发酵工程韦革宏杨祥第6章1节

1、第一节：检测与控制概论第一节：检测与控制概论发酵过程检测与控制的概念发酵过程检测与控制的概念为了更好的进行发酵生产，为了更好的进行发酵生产，人们选取了发酵过程中的某些变量，人们选取了发酵过程中的某些变量，依据一定的原理，依据一定的原理，利用一定的方法利用一定的方法并借助相应的仪器设备并借助相应的仪器设备对其进行检测对其进行检测或检查，或检查，并在此基础上并在此基础上通过一定的方法通过一定的方法和仪器设备和仪器设备对发酵过程进行有目的的干预，对发酵过程进行有目的的干预，使其尽可能按照预定的方向进行。使其尽可能按照预定的方向进行。问题：如何发酵生产更好的进行？问题：如何发酵生产更好的进行？都有哪些

2、变量可选？选取都有哪些变量可选？选取的原则是什么？的原则是什么？如何对参数进行判断？如何对参数进行判断？检检测测控控制制一、发酵过程的检测检查变量一、发酵过程的检测检查变量进罐罐中出罐物理参数化学参数生物参数（参数）（参数）1、检测的变量统计、检测的变量统计问题：发酵过程中都有那些变量？问题：发酵过程中都有那些变量？发酵罐接种接种压空压空蒸汽蒸汽水水流加流加取样取样放罐放罐尾气尾气冷凝冷凝水水温度、温度、PH、DO进罐罐中出罐物理参数流量温度温度、压力、转速、黏度、密度扩散系数、雷诺准数等流量温度化学参数氧、CO2浓度DO、PH、氧还电位、离子浓度残糖、某中间代谢物浓度等氧、CO2浓度生物参数

3、O.D.、细胞生长速度、细胞比生长速度、KLa等2、检测变量选取原则、检测变量选取原则（1）实用原则）实用原则（2）可行性原则）可行性原则3、实际发酵生产和研究中主要检测的变量、实际发酵生产和研究中主要检测的变量（1）PH（2）DO（3）温度）温度（4）转速）转速（5）残糖）残糖（6）其他）其他（1）流量）流量（2）温度）温度（1）流量）流量（2）温度）温度进罐进罐罐中罐中出罐出罐4、实际发酵生产和研究中主要的检查项目、实际发酵生产和研究中主要的检查项目（1）微生物形态的检查）微生物形态的检查（2）无菌检查）无菌检查（3）泡沫检查）泡沫检查二、检测的原理和方法二、检测的原理和方法1、PH（1）

4、仪器设备：）仪器设备：PH电极电极（3）方法：电位分析法）方法：电位分析法（2）原理：能斯特方程式，原电池工作原理）原理：能斯特方程式，原电池工作原理2、DO（1）仪器方法：溶氧电极）仪器方法：溶氧电极（3）方法：极谱分析法）方法：极谱分析法（2）原理：斐克扩散定律，法拉第电解定律）原理：斐克扩散定律，法拉第电解定律3、温度、温度（1）仪器设备：温敏电极）仪器设备：温敏电极（3）方法：利用温敏金属的电阻变化）方法：利用温敏金属的电阻变化（2）原理：温敏金属电阻与温度的关系）原理：温敏金属电阻与温度的关系4、流量、流量（1）仪器设备：转子流量计）仪器设备：转子流量计（3）方法：让气（水）流自下从

5、一垂直管道中央契形塞子周围）方法：让气（水）流自下从一垂直管道中央契形塞子周围间隙通过，利用流体的速度、流量与塞子被冲起的高度的关系计间隙通过，利用流体的速度、流量与塞子被冲起的高度的关系计算流量。算流量。（2）原理：流体力学知识）原理：流体力学知识5、转速、转速（2）原理：电磁感应原理）原理：电磁感应原理（3）方法：利用电磁感应将转速转换成感应电信号）方法：利用电磁感应将转速转换成感应电信号（1）仪器设备：转速表）仪器设备：转速表6、残糖、残糖（3）原理：氧化还原电反应）原理：氧化还原电反应（1）方法：斐林滴定法）方法：斐林滴定法（2）仪器设备：相应玻璃仪器）仪器设备：相应玻璃仪器 发酵罐取

6、样设备发酵罐取样设备7、其他、其他（1）氧气主要依据其高顺磁性以顺磁氧分析仪分析。）氧气主要依据其高顺磁性以顺磁氧分析仪分析。7.1、进出罐气体成分（主要为氧气和、进出罐气体成分（主要为氧气和CO2）（2） CO2利用其红外吸收特性用红外利用其红外吸收特性用红外CO2分析仪分析。分析仪分析。（1）重量法。）重量法。7.2、菌体浓度、菌体浓度（2）比例法。）比例法。（3）体积法。）体积法。（4）利用其他物理化学性质与质量的线形关系：）利用其他物理化学性质与质量的线形关系： 如测黏度如测黏度 测吸光度测吸光度 测浊度测浊度 测荧光强度测荧光强度7.3、某些中间代谢产物和酶、某些中间代谢产物和酶（1

7、）中间代谢物）中间代谢物 一般有三种方法：一般有三种方法： 生物传感器生物传感器 气质联用（气质联用（GC-MS）（复杂代谢物）（复杂代谢物） 高压液相色谱（高压液相色谱（HPLC）（复杂代谢物）（复杂代谢物）（2）酶）酶 常用活力测定表达结果。常用活力测定表达结果。7.4、终产物（并非控制依据）、终产物（并非控制依据）（1）化学法，如滴定。）化学法，如滴定。（2）物理法，如测比色、旋光度等。）物理法，如测比色、旋光度等。（3）生物法，如杯碟法测抗生素效价。）生物法，如杯碟法测抗生素效价。例如例如终产物的特殊表示方法终产物的特殊表示方法三、检查的原理和方法三、检查的原理和方法1、微生物形态的观

8、察、微生物形态的观察取样后显微镜下观察。取样后显微镜下观察。2、无菌检查、无菌检查取样后显微镜下观察，结合平板法。取样后显微镜下观察，结合平板法。3、泡沫检查、泡沫检查泡沫电极。泡沫电极。四、主要检测变量的控制四、主要检测变量的控制1、PH方法：采用在发酵过程中向罐中流加酸碱物质来达到。方法：采用在发酵过程中向罐中流加酸碱物质来达到。原理：酸碱中和反应原理：酸碱中和反应仪器设备：补料系统手动或自动电路仪器设备：补料系统手动或自动电路2、DO（1）原理：氧气传递、消耗的动力学原理）原理：氧气传递、消耗的动力学原理（2）方法：改变搅拌与通气量等）方法：改变搅拌与通气量等（3）仪器设备：发酵罐配套电

9、路）仪器设备：发酵罐配套电路3、温度、温度（1）原理：关于传热和换热的恒算）原理：关于传热和换热的恒算（2）方法：以水、蒸汽为介质换热、维持发酵罐温度或进行灭菌。）方法：以水、蒸汽为介质换热、维持发酵罐温度或进行灭菌。（3）仪器设备：蛇管、夹套及其他发酵罐换热设备）仪器设备：蛇管、夹套及其他发酵罐换热设备4、流量、流量手动或自动阀门开度直接调节。手动或自动阀门开度直接调节。5、转速、转速发酵罐电动机或其他动力设备直接调节。发酵罐电动机或其他动力设备直接调节。6、残糖、残糖（1）升高浓度：一般采用流加灭菌糖液的方法。）升高浓度：一般采用流加灭菌糖液的方法。（2）降低浓度：一般不能直接调节，而是采

10、用其他调节手段改变）降低浓度：一般不能直接调节，而是采用其他调节手段改变菌体代谢途径和强度，加速糖耗，间接调节残糖浓度。菌体代谢途径和强度，加速糖耗，间接调节残糖浓度。7、其他、其他发酵过程中主要依据此二者间接估算呼吸商、摄氧率等生物参数，发酵过程中主要依据此二者间接估算呼吸商、摄氧率等生物参数，不是控制的对象。不是控制的对象。7.1、进出罐气体成分（主要为氧气和、进出罐气体成分（主要为氧气和CO2）7.2、菌体浓度、菌体浓度是一个间接控制的参数，通过其他参数的控制而控制。是一个间接控制的参数，通过其他参数的控制而控制。7.3、某些关键的中间代谢产物和酶、某些关键的中间代谢产物和酶用于对发酵进

11、程更精确的把握，一般不是直接控制的对象。用于对发酵进程更精确的把握，一般不是直接控制的对象。7.4、终产物、终产物量度控制的效果。量度控制的效果。五、主要检查变量的控制五、主要检查变量的控制1、微生物形态的控制、微生物形态的控制量度控制效果，不是直接控制对象。量度控制效果，不是直接控制对象。2、无菌控制、无菌控制提前放罐、加抗生素、设备灭菌、环境消毒等。提前放罐、加抗生素、设备灭菌、环境消毒等。3、泡沫控制、泡沫控制手动或自动流加消泡剂，或消泡浆自动打碎泡沫。手动或自动流加消泡剂，或消泡浆自动打碎泡沫。本节知识结构图本节知识结构图发酵过程检测与控制发酵过程检测与控制检测参数种类检测参数种类控制

12、方法控制方法更好发酵生产更好发酵生产备选备选变量变量物理物理化学化学生物生物流量流量温度温度PHDO残糖残糖转速转速菌浓菌浓尾气尾气中中(终终)产物产物检测方法检测方法直接控制对象直接控制对象检查项目检查项目一定一定原则原则主要主要检测检测参数参数形态、染菌、泡沫形态、染菌、泡沫流量流量温度温度PHDO残糖（升高）残糖（升高）转速转速其他环节其他环节其他环节其他环节其他环节其他环节间接控制间接控制间接控制间接控制间接控制间接控制电极电极电极电极电极电极转速表转速表氧还滴定氧还滴定顺磁、红外顺磁、红外流量计流量计阀门阀门夹套、蛇管夹套、蛇管电路电路流加流加转速、空气流量转速、空气流量流加流加*

13、残糖降低时是间接控制残糖降低时是间接控制HPLC等等重量法、比例法等重量法、比例法等专门检查控制方法专门检查控制方法课下阅读课下阅读:营养基质及菌体浓度的影响及其控制营养基质及菌体浓度的影响及其控制发酵终点的判断发酵终点的判断发酵的优化控制发酵的优化控制发酵过程的计算机控制发酵过程的计算机控制发酵过程的精确控制发酵过程的精确控制产物量的特殊表示法产物量的特殊表示法1、抗生素效价的表示、抗生素效价的表示抗生素效价表示抗生素的有效成分的抗生素效价表示抗生素的有效成分的多少，效价大小用单位（多少，效价大小用单位（u）来表示）来表示效价表示方法：重量折算法效价表示方法：重量折算法 重量单位重量单位 类

14、似重量单位类似重量单位重量折算单位：以最低抑菌浓度为重量折算单位：以最低抑菌浓度为一个单位，如青霉素一个单位，如青霉素G钠盐钠盐0.6微克微克1u （1mg=约约1670u）制霉菌素制霉菌素 1mg=3700u重量单位：规定某些抗生素活性部重量单位：规定某些抗生素活性部分分1g=1u 如链霉素、卡那霉素、如链霉素、卡那霉素、红霉素等定义活性部分红霉素等定义活性部分1g1u红霉素碱红霉素碱1mg=1000u红霉素硫酸盐红霉素硫酸盐1mg=798u类似重量单位：规定抗生素的某种盐类似重量单位：规定抗生素的某种盐1mg=1000u如金霉素、四环素的盐酸盐定一为如金霉素、四环素的盐酸盐定一为1g1u，

15、如四环素盐酸盐，如四环素盐酸盐 1mg=1000u，四环素碱四环素碱 1mg=1082u少数以少数以0.1g1u，如，如多粘菌素多粘菌素B 1mg=10000u实际效价一般低于理论效价实际效价一般低于理论效价2、酶活力的表示法、酶活力的表示法酶活力用单位来表示。酶活力用单位来表示。国际上作了统一规定，在国际上作了统一规定，在250C下，以下，以最适的底物浓度，最适的缓冲液离子最适的底物浓度，最适的缓冲液离子强度，以及最适的强度，以及最适的pH诸条件下，每分诸条件下，每分钟能转化一微克分子底物的酶定量为钟能转化一微克分子底物的酶定量为一个活性单位。一个活性单位。青霉素在碱性条件下加入过量的青霉素

16、在碱性条件下加入过量的I2，青霉素水，青霉素水解产生青霉噻唑酸，后者与碘发生氧化还原反解产生青霉噻唑酸，后者与碘发生氧化还原反应，用应，用Na2S2O3滴定多余的碘，可计算出青霉滴定多余的碘，可计算出青霉素的含量素的含量计算青霉素效价青霉噻唑酸碘青霉素滴定多余过量23222,IOSNAIOH再如柠檬酸可以用再如柠檬酸可以用NaOH滴定来计算柠檬酸产量滴定来计算柠檬酸产量（1）化学法）化学法（2）物理法）物理法蓝色麦芽酚链霉素加热，22,FeOHOH淀粉酶活力测定：在淀粉酶活力测定：在1%可溶性淀粉溶液中加可溶性淀粉溶液中加入淀粉酶，所释放出的麦芽糖与生色试剂（入淀粉酶，所释放出的麦芽糖与生色试剂（3，5-二硝基水杨酸与酒石酸钾钠的碱溶液）产生二硝基水杨酸与酒石酸钾钠的碱溶液）产生颜色，它在颜色，它在540nm处所得吸光度跟淀粉酶活处所得吸光度跟淀粉酶活力成正比。力成正比。（3）生物法）