间接参数检测要点.ppt

第三章 间接参数检测 第一节 概述 在生物反应过程中许多的关键参数，如产物浓度、底物浓度等在工业上还没有在线可检测的传感器，而这些参数在生物反应过程的控制和优化操作中又非常重要。为了获得这些有用的信息，在科学研究上和工业生产上往往用间接测量的方法，即用其他可测量的参数，通过有关模型进行推断估计，这种测量方法有时又称为软测量（模型测量）。因为这种测量方法要用多个参数和模型通过计算才能获得有用的信息。本章将介绍间接参数测量的一些基本方法。 目前较常测定的参数有温度、罐压、空气流量、搅拌转速、pH、溶氧、基质浓度、菌体浓度(干重、离心压缩细胞体积%)等。 不常测定的参数有氧化还原电位、粘度、尾气中的O2和CO2含量等。 参数测定方法有： 在线测定 取样测定（离线测定） 主要间接参数 根据发酵液的菌体量和单位时间的菌浓、溶氧浓度、基质浓度和产物浓度等参数的变化值，可分别计算出菌体的比生长速率、氧的比消耗速率、基质的比消耗速率和产物比生产速率。 1 氧利用率(OUR, oxygen utilization rate) 以单位时间、单位发酵液体积内细胞消耗的氧量表示的氧利用速率，可以根据氧的动态质量平衡进行估算。在发酵过程中氧既连续进入系统，也连续排出系统，因此氧的平衡可以表示为：氧在系统内的变化率，等于氧进入系统的速率减去氧排出系统的速率和氧在系统内的消耗速率。 3 二氧化碳释放率(CER, carbon dioxide evolution rate) 在单位时间、单位发酵液体积内细胞释放的二氧化碳量，叫二氧化碳释放速率或称二氧化碳生成率，他可以有系统内二氧化碳的动态质量平衡进行估算。这一平衡为二氧化碳在系统内的变化等于在系统内产生的速率加上二氧化碳进入系统的速率减去二氧化碳排出系统的速率。 4 呼吸商（RQ, respiration quotient) 二氧化碳释放速率除以氧消耗速率所得到的商叫呼吸商。呼吸商是各种碳能源在发酵过程中代谢状况的指示值，在碳能源限制及供氧充分的情况下，各种碳能源都趋向完全氧化。 1 亚硫酸盐氧化法 （1） 原理 利用亚硫酸根在铜或镁离子作为接触剂时被氧迅速氧化的特性来估计发酵设备的通气效果。 当亚硫酸盐浓度为0.018～0.47mol/L，温度20～45℃之间时，与氧反应的速度几乎不变，用碘量法测定未经氧化的亚硫酸钠，便可根据亚硫酸钠的氧化量来求得氧的溶解量。 2 取样极谱法 原理：当电压为0.6~1.0V时，其扩散电流的大小随液体中溶解氧的浓度呈正比变化。 4 复膜电极测定ＫＬα 和 氧分析仪测定ＫＧα 原理：用能透过氧分子的薄膜将电极系统与被测定溶液分离开来，避免外界溶液的性质及通风搅拌所引起的湍动对测定的影响。 两种常用的连续培养器 (1)恒浊器(turbidostat) 这是根据培养器内微生物的生长密度，并借光电控制系统来控制培养液流速，以取得菌体密度高、生长速度恒定的微生物细胞的连续培养器。在这一系统中，当培养基的流速低于微生物生长速度时，菌体密度增高，这时通过光电控制系统的调节，可促使培养液流速加快，反之亦然。 在恒浊器中的微生物，始终能以最高生长速率进行生长，并可在允许范围内控制不同的菌体密度。在生产实践上，为了获得大量菌体或与菌体生长相平行的某些代谢产物如乳酸、乙醇时，都可以利用恒浊器。 (2)恒化器(chemostat或bactogen) 恒化器是一种使培养液流速保持不变，并使微生物始终在低于其最高生长速率条件下进行生长繁殖的一种连续培养装置。 在恒化器中，一方面菌体密度会随时间的增长而增高，另一方面，限制生长因子的浓度又会随时间的增长而降低，两者互相作用的结果，出现微生物的生长速率正好与恒速流入的新鲜培养基流速相平衡。这样，既可获得一定生长速率的均一菌体，又可获得虽低于最高菌体产量，却能保持稳定菌体密度的菌体。 恒化器主要用于实验室科学研究中，尤其用于与生长速率相关的各种理论研究中。 恒化器示意图 操作 反应原理： 剩余的亚硫酸根与过量的碘反应： 再用Na2S2O3滴定剩余的碘： ①将一定温度（20～45℃）的自来水加入实验罐，加入化学纯的Na2SO3晶体，使亚硫酸根约为1M，再加化学纯的CuSO4晶体，使Cu2+浓度约为10-9 M，待完全溶解后，开阀通气，空气阀一开就接近预定流量。当气泡从喷管中冒出的同时，立即计时,氧化时间控制在5～20min。 （2）计算方法: N：体积溶氧系数 S：取样量 C：硫代硫酸钠浓度mol/L t：两次取样的时间间隔 P：发酵罐的罐压 ②实验前后各用移液管取10～100mL样液，立即移入新吸取的过量标准碘液中，以淀粉为指示剂，用Na2S2O3标准液滴定至终点 操作：将从