华东理工大学：《发酵工程 Fermentation Engineering》课程教学资源（PPT课件讲稿）第七章 发酵过程的代谢控制（7.3）微生物培养过程的参数检测

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发冠程搜带 令微生物培养过程的参数检测 第三节微生物培养过程的参数检测 黑箱 参数检测 →>灰箱 检测仪器:气相色谱、高效液相、离子色谱、 双向电泳、毛细管电泳、红外光谱、基因测序仪等 检测代谢中间物,分析代谢流向、RNA检测 参数在线检测 在线检测必须用专门的传感器(也叫电极或探头) 放入发酵系统,将发酵的一些信息传递出来,为发酵控 制提供依据。 http://biotech.ecust.educn/jpkc/figc

http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc 第三节 微生物培养过程的参数检测 在线检测必须用专门的传感器（也叫电极或探头） 放入发酵系统，将发酵的一些信息传递出来，为发酵控 制提供依据。 黑箱 ⎯⎯⎯→ 灰箱 参数检测 检测仪器：气相色谱、高效液相、离子色谱、 双向电泳、毛细管电泳、红外光谱、基因测序仪等 检测代谢中间物，分析代谢流向、RNA检测 一 参数在线检测 发酵过程控制 ❖微生物培养过程的参数检测

发冠程搜带 令微生物培养过程的参数检测 由于微生物培养过程是纯培养过程,无菌要求高, 因此对传感器有特殊要求 插入罐内的传感器必须能经受高压蒸汽灭菌 (材料、数据) ●传感器结构不能存在灭菌不透的死角,以防染 菌(密封性好) ●传感器对测量参数要敏感,且能转换成电信号 (响应快、灵敏) ●传感器性能要稳定,受气泡影响小。 http://biotech.ecust.educn/jpkc/figc

http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc 由于微生物培养过程是纯培养过程，无菌要求高， 因此对传感器有特殊要求： ⚫ 插入罐内的传感器必须能经受高压蒸汽灭菌 （材料、数据） ⚫ 传感器结构不能存在灭菌不透的死角，以防染 菌（密封性好） ⚫ 传感器对测量参数要敏感，且能转换成电信号。 （响应快、灵敏） ⚫ 传感器性能要稳定，受气泡影响小。 发酵过程控制 ❖微生物培养过程的参数检测

发冠程搜带 令微生物培养过程的参数检测 带计算机数据采集与控制的生物反应系统 水 且汁F L∵A ⊥控了粒 汽却术 上位机 React LRLUrXI 单还、 http://biotech.ecust.educn/jpkc/figc P188

http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc 带计算机数据采集与控制的生物反应系统 P188 发酵过程控制 ❖微生物培养过程的参数检测

发冠程搜带 令微生物培养过程的参数检测 原理:化学或物理信号 电信号 放大 记录显示仪 控制器(与设定参数比较) 发出调节信号 控制器动作 http://biotech.ecust.educn/jpkc/figc

http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc 原理：化学或物理信号 电信号 放大 记录显示仪 控制器（与设定参数比较） 发出调节信号 控制器动作 发酵过程控制 ❖微生物培养过程的参数检测

发冠程搜带 令微生物培养过程的参数检测 介绍几种常用的在线检测的传感器及其工作原理 ●pH电极 ●溶氧电极 它们是基础电极,以它们为基础可以制作各 种离子电极和酶电极 http://biotech.ecust.educn/jpkc/figc

http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc 介绍几种常用的在线检测的传感器及其工作原理 ⚫pH电极 ⚫溶氧电极 它们是基础电极，以它们为基础可以制作各 种离子电极和酶电极 发酵过程控制 ❖微生物培养过程的参数检测

发冠程搜带 令微生物培养过程的参数检测 (一)pH测量 pH值的测量在生物反应中普遍进行,对于生物过 程控制是一个非常重要的参数 1、pH的定义 影响化学平衡的往往是活度,而不是浓度,但对 于稀溶液为了避免在氢离子活度很小时表达方式 上的麻烦 引进pH=1g[H+] [H+]=0.0001时用pH5表示 http://biotech.ecust.educn/jpkc/figc

http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc （一） pH测量 pH值的测量在生物反应中普遍进行，对于生物过 程控制是一个非常重要的参数。 1、pH的定义 影响化学平衡的往往是活度，而不是浓度，但对 于稀溶液为了避免在氢离子活度很小时表达方式 上的麻烦 引进pH=-lg[H+] [H+]=0.00001时 用pH5表示 发酵过程控制 ❖微生物培养过程的参数检测

发冠程搜带 令微生物培养过程的参数检测 2、pH测量方法 pH试纸 pH电极 pH试纸曾经是一种广泛采用的方法 优点:方便,易操作 缺点:它主观性较强 质量差异,不同厂家不同批号的pH试纸测 出的pH值会有较大的差别,有时甚至达0.51。 对于一些要求较高的场合就适用 http://biotech.ecust.educn/jpkc/figc

http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc 2、pH测量方法 pH试纸曾经是一种广泛采用的方法 优点：方便，易操作 缺点：它主观性较强 质量差异，不同厂家不同批号的pH试纸测 出的pH值会有较大的差别，有时甚至达0.5~1。 对于一些要求较高的场合就适用 pH试纸 pH电极 发酵过程控制 ❖微生物培养过程的参数检测

发冠搜带 令微生物养过程的参检测 (1)pH电极测量原理 pH电极实际上是由参比电极与指示 AE 电极组成的一个自发电池,该电池 的表达式可写为 示电极 参比电蚍 参比电极溶液X指示电极 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 放菡液 电池的电动势就是被测体系中氢离 子活度的函数。 la -Eo. RT n1/ aH =E-2.303 pH 式中E对某一给定电极为常数,是温度的函数,因此从 电位差计的E值可测出pH值。 http://biotech.ecust.educn/jpkc/figc

http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc （1）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 的表达式可写为： 参比电极 溶液X 指示电极 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。 E[α]=E0 - ln1/ =E0 -2.303 pH F RT aH + F RT 式中E0对某一给定电极为常数，是温度的函数，因此从 电位差计的E值可测出pH值。 发酵过程控制 ❖微生物培养过程的参数检测

发冠程搜带 令微生物培养过程的参数检测 5 参比电极 (3) 甘汞电极(a)232型(b)217型 1一导线;2一加液口;3-KC溶液;4一素烧瓷芯;5一铂丝;6 Hg: 7--Hg2 Cl2 般的参比电极是甘汞电极。电极的外壳是玻璃管,里面套一根小 玻璃管,其顶部伸出电极引线,引线的下端浸没在汞中,汞的下端 有糊状甘汞,汞和甘汞用棉花堵住,只有离子才能通过,而汞和甘 汞不会漏失,小管和大管之间充满Kc溶液,末端用多孔陶瓷渗入 到溶液中,实现电极引线与溶液间的电导通。 http://biotech.ecust.educn/jpkc/figc

http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc 甘汞电极（a）232型（b）217型 1－导线；2－加液口；3-KCl溶液；4－素烧瓷芯；5－铂丝；6－ Hg；7－Hg2Cl2 一般的参比电极是甘汞电极。电极的外壳是玻璃管，里面套一根小 玻璃管，其顶部伸出电极引线，引线的下端浸没在汞中，汞的下端 有糊状甘汞，汞和甘汞用棉花堵住，只有离子才能通过，而汞和甘 汞不会漏失，小管和大管之间充满KCl溶液，末端用多孔陶瓷渗入 到溶液中，实现电极引线与溶液间的电导通。 ◆ 参 比 电 极 发酵过程控制 ❖微生物培养过程的参数检测