第二节
生物传感器
传感器（电极或探头）：是一种检测装置，能 感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信 息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形 式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存 储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动 检测和自动控制的首要环节。 生物传感器：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。
2014-5-15 2
第一节 直接参数的检测和控制
一、温度的检测和控制
检测措施：通常采用水银温度计、热电阻传感器检测温度。 普遍采用的热电阻有铂电阻和铜电阻。 控制措施：在夹套或蛇管内通入冷却水加以控制。
2014-5-15
3
二、发酵热的测定：
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
微生物反应过程产生泡沫的原因：
1. 发酵通气。 2. 反应过程产生的气体聚结生成。 3. 培养基的物理化学性质温度、酸碱度、浓 度等。 4. 培养基中的蛋白质含量，反应液的黏度。
泡沫的控制：
化学消泡
消泡机理：
1.消泡剂是表面活性物质，降低气泡表面张力，使气泡破裂 2. 降低机械强度（降低液膜的弹性） 3.降低膜表面的黏度。 常用的消泡剂：天然油脂类、高级醇类、聚醚类、硅酮类、
反应液中pH值的控制方法：
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， 也可通过调整通风量来控制pH值。 3. 采用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。 4. 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。 5. 以尿素作为氮源进行流加调节pH值。20Leabharlann 4-5-15 20课后练习题


1、生化反应过程中主要控控制哪些参数？ 2、如何测定发酵热？ 3、引起反应液pH 值下降的主要原因有哪些？ 4、发酵过程中泡沫给反应会带来哪些不利影 响，如何控制？ 5、什么叫生物传感器、生物传感器的类型和 特点。
2014-5-15
21
课程设计 题目：SOD酶的制备 目的：发展学生的科学探究能力、提高学生的科学素养。 要求：设计的内容必须包括：调查该酶的基本性质、应 用情况；检测方法的确定； 粗酶制品的获得；酶粗品的精制；酶的鉴定。 评价标准：A、内容价值（20%）：是否贴近生活或生 产；是否有一定的实用价值； 是否解决了某个问题；
qf=mQ+1/Yq/X×μ+1/Yq/P(α+βμ)
三、pH的检测和控制
检测： pH玻璃电极； pH在线检测仪。
发酵过程中pH的变化规律：
①在微生物细胞的生长阶段，由于所用的微生物 菌种不同，相对于接种的初始pH值有上升或 下降趋势。 ②在生产阶段，一般反应液的pH值趋于稳定。 ③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值上升。
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。

Qf+Qagi－Qexch=0 Qf ——发酵热； Qagi——搅拌热； Qexch——冷却系统带走的热量，kcal/h；
Qf=mQX+1/Yq/X×dX/dt+1/Yq/P×dP/dt 假设：dP/dt×1/X=α+β×1/X×dX/dt
四、泡沫的影响和控制
太多的泡沫给反应带来的不利影响： 1. 使反应器的装填量减少； 2. 造成大量逃液，导致产物的损失； 3. 泡沫“顶罐”有可能使培养基从搅拌的轴封渗出，增加 了染菌的机会。 4. 由于泡沫的液位变动，以及不同生长周期微生物随泡 沫漂浮，使微生物生长的环境发生了变化，影响了微生 物群体的效果，增加了微生物群体的不均一性。 5. 使微生物提早自溶。 6. 为了控制泡沫，需加入消泡剂。
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. 生理性酸性物质的存在。
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，氮源过多，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。
氟化烷烃等
机械消泡
或借助机械力将排出气体中的液体加以分离回收，
——靠机械强烈振动和压力的变化，促使气泡破裂，
从而达到消泡的作用。
优点：是不需在发酵液中加入其他物质，减少了由 于加入消泡剂所引起的染菌机会和对后续分离的影 响。 缺点：不如化学消泡迅速、可靠、不能根本上消除 引起泡沫的因素，而且它还需要一定的设备和消耗 一定的动力。
2014-5-15 15
生物传感器的应用领域 临床检测：葡萄糖85%，乳酸盐及其他4%， 研究：4%。 药物：3% 环境：2% 食品：2% 机器人、国防及其他：<1%
2014-5-15
生物传感器的结构和原理
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
第七章 生物过程优化控制
2014-5-15
1
生化过程参数的分类
反映生化过程变化的参数分为两大类： 一、直接参数。包括各种反映物理环境和化学环 境变化的参数：如温度、压力、流量、搅拌功 率、转速、泡沫、黏度、浊度、pH、离子强 度、溶解氧和基质浓度等。 二、间接参数。包括细胞生长速率、产物合成速
率、呼吸熵等。
B、创造性（30%）：方法是否创新； C、可操作性（40%）；实验方法是否可行、是否科学； D、设计书的书写（10%）：原理是否明确、过程是否 详细、参考文献是否详实。
生物传感器的种类 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 生物电子传感器
2014-5-15 19
发酵工业中的传感器的特点
1. 传感器能安装在发酵罐内耐受高压蒸汽 （120~135℃、30min以上）灭菌处理； 2. 传感器及二次仪表具有长期工作稳定性，在 1~2周内其测定误差应小于5%； 3. 能在使用过程中随时校正； 4. 材料不易老化，使用寿命长； 5. 传感器探头安装和使用方便； 6. 探头不易被物料粘住、堵塞； 7. 价格便宜。
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、H+、
NH4+、CO2等，并通过电化学装置转换为电信号。
2014-5-15
17
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）能在短时间内完成测定。 5）不要求样品具有透明度。