胞膜表面上的蛋白質(zhì)。當(dāng)細(xì)胞膜的脂質(zhì)相中CO2濃度達(dá)到臨界值時，使細(xì)胞膜的流動性及表面電荷密度發(fā)生變化，這將導(dǎo)致許多基質(zhì)的膜運輸受阻，影響了細(xì)胞膜的運輸效率，使細(xì)胞處于“麻醉”狀態(tài)，細(xì)胞生長受到抑制，形態(tài)發(fā)生了改變。

第63頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月一、CO2對菌體生長和產(chǎn)物形成的影響

3CO2會影響產(chǎn)物形成

用300L中試發(fā)酵罐進(jìn)行氨基糖背類抗生素紫蘇霉素發(fā)酵，在空氣進(jìn)口處通以1%CO2，發(fā)現(xiàn)微生物菌絲增長速率降低，對基質(zhì)的代謝減慢，紫蘇霉素的產(chǎn)量比對照樣降低3%。當(dāng)CO2的含量超過3%時，則不產(chǎn)生紫蘇霉素。在大規(guī)模發(fā)酵過程中CO2的作用是非常突出的問題，很難進(jìn)行估算和優(yōu)化。第64頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月呼吸商(RQ):

RQ=CER(CO2釋放率)/OUR(菌耗氧速率)發(fā)酵過程中菌的耗氧速率(oxygenuptakerate，簡稱OUR)可以通過磁氧分析儀或質(zhì)譜儀測量進(jìn)氣和排氣的氧含量計算得到。二、呼吸商和發(fā)酵的關(guān)系

第65頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月1微生物在利用不同基質(zhì)時，RQ也不同。例：E.coli以延胡索酸為基質(zhì)RQ=1.44;丙酮酸為基質(zhì)RQ=1.26;唬拍酸為基質(zhì)RQ=1.12;乳酸為基質(zhì)RQ=1.02;葡萄糖為基質(zhì)RQ=I.00;乙酸為基質(zhì)RQ=0.96;甘油為基質(zhì)RQ=0.80。二、呼吸商和發(fā)酵的關(guān)系

第66頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月2在菌體生長、維持以及產(chǎn)物形成的不同階段，其RQ不同。例:在青霉素發(fā)酵過程中，存在微生物的生長、維持和產(chǎn)物形成等不同階段，因此，青霉素發(fā)酵的理論呼吸商RQ也不同。在菌體生長階段RQ=0.909;菌體維持階段RQ=1;青霉素生產(chǎn)階段RQ=4。由此看，發(fā)酵早朔，主要是菌體生長,RQ＜1;在過渡期，菌體維持其生命活動及青霉素逐漸生成，基質(zhì)葡萄糖的代謝不是僅用于生長菌體，此時RQ比生長期略有增加;產(chǎn)物形成對RQ的影響較為明顯。如果產(chǎn)物的還原性比基質(zhì)大時，其RQ值就增加;反之，當(dāng)產(chǎn)物的氧化性比基質(zhì)大時，RQ就減少。其偏離程度決定于每單位菌體利用基質(zhì)所形成的產(chǎn)物量。二、呼吸商和發(fā)酵的關(guān)系

第67頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月實際生產(chǎn)測得的RQ明顯低于理論值，說明發(fā)酵過程中存在著不完全氧化的中間代謝物和除葡萄糖以外的其他碳源。二、呼吸商和發(fā)酵的關(guān)系

第68頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月三、co2濃度的測定與控制

1、尾氣中CO2濃度的測定

分析排出氣體(即尾氣)中CO2的含量，記錄培養(yǎng)基體積及通氣量的變化，用計算機(jī)計算CO2的積累量，與合成培養(yǎng)基菌體的千重比較，得出對數(shù)生長期菌體生長速率與CO2釋放率成正比。(一般空氣進(jìn)口02占20.85%、CO2占0.03%、惰性氣體79.12%。）

第69頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月三、co2濃度的測定與控制

2、CO2濃度的控制

CO2在發(fā)酵液中的濃度變化不同于氧，沒有規(guī)律可言。其大小受到菌體的呼吸強(qiáng)度、發(fā)酵液的流變性、通氣攪拌程度、外界壓力大小和設(shè)備規(guī)模等多種因素的影響。

第70頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月

CO2濃度的控制隨其對發(fā)酵的影響而定。當(dāng)CO2對產(chǎn)物合成有抑制作用時，則設(shè)法降低其濃度;若有促進(jìn)作用，就提高其濃度。CO2的產(chǎn)生與補(bǔ)料的工藝控制密切相關(guān)，發(fā)酵液中補(bǔ)加葡萄糖，即增加碳源，排氣中CO2濃度增加，pH下降。隨著糖耗的增加，CRR(CO2的釋放率)增加，原因是葡萄糖被菌利用產(chǎn)生CO2

，其中溶解的CO2

，使培養(yǎng)液pH下降;另一方面葡萄糖被菌利用產(chǎn)生有機(jī)酸，使pH下降。例如，在青霉素發(fā)酵中，補(bǔ)加的糖用于菌體生長、菌體維持和青霉素合成三方面，這三方面都產(chǎn)生CO2

。產(chǎn)生的CO2溶解于發(fā)酵液中，與代謝產(chǎn)生的有機(jī)酸一起使發(fā)酵液的pH下降。因此，補(bǔ)糖、CO2產(chǎn)生和溶解量、pH的關(guān)聯(lián)性均被用于青霉素補(bǔ)料發(fā)酵工藝的控制參數(shù)，其中排出氣體中CO2量的變化比pH變化更敏感。所以，經(jīng)常采用CO2釋放率作為控制參數(shù)。第71頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月第九章發(fā)酵過程工藝控制1培養(yǎng)基對發(fā)酵的影響2氧對發(fā)酵的影響3溫度對發(fā)酵的影響及控制4pH對發(fā)酵過程的影響及控制5泡沫對發(fā)酵的影響及控制6流加補(bǔ)料的控制7co2濃度和呼吸商8微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測

發(fā)酵染菌及其防治

第72頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月§9-8微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測黑箱灰箱檢測儀器：氣相色譜、高效液相、離子色譜、雙向電泳、毛細(xì)管電泳、紅外光譜、基因測序儀等檢測代謝中間物，分析代謝流向、RNA檢測第73頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月由于微生物培養(yǎng)過程是純培養(yǎng)過程，無菌要求高，因此對傳感器有特殊要求：插入罐內(nèi)的傳感器必須能經(jīng)受高壓蒸汽滅菌（材料、數(shù)據(jù)）傳感器結(jié)構(gòu)不能存在滅菌不透的死角，以防染菌（密封性好）傳感器對測量參數(shù)要敏感，且能轉(zhuǎn)換成電信號。（響應(yīng)快、靈敏）傳感器性能要穩(wěn)定，受氣泡影響小。一參數(shù)在線檢測

在線檢測必須用專門的傳感器（也叫電極或探頭）放入發(fā)酵系統(tǒng)，將發(fā)酵的一些信息傳遞出來，為發(fā)酵控制提供依據(jù)。第74頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月帶計算機(jī)數(shù)據(jù)采集與控制的生物反應(yīng)系統(tǒng)第75頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月原理：化學(xué)或物理信號電信號放大記錄顯示儀控制器（與設(shè)定參數(shù)比較）發(fā)出調(diào)節(jié)信號控制器動作第76頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月介紹幾種常用的在線檢測的傳感器及其工作原理

pH電極溶氧電極它們是基礎(chǔ)電極，以它們?yōu)榛A(chǔ)可以制作各種離子電極和酶電極第77頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）pH測量pH值的測量在生物反應(yīng)中普遍進(jìn)行，對于生物過程控制是一個非常重要的參數(shù)。1、pH的定義影響化學(xué)平衡的往往是活度，而不是濃度，但對于稀溶液為了避免在氫離子活度很小時表達(dá)方式上的麻煩引進(jìn)pH=-lg[H+][H+]=0.00001時用pH5表示第78頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月2、pH測量方法

pH試紙曾經(jīng)是一種廣泛采用的方法優(yōu)點：方便，易操作缺點：它主觀性較強(qiáng)質(zhì)量差異，不同廠家不同批號的pH試紙測出的pH值會有較大的差別，有時甚至達(dá)0.5~1。對于一些要求較高的場合就適用pH試紙pH電極第79頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）pH電極測量原理pH電極實際上是由參比電極與指示電極組成的一個自發(fā)電池，該電池的表達(dá)式可寫為：參比電極溶液X指示電極該電池的參比電極的輸出電位恒定，指示電極的輸出電位隨被測體系中氫離子活度而變化。因此整個自發(fā)電池的電動勢就是被測體系中氫離子活度的函數(shù)。

E[α]=E0-ln1/=E0-2.303pH式中E0對某一給定電極為常數(shù)，是溫度的函數(shù)，因此從電位差計的E值可測出pH值。第80頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月甘汞電極（a）232型（b）217型1－導(dǎo)線；2－加液口；3-KCl溶液；4－素?zé)尚荆?－鉑絲；6－Hg；7－Hg2Cl2一般的參比電極是甘汞電極。電極的外殼是玻璃管，里面套一根小玻璃管，其頂部伸出電極引線，引線的下端浸沒在汞中，汞的下端有糊狀甘汞，汞和甘汞用棉花堵住，只有離子才能通過，而汞和甘汞不會漏失，小管和大管之間充滿KCl溶液，末端用多孔陶瓷滲入到溶液中，實現(xiàn)電極引線與溶液間的電導(dǎo)通。參比電極第81頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月

由此可見，甘汞電極是由金屬汞及其難溶鹽——氯化亞汞以及含氯離子的電解質(zhì)溶液組成。這種半電池可表示為Hg(L)Hg2Cl2(S)Cl-(L)電極電位產(chǎn)生于汞和甘汞的界面，其電極反應(yīng)為：2Cl-+2HgHg2Cl2+2e-其電極電位為εCl/HgCl,Hg=ε+ln1/α

由此可見甘汞電極的電極電位只與氯化鉀的活度有關(guān)而不受被測溶液的酸堿度影響。第82頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）指示電極對指示電極的電位值隨被測溶液氫離子活度的變化而變化。原則上講，任何與氫離子可逆反應(yīng)的電極都可用來測定溶液的pH。

離子選擇性電極的結(jié)構(gòu)離子選擇性電極的結(jié)構(gòu)其中敏感性膜部分隨組成材料的不同而各有特色。測定pH值的玻璃電極的敏感膜是厚度為10－1～10－3mm的玻璃薄膜，其電阻為50～500mΩ。第83頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月指示電極的關(guān)鍵是敏感膜H+H+H+H+H+H+KCl溶液待測溶液濃度差引起電位差——濃差電極玻璃敏感膜第84頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）膜電位膜電位是由于膜兩側(cè)離子活度的差異而產(chǎn)生，故可看作是一種濃差電位。玻璃電極在使用前必須先在水中浸泡一段時間，玻璃膜表面吸收水分溶解，并且其中的一價陽離子（如Na+離子）與水中H+離子發(fā)生離子交換反應(yīng)。SiO-Na++H+SiO-H++Na+

使膜表面形成以SiO-H+為主要成分的水合硅膠層，厚度約為10-4~10-5mm第85頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）玻璃電極的性能存在不對稱電勢不對稱電勢產(chǎn)生于電極敏感玻璃膜部分，由于膜內(nèi)外表面狀態(tài)不完全一樣引起的，它與溫度、玻璃組成、敏感膜厚度及加工狀況等因素有關(guān)。不對稱電勢可以用已知pH值的標(biāo)準(zhǔn)緩沖液來校正。零電勢或等電勢點

電極電位為零時的溶液pH值稱為零電勢pH值，該值取決于內(nèi)參比溶液的pH值。含有0.025mol/l的KCl和等摩爾濃度的磷酸混合緩沖液的等電勢點為pH=7，在pH<7和pH>7時，玻璃電極的極性發(fā)生改變。第86頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月玻璃電極的測量范圍

玻璃電極的實際轉(zhuǎn)換系數(shù)并不是在整個pH范圍都是常數(shù)，因而響應(yīng)曲線會偏離直線，實際的pH響應(yīng)曲線如圖測量值pH在堿性范圍內(nèi)pH>10k降低，測量值偏高在酸性范圍內(nèi)pH<1k升高，測量值偏低…第87頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月（5）玻璃電極的使用限制對于蛋白質(zhì)等粘度較大的測量體系，容易在玻璃電極敏感膜上產(chǎn)生沉積，應(yīng)設(shè)法縮短電極的沉浸時間或設(shè)法對電極表面進(jìn)行清洗，工業(yè)測試中常用特制毛刷或超聲波清洗電極表面。強(qiáng)堿或其它對膜材料有腐蝕性的溶液，如氫氟酸溶液會破壞電極脫水性介質(zhì)，如無水乙醇、濃硫酸會破壞水合硅膠層第88頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月（6）復(fù)合電極將兩支電極都裝在一根玻璃管中，這種電極叫復(fù)合電極，工業(yè)上在線檢測大都使用這種電極。它結(jié)構(gòu)緊湊，便于安裝。第89頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月pH復(fù)合電極的結(jié)構(gòu)屏蔽引線用于減少噪聲（電磁波、感應(yīng)）。當(dāng)電極插入被測溶液中后，參比電極隔膜被測體系玻璃敏感膜內(nèi)參比電極之間達(dá)到電導(dǎo)通，組成原電池，其原理與雙電極pH計的工作原理完全相同，只是結(jié)構(gòu)更緊湊，使用更方便。第90頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）敏化離子選擇性電極以離子選擇性電極為基礎(chǔ)電極，通過化學(xué)反應(yīng)或生化反應(yīng)使離子選擇性電極的響應(yīng)得到敏化，叫作敏化離子選擇性電極。包括有氣敏電極和酶電極等。第91頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月氣敏電極是基于界面化學(xué)反應(yīng)的敏化電極

在某種離子選擇性電極的表面覆蓋一層憎水的透氣膜，在透氣膜和這種離子選擇性電極之間充以中間溶液，透氣膜不允許溶液中的離子通過，而只允許被測定的氣體通過，直到透氣膜內(nèi)外兩邊該氣體的分壓相等。進(jìn)入透氣膜的氣體與中間溶液起反應(yīng)，從而使中間溶液中的某一被離子選擇性電極響應(yīng)的物質(zhì)的量發(fā)生變化，并通過選擇性電極電位反映出來，達(dá)到間接表征被測氣體含量的目的。第92頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月

能用氣敏電極測定氣體有CO2、NH3、SO2、NO2、H2S、HCN、HF、Cl2、Br2、I2的蒸氣等，其中以氨電極比較成熟，應(yīng)用較廣。

1、NH4＋的測量氨是酶反應(yīng)中最常見的產(chǎn)物和反應(yīng)物，氨離子可用氨氣敏電極來測定。常用的氨電極為：第93頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月1－電極管；2－透氣膜；3－0.1mol/LNH4Cl溶液；4－pH玻璃電極；5－Ag/AgCl參比電極；6，7－玻璃膜；8－可卸電極頭；9－內(nèi)參比溶液，10－內(nèi)參比電極在電極管內(nèi)裝有玻璃電極——Ag-AgCl電極，底部裝有一微孔透氣膜，玻璃電極的敏感膜緊貼于透氣膜上，中間有一極薄的液層，當(dāng)氨通過透氣膜滲入內(nèi)充液薄層，即發(fā)生如下反應(yīng)NH3+H2O=NH4++OH-發(fā)酵過程工藝控制第94頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月2、CO2的測量（1）CO2電極（測溶液中的CO2）結(jié)構(gòu)與氨電極類似。測量CO2時，氣體透過電極膜，CO2和水反應(yīng)，達(dá)到以下平衡：CO2+H2OHCO3-+H+產(chǎn)生的氫離子引起pH的變化，就可以測出溶解CO2的濃度。如果CO2擴(kuò)散在水或NaHCO3的水溶液中，它們的pH值會依據(jù)下列的式子而變化：第95頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月在純水中pH=常數(shù)＋lg

在NaHCO3溶液中pH=常數(shù)-lgpCO2在NaHCO3溶液中測量能方便地確定pH和pCO2之間的對應(yīng)關(guān)系。使用特殊的氣體滲透膜，它能夠使CO2擴(kuò)散到NaHCO3溶液中去，溶液中pH變化就是CO2實際分壓的測量值

第96頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)尾氣CO2的測量常用的尾氣測定儀是不分光紅外線二氧化碳測定儀（簡稱IR），其精度高，可達(dá)±0.5%，量程的線性范圍大，雖然儀器價格高，但在生物細(xì)胞培養(yǎng)時常被采用。不分光紅外線CO2氣體分析原理是：除了單原子氣體（如氖、氬等）和無極性的雙原子氣體（如氧、氫、氮等）外，幾乎所有氣體都在紅外波段（即微米級）具有不同的紅外吸收光譜，CO2的紅外吸收峰在2.6~2.9μm和4.1~4.5μm之間有兩個吸收峰，根據(jù)吸收峰值可以求出CO2的所含濃度。第97頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）尾氣氧的儀器分析采用熱磁氧分析儀測定原理:氧具有高順磁性。在磁場中，氧氣的磁化率比其它氣體高幾百倍，故混合氣體的磁化率幾乎完全取決于含氧氣的多少。將排氣通入熱磁氧分析儀，就可測出排氣氧的含量。第98頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月通過RQ值的測定，可以分析微生物可能利用的基質(zhì)——氧化型的或還原型的，分析微生物生長階段，分析補(bǔ)料的速率是否合理例如，儲炬等發(fā)現(xiàn)RQ的變化與菌體生長、營養(yǎng)狀況以及產(chǎn)生抗生素密切相關(guān)。如20h菌絲開始發(fā)生膨大，而此時RQ達(dá)到峰值開始下降；40h左右RQ降至谷底開始回升，正是在這段時間產(chǎn)生抗生素啟動。由于RQ具有以上的關(guān)聯(lián)特性，他們嘗試在avemectin發(fā)酵過程中利用RQ作為補(bǔ)料控制的參考之一。3、排氣氧、排氣CO2和呼吸熵第99頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月酶電極與氣敏電極相似，是在離子選擇性電極的表面覆蓋一個涂層，把酶固定在涂層內(nèi)，通過酶反應(yīng)產(chǎn)生的物質(zhì)的測定，可以推算出反應(yīng)物的量。例如:脲酶電極，把脲酶固定在NH3氣敏電極或CO2氣敏電極的表面，在脲酶的催化下，尿素可以發(fā)生如下的分解反應(yīng)：CO(NH2)2+H2O2NH3+CO2通過NH3或CO2氣敏電極測定NH3或CO2的分壓即可達(dá)到間接測定尿素的目的。4、酶電極第100頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）溶氧的測定

對于好氧微生物來說氧的供應(yīng)十分重要，了解發(fā)酵過程中溶氧情況是發(fā)酵控制的關(guān)鍵方面。現(xiàn)在發(fā)酵中溶氧測定大多用溶氧電極來測定。溶氧電極可分為極譜型和原電池型。

極譜型

需極化電壓及放大器，耗氧少，受氣流影響小

原電池型

簡單便宜，適于中小罐。耗氧較大，受氣流和氣泡影響大。第101頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月現(xiàn)在國內(nèi)外測定溶液中的溶解氧基本上用極譜型的復(fù)膜氧電極。復(fù)膜氧電極可分為敞口式：在電極的玻璃管上有一個小孔，使玻璃管與環(huán)境相通，這樣在蒸汽滅菌時電極玻璃管內(nèi)外壓力相等，有利于保護(hù)電極。封閉式：封閉式的電極玻璃管上沒有小孔，蒸汽滅菌時玻璃管受壓大?，F(xiàn)在使用的大多數(shù)是敞口式電極。第102頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月1、復(fù)膜氧電極的工作原理陰極由鉑、銀、金等貴金屬組成，陽極由鉛、錫、鋁等組成。當(dāng)給電極施加極譜電壓（0.6~0.8V負(fù)電壓）時，溶液中的氧就在陰極被還原。當(dāng)產(chǎn)生的電流與溶液中氧含量成正比時，此時的電極電流為飽和電流，此時的電壓為極譜電壓。氧濃度與飽和電流成正比關(guān)系。第103頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月在陰極表面發(fā)生的電極反應(yīng)：1/2O2+H2O+e-2OH-陰極上失去電子后，陽極反應(yīng)產(chǎn)生的電子流向陰極，于是在二電極之間形成電流，將氧的信號轉(zhuǎn)變成電信號。氧濃度越高，電流越大。陽極上的反應(yīng)是：Pb+2ACO-Pb(ACO)2+2e-化學(xué)信號轉(zhuǎn)變成電信號第104頁，課件共118頁，創(chuàng)作于2023年2月2、電極的構(gòu)造在陰極銀（鉑）片的前面包一張半