发酵学 第8章 发酵过程的检测与自控要点.ppt

本章主要内容 第一节 发酵过程的参数检测 第二节 发酵过程的自动控制 第一节 发酵过程的参数检测 概述 一、直接参数检测 二、间接参数检测 概述 1.检测目的 获得发酵过程的重要参数，以便于发酵过程的有效控制，高效利用微生物内在能力，低能耗、低物耗地最大限度生产发酵产品。 1）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。 2）对传感器的要求 传感器除了满足常规要求，诸如：可靠性、准确性、精确度、响应时间、分辨能力、灵敏度、测量范围、特异性、可维修性等，还应当满足一些特殊要求： 一般要求传感器能与发酵液同时进行高压蒸汽灭菌 其次是在发酵过程中保持无菌的问题 还有一个问题是传感器易被培养基和细胞沾污 3）传感器分类（测量方式） 离线传感器 在线传感器（原位传感器和在线传感器） pH传感器（电极）、溶氧传感器（电极）、氧化还原电位传感器、溶解二氧化碳传感器 一、直接参数检测 1.温度检测——温度电极 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。 2.pH检测——pH电极 微生物代谢状况的综合反映——基质代谢、产物合成、细胞状态、营养状况、供氧状况 一般采用可原位蒸汽灭菌的复合pH电极，其中包括一只玻璃电极和一只参比电极。 pH电极安装在专用外壳中，可连续指示罐内酸碱变化。 溶氧电极能耐高温，可以固定装在发酵罐上，连续地测量培养液中溶氧浓度。 使用一个可灭菌的不锈钢探头，表面由允许氧渗透进入电化学小室的材料构成。电化学小室内有浸在碱性水溶液中的两个电极，进入的氧在电化学小室内引发氧化还原反应并产生电动势，可以放大成表示溶氧浓度的信号。把溶氧浓度变成一个与之呈线性关系的电流量，进行测量。 cL=c*·DOT 式中 P——实际操作压力，Pa； c0*——在0.101325 MPa压力下的饱和溶氧浓度，mol／m3或mmol／L； c*——在实际操作压力P下的饱和溶氧浓度，mol／m3或mmol／L； cL——发酵液中溶氧浓度，mol／m3或mmol／L； DOT——溶氧传感器测量的溶氧压，％。 4.泡沫的控制——液位电极（消泡电极） 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。 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。 5.生物传感器 定义：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。 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 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)主要缺点是寿命较短。对蒸汽和化学灭菌不稳定 1.生物量检测 干细胞含量、DNA含量、过滤探头、粘度，压缩体积法（离心），静置沉降体积法，比浊法（适合于细菌、酵母） 2.尾气分析 红外CO2分析仪、顺磁O2分析仪 3.发酵液成分分析 高效液相、质谱 二、间接参数的检测 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。 本节主要内容 1、基本的自动控制系统 ①前馈控制 ②反馈控制 ③自适应控制 2、发酵自动控制系统的硬件组成 1、基本的自动控制系统 ①前馈控制： 通过动态反应快的变量测量来预测反应慢、易干扰的被控对象的变化，并提前实施控制。 如：通过冷却水压力（控制阀）控制温度变化。 对温度的控制，在系统中，冷却水的压力被测量但不控制，当压力发生变化时，控制器提前对冷却水控制阀发出动作指令，以避免温度的波动。 前馈控制的控制精度取决于干扰量的测量精度，以及预报干扰量对控制变量影响的数学模型的准确性。