生化过程参数的检测和控制

2020/2/171第八章生化过程参数的检测和控制2020/2/172生化过程参数的分类反映生化过程变化的参数分为两大类：一类是可以直接采用特定的传感器检测的参数称为直接参数，包括各种反映物理环境和化学环境变化的参数：如温度、压力、流量、搅拌功率、转速、泡沫、黏度、浊度、pH、离子强度、溶解氧和基质浓度等。另一类是综合参数，包括细胞生长速率、产物合成速率、呼吸商等。2020/2/173第一节直接参数的检测和控制一.温度检测和控制严格保持菌种的生长繁殖和生物合成所需的最适温度，对稳定发酵过程，缩短周期，提高产量，具有重要意义。通常可以采用水银温度计、热电阻监测系统中的温度。普遍使用的热电阻有铂电阻和铜电阻。铂电阻精度高、稳定性好、性能可靠；铜电阻超过100℃时易被氧化。为了使生物反应在适当的温度下进行，必须采取措施——在夹套或蛇管内通入冷却水加以控制。发酵热的测定(1)通过测量一定时间内冷却水的流量和冷却水的进出。Q发酵=GC(T2-T1)/VQ发酵-----------发酵热;C-------冷却水的比热G-----------冷却水的流量;T1T2------进出口冷却水的温度;V----------发酵液的体积(2)通过罐温度的自动控制，先使罐温达到恒定，再关闭自控装置，测量温度随时间上升的速率S。Q发酵=(M1C1+M2C2)S/V(3)根据化合物的燃烧值计算发酵过程中生物热的近似值。(4)测定微生物生长代谢中的耗氧量。通风（耗氧）发酵过程生成的发酵热数量与过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菌体.h)QH--------------发酵热生成的比速(kcal/g菌体.h)当通风发酵出现溶解氧不足时，有的的微生物能够进行厌氧反应。则出现:QH(0.106~0.124)QO2二.pH的检测和控制pH值可用耐灭菌的玻璃电极和银-汞参比电极以及pH测量仪表的检测系统检测，可连续指示罐内酸碱变化。微生物反应过程中pH的变化具有一定规律。①在微生物细胞的生长阶段，由于所用的微生物菌种不同，相对于接种后的起始pH值有上升或下降趋势②在生产阶段，一般反应液的pH值趋于稳定，维持在最适合产物形成的范围。③在微生物细胞的自溶阶段，随着培养基中的营养物质的耗尽，微生物细胞内蛋白酶的积累和活跃，微生物自溶，引起培养液中的氨基氮等的增加，致使pH值有上升。引起反应液pH值下降的主要原因有1.培养基中的碳/氮比例不当，碳源过多，特别是葡萄糖过量或者中间补糖过多或溶解氧不足，致使糖等物质氧化不完全，培养液中有机酸会大量积累，从而使pH值下降2.消泡油加得过多；3.微生物生理性物质的存在，使pH值下降。引起反应液pH值上升的主要原因有：1.培养基中的碳/氮比例不当，碳源过多，氨基氮释放会使pH值上升。2.生理碱性物质存在。3.中间补料液中氨水或尿素等碱性物质的加入过多。1.调节培养基中的原始pH值，或加入缓冲溶液制成缓冲能力强、pH值变化不大的培养基。2.可在反应过程中加入弱酸或弱碱进行pH值的调节，进而合理地控制发酵条件，也可通过调整通风量来控制pH值。3.进行补料，既调节了培养液的pH值，又可补充营养，增加培养液的浓度和减少阻遏作用，进一步提高产率。4.采用酸性铵盐作为氮源时，由于NH4+被利用后，剩下的酸根会引起发酵液中的pH值下降，在培养液中可加入碳酸钙来调节pH值。5.根据pH值的变化可用流加氨水的方法来调节，同时又可把氨水作为氮源供给。6.以尿素作为氮源进行流加调节pH值。反应液中pH值的控制方法三.泡沫的影响和控制太多的泡沫给反应带来不利的影响1.使反应器的装填系数减少；2.造成大量逃液，导致产物的损失；3.泡沫“顶罐”有可能使培养基从搅拌的轴封渗出，增加了染菌的机会。4.由于泡沫的液位变动，以及不同生长周期微生物随泡沫漂浮，使微生物生长的环境发生了变化，影响了微生物群体的效果，增加了微生物群体的不均一性。5.影响了搅拌的正常进行，妨碍了微生物的呼吸。6.使微生物提早自溶。7.为了控制泡沫，需加入消泡剂。对产物的提取不利。微生物反应过程产生泡沫的原因1.由外界引进的气流被机械地分散形成2.反应过程产生的气体聚结生成的泡沫培养基的物理化学性质对泡沫形成的表面现象起决定作用，此外，培养基的温度、酸碱度、浓度等对过程的泡沫也有一定的影响。培养基中的蛋白质含量越多，反应液的黏度也越大，越容易起泡，泡沫多而且持久稳定。泡沫的控制化学消泡消泡机理：1.消泡剂是表面活性物质，降低气泡表面张力，使气泡破裂2.降低机械强度（降低液膜的弹性）3.降低膜表面的黏度。天然油脂类、高级醇类、聚醚类、硅酮类、氟化烷烃等生产中的一些用法：(1)通过机械搅拌，使消泡剂更易于分散在反应液中。(2)将消泡剂与载体一起使用，使消泡剂溶于或分散于载体中，比如用聚氧丙烯甘油作消泡剂时，以豆油为载体的消泡增效作用明显。(3)多种消泡剂并用可增强消泡作用。(4)使用乳化剂增强消泡剂的消泡作用，如消泡剂聚氧丙烯甘油用吐温-80为乳化剂的增效作用可提高1~2倍。机械消泡靠机械强烈振动和压力的变化，促使细胞破裂，或借助机械力将排出气体中的液体加以分离回收，从而达到消泡的作用。机械消泡的优点是不需在发酵液中加入其他物质，减少了由于加入消泡剂所引起的染菌机会和对后续分离的影响。但是机械效果不如化学消泡迅速、可靠、不能根本上消除引起稳定泡沫的因素，而且它还需要一定的设备和消耗一定的动力。罐内消泡、罐外消泡。液位电极控制消泡剂的流加液位电极是根据空气与带有发酵液的泡沫导电率不同的原理制造。采用双位式的控制方法，当反应物液面达到一定的高度时，自动打开消泡剂的阀门，当液面降回到正常时，自动关闭消泡剂的阀门。2020/2/1714第二节生物传感器传感器（电极或探头）：能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用信号的器件或装置，它通常由敏感元件、转化元件及相应的机械结构和线路组成。生物传感器：是利用酶、抗体、微生物等作为敏感材料，将所感受的生物体信息转换成电信号进行检测的传感器。2020/2/1715生物传感器的应用领域临床检测：葡萄糖85%，乳酸盐及其他4%，研究4%。药物：3%环境：2%食品：2%机器人、国防及其他：1%2020/2/1716生物传感器的结构和原理生物传感器的结构一般是在基础传感器(电化学装置）上再耦合一个生物敏感膜（称为感受器或敏感元件）。生物敏感膜紧贴在探头表面上，再用一种半渗透膜与被测溶液隔开。当待测溶液中的成分透过半透膜有选择地附着于敏感物质时，形成复合体，随之进行生化和电化学反应，产生普通电化学装置能感知的O2、H2、NH4+、CO2等，并通过电化学装置转换为电信号生物传感器的特点1)对被检测物质具有极好的选择性，噪音低。2)操作简单，需用样品少，能直接完成测定。3)经固定化处理后，可保持长期生物活性，传感器可经得住反复使用。4)能在短时间内完成测定。5)不要求样品具有透明度。6)主要缺点是寿命较短。2020/2/1718生物传感器的种类酶传感器微生物传感器免疫传感器细胞传感器组织传感器生物电子传感器2020/2/1719发酵工业中的传感器的特点1.传感器能安装在发酵罐内耐受高压蒸汽（120~135℃、30min以上）灭菌处理；2.传感器及二次仪表具有长期工作稳定性，在1~2周内其测定误差应小于5%；3.最好在使用过程中随时校正；4.材料不易老化，使用寿命长；5.传感器探头安装和使用方便；6.探头不易被物料粘住、堵塞；7.价格便宜2020/2/1720第三节生产过程中的染菌及其控制生物反应过程染菌的分析1.种子培养和发酵的异常现象种子培养异常异常的主要表现有菌体生长缓慢、菌丝结团、菌体老化以及培养液的理化参数变化。发酵异常主要表现在菌体生长速度缓慢，形态不粗壮或过早老化，以及糖、氮、pH、泡沫、发酵产物、发酵浓度等理化参数不正常。2020/2/1721发酵异常的原因主要有种子异常和发酵条件差两方面。菌体生长差pH值过高或过低泡沫过多菌体浓度过高或过低