生化过程参数的检测和控制概要.ppt

第七章生化过程参数的检测和控制教学时数：4学时教学目的与要求：了解生化过程参数的分类及生物传感器的种类及特点，能利用生物传感器对生化反应中的直接参数进行检测，并通过参数判断生产过程是否染菌，掌握杂菌染菌的途径及挽救；教学重点：直接参数的检测、生产过程中的染菌及其控制；教学难点：直接参数的检测、生产过程中的染菌及其控制。本章主要内容教学时数：4学时教学目的与要求：了解生化过程参数的分类及生物传感器的种类及特点，能利用生物传感器对生化反应中的直接参数进行检测，并通过参数判断生产过程是否染菌，掌握杂菌染菌的途径及挽救；教学重点：直接参数的检测、生产过程中的染菌及其控制；教学难点：直接参数的检测、生产过程中的染菌及其控制；在发酵工业中，除了要考虑已接种的微生物本身的特殊需要外，由于产品的要求还应适当考虑培养基的组成、pH值、温度、水分、氧气、杂菌污染等条件。这些条件的变化反映了发酵过程的动态。人们在实践中，正是通过观察和控制这些工艺条件从而控制和完成发酵过程。当然，这些条件之间是相互联系的、相互影响的，认真研究发酵产物的调控机制，并创造所必需的分析和传感仪表，以提供这些控制发酵工艺取得成效，显然也是生化工程的重要课题。生化过程参数的分类用于发酵工业的传感器，除了应满足一般测量仪表的要求外，还应具有几个方面的面的特征：（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周内其测量误差应小于5%；（3）最好能在使用过程中随时校正；（4）材料不易老化，使用寿命长；（5）传感器的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。第一节直接参数的检测和控制一.温度检测和控制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)/VQ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/VM1----------发酵液重量;M2----------发酵罐重量;C1----------发酵液比热;C2----------发酵罐材料比热;S----------温升速率Q发酵---------发酵热(3)根据化合物的燃烧值计算发酵过程中生物热的近似值。根据赫斯定律，热效应决定于系统的初态和终态，而与变化的途径无关。反应的热效应等于产物的生成热总和减去作用物的生成热总和，也可以用燃烧热来计算热效应，特别对于有机化合物，燃烧热可直接测定，所以采用燃烧热来计算更合适。反应热效应等于作用物的燃烧热总和（消耗培养基释放的能）减去生成物的燃烧热总和（产物和菌所具有的能），可用下式计算：(4)测定微生物生长代谢中的耗氧量。--------发酵过程中生成的发酵热数量；---------基质完全氧化需氧量与菌体和产物完全氧化需氧量之差，即微生物在生长和代谢过程中所消耗的氧；---------代表微生物呼吸（供氧）反应的焓变，若以有效电子转移（物质在氧化过程中伴随着能量释放所进行的电子转移）为基准，则：其中为有机化合物氧化时每转移一个有效电子所平均释放出的热量；4为消耗１ｍｏｌＯ２相应的有效电子转移数（当1ｍｏｌ葡萄糖完全氧化时，需要消耗6ｍｏｌ氧气，相应的有效电子转移数为24，释放的能量应为:根据理论推导和试验验证，可以用下式对通风发酵过程生成热进行估算：QH=(0.106~0.124)QO2≈(1/10)QO2QO2----------比耗氧速率(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>>(0.106~0.124)QO2。如果出现这种情况，就可以得出溶氧不足的结论。二.pH的检测和控制pH值可用耐灭菌的玻璃电极和银-汞参比电极以及pH测量仪表的检测系统检测，可连续指示罐内酸碱变化。微生物反应过程中pH的变化具有一定规律。①在微生物细胞的生长阶段，由于所用的微生物菌种不同，相对于接种后的起始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