第九章 发酵过程的检测优秀PPT.ppt

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1、第九章 发酵过程的检测第一页，本课件共有61页一、发酵过程检测的意义一、发酵过程检测的意义 工业生产中的机械化和自动化是实现高产优质、改工业生产中的机械化和自动化是实现高产优质、改善劳动条件、保障生产安全和降低生产成本的一项重要善劳动条件、保障生产安全和降低生产成本的一项重要措施。发酵过程复杂，要求严格，因此在生产中应尽可措施。发酵过程复杂，要求严格，因此在生产中应尽可能采用有关检测及显示仪表以指示或记录生产中有关参能采用有关检测及显示仪表以指示或记录生产中有关参数并通过调节器和执行机构对生产中有关参数进行自动数并通过调节器和执行机构对生产中有关参数进行自动控制或调节，使生产过程能在规定条件或

2、最适条件下进控制或调节，使生产过程能在规定条件或最适条件下进行。行。第二页，本课件共有61页 在工程上要实现在线分析并自控，只有通过各种参数在工程上要实现在线分析并自控，只有通过各种参数检测，对生产过程进行定性和定量的描述，才能进而对过程检测，对生产过程进行定性和定量的描述，才能进而对过程进行控制，并在工业生产上推广应用。进行控制，并在工业生产上推广应用。体地说发酵过程的检测具有以下六方面意义：体地说发酵过程的检测具有以下六方面意义：1 1、了解发酵过程变量变化是否与预期目标值相符合；、了解发酵过程变量变化是否与预期目标值相符合；2 2、决定种子罐的移种和发酵罐的放罐时间；、决定种子罐的移种和

3、发酵罐的放罐时间；3 3、对不可测变量进行间接估计；、对不可测变量进行间接估计；4 4、对发酵过程变量，按给定值进行动控制或自动控制；、对发酵过程变量，按给定值进行动控制或自动控制；5 5、通过过程模型实施计算机控制；、通过过程模型实施计算机控制；6 6、收集所需实验数据。、收集所需实验数据。第三页，本课件共有61页二、发酵过程的检测的主要内容二、发酵过程的检测的主要内容1 1、物物理理测测定定：温温度度、压压力力、体体积积、空空气气流流量量、搅搅拌拌转转速速、培养基的粘度等培养基的粘度等;2 2、物物理理化化学学测测定定：pHpH值值、溶溶氧氧浓浓度度、溶溶二二氧氧化化碳碳浓浓度度、氧氧化还

4、原电位等化还原电位等3 3、化学测定：培养基基质、前体物质、产物等的浓度；、化学测定：培养基基质、前体物质、产物等的浓度；4 4、生生物物学学及及生生物物化化学学测测定定：生生物物量量、细细胞胞形形态态、酶酶活活性性、胞内成分等。胞内成分等。上上述述检检测测内内容容，在在发发酵酵过过程程中中，可可以以通通过过传传感感器器来来进进行行自自动检测。动检测。第四页，本课件共有61页空气流量空气流量 通入发酵罐中的无菌空通入发酵罐中的无菌空气的流量常用气的流量常用转子流量计测转子流量计测定定。流量计中浮动转子的位。流量计中浮动转子的位置可以通过电容或电阻原理置可以通过电容或电阻原理转换为电信号，经过加

5、大之转换为电信号，经过加大之后启动控制器便可实现空气流量控制的自动化。后启动控制器便可实现空气流量控制的自动化。转子流量计单位：转子流量计单位：M M3 3/mim/mim，控制在范围控制在范围0.50.51.0 v/v min 1.0 v/v min 第五页，本课件共有61页 1)pH1)pH值值:发酵过程中，发酵过程中，pHpH值的测定已不成问题，如将值的测定已不成问题，如将由玻璃电极、甘汞电极组成的电极组插入有关容器或管由玻璃电极、甘汞电极组成的电极组插入有关容器或管路中，并用能进行速续测定的路中，并用能进行速续测定的pHpH计加以指示或记录，即计加以指示或记录，即可完成可完成pHpH的

6、连续测定。的连续测定。在连续测定发酵罐中发酸液的在连续测定发酵罐中发酸液的pHpH值时，必需考虑电值时，必需考虑电极能经受蒸汽灭菌的问题。目前发酵工业中连续测定极能经受蒸汽灭菌的问题。目前发酵工业中连续测定pHpH值所使用的是银氯化银参比电极。一只质量好的电值所使用的是银氯化银参比电极。一只质量好的电极至少应能在极至少应能在1211210 0C C蒸汽下灭菌蒸汽下灭菌2020次次(每次每次1 1小时小时)。第六页，本课件共有61页2)2)溶解氧溶解氧 溶解氧浓度是发酵过程中的一个重要参数，近年溶解氧浓度是发酵过程中的一个重要参数，近年来，已广泛地采用复膜电极测定溶解氧浓度，直接插来，已广泛地采

7、用复膜电极测定溶解氧浓度，直接插入发酵罐内的复膜溶解氧测定电极可分为两大类即电入发酵罐内的复膜溶解氧测定电极可分为两大类即电解型解型(极谱型极谱型)电极及原电池型电极，前者工作时需外电极及原电池型电极，前者工作时需外加直流电源，后者则不需加任何电源。加直流电源，后者则不需加任何电源。第七页，本课件共有61页复膜电极复膜电极(探头探头)示意图，由薄膜及电极两部分组成示意图，由薄膜及电极两部分组成第八页，本课件共有61页三、发酵过程检测仪器：三、发酵过程检测仪器：传感器传感器 发酵过程的许多检测参数是通过发酵过程的许多检测参数是通过传感器来传感器来 完成的。完成的。传感器又称探测器或变换器，是利用

8、物理、传感器又称探测器或变换器，是利用物理、化学和生物学某些效应和原理，按照一定制造化学和生物学某些效应和原理，按照一定制造 工艺研制出来和获取信息的器件工艺研制出来和获取信息的器件 。它不受环境的影响。它不受环境的影响。第九页，本课件共有61页工作原理工作原理 将所感受到的将所感受到的物理量物理量转换成便于测转换成便于测量的量（一般是电学量）。量的量（一般是电学量）。第十页，本课件共有61页敏感元件敏感元件 物理量等物理量等 非电量非电量传感元件传感元件信号调节信号调节转换电路转换电路记录，显示，执行机构等记录，显示，执行机构等输出输出传感器工作原理图传感器工作原理图第十一页，本课件共有61

9、页传感器的分类传感器的分类 一般可分为光敏、热敏、声音（话筒）、一般可分为光敏、热敏、声音（话筒）、力学、电磁、生物等类元件。力学、电磁、生物等类元件。第十二页，本课件共有61页四、发酵用传感器四、发酵用传感器 1 1、发酵用传感器的作用：、发酵用传感器的作用：将发酵过程变量变化的信息将发酵过程变量变化的信息,通过安装在发酵罐通过安装在发酵罐内的传感器检知内的传感器检知,然后由变送器把非电信号转换为然后由变送器把非电信号转换为标准电信号标准电信号,让仪表显示、记录或传送给电子计算让仪表显示、记录或传送给电子计算机进行处理，可达到对发酵过程自动控制。机进行处理，可达到对发酵过程自动控制。第十三页

10、，本课件共有61页 2 2、发酵用传感器的组成：、发酵用传感器的组成：传感器一般有两个组成部分：其一是传感器一般有两个组成部分：其一是识别元件识别元件(感感受器受器)；其二是其二是信号转换器信号转换器(换能器换能器)，主要为电化学主要为电化学或光学检测元件。当待测物与识别元件结触后，所产或光学检测元件。当待测物与识别元件结触后，所产生的复合物生的复合物(或光、热等或光、热等)通过信号转换器转变为可以通过信号转换器转变为可以输出的电信号、光信号等，从而达到分析监测目的输出的电信号、光信号等，从而达到分析监测目的 第十四页，本课件共有61页 3 3、发酵过程对传感器的要求、发酵过程对传感器的要求

11、(1)(1)可靠性可靠性 这是传感器最重要的特性这是传感器最重要的特性,它包括物理它包括物理 强度、出现故障的频率及故障发生的方式。强度、出现故障的频率及故障发生的方式。提高传感器的可靠性可通过最佳工程实践提高传感器的可靠性可通过最佳工程实践 来达到。首先要有一个好的设计来达到。首先要有一个好的设计,其次要有适其次要有适 当的规格当的规格,同时要按生产厂的要求安装和维护同时要按生产厂的要求安装和维护第十五页，本课件共有61页 (2)(2)准确性准确性 指测量值与己知值或实际值之差的量度，指测量值与己知值或实际值之差的量度，或称之为误差。一般以一段时间内或称之为误差。一般以一段时间内(一批或一一

12、批或一 天天)测量指示值的平均值与己知值之差或测量测量指示值的平均值与己知值之差或测量 指示值与已知值之间的标准差表示。为了提高指示值与已知值之间的标准差表示。为了提高 测量的准确性测量的准确性,传感器必须定期传感器必须定期(每天或每批每天或每批)进行校准。进行校准。第十六页，本课件共有61页 (3)(3)精确度精确度 指重复测量的概率指重复测量的概率,它受测量方法、所用它受测量方法、所用 仪器、操作人员、实验室条件等因素的影响仪器、操作人员、实验室条件等因素的影响,一般以实际值不发生变化的某一段时间内测一般以实际值不发生变化的某一段时间内测 量指示值的标准差来表示。量指示值的标准差来表示。(

13、4)(4)响应时间响应时间 在测量位点在测量位点,指示值与真值之间显示的时指示值与真值之间显示的时 间有滞后现象间有滞后现象,它是由于反应滞后与传递滞后它是由于反应滞后与传递滞后 所造成。所造成。第十七页，本课件共有61页 (5)(5)分辨能力分辨能力 又称识别能力又称识别能力,是指测量中所能分辨的最是指测量中所能分辨的最 小变化值。对于模拟量小变化值。对于模拟量,它主要是一个刻度它主要是一个刻度 的观察问题的观察问题;对于数字量对于数字量,是有意义的最小是有意义的最小 数字的单位变化。数字的单位变化。(6)(6)灵敏度灵敏度 对灵敏度有各种各样的描述方式对灵敏度有各种各样的描述方式,一般指一

14、般指 的是传感器所能反应的最小测量单位。的是传感器所能反应的最小测量单位。第十八页，本课件共有61页 (7)(7)测量范围测量范围 传感器所能感受的最大值与最小值之差。传感器所能感受的最大值与最小值之差。但在实际应用中，一般只取测量范围的一部但在实际应用中，一般只取测量范围的一部 分分,称为设计跨度。如电阻温度计测量范围称为设计跨度。如电阻温度计测量范围 是：是：-200-200+850,+850,但在发酵工业中的设计但在发酵工业中的设计 跨度为：跨度为：0 0150150或或0 05050。第十九页，本课件共有61页 (8)(8)特异性特异性 指传感器只与被测变量反应，而不受过程中指传感器只

15、与被测变量反应，而不受过程中其他变量和周围环境条件变化影响的能力。影响其他变量和周围环境条件变化影响的能力。影响特异性的因素除传感器本身外特异性的因素除传感器本身外,还有对传感器信还有对传感器信号的干号的干扰如电噪声等。扰如电噪声等。第二十页，本课件共有61页 (9)(9)可维修性可维修性 指的是传感器发生故障或失效后进行修指的是传感器发生故障或失效后进行修 理和校准的可能性及难易程度。这对于任何理和校准的可能性及难易程度。这对于任何 传感器来说都是非常重要的传感器来说都是非常重要的，除非那种一次除非那种一次 性使用的产品。性使用的产品。第二十一页，本课件共有61页 (10)(10)发酵过程对

16、传感器的特殊要求发酵过程对传感器的特殊要求 传感器与发酵液直接接触传感器与发酵液直接接触，因而首先面因而首先面 临灭菌问题。临灭菌问题。一般要求传感器能与发酵液同时进行高一般要求传感器能与发酵液同时进行高 压蒸汽灭菌压蒸汽灭菌,这对于大部分物理和物理化学这对于大部分物理和物理化学 传感器来说都没有问题传感器来说都没有问题,但有的传感器但有的传感器(如如pHpH 和溶氧和溶氧)传感器在灭菌后需要重新校准。不能传感器在灭菌后需要重新校准。不能 耐受蒸汽灭菌的传感器可在罐外用其他方法耐受蒸汽灭菌的传感器可在罐外用其他方法 灭菌后无菌装入。灭菌后无菌装入。第二十二页，本课件共有61页 4、发酵用传感器

17、的分类发酵用传感器的分类 （1 1）按测量方式分按测量方式分为为 离线传感器传感器离线传感器传感器和和在线传感器在线传感器两类两类 1)1)离线传感器传感器不安装在发酵罐内离线传感器传感器不安装在发酵罐内,由人工取样进行手动或自动测量操作由人工取样进行手动或自动测量操作,测量数测量数 据通过人机对话输入计算机。这种传感器不能据通过人机对话输入计算机。这种传感器不能 直接作为控制回路的一部分直接作为控制回路的一部分,但测量精度一般但测量精度一般 较高较高,可用来对同类在线传感器进行校准。可用来对同类在线传感器进行校准。第二十三页，本课件共有61页 2)2)在线传感器传感器在线传感器传感器 与自动

18、取样系统相连与自动取样系统相连,对过程变量连续、对过程变量连续、自动测定自动测定。如用于对发酵液成分进行测定的流动注如用于对发酵液成分进行测定的流动注 射分析射分析(FIA)(FIA)系统和高效液相层析系统和高效液相层析(HPLC)(HPLC)系统系统；对尾气成分进行测定的气体分析仪或质谱仪对尾气成分进行测定的气体分析仪或质谱仪第二十四页，本课件共有61页 3)3)原位传感器原位传感器 传感器安装在发酵罐内传感器安装在发酵罐内，直接与发酵液接直接与发酵液接 触触，给出连续响应信号给出连续响应信号，如温度、压力、如温度、压力、pHpH、溶氧等的测量。溶氧等的测量。在线传感器和原位传感器统称为在线

19、传在线传感器和原位传感器统称为在线传 感器感器，以区别于离线传感器以区别于离线传感器。它们给出的信号它们给出的信号 不受操作者干预不受操作者干预,可直接输入计算机可直接输入计算机，并作为并作为 控制回路的一部分控制回路的一部分，直接为直接为发酵发酵过程控制过程控制服务服务第二十五页，本课件共有61页五、目前发酵过程所用的主要传感器五、目前发酵过程所用的主要传感器 1 1、温度传感器；、温度传感器；2 2、pHpH传感器；传感器；3 3、溶氧探头；、溶氧探头；4 4、溶二氧化碳；、溶二氧化碳；5 5、氧化还原电位；、氧化还原电位；6 6、消泡探头；、消泡探头；7 7、补料探头。、补料探头。第二十

20、六页，本课件共有61页六、目前发酵过程所用的传感器现状六、目前发酵过程所用的传感器现状 由于生物反应过程的复杂性，使得发酵由于生物反应过程的复杂性，使得发酵 工业生产过程的监控比其它行业落后。其中一工业生产过程的监控比其它行业落后。其中一 个重要原因是，能有效监测过程状态变量的传个重要原因是，能有效监测过程状态变量的传 感器不足或质量不过关。有许多重要的物性参感器不足或质量不过关。有许多重要的物性参 数，如菌体浓度及某些基质浓度至今仍无合适数，如菌体浓度及某些基质浓度至今仍无合适 的传感器可供使用。因此，要使发酵工程现代的传感器可供使用。因此，要使发酵工程现代 化，改进和推广应用现有的传感器，

21、开发新的化，改进和推广应用现有的传感器，开发新的 可靠、适用的传感器是至关重要的。可靠、适用的传感器是至关重要的。第二十七页，本课件共有61页 七、生物传感器（七、生物传感器（BIOSENSORBIOSENSOR）第二十八页，本课件共有61页 1 1、意义、意义 生物传感器具有选择性高、分析速度快、生物传感器具有选择性高、分析速度快、操作简易和仪器价格低廉等特点，而且可以进操作简易和仪器价格低廉等特点，而且可以进 行在线甚至活体分析，从而为生物医学、环境行在线甚至活体分析，从而为生物医学、环境 监测、食品医药工业及军事医学领域直接带来监测、食品医药工业及军事医学领域直接带来 新技术革命。新技术

22、革命。2020世纪世纪8080年代起国际上对生物传年代起国际上对生物传 感器进行了广泛研究和探索，近些年来已经研感器进行了广泛研究和探索，近些年来已经研 制出一系列在环境监测、临床检验和生化分析制出一系列在环境监测、临床检验和生化分析 等方面有实用价值生物传感器。等方面有实用价值生物传感器。第二十九页，本课件共有61页 SBA-60 SBA-60型生物传感在线分析系统，型生物传感在线分析系统，为发酵自动控制提供了新的基础平台为发酵自动控制提供了新的基础平台发酵罐发酵罐发酵罐发酵罐主机主机主机主机计算机计算机计算机计算机第三十页，本课件共有61页2 2、生物传感器的组成与原理、生物传感器的组成与

23、原理 生物传感器一般有两个组成部分：其一是生物传感器一般有两个组成部分：其一是分子识别元件分子识别元件(感受器感受器)，其二是信号转换器，其二是信号转换器(换换能器能器)。当待测物与分子识别元件特异性地结合。当待测物与分子识别元件特异性地结合后，所产生的复合物后，所产生的复合物(或光、热等或光、热等)通过信号转通过信号转换器转变为可以输出的电信号、光信号等，从换器转变为可以输出的电信号、光信号等，从而达到分析监测的目的。而达到分析监测的目的。第三十一页，本课件共有61页 生物传感器的分子识别元件生物传感器的分子识别元件(感受器感受器)：由具有分子识别能力的生物活性物质构由具有分子识别能力的生物

24、活性物质构 成，可以是生物体成分成，可以是生物体成分(酶、抗原、抗体、激酶、抗原、抗体、激 素、素、DNA)DNA)或生物体本身或生物体本身(细胞、细胞器、组织细胞、细胞器、组织)等，它们能特异地识别各种被测物质并与之发等，它们能特异地识别各种被测物质并与之发 生特异性的反应；生特异性的反应；第三十二页，本课件共有61页 信号转换器件信号转换器件(换能器换能器)：由电化学或光学检测元件构成。主要有由电化学或光学检测元件构成。主要有 电化学电极、离子敏场效应晶体管、热敏电电化学电极、离子敏场效应晶体管、热敏电 阻器、光电管、光纤、压电晶体等其功能为阻器、光电管、光纤、压电晶体等其功能为 将敏感元

25、件感知的生物化学信号转变为可测将敏感元件感知的生物化学信号转变为可测 量的电信号量的电信号。第三十三页，本课件共有61页3 3、生物传感器分类、生物传感器分类 （1 1）按所用分子识别元件的不同，可分为：）按所用分子识别元件的不同，可分为：酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细 胞器传感器、免疫传感器等；胞器传感器、免疫传感器等；（2 2）按信号转换元件的不同，可分为：）按信号转换元件的不同，可分为：电化学生物传感器、半导体生物传感器、测电化学生物传感器、半导体生物传感器、测 热型生物传感器、测光型生物传感器、测声热型生物传感器、测光型生物传感器、测声 型

26、生物传感器等；型生物传感器等；第三十四页，本课件共有61页4 4、常见生物传感器举例、常见生物传感器举例 1 1）酶传感器）酶传感器 其原理是利用酶在生化反应中特殊的催化其原理是利用酶在生化反应中特殊的催化 作用，将酶参与反应过程中消耗或产生的化学作用，将酶参与反应过程中消耗或产生的化学 物质，用转换器将其转变为电信号记录下来。物质，用转换器将其转变为电信号记录下来。目前，国际上已经研制成功的酶传感器有目前，国际上已经研制成功的酶传感器有 几十种，如测定葡萄糖、乳酸、胆固醇和氨基酸等的几十种，如测定葡萄糖、乳酸、胆固醇和氨基酸等的传感器。传感器。第三十五页，本课件共有61页乳酸传感器的应用乳酸

27、传感器的应用1 1、是体育上耐力项目科学训练的常用设备、是体育上耐力项目科学训练的常用设备 2 2、已在抗疲劳保健食品检测中普及应用，许多省级、已在抗疲劳保健食品检测中普及应用，许多省级卫生防疫站成功地用这项新技术实现了在同一小实验卫生防疫站成功地用这项新技术实现了在同一小实验动物体内多次采血检测，简化了分析化验工作量动物体内多次采血检测，简化了分析化验工作量 3 3、是发酵控制的有效新指标、是发酵控制的有效新指标 4 4、是新型可降解塑料聚、是新型可降解塑料聚 L-L-乳酸前体生产过程乳酸前体生产过程控制的主控参数控制的主控参数第三十六页，本课件共有61页发酵中葡萄糖测定发酵中葡萄糖测定 过

28、去用操作繁琐时间长的还原糖方法只能近似地过去用操作繁琐时间长的还原糖方法只能近似地估计葡萄糖的变化。现在提供了快速而准确的固定化酶估计葡萄糖的变化。现在提供了快速而准确的固定化酶的测定方法，发酵中可根据糖消耗确定微生物的生长速的测定方法，发酵中可根据糖消耗确定微生物的生长速率，观察是否染菌，随时与产物的产生一起估算转化率，率，观察是否染菌，随时与产物的产生一起估算转化率，确定补料效果和及时判断发酵结束的时间。发酵过程或确定补料效果和及时判断发酵结束的时间。发酵过程或设备异常现象通过葡萄糖分析得到及时预报。设备异常现象通过葡萄糖分析得到及时预报。第三十七页，本课件共有61页 2 2）组织传感器）

29、组织传感器 组织传感器是利用天然组织中酶的催化组织传感器是利用天然组织中酶的催化 作用，来制成生物传感器。作用，来制成生物传感器。制备成的传感器寿命较长，并且用动植制备成的传感器寿命较长，并且用动植 物组织代替纯酶，取材容易，宜于推广应用。物组织代替纯酶，取材容易，宜于推广应用。第三十八页，本课件共有61页3 3）免疫传感器）免疫传感器 有有放射免疫放射免疫和和非放射免疫非放射免疫两种。两种。放射免疫法放射免疫法是一种灵敏度极高的分析方法，是一种灵敏度极高的分析方法，但仪器药品价格昂贵，且事后放射性废物的处但仪器药品价格昂贵，且事后放射性废物的处 理也比较麻烦。因此，专家们对非放射性免疫理也比

30、较麻烦。因此，专家们对非放射性免疫 法的研究十分重视，而且得到迅速的发展。法的研究十分重视，而且得到迅速的发展。目前，利用抗原与抗体之间的高选择特性，目前，利用抗原与抗体之间的高选择特性，各种免疫传感器的研制已经获得成功。各种免疫传感器的研制已经获得成功。第三十九页，本课件共有61页 4 4）场效应晶体管生物传感器）场效应晶体管生物传感器 是生物技术和晶体管工艺结合的第三代生物传感器，是生物技术和晶体管工艺结合的第三代生物传感器，由酶或其他分子识别物质和离子选择场晶体管相结合而由酶或其他分子识别物质和离子选择场晶体管相结合而构成。构成。一般来说，只要生化反应中能产生离子浓度包括一般来说，只要生

31、化反应中能产生离子浓度包括PHPH值的变化，就可以借离子选择场晶体管反映出来。值的变化，就可以借离子选择场晶体管反映出来。例如，在识别元件的栅极绝缘层上固定青霉素酶，即例如，在识别元件的栅极绝缘层上固定青霉素酶，即构成青霉素传感器，传感器遇到青霉素即被水解而成构成青霉素传感器，传感器遇到青霉素即被水解而成为青霉噻唑酸，后者使为青霉噻唑酸，后者使PHPH值下降，即可反映出青霉素值下降，即可反映出青霉素的浓度。的浓度。第四十页，本课件共有61页5 5）微生物传感器）微生物传感器 （1 1）意义）意义 是生物传感器的一个重要分支。最适合发酵工业是生物传感器的一个重要分支。最适合发酵工业的测定。因为发

32、酵过程中常存在对酶的干扰物质，并且的测定。因为发酵过程中常存在对酶的干扰物质，并且发酵液往往不是清澈透明的，不适用于光谱等方法测定。发酵液往往不是清澈透明的，不适用于光谱等方法测定。而应用微生物传感器则极有可能消除干扰，并且不受发而应用微生物传感器则极有可能消除干扰，并且不受发酵液混浊程度的限制。同时，由于发酵工业是大规模的酵液混浊程度的限制。同时，由于发酵工业是大规模的生产，微生物传感器其成本低设备简单的特点使其具有生产，微生物传感器其成本低设备简单的特点使其具有极大的优势。极大的优势。第四十一页，本课件共有61页（2 2）微生物传感器的原理微生物传感器的原理 微生物传感器是由固定化微生物膜

33、和换能微生物传感器是由固定化微生物膜和换能器紧密结合而成。常用微生物为细菌和酵母。器紧密结合而成。常用微生物为细菌和酵母。微生物固定方法主要有吸附法、包埋法、微生物固定方法主要有吸附法、包埋法、共价交联法等，其中以包埋法用得最多。载体共价交联法等，其中以包埋法用得最多。载体有胶原、醋酸纤维素和聚丙烯酰胺等。有胶原、醋酸纤维素和聚丙烯酰胺等。按其原理可分为两种类型：一类是利用微按其原理可分为两种类型：一类是利用微 生物在同化底物时消耗氧的呼吸作用；生物在同化底物时消耗氧的呼吸作用；另一类是利用不同的微生物含有不同的另一类是利用不同的微生物含有不同的 酶，这和动、植物组织一样，把它作为酶源。酶，这

34、和动、植物组织一样，把它作为酶源。第四十二页，本课件共有61页 (3)(3)微生物传感器的应用微生物传感器的应用A A、原材料及代谢产物的测定、原材料及代谢产物的测定 微生物传感器可用于原材料如糖蜜、乙微生物传感器可用于原材料如糖蜜、乙 酸等的测定，代谢产物如头抱霉素、谷氨酸、酸等的测定，代谢产物如头抱霉素、谷氨酸、甲酸、甲烷、醇类、青霉素、乳酸等的测定。甲酸、甲烷、醇类、青霉素、乳酸等的测定。测量的原理基本上都是用适合的微生物电极与测量的原理基本上都是用适合的微生物电极与 氧电极组成，利用微生物的同化作用耗氧，通氧电极组成，利用微生物的同化作用耗氧，通 过测量氧电极电流的变化量来测量氧气的减

35、少过测量氧电极电流的变化量来测量氧气的减少 量，从而达到测量底物浓度的目的。量，从而达到测量底物浓度的目的。第四十三页，本课件共有61页B B、微生物细胞总数的测定、微生物细胞总数的测定 在发酵控制方面，一直需要直接测定细胞在发酵控制方面，一直需要直接测定细胞 数目的简单而连续的方法。人们发现在阳极表数目的简单而连续的方法。人们发现在阳极表 面，细菌可以直接被氧化并产生电流。这种电面，细菌可以直接被氧化并产生电流。这种电 化学系统已应用于细胞数目的测定，其结果与化学系统已应用于细胞数目的测定，其结果与 传统的菌落计数法测细胞数相同。传统的菌落计数法测细胞数相同。第四十四页，本课件共有61页C

36、C、代谢试验的鉴定、代谢试验的鉴定 传统的微生物代谢类型的鉴定都是根据传统的微生物代谢类型的鉴定都是根据 微生物在某种培养基上的生长情况进行的。微生物在某种培养基上的生长情况进行的。这些实验方法需要较长的培养时间和专门的这些实验方法需要较长的培养时间和专门的 技术。微生物对底物的同化作用可以通过其技术。微生物对底物的同化作用可以通过其 呼吸活性进行测定。用氧电极可以直接测量呼吸活性进行测定。用氧电极可以直接测量 微生物的呼吸活性。因此，可以用微生物传微生物的呼吸活性。因此，可以用微生物传 感器来测定微生物的代谢特征。感器来测定微生物的代谢特征。第四十五页，本课件共有61页 总之，微生物传感系统

37、目前已用于微生总之，微生物传感系统目前已用于微生 物的鉴定、微生物培养基的选择、微生物酶活物的鉴定、微生物培养基的选择、微生物酶活 性的测定、废水中可被生物降解的物质估计、性的测定、废水中可被生物降解的物质估计、废水处理的微生物选择、活性污泥的同化作用废水处理的微生物选择、活性污泥的同化作用 试验、生物降解物的确定、微生物的保存方法试验、生物降解物的确定、微生物的保存方法 选择等领域。选择等领域。第四十六页，本课件共有61页 D D、环境监测、环境监测 生化需氧量生化需氧量(BOD)(BOD)的测定：的测定：BOD BOD的测定是监测水体被有机物污染状况的最的测定是监测水体被有机物污染状况的最

38、常用指标。常规的常用指标。常规的BODBOD测定需要测定需要5 5天的培养期，操天的培养期，操作复杂、重复性差、耗时耗力、干扰性大，不宜作复杂、重复性差、耗时耗力、干扰性大，不宜现场监测，所以迫切需要一种操作简单、快速准现场监测，所以迫切需要一种操作简单、快速准确、自动化程度高、适用广的新方法来测定。微确、自动化程度高、适用广的新方法来测定。微生物传感器可满足这一要求。生物传感器可满足这一要求。第四十七页，本课件共有61页德国研发的环境废水德国研发的环境废水BODBOD分析仪分析仪第四十八页，本课件共有61页BODBOD生物传感器的工作原理：生物传感器的工作原理：当当BODBOD传感器插入恒温

39、、溶解氧浓度一定的不含传感器插入恒温、溶解氧浓度一定的不含BODBOD物质的缓物质的缓冲溶液时，微生物呼吸活性一定，缓冲溶液中的溶解氧分子通过微冲溶液时，微生物呼吸活性一定，缓冲溶液中的溶解氧分子通过微生物膜扩散进氧电极的速率一定，微生物电极输出一稳态电流；生物膜扩散进氧电极的速率一定，微生物电极输出一稳态电流；如果将如果将BODBOD物质加入缓冲溶液中，则该物质的分子与氧分子一起扩物质加入缓冲溶液中，则该物质的分子与氧分子一起扩散进微生物膜，膜中微生物对散进微生物膜，膜中微生物对BODBOD物质发生同化作用而耗氧，导致进入物质发生同化作用而耗氧，导致进入氧电极的氧分子减少，即氧扩散进入氧电极

40、的速率降低，使电极输出氧电极的氧分子减少，即氧扩散进入氧电极的速率降低，使电极输出的电流减少，并在几分钟内降至新的稳定态。的电流减少，并在几分钟内降至新的稳定态。在适宜的在适宜的BODBOD物质浓度范围内，电极输出电流降低值与物质浓度范围内，电极输出电流降低值与BODBOD物质浓度之间呈线性关系，物质浓度之间呈线性关系，BODBOD物质浓度又和物质浓度又和BODBOD值之间有定值之间有定量关系，因而可以进行量关系，因而可以进行BODBOD的测定的测定 第四十九页，本课件共有61页测量测量BODBOD的微生物传感器组成的微生物传感器组成 BODBOD传感器的生物识别元件，由不同微生物群传感器的生

41、物识别元件，由不同微生物群体构成。包括单一微生物敏感材料，如丝孢酵母、体构成。包括单一微生物敏感材料，如丝孢酵母、假单胞菌属、酵母菌属、嗜热菌属、混合杆菌、假单胞菌属、酵母菌属、嗜热菌属、混合杆菌、枯草芽胞杆菌以及活性污泥微生物等枯草芽胞杆菌以及活性污泥微生物等混合微生物混合微生物材材料。料。第五十页，本课件共有61页 传感器探头上覆盖的微生物膜也可用多种方法制传感器探头上覆盖的微生物膜也可用多种方法制作。最常用的为夹膜法，它是在多孔膜上均匀铺一薄作。最常用的为夹膜法，它是在多孔膜上均匀铺一薄层微生物，再用层微生物，再用O O型环或钻孔帽固定于氧电极的聚四氟型环或钻孔帽固定于氧电极的聚四氟乙烯

42、膜外。所用多孔膜一般为醋酸纤维膜，聚碳酸脂乙烯膜外。所用多孔膜一般为醋酸纤维膜，聚碳酸脂膜，膜，200200目酰胺纤维膜，聚乙烯醇等。另外还可以采用目酰胺纤维膜，聚乙烯醇等。另外还可以采用聚乙烯醇包埋微生物，将此微生物凝胶置于氧电极透聚乙烯醇包埋微生物，将此微生物凝胶置于氧电极透气膜外，再在凝胶外置一层渗析膜以固定和保护微生气膜外，再在凝胶外置一层渗析膜以固定和保护微生物膜。物膜。第五十一页，本课件共有61页 换能器换能器 目前运用最广的换能器是安培电流计改进成的溶目前运用最广的换能器是安培电流计改进成的溶解氧探针。是一个双电极系统，它用银针作阳极，用解氧探针。是一个双电极系统，它用银针作阳极

43、，用金或铂针与可透氧的膜连接组成阴极。由于电解液的金或铂针与可透氧的膜连接组成阴极。由于电解液的消耗和阳极的氧化，溶解氧探针的使用寿命受到了限消耗和阳极的氧化，溶解氧探针的使用寿命受到了限制，因此需要经常的更换电解液、清洗探针阳极。制，因此需要经常的更换电解液、清洗探针阳极。随随着对小型着对小型BODBOD传感器需求的增加，有人研制了利用半导传感器需求的增加，有人研制了利用半导体制成的小型体制成的小型BODBOD换能器。换能器。第五十二页，本课件共有61页 各种污染物的测定各种污染物的测定 常用的重要污染指标有氨、亚硝酸盐、常用的重要污染指标有氨、亚硝酸盐、硫化物、磷酸盐、致癌物质与致变物质、

44、重金硫化物、磷酸盐、致癌物质与致变物质、重金 属离子、酚类化合物、表面活性剂等物质的浓属离子、酚类化合物、表面活性剂等物质的浓 度。目前已经研制出了多种测量各类污染物的度。目前已经研制出了多种测量各类污染物的 生物传感器并己投入实际应用中了。测量氨和生物传感器并己投入实际应用中了。测量氨和 硝酸盐的微生物传感器，多是用从废水处理装硝酸盐的微生物传感器，多是用从废水处理装 置中分离出来的硝化细菌和氧电极组合构成。置中分离出来的硝化细菌和氧电极组合构成。第五十三页，本课件共有61页 最近科学家们在污染区分离出一种能够发荧光最近科学家们在污染区分离出一种能够发荧光的细菌，此种细菌含有荧光基因，在污染

45、源的刺激的细菌，此种细菌含有荧光基因，在污染源的刺激下能够产生荧光蛋白，从而发出荧光。可以通过遗下能够产生荧光蛋白，从而发出荧光。可以通过遗传工程的方法将这种基因导入合适的细菌内，制成传工程的方法将这种基因导入合适的细菌内，制成微生物传感器，用于环境监测。现在已经将荧光素微生物传感器，用于环境监测。现在已经将荧光素酶导入大肠杆菌中，用来检测含砷的有毒化合物酶导入大肠杆菌中，用来检测含砷的有毒化合物。第五十四页，本课件共有61页八、发酵过程的主要生物和化学分析项目八、发酵过程的主要生物和化学分析项目 1 1、pHpH值值 2 2、糖浓度（包括总糖和还原糖的测定）、糖浓度（包括总糖和还原糖的测定）

46、3 3、氨基氮、氨基氮 4 4、发发酵酵产产物物的的含含量量：以以发发酵酵单单位位或或百百分分含含量量表表示示，即：单位即：单位/ml/ml；g/ml g/ml 5 5、生物量、生物量第五十五页，本课件共有61页 6 6、菌体形态、菌体形态 A A、观观察察种种子子阶阶段段菌菌体体生生长长情情况况，掌掌握握最最合合适适种龄，确保优质种子；种龄，确保优质种子；B B、观观察察发发酵酵阶阶段段菌菌体体生生长长情情况况，为为选选择择合合适适的发酵条件提供依据；的发酵条件提供依据；C C、及及时时发发现现处处于于不不正正常常生生长长状状况况的的菌菌体体，设设法采取补救措施；法采取补救措施；D D、及时

47、发现杂菌污染，及早控制或处理、及时发现杂菌污染，及早控制或处理第五十六页，本课件共有61页九、发酵动力学中常用的几个术语九、发酵动力学中常用的几个术语1 1得得率率(或或产产率率，转转化化率率Y)Y)：包包括括生生长长得得率率(Yx/s)(Yx/s)和和产产物物得得率率(Yp/s)(Yp/s)，是是指指被被消消耗耗的的物质和所合成产物之间的量的关系。物质和所合成产物之间的量的关系。2 2、生生长长得得率率：是是指指每每消消耗耗1g(1g(或或mo1)mo1)基基质质(指指 碳碳 源源)所所 产产 生生 的的 菌菌 体体 重重(g)(g)，即即Yx/s=XYx/s=X一一SS。第五十七页，本课件

48、共有61页3、产物得率产物得率：是指每消耗：是指每消耗1g(1g(或或mo1)mo1)基质所合成的基质所合成的产物产物g g数数(或或molmol数数)。这里消耗的基质是指被微生。这里消耗的基质是指被微生物实际利用掉的基质数量，即投入的基数减去残物实际利用掉的基质数量，即投入的基数减去残留的基质量留的基质量(S(S。一。一S)S)。4 4、转化率转化率：往往是指投入的原料与合成产物数：往往是指投入的原料与合成产物数量之比。量之比。第五十八页，本课件共有61页5 5、基基质质比比消消耗耗速速率率(q(qs s ，g(g(或或mo1)mo1)g g菌菌体体h)h)：系系指指每每克克菌菌体体在在一一

49、小小时时内内消消耗耗营营养养物物质质的的量量。它它表示细胞对营养物质利用的速率或效率。表示细胞对营养物质利用的速率或效率。6 6、产产物物比比生生产产速速率率(q(qp p，g(g(或或mo1)mo1)g g菌菌体体h)h)：系系指指每每克克菌菌体体在在一一小小时时内内合合成成产产物物的的量量，它它表表示示细细胞胞合合成成产产物物的的速速度度或或能能力力，可可以以作作为为判判断断微微生生物物合成代谢产物的效率。合成代谢产物的效率。第五十九页，本课件共有61页7 7、发酵周期：、发酵周期：实验周期是指接种开始至培养结束放罐这实验周期是指接种开始至培养结束放罐这段时间。但在工业生产上计算劳动生产率

50、时段时间。但在工业生产上计算劳动生产率时则还应把发酵罐的清洗、投料、灭菌，冷却则还应把发酵罐的清洗、投料、灭菌，冷却等辅助时间也计算在内。即从第一罐接种经等辅助时间也计算在内。即从第一罐接种经发酵结束至第二次接种为止这段时间为一个发酵结束至第二次接种为止这段时间为一个发酵周期，这样才能正确反映发酵设备的利发酵周期，这样才能正确反映发酵设备的利用效率用效率第六十页，本课件共有61页十、提高微生物得率的措施十、提高微生物得率的措施1 1、筛筛选选优优良良的的菌菌种种，其其本本身身就就应应具具备备高高的的生生长得率。长得率。2 2、选选择择合合适适培培养养基基配配方方，提提供供略略微微过过量量的的其