第二章 生化过程参数在线检测技术课件.ppt

第二章 生化过程参数在线检测技术,主要内容：1.物理参数的测量2.pH值的测量3.溶氧浓度（DO）的测量4.O2和CO2分压测量及呼吸代谢参数的计算5.氧气体积传质系数KLa的测量6.细胞浓度的在线测量和比增值速率的计算7.生物传感器在发酵过程检测中的应用,2.1 概述,发酵过程的中间分析是生产控制的眼睛，它显示了发酵过程中微生物的主要代谢变化。因为微生物个体极微小，肉眼无法看见，要了解它的代谢状况，只能从分析一些参数来判断。这些代谢参数又称为状态参数，因为它们反映发酵过程中菌的生理代谢状况，如pH，溶氧，尾气氧，尾气二氧化碳，粘度，菌浓度等,2.1.1.代谢参数按性质分可分三类：物理参数：如温度、搅拌转速、压力、流加物流量、料液体积、质量、空气流量、表观粘度、流动特性、放热量等 化学参数：如基质浓度、氧化还原电位、pH、排气O2（CO2）分压、溶解氧、溶解CO2、KLa、产物浓度、核酸量等 生物参数：如菌丝形态、菌浓度、菌体比生长速率、呼吸商（RQ）、基质消耗速率、关键酶活力等,2.1.2.从检测手段分可分为：直接参数、间接参数 直接参数：通过仪器或其它分析手段可以 测得的参数，如温度、pH、残糖等 间接参数：将直接参数经过计算得到的参 数，如摄氧率、KLa等,2.1.3.直接参数又可分为:在线检测参数、离线检测参数 在线检测参数：指不经取样直接从发酵罐 上安装的仪表上得到的参数，如温度、pH、搅拌转速；离线检测参数：指取出样后测定得到的参 数，如残糖、残氮、菌体浓度。,参数在线测定的优点及问题,优点：主要是及时、省力，且可从繁琐操作中解脱出 来，便于用计算机控制。问题：发酵液的性质复杂。一般培养液中同时存在三 相，即液、气、固体不溶物或油；发酵要求纯种培养，培养基和有关设备需用高 压蒸汽灭菌。因而要求使用的传感器能耐蒸汽 灭菌，这给各种传感器的制造带来很大的困难。,2.2 发酵过程主要分析的参数,2.2.1 物理参数（1）温度指发酵整个过程或不同阶段所维持的温度。温度的高低与下列参数有密切关系发酵中的酶反应速度菌体生长速度，产物合成速度氧在培养液中的溶解度，传递速度,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。,发酵热的成分生物热：微生物生长繁殖过程中的产热搅拌热：机械搅拌造成的摩擦热蒸发热：被通气和蒸发水分带走的热量辐射热：发酵罐罐体向外辐射的热量显 热：空气流动过程夹带着的热量Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q显-Q辐射,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)/V Q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=(0.1060.124)QO2(1/10)QO2 QO2-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(0.1060.124)QO2,(5)热力学方法：根据盖斯定律：“在恒压和恒容条件下，一个反应不论是一步完成或几步完成，其反应热是相同的”。这实际上是热力学第一定律的必然推论，因为焓（H）是状态函数，过程的焓变与途径无关，只决定于过程的始态和终态。发酵热可根据标准燃烧热或标准生成热来计算。,（2）罐压指发酵罐维持的压力。罐内维持正压，可防止外界空气中杂菌的侵入，保证纯种培养。罐压的高低与氧，CO2在培养液中的溶解度有关，间接影响菌体代谢。罐压一般维持在0.020.05MPa。罐压测量：压力表、压力传感器 就地指示；转变为电信号（远传）。选测、控点时，要避免死角，防止染菌。,（3）搅拌转速是指搅拌器在发酵罐中转动速度。搅拌转速大小与发酵液的均匀性和氧在发酵液中的传递速率有关。,搅拌转速和搅拌功率的测量 搅拌转速：磁感应式，光感应式，测速电机；搅拌功率：（影响因素：菌丝浓度、黏度、泡沫）方法：功率表，测定力矩求功率法。,（4）搅拌功率指搅拌器搅拌时所消耗的功率，常指每立方米发酵液所消耗的功率（kW/m3）。它的大小与溶氧传递系数KLa有关。,（5）空气流量指单位时间内单位体积发酵液通入空气的体积。它的大小与氧的传递和其它控制参数有关。一般控制在0.11.0vvm之间,空气流量测定体积流量型：会引起流体能量损失，受温度和压力变化的影响；同心孔板压差式流量计；转子流量计。质量流量型：根据流体固有性质（质量、导电性、热传导性能）设计的流量计。,（6）黏度粘度大小可作为细胞生长或细胞形态的标志之一。在发酵过程中通常用表观粘度表示。粘度的大小可改变氧传递的阻力。粘度的大小可表示相对菌体浓度。,发酵液粘度测定 毛细管粘度计 回转式粘度计 涡轮旋转粘度计,（7）料液计量与液位控制 压差法：H=（P2/P1）H 直接重量测量法：直接称重 体积计量法：计算进出料液 流量计量法：计算流量和时间 液位探针,（8）排气氧、排气CO2,排气氧的浓度表征了进气的氧被微生物利用以后还剩余的氧。排气CO2反映了微生物代谢的情况，因为微生物摄入的氧并不是全部变成CO2的，有的进入代谢中间物分子，进入细胞或产物，因此消耗的氧并不等于排出的CO2；此外，含氧的有机物降解后会产生CO2，使排气CO2大于消耗的氧。,a）溶解二氧化碳测量 复膜式电极法 渗透膜碳酸氢钠法b）发酵尾气的在线分析 CO2分析 氧浓度测量（如质谱分析仪）,2.2.2 化学参数,（1）pH计工作原理pH=-lgH+pH测量：玻璃电极、参比电极（Ag/AgCl,汞、甘汞）（2）pH计的使用校准维护：清洗、储存,微生物反应过程中pH的变化具有一定规律。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 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。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.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,（2）基质浓度,指发酵液中糖、氮、磷与重要营养物质的浓度。基质浓度的变化对产生菌的生长和产物的合成有重要影响，也是提高代谢产物产量的重要控制手段。,糖含量,微生物生长和产物合成与糖代谢有密切关系。糖的消耗反映产生菌的生长繁殖情况、产物合成的活力。菌体生长旺盛糖耗一定快，残糖也就降低得快。通过糖含量的测定，可以控制菌体生长速率，可通过补糖来调节pH，促进产物合成。糖含量测定包括总糖和还原糖。总糖：指发酵液中残留的各种糖的总量。如发酵中的淀粉、饴糖、单糖等各种糖。还原糖：指含有自由醛基的单糖，通常指的是葡萄糖。,氨基氮和氨氮,氨基氮指有机氮中的氮（NH2-N），如氨基酸中的氮，黄豆饼粉、花生饼粉中都有有机氮。氨氮指无机氨中的氮（NH3-N）。氮利用快慢可分析出菌体生长情况、含氮产物合成情况。但是氮源太多会促使菌体大量生长。有些产物合成受到过量铵离子的抑制，因此必须控制适量的氮。通过氨基氮和氨氮的分析可控制发酵过程，适时采取补氨措施。发酵后期氨基氮回升，这时就要放罐，否则影响提取过程。,磷含量,微生物体内磷含量较高，培养基中以磷酸盐为主，发酵中用来计算磷含量的是磷酸根。磷是核酸的组成部分，是高能化合物ATP的组成部分，磷还能促进糖代谢。因此磷在培养基中具有非常重要的作用，如果磷缺乏就要采取补磷措施。但是在某些次生代谢产物发酵过程中，磷浓度过高会抑制产物的合成。,（3）DO浓度,氧是微生物体内一系列细胞色素氧化酶催化产能反应的最终电子受体，也是合成某些产物的基质。利用DO浓度的变化，可以了解微生物对氧利用的规律，反映发酵的异常情况，是一个重要的控制参数。,氧是制约发酵进行的重要因素氧难溶于水，培养基中贮存的氧量很少；【纯氧溶纯水，1.26mmol/L；空气氧溶纯水，0.25；培养基更低】高产株和加富培养基的采用以及发酵周期的缩短 加剧了对氧的需求；形成产物的最佳氧浓度和生长的最佳氧浓度有可 能是不同的；发酵罐中氧的吸收率很低；（多数 2%；通常 1%）加大通气量会引起过多泡沫；消泡剂不利于氧的溶解。,（一）溶解氧CL的测定原理与方法,化学法极谱法复膜氧电极法,（1）化学法,原理：在样品中加入硫酸锰和碱性KI溶液，生成氢氧化锰沉淀，与溶解氧反应生成锰酸锰，再在反应液中加入H2SO4,释放出游离的碘，然后用标准Na2S2O3液滴定。MnSO4+2NaOH Mn(OH)2 十Na2SO4 2Mn(OH)2+O2MnO(OH)2 MnO(OH)2+Mn(OH)2MnMnO3+2H2O MnMnO3+3H2SO4+2KI2MnSO4+I2+3H2O+H2SO4 I2+2Na2S2O32NaI十Na2S4O6,优点：测定较准确，且能得到氧的浓度值。缺点：当样品中存在氧化还原性物质，测定结果会有偏差；当样品带有颜色时，会影响测定终点的判断，故不适合测定发酵液的溶解氧浓度。,（2）极谱法,原理：给浸在待测液体中的贵金属（Pt）阴极和参考(Ag)电极（阳极）加上直流电压，当电解电压固定在0.8V左右时，与阴极接触的液体中的溶解氧发生如下氧化还原反应而被消耗，酸性时 O2+2H+2e H2O2 中性或碱性时 O22H2O+2e H2O22OH,原理：阴极表面与液体的主体之间存在氧的浓度差，于是液体主体的溶解氧就会扩散到阴极的表面参加电极反应，使电路中维持一定的电流。当氧的扩散过程达到稳定状态时，溶解氧浓度与测得的扩散电流成正比。,氧浓度与扩散电流的关系,阴极表面极易被污染，影响重现性，所以一般采用滴汞电板作为阴极，阳极则可用甘汞电极。如果样品中含有其它的氧化还原性物质会影响电极反应，从而影响到该法的准确性，使测定结果有误差。,复膜氧电极类型：极谱型；原电池型原理：复膜氧电极测得的实际为氧从液相主体到阴极的扩散速率。当扩散过程达到稳定状态时，单位面积氧的扩散速率为：no2=kL(PL-P1)=km(P1-P2)=ke(P2-Pc)=K(PL-Pc)根据Faraday定律，原电池型氧电极的稳定电流为：i=4FAno2=4FAK(PL-Pc)=KPL 溶氧电极测定的实际是液体中的氧分压,（3）复膜氧电极法,c,复膜氧电极示意图,（a）极谱型（b）原电池型,溶氧电极的使用,搅拌的影响 可提高氧跨膜传质系数温度的影响 温度变化影响氧扩散速率压力的影响 影响氧电极读数校准 线形校准，零点和斜率的调节,（二）氧气和CO2分压的测量及呼吸代谢参数的计算1 氧分析仪,工作原理,2.尾气中CO2分压的检测,原理：在近红外波段CO2气体的吸收造成光强度的衰减，其遵循朗伯-比尔定律：式中，I0,I-入射光强度和衰减后光强度 a-光吸收系数 cCO2-CO2气体的浓度，%,（三）呼吸代谢参数的计算,(1)呼吸强度（比耗氧速率）QO2：单位质量干菌体在单位时间内消耗氧的量。单位：mmolO2/（kg干菌体h）。(2)摄氧率（耗氧速率,OUR）：单位体积培养液在单位时间内消耗氧的量。单位：=QO2x x细胞浓度，kg(干重)/m3,（3）CO2释放速率(CER，Carbon Dioxide Emitting Rate)：单位时间、单位发酵液体积内细胞释放的CO2 量，称为CO2释放速率或CO2生成率。（4）呼吸商(RQ,Respiratory Quotient)CO2释放速率与氧消耗速率的比值，即,1.摄氧率的测定原理与方法,瓦氏呼吸仪法物料衡算法氧电极法,（1）瓦氏呼吸仪法,通过测压计测定密闭三角瓶的压力变化速率即氧的消耗速率，根据培养液体积计算摄氧率。,（2）物料衡算法,稳态时，,（3）氧电极法,如果在某一时刻停止向发酵液通气，而维持原来的搅拌转速，则,（CLCcr）,2.CO2释放速率,可由系统内CO2的动态质量平衡估计,整理后，可得,稳态时，,3.呼吸商,（四）KLa的测定原理与方法,亚硫酸盐氧化法取样极谱法物料衡算法动态法排气法复膜电极法,（1）亚硫酸盐氧化法,原理利用亚硫酸根在铜或镁离子作为催化剂时被氧迅速氧化的特性来测定发酵设备的氧传递系数。当亚硫酸钠浓度为0.0180.5kmol/m3、温度在2045之间，反应速度与亚硫酸钠浓度无关。用碘量法测定Na2SO3 消耗的速率，即可求得氧传递速率OTR,再由式OTR=KLaC*求出 KLa。,2Na2SO3+O22Na2SO4H2O+Na2SO3+I2Na2SO4+2HI 2Na2S2O3+I2Na2S4O6+2NaI亚硫酸盐氧化法值Kd,优点氧溶解速度与亚硫酸盐浓度无关，且反应速度快，不需特殊仪器。缺点不及极谱法准确；只能评价发酵罐的传氧性能，且工作容积在4-80L以内才较准确可靠；不能对发酵过程实测，Na2SO3对微生物生长有影响，且发酵液的性质影响氧的传递。,（2）取样极谱法,原理：当电解电压为0.61.0V时，扩散电流的大小与液体中溶解氧的浓度呈正比关系。由式 求得KLa 优点：可以测定培养状态下发酵液中的溶解氧浓度，进而可计算出溶氧系数。缺点：样品取出发酵罐后，外压自罐压降至大气压，测得的氧浓度已不准确，且在静止条件下所测得的QO2与在发酵罐中的实际情况不完全一致，因而误差较大。,极谱法工作曲线,(3)物料衡算法,对发酵液中的氧进行物料衡算,稳态时,于是,对大型发酵罐，可用平均推动力,（4）动态法,原理 发酵过程中停止通气片刻，人为制造一个不稳定状态来求KLa。不稳定状态时发酵液中某一时间间隔的溶氧量为：可改写为,停气t1,C1 C2,=QO2x=通气t2，C2 C1，将CL对 作图可得一直线，斜率为1/KLa,在CL轴上截距为C*.,停气和通气后培养液中溶氧浓度的变化情况,利用动态过程测得的数据求出KLa和C*,优点：可以测定真实培养状态下发酵液中溶解氧浓度，并可计算出溶氧系数。缺点：人为停止通气后的情况与在发酵罐中连续通气的实际情况会有一定的差异，而且停止通气会影响微生物的正常生长，因而存在一定的误差。,（5）排气法,原理 在被测定的发酵罐中先用氮气赶去液体中的溶解氧或装入已除去溶解氧的0.1mol/L的KCl溶液，当开始通气及搅拌后，定时取样用极谱仪或其它溶氧测定仪测出溶氧浓度CL，同时通过将CL对t作图求出溶液中饱和的溶氧浓度 C*.以 对t标绘即可得一直线，KLa=-2.303斜率,排气法测定溶氧系数的曲线,缺点结果不真实，不能代表发酵过程中的实际情况，也不能反映当时发酵液的特性，同时也没有考虑到氧浓度差C对KLa的影响。,（6）复膜电极法,利用复膜电极可在发酵过程中测定发酵液的溶解氧浓度、微生物菌体的耗氧速率及溶氧系数KLa，这样测出的溶解氧浓度、微生物菌体的耗氧速率及溶氧系数可代表发酵过程中的实际情况，是比较理想的测定方法，也是目前较为常用的方法。,2.2.3 生物参数,（1）菌浓度和菌形态 菌形态和菌浓度直接反映菌生长的情况。菌形态：显微镜观察 菌浓度：是衡量产生菌在整个培养过程中菌体量的变化，一般前期菌浓增长很快，中期菌浓基本恒定。补料会引起菌浓的波动，这也是衡量补料量适合与否的一个参数。,(2)菌浓测定方法：压缩体积法（离心）静置沉降体积法干重法光密度测定法荧光测量排气分析法热量恒算法酶电极法恒电位电极法,全细胞浓度法,活细胞浓度法,（3）产物浓度 物理方法 化学方法 生物方法,（4）比速率 比菌体生长速率,比底物消耗速率,比产物生成速率,2.2.4.间接参数检测,1）数据处理2）间接数据的获得 质量传递速率:OTROUR(氧吸收率)=QO2X 组分比率（呼吸商RQ：形成的CO2与耗O2之比）质量传递系数：如氧：W=OTR=KL（C*-CL）热传递系数：QC=Fin H0,in-FoutH0,out 其他间接参数:如搅拌功率、叶尖速度、发酵液体积等。,