生化過程參數(shù)的檢測和控制【享-】課件

第八章生化過程參數(shù)的檢測和控制9/27/20231第八章生化過程參數(shù)的檢測和控制8/7/20231生化過程參數(shù)的分類反映生化過程變化的參數(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、離子強度、溶解氧和基質(zhì)濃度等。另一類是綜合參數(shù)，包括細胞生長速率、產(chǎn)物合成速率、呼吸商等。9/27/20232生化過程參數(shù)的分類反映生化過程變化的參數(shù)分為兩大類：第一節(jié)直接參數(shù)的檢測和控制一.溫度檢測和控制嚴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?？梢圆捎盟y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?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。9/27/20233第一節(jié)直接參數(shù)的檢測和控制8/7/20233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/V9/27/20234發(fā)酵熱的測定8/7/20234(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（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)當通風發(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)QO29/27/20235(3)根據(jù)化合物的燃燒值計算發(fā)酵過程中生物熱8/7/2023二.pH的檢測和控制pH值可用耐滅菌的玻璃電極和銀-汞參比電極以及pH測量儀表的檢測系統(tǒng)檢測，可連續(xù)指示罐內(nèi)酸堿變化。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，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，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。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、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.采用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、三.泡沫的影響和控制太多的泡沫給反應(yīng)帶來不利的影響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，增加了染菌的機會。4.由于泡沫的液位變動，以及不同生長周期微生物隨泡沫漂浮，使微生物生長的環(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)過程產(chǎn)生泡沫的原因1.由外界引進的氣流被機械地分散形成2.反應(yīng)過程產(chǎn)生的氣體聚結(jié)生成的泡沫培養(yǎng)基的物理化學性質(zhì)對泡沫形成的表面現(xiàn)象起決定作用，此外，培養(yǎng)基的溫度、酸堿度、濃度等對過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)過程產(chǎn)生泡沫的原因8/7/202310泡沫的控制化學消泡消泡機理：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.降低機械強度（降低液膜的彈性）3.降低膜表面的黏度。天然油脂類、高級醇類、聚醚類、硅酮類、氟化烷烴等生產(chǎn)中的一些用法：(1)通過機械攪拌，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，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消泡作用。(4)使用乳化劑增強消泡劑的消泡作用，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機械消泡靠機械強烈振動和壓力的變化，促使細胞破裂，或借助機械力將排出氣體中的液體加以分離回收，從而達到消泡的作用。機械消泡的優(yōu)點是不需在發(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會和對后續(xù)分離的影響。但是機械效果不如化學消泡迅速、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)備和消耗一定的動力。罐內(nèi)消泡、罐外消泡。9/27/202312機械消泡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)酵液的泡沫導電率不同的原理制造。采用雙位式的控制方法，當反應(yīng)物液面達到一定的高度時，自動打開消泡劑的閥門，當液面降回到正常時，自動關(guān)閉消泡劑的閥門。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)定的被測量并按照一定的規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置，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)換成電信號進行檢測的傳感器。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：葡萄糖85%，乳酸鹽及其他4%，研究4%。藥物：3%環(huán)境：2%食品：2%機器人、國防及其他：<1%9/27/202315生物傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域臨床檢測：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(電化學裝置）上再耦合一個生物敏感膜（稱為感受器或敏感元件）。生物敏感膜緊貼在探頭表面上，再用一種半滲透膜與被測溶液隔開。當待測溶液中的成分透過半透膜有選擇地附著于敏感物質(zhì)時，形成復合體，隨之進行生化和電化學反應(yīng)，產(chǎn)生普通電化學裝置能感知的O2、H2、NH4+、CO2等，并通過電化學裝置轉(zhuǎn)換為電信號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1)對被檢測物質(zhì)具有極好的選擇性，噪音低。2)操作簡單，需用樣品少，能直接完成測定。3)經(jīng)固定化處理后，可保持長期生物活性，傳感器可經(jīng)得住反復使用。4)能在短時間內(nèi)完成測定。5)不要求樣品具有透明度。6)主要缺點是壽命較短。9/27/202317生物傳感器的特點1)對被檢測物質(zhì)具有極好的選擇性，噪音低。8生物傳感器的種類酶傳感器微生物傳感器免疫傳感器細胞傳感器組織傳感器生物電子傳感器9/27/202318生物傳感器的種類酶傳感器8/7/202318發(fā)酵工業(yè)中的傳感器的特點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期工作穩(wěn)定性，在1~2周內(nèi)其測定誤差應(yīng)小于5%；3.最好在使用過程中隨時校正；4.材料不易老化，使用壽命長；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.價格便宜9/27/202319發(fā)酵工業(yè)中的傳感器的特點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)過程中的染菌及其控制生物反應(yīng)過程染菌的分析1.種子培養(yǎng)和發(fā)酵的異?，F(xiàn)象種子培養(yǎng)異常異常的主要表現(xiàn)有菌體生長緩慢、菌絲結(jié)團、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)在菌體生長速度緩慢，形態(tài)不粗壯或過早老化，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)過程中的染菌及其控制生物反應(yīng)過程染菌的分析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。菌體生長差pH值過高或過低泡沫過多菌體濃度過高或過低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+-)(&%$!#ZXWVUTRQPONLKJFDCBAzywvutsqponmkjihgfdcba97654310+-)(&%$!#YXWVUSRQPOMLKJIHFEDCBzyxwvtsrqpomlkjigfedca987653210+)(*&%!#ZYXVUTSRQONMLKIHGFECBAzyxvutsrponmljihgfecba98654320+-)(&%$!#ZXWVUTRQPONLKJIHGEDCBAyxwvusrqponlkjihfedcb987653210+-(*&%$#ZYXWUTSRQPNMLKJHGFEDBAzyxwutsrqonmlkihgfecba98754321+-)(*%$!#ZYWVUTSQPONMKJIHGFDCBAzxwvutrqponlkjihgedcba