发酵——参数检测.ppt

第七章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。带计算机数据采集与控制的生物反应系统原理：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介绍几种常用的在线检测的传感器及其工作原理（一）pH测量2、pH测量方法（1）pH电极测量原理甘汞电极（a）232型（b）217型由此可见，甘汞电极是由金属汞及其难溶盐——氯化亚汞以及含氯离子的电解质溶液组成。这种半电池可表示为Hg(L)Hg2Cl2(S)Cl-(L)电极电位产生于汞和甘汞的界面，其电极反应为：（2）指示电极生化过程常用检测方法及仪器生化过程常用检测方法及仪器生化过程常用检测方法及仪器生化过程常用检测方法及仪器生化过程常用检测方法及仪器生化过程常用检测方法及仪器生化过程常用检测方法及仪器生化过程常用检测方法及仪器生化过程常用检测方法及仪器生化过程常用检测方法及仪器生化过程常用检测方法及仪器排气的氧分压的测定排气的CO2分压的测定细胞浓度的测定细胞浓度的测定二参数的离线检测进展三.发酵过程的自动控制对发酵过程进行自动控制的优点存在的问题基本的自动控制系统(controlloop)1、前馈控制2、反馈控制PID控制串联（级）反馈控制前/反馈控制3、自适应控制(adaptivecontrol)发酵自控系统的硬件组成发酵过程常见控制系统Scheduleoffermentation2、Temperaturecontrolloop3、pHcontrolloop4、pO2-andrpm-control5、Antifoamcontrol例：鸟苷生产什么因素导致pH下降？测定以下中间物2、氨基酸的积累在有机酸分析的基础上进一步通过HPLC测定发酵过程中不同时间发酵液中氨基酸，结果发现总氨基酸积累并且其积累晚于有机酸和[NH4+]积累。氨基酸成分分析表明，初始发酵液中谷氨酸浓度比较高，其它氨基酸浓度都较低，随着发酵过程的进行谷氨酸很快被用于菌体合成，在8小时之前已经降到很低水平，并始终维持在低水平，而在48小时左右丙氨酸开始出现明显的积累，发酵液中积累量达到初始量的12.6倍之多，其它十余种氨基酸浓度则变化不大，并且在整个发酵过程中都维持在较低水平。因此，丙氨酸浓度变化可能是导致代谢流迁移所致。3、分析原因发酵过程中积累的氨基酸主要是丙氨酸，而丙氨酸的合成可以直接由丙酮酸转化而来，因此可以推断由于EMP途径代谢流的增加造成了丙酮酸的积累，丙酮酸随后转化为丙氨酸丙氨酸本身又会对谷氨酸合成酶（GS）造成反馈抑制和阻遏，使产苷速率降低。恶性循环（二）代谢流迁移的酶学证明糖代谢途径关键酶糖酵解途径（EMP）在糖酵解途径中有两个不可逆的步骤的酶：磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶磷酸果糖激酶的时序分析12小时时由于生长处于对数生长初期，代谢活力较低，所以PFK的活力相对较低。24小时后随着发酵过程进入平稳产物形成期和细胞生长期，磷酸果糖激酶的活力也基本保持平稳。但是到40小时以后，鸟苷形成速率减慢甚至停止，同时观察到氨基酸和有机酸积累，PFK相对酶活增加，这表明此时通过EMP途径的糖代谢通量已有了明显的增加。丙酮酸激酶时序分析丙酮酸激酶没有表现出明显的酶活增加，而是在24小时就基本上达到其最大值，随后维持在恒定的水平，这表明在糖代谢时EMP途径代谢流增加中丙酮酸激酶所起的作用不大，不是造成代谢流迁移的主要因素6－磷酸葡萄糖脱氢酶时序分析三羧酸(TCA)循环的关键酶柠檬酸合成酶时序分析从图可以看到，TCA循环的关键酶柠檬酸合成酶在整个发酵过程中，尤其是在后期产苷速率下降的过程中都维持比较平稳的水平，这表明在发酵过程后期所发生的代谢流迁移时，TCA循环的通量并没有发生明显的增加。即代谢流迁移发生在EMP和HMP之间，主要是由于EMP和HMP途径之间的分配平衡被打破所造成的。EMP途径代谢流的增加造成了一种代谢流的溢流现象。丙氨酸脱氢酶的时序分析在发酵中后期，丙氨酸脱氢酶活力出现了明显的增加。丙氨酸脱氢酶催化由丙酮酸生成丙氨酸，该酶活性增加与丙酮酸和丙氨酸的时序增加相吻合，这些数据表明代谢流的溢流现象发生在柠檬酸合成酶之前的丙酮酸节点，通过丙氨酸脱氢酶生成丙氨酸，从而缓解了EMP途径代谢流增加造成的代谢不平衡。（三）与产物合成相关的酶和中间物测定图3螺旋霉素生物合成代谢网络途径图1螺旋霉素生物合成中间物动态流量分布图在发酵后期有FO-Ⅱ积累，要减少FO-Ⅰ转化为FO-Ⅱ必须降低C3酰化酶的活力，但这与SPⅡ、SPⅢ合成有矛盾在发酵结束时，SP-Ⅰ还