第七节发酵参数的测定1节.ppt

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1、第七章第七章 生物反应器的参数检测及生物反应器的参数检测及控制控制生物反应器的检测：利用各种传感器及其他检测手段对反应器系统中各种参变量进行测量，并通过光电转换等技术用二次仪表显示或通过计算机处理打印出来。生物反应器的检测控制首先要明确以下几点1.进行检测的目的；2.有多少必须检测的状态参数，这些参变量能否测量检出；3.能测定的参数可否在线检测，其响应滞后是否太大；4.从状态参数的检测结果，如何判断生物反应器及生物细胞本身的状态；5.反应系统中需要控制的主要参变量是什么？这些需控制的参数与生物反应效能如何相关对应？第一节生化过程主要检测的参变量1.温度2.压强3.液面4.泡沫高度5.培养基流速

2、6.通气量7.黏度8.搅拌转速与搅拌功率9.冷却介质流量与温度10.蒸汽压强11.湿度12.pH13.溶氧浓度和氧化还原电位14.发酵液中溶解CO2浓度15.培养基浓度和产物浓度16.细胞浓度及酶活性第二节生化过程常用检测方法及仪器一、检测方法及仪器的组成在线检测：如发酵液的溶解氧、pH及温度、罐压等；离线检测：从反应器中取样出来，然后用仪器分析或化学分析等方法进行检测。参数名称单位测试方法意义、主要作用温度罐压空气流量搅拌转速搅拌功率粘度浊度泡沫体积氧传质系数KLaCPaV/V.minR/minKWPa.s透光度l/h传感器压力表传感器传感器传感器粘度计传感器传感器间接计算维持生长、合成维持

3、正压、增加溶氧供氧、排泄废气、提高KLa物料混合、提高KLa反映搅拌情况、KLa反映菌的生长、KLa反映菌的生长情况反映发酵代谢情况反映供氧效率参数名称单位测试方法意义、主要作用pH基质浓度溶解氧浓度氧化还原电位产物浓度尾气氧浓度尾气CO2浓度菌体浓度RNA、DNA含量ATP、ADP、AMPNADH含量摄氧率呼吸强度呼吸商比生长速率g/mlppmmVg/ml%G(DCW)/mlMg(DCW)/gMg(DCW)/gMg(DCW)/ggO2/L.hgO2/g菌.h1/h传感器取样传感器传感器取样传感器传感器取样取样取样取样间接计算间接计算间接计算间接计算了解生长和产物合成了解生长和产物合成反映氧供

4、需情况反映菌的代谢情况产物合成情况了解耗氧情况了解菌的呼吸情况了解生长情况了解生长情况了解能量代谢活力了解菌的合成能力了解耗氧速率了解比耗氧速率了解菌的代谢途径了解生长传感器信号转换信号放大输出被测定量生物反应器监测仪器的基本组成二、主要参数检测原理及仪器发酵罐内无菌取样系统陶瓷微孔膜取样系统二、主要参数检测原理及仪器渗透膜取样系统1.温度的测定p热电阻检测器p半导体热敏电阻p热电偶p玻璃温度计2.压强的检测p隔膜式压力表安装时必须注意使仪表的管路能够加热灭菌，尽量不存在死角，这样才能保证反应器的无菌操作。3.液位和泡沫高度的检测p电容式液面计p压差法泡沫高度的高度p电极探针测定法p超声波法4

5、.培养基和液体流量测定p液体质量流量计p电磁流量计p漩涡流量计p转子流量计5.气体流量计检测气体流量的实用类型分两大类：体积流量型和质量流量型（1）体积流量型原理：根据流动气体动能的转换及流动类型的改变而检测流量。转子流量计：m3/hL/min（2）质量流量型原理：利用流体的固有性质，如质量、导电性、电磁感应及导热等特性进行设计的。最常用的是利用其导热性能。气体气体气体气体E=kcqmE-输出电势k-比例常数，同一传感器为常数；c-流过气体的比热容，kJ/(kg.)qm-气体质量流量，kg/s测定范围：0.6250L/h，相应的精度较高。空气入口空气出口气体热质量流量传感器T1T26.发酵液黏

6、度的检测（1）振动式黏度传感器（2）发酵液循环黏度计：装设自动无菌取样循环系统，流过毛细管粘度计。测定范围：0.015100Pa.s，相应时间数十秒信号输出7.搅拌转速和搅拌功率（1）搅拌转速p磁感应式p光感应式p测速发电机（2）发酵搅拌功率生产规模的发酵罐搅拌功率只是测定驱动电机的电压与电流。8.pH的检测目前，最通用的pH测定仪是复合pH电极。原理是利用玻璃电极和参比电极浸泡在某一溶液中时具有一定的电位。原理是利用玻璃电极和参比电极浸泡在某一溶液中时具有一定的电位。9.溶氧浓度的检测溶氧电极法：其化学基础是氧分子在阴极上还原，因而有电流产生，所产生的电流和被还原的氧量成正比。特点：p氧分子

7、扩散透过膜是限速步骤，故测出的电流值与溶氧浓度成正比。p温度对溶解度和氧分子扩散速度均有影响。p电流值和氧的扩散系数与溶解度的乘积成正比关系。p阳极面积应比阴极面积大得多，这样可减少误差。No2=kLa(C*-Co2)溶氧电极的溶氧值有两种表示方法：p饱和溶氧百分值常用发酵液通气搅拌足够长时间，溶氧达到饱和时的电极输出电流检出值为100%，残余电流值为0。标定时未接入生物细胞p溶氧值：测定范围020mg/L，灵敏度1%Fs测定时要使电极周围的液体适度流动，以加强传质，尽量减小与电极膜接触的液膜滞流层厚度，并减少气泡和生物细胞在膜上积存，以保证溶氧测定的准确。10.溶解CO2浓度的检测原理：利用

8、对CO2分子有特殊选择渗透通过特性的微孔膜，并使扩散通过的CO2进入饱和碳酸氢钠缓冲溶液中，平衡后显示的pH与溶解CO2浓度成正比。11.氧化还原电位的检测氧化还原电位可作为微量溶氧浓度微量溶氧浓度的指示。但溶氧浓度与ORP不成正比例关系，但有一定的对应关系。ORP=-100-300mV时，反应系统并非完全厌氧状态；ORP-600mV时，反应系统完全厌氧状态原理：溶液中的金属电极上进行的电子交换达到平衡时，具有相应的氧化还原电位值。测定范围：-700mV+700mVCO210M12.排气的氧分压和CO2分压（1）排气的氧分压的检测p磁氧分析p极谱分析p质谱法磁氧分析仪：被检测排气的磁化率：将被

9、检测样品气体通入磁场。在非均匀磁场范围内作用在气体分子上的力可导致压强的变化，即均匀磁场和无磁场的空间存在压强差：（2）排气中CO2分压的检测p红外线二氧化碳测定仪p二氧化碳电极原理：除了单原子气体如氖、氩等和具有对称性又无极性的双原子气体如氢、氮、氧等之外，几乎所有的其它气体都具有不同的红外吸收谱，其中CO2红外吸收峰：2.62.9103和4.14.5103之间Lambert-Beer公式注意测量范围1%100%，精度0.5%-1%FSCO对气体的测定影响最大除水除水CO2检测仪检测仪氧分析仪氧分析仪样品气参考气或零点气粗过滤储气瓶储气瓶除水除水流量计流量计精过滤器出口通气发酵罐排气检测流程

10、图通气发酵罐排气检测流程图膜片泵13.细胞浓度测定（1）全细胞浓度的测定p湿重法p干重法p浊度法p湿细胞体积法在线检测全细胞仪：流通式浊度计光源：可见光400600nm或同一波长的激光束使用这种流通式浊度计检测细胞浓度,有几点必须注意的几个问题:1.适用于游离细胞，细胞形状呈球状、杆状的酵母细菌等。2.空气中有气泡会干扰读数。3.传感器的比色皿会因细胞吸附壁而增大误差。（2）活细胞浓度测定原理：利用活生物细胞催化的反应或活细胞本身特有的物质而使生物发光或化学发光法进行测定。三、生物发酵溶液中营养成分与产物分析大多数成分仍未能在线检测，通常是在反应器中装设微孔陶瓷取样器或渗透膜取样器进行无菌取样，然后使用HPLC或GC等仪器或化学方法进行检测。