生化过程参数的检测和控制概要上课讲义.ppt

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1、生化过程参数的检测和控制概要本章主要内容第一节直接参数的检测与控制第二节生物传感器第三节生产过程中的染菌及其控制7/30/20212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；7/30/20213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

2、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。7/30/20214生化过程参数的分类反映生化过程变化的参数分为两大类：一类是可以直接采用特定的传感器检测的参数称为直接参数，包括各种反映物理环境和化学环境变化的参数：如温度、压力、流量、搅拌功率、转速、泡沫、黏度、浊

3、度、pH、离子强度、溶解氧和基质浓度等。另一类是综合参数，包括细胞生长速率、产物合成速率、呼吸商等。7/30/20215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%；7/30/20216（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。

4、7/30/20217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。7/30/20218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。7/30/20219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

5、-----------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7/30/202110(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7/3

6、0/202111(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。7/30/202112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：7/30/202113(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；-----

7、----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；7/30/202114---------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7/30/202115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:所以：由此可见，通风（耗氧）发酵过程生成的发酵热数量与过程所消耗的

8、氧是成正比。当测得发酵过程中氧的消耗（可根据气体分析和通风量进行计算得到），就能把发酵过程中需要移去的热量计算出来。7/30/202116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-----