第七章发酵过程参数检测与控制
第七章发酵过程参数检测与控制
一、测定元件(传感器)
➢ 发酵传感器 传感器（发酵罐） 标准电信号仪表显示或传送给计
算机 ① 离线传感器 ② 在线传感器 ③ 原位传感器
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生物量
浊度法
入射光细胞散射
荧光法
细胞NADH被紫外激发
溶氧 复膜氧探头 氧在电极转移产生电流
气相C变气O相量2 成分测CO量2红质方外普法分析离仪子测化量后CO原2理吸收红外光
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二、发酵过程参数检测的特点
➢ 发酵过程参数检测的难点： 1. 耐热、经受高温灭菌； 2. 菌体等固形物干扰； 3. 气泡干扰； 4. 密封及死角； 5. 化学成分的信号转换，等、
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第二节 发酵检测系统的基本组成
一．测定元件(传感器) 二．变送器与过程接口 三．监控计算机 四．执行机构和转换器
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直接参数又可分为在线检测参数和离线检测参数 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、NH2-N、菌体浓度。
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（一）物理参数
温度(℃)（温度计或温度传感器） 压力(Pa)：罐压一般0.2×l05～0.5×l05Pa
第七章 发酵过程参数检测与控制
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菌体 培养基 通气、搅拌 无菌状态 培养条件等
发酵过程
发酵控制
控制
发酵液
取样
测定各种参数
执行机构
调节指令
分析判断
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测定发酵过程中参数，以便对此过程进行有效的控制。 检测的目的： 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通过过程模型实施计算机控制； ⑥收集认识和发展过程(包括建立数学模型)所必需的数据。
pH 温玻度璃电铂极电阻 电极对电氢阻离随子温特度异变反化应
细胞形压态力 热隔敏射膜电像阻显微镜电直阻接显随感微温受射度像变技化术
气体流量 压热敏质电量阻流量计电阻随压气力体变带化走热与流量成正比
基质和代谢物
HPLC
对各成分分析
溶CO2 液体流量 气相氧
CO2探头 通过扩散引起电解液pH变化
蠕动泵
转速与流量正比
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（二）化学参数
1、pH(酸碱度) （取样或在线）
2、基质浓度(mg或％) ： （1）糖的浓度：总糖和还原糖（斐林试剂法） （2）氮的测定：凯氏定氮或甲醛法 （3）磷酸盐的测定
3、溶解氧浓度(ppm或饱和度，％) 测定相对溶氧浓度，以未加菌种的培养基中溶氧浓度 (100％)和以饱和Na2SO3的培养基中的溶氧浓度(0％)为 基准。
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第一节 发酵过程参数检测概述
一、发酵过程的主要控制参数 代谢参数按性质分可分三类： 物理参数： 化学参数： 生物参数：
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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
1mg链霉素碱（纯）＝1000U （2）重量单位：产物重量／ml发酵液
链霉素1mg=1U
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5、废气中的氧浓度(Pa) 6、废气中的CO2浓度(％) 7、DNA含量 8、关键酶
青霉素发酵：酰基转移酶 链霉素发酵：转脒基酶 红霉素发酵: 丙酸酯酶
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（三）生物参数
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二、变送器与过程接口
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三、控制部分（监控计算机 ）
（一）开关(on-off)控制
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（二）比列、积分、微分组合控制
2. PID控制 当控制负荷不稳定时，可采用
比例(P)、积分(I)、微分(D) 控制算法，简称为PID控制 比例（Proportional） 积分（Integrating） 微分（Differentiation）
作用：（1）防止杂菌 （2）提高饱和溶氧浓度 表示单位：Kg/cm2 或 MPa (1MPa=106Pa=9.868atm) 搅拌转速(r／min) 10L：200－1200r/min 10000L：25－200r／min 搅拌功率：常指每立方米发酵液所消耗的功率(kW／m3) 一般2－4KW／m3 空气流量：一般控制在0.5—1.0V／(V·min) 绝对流量(L/min或m3/h)和相对流量（每分钟单位体积发酵 液进入空气的量） 粘度(Pa·s)：表观粘度 浊度(％) ：单细胞微生物 料液流量(L／min)
1、菌丝形态：以产黄青霉为例 （1）分生孢子发芽－芽管 （2）菌丝繁殖成分枝状，染色深，末期出现脂肪小颗粒 （3）菌丝呈网状，粗壮，染色深，出现较多脂肪小颗粒， 无空泡 （4）菌丝变细，染色变浅，出现中小空泡 （5）出现中大型空泡，脂肪颗粒消失 （ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ）菌体断裂，模糊，染色变浅
2、菌体浓度 （1）菌体干重 （2）菌体湿重 （3）菌体湿体积
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4、产物的浓度(mg(u)／m1) （1）效价单位：发酵液中含有抗生素的效价单位数
/ml（U／ml） U：在50ml肉汤培养基中能抑制标准金黄色葡
萄球菌的青霉素最小剂量为一个青霉素单位。 1mg青霉素钠盐（纯品）＝1667单位
链霉素单位：在50ml肉汤培养基中能抑制大肠杆 菌生长的最小链霉素剂量为一个单位。
顺磁氧分析仪
磁场强度变化
搅拌转速 频率计数器 光反射计数
转速表
感应电流与转速正比
粘度 旋转黏度仪 剪应力/剪速
泡沫 电导或电容 探头与液面及电磁阀成回路
体积 压差传感器 静压差与液深度正比 第七章发酵过程参数检测与控制
对传感器的要求
(1)可靠性：物理强度、故障的频率及方式 (2)准确性：误差 (3)精确度：重复率 (4)响应时间： (5)分辨能力： (6)灵敏度 (7)测量范围 (8)特异性 (9)可维修性 (10)发酵过程对传感器的特殊要求