第十章发酵过程的检测与自控1已ppt课件.ppt

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1、发酵过程的检测与自控第十章检测的具体目的包括：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。一、概述第一节发酵过程检测检测的方法包括：物理测量：如温度、压力、体积、流量等；物理化学测量：pH、溶O2、溶CO2、氧化还原电位、气相成分等；化学测量：基质、前体、产物等的浓度；生物学和生物化学测量：生物量、细胞形态、酶活性、胞内成分等。这些测量可提供反映

2、环境变化和细胞代谢生理变化的许多重要信息，作为研究和控制发酵过程的基础。一、概述物理参数（如温度、压力、体积、流量、泡沫体积）化学参数（pH、溶O2、溶CO2、氧化还原电位、气相成分等、基质、前体、产物浓度）生物参数（生物量、细胞形态、酶活性、胞内成分）质谱仪（MS）流动注射分析仪,FIA场流分离（FFF）一、概述世界上唯一一台核磁共振发酵罐：在线观察细胞内蛋白质，核酸的合成一、概述传感器：指能够将非电量转换为电量的器件，作用是感受被测量的变化，并将来自被测对象的各种信号转换成电信号。继而让仪表显示、记录，或传送给电子计算机处理。二、

3、发酵传感器（一）发酵过程对传感器的要求（l）可靠性：这是传感器最重要的特性，它包括物理强度、出现故障的频率及故障发生的方式。（2）准确性：是测量值与已知值或实际值之差的量度，或称之为误差。（3）精确度：测量精确度是重复测量的概率。（4）响应时间：在测量位点，有指示值与真值之间的时间滞后，它由反应滞后与传递滞后所造成。（5）分辨能力：又称识别能力，是指测量中所能分辨的最小变化值。二、发酵传感器（6）灵敏度：对灵敏度有各种描述方式，一般指的是传感器所能反应的最小测量单位。（7）测量范围：是传感器所能感受的最大值与最小值之差。（8）特异性：

4、是传感器只感知被测变量的变化而不受过程中其他变量和周围环境条件变化影响的能力。（9）可维修性：指的是传感器发生故障或失效后进行修理和校准的可能性及难易程度。（10）发酵过程对传感器的特殊要求：耐受蒸汽灭菌、保持无菌、不易污染和便于清洗。（二）发酵用传感器的分类测量操作方式：离线(off-line)在线(on-line)原位(in-line)传感器；检测原理：力敏、热敏、光敏、磁敏、电化学（三）主要在线传感器1.pH传感器pH值传感器是一个密封的银/氯化银混合电极，耐用而稳定。pH探头通过测量pH电极和参比电极、被测溶液所组成的电池的电

5、动势，间接测量pH。pH值的测量范围为0～14。分辨率为0.005pH单位，温度范围:5到80℃。2.溶氧电极一般使用复膜溶氧探头，有两种：原电池型：由碱性电解液、银阴极和铅阳极组成。极谱型：由银阳极、铂阴极、氯化银电解液和极化电源组成。这两种探头，产生的电流都正比于通过膜扩散进入探头的氧量。溶氧电极原理：利用电化学所产生的氧化还原反应，产生电流或电位变化的强弱，来判断溶氧量的多寡(DOT)，其反应式如下：极谱型溶氧电极在阳极4Ag+4Cl-(Br-)→4AgCl(AgBr)+4e-（氧化）在阴极O2+2H2O+4e-→4OH-（还原

6、）极谱电极需要在阴极(Au或Pt)和阳极(Ag或AgCl)之间外加一个负偏压，使氧可以在阴极被还原膜需要耐受灭菌(聚四氟乙烯膜或硅酮膜)搅拌、温度、压力、膜污染的影响可收缩可灭菌溶氧电极校准、冲洗、灭菌或更换电极的状态测量状态3.氧化还原电位装置：复合电极（Pt电极和Ag/AgCl参比电极组成）、具有mV读数的pH计。氧化还原电位随发酵液中氧化成分与还原成分之比的对数而变化。使用情况：溶氧压很低（如厌氧或氧限制发酵），以至超出溶氧探头的测量下限时。氧化还原电位的测量可以弥补这一信息源的缺失。测量状态校准状态CO2通过透气性膜扩散进入到

7、碳酸氢钠水溶液中，扩散速率与跨膜的浓度驱动力成正比，缓冲液的pH会下降，pH电极测出变化指示出溶解CO2浓度的变化碳酸氢钠溶液在高温灭菌时会部分分解，因而每次灭菌后均需校准才能测定4.溶CO2传感器5.温度传感器发酵罐的测温方法有多种，包括玻璃温度计、热电偶、热敏电阻、热电阻温度计等。具有直流输出信号的温度传感器，可用于实现控制，常用的有热电偶(TC)和热敏电阻(RTD)。6.压力传感器灭菌时需要测量压力，可灭菌的压力传感器包括压阻式、电容式、电阻应变计压力传感器等，最常用的是隔膜式压力表。将膜片的信号转换为可测信号：压电现象；可变电

8、阻。6.压力传感器工作原理CYY系列应变式压力传感器采用周边固定的不锈钢园平膜片为敏感元件，精密箔式组合电阻应变计为转换元件，通过电子束焊接，使膜片与引压管成为一体。粘贴在膜片上的电阻应变计组成全桥电路，在压力作用下，膜