发酵学发酵过程的检测与自控课件.pptVIP

第八章发酵过程的检测与自控

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v概述v一、直接参数检测v二、间接参数检测

概述v1.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。

具体目的：①了解过程变量的变化是否与预期的目标值相符；②决定种子罐移种和发酵罐放罐的时间；③对不可测变量进行间接估计；④对过程变量按给定值进行手动控制或自动控制；⑤收集建立数学模型必需的数据，通过过程模型实施计算机控制。

2.检测方法：从检测手段分可分为：在线检测参数：不经取样直接从发酵罐上安装的仪表上得到的参直接参数：直接数，如温度、pH、搅拌转速；测得——温度、pH、残糖等离线检测参数：取出样后测定得到的参数，如残糖、菌体浓度。间接参数：由直接参数经过计算得到，如摄氧率、KLa等

3.传感器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。

v2）对传感器的要求v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

v3）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

v4.检测参数（性质）物理参数：温度、搅拌转速、空气压力、空气流量、溶解氧、表观粘度、排气氧（二氧化碳）浓度等化学参数：基质浓度（包括糖、氮、磷）、pH、产物浓度、核酸量等生物参数：菌丝形态、菌浓度、菌体比生长速率、呼吸强度、基质消耗速率、关键酶活力等

物理参数参数名称温度单位测试方法意义、主要作用维持生长、合成oC传感器压力表传感器传感器传感器粘度计传感器传感器罐压Pa维持正压、增加溶氧供氧、排泄废气、提高KL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空气流量搅拌转速搅拌功率粘度V/V.minR/minKWPa.s透光度浊度泡沫体积氧传质系l/h数KLa间接计算反映供氧效率

化学、生物参数参数名称单位测试方法意义、主要作用pH传感器取样了解生长和产物合成了解生长和产物合成反映氧供需情况反映菌的代谢情况产物合成情况基质浓度g/ml溶解氧浓度氧化还原电位产物浓度传感器传感器取样mVg/mlPa尾气氧浓度传感器传感器取样了解耗氧情况尾气CO浓度%了解菌的呼吸情况了解生长情况2菌体浓度G/mlRNA、DNA含量Mg/gATP、ADP、AMPMg/g取样了解生长情况取样了解能量代谢活力了解菌的合成能力NADH含量摄氧率Mg/g取样gO/L.h间接计算了解耗氧速率间接计算了解比耗氧速率间接计算了解菌的代谢途径间接计算了解生长2呼吸强度呼吸商gO/g菌.h21/h比生长速率

一、直接参数检测（一）传感器检测v1.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。

v2.pH检测——pH电极v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v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。

pH电极测量原理pH电极实际上是由参比电极与指示电极组成的一个自发电池，该电池的参比电极的输出电位恒定，指示电极的输出电位随被测体系中氢离子活度而变化。因此整个自发电池的电动势就是被测体系中氢离子活度的函数。因此从电位差计的E值可测出pH值。

复合电极将两支电极都装在一根玻璃管中。工业上在线检测大都使用这种电极。它结构紧凑，便于安装。

v3.溶氧测定—溶氧电极v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。v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。

复膜氧电极的工作原理阴极由铂、银、金等贵金属组成，阳极由铅、锡、铝等组成。当给电极施加极谱电压（0