第八章-發(fā)酵過程參數(shù)的檢測及控制

第八章

發(fā)酵過程的監(jiān)測與控制

發(fā)酵過程的中間分析是生產(chǎn)控制的眼睛。按性質(zhì)分物理參數(shù)：溫度、攪拌轉(zhuǎn)速、空氣壓力、空氣流量、溶解氧、表觀粘度、排氣氧（二氧化碳）濃度等化學(xué)參數(shù)：基質(zhì)濃度（包括糖、氮、磷）、pH、產(chǎn)物濃度、核酸量等生物參數(shù)：菌絲形態(tài)、菌濃度、菌體比生長速率、呼吸強(qiáng)度、基質(zhì)消耗速率、關(guān)鍵酶活力等一、發(fā)酵過程檢測的主要參數(shù)從檢測手段分直接參數(shù)：通過儀器或其它分析手段可以測得的參數(shù)，如溫度、pH、殘?zhí)堑娶僭诰€檢測參數(shù)：不經(jīng)取樣直接從發(fā)酵罐上安裝的儀表上得到的參數(shù)，如溫度、pH、攪拌轉(zhuǎn)速；②離線檢測參數(shù)：取出樣后測定得到的參數(shù)，如殘?zhí)恰?/p>

NH2-N、菌體濃度。間接參數(shù)：將直接參數(shù)經(jīng)過計算得到的參數(shù)，如攝氧率、KLa等二、發(fā)酵過程參數(shù)常用檢測方法及儀器主要參數(shù)檢測原理及儀器取樣系統(tǒng)生物反應(yīng)過程大多為純培養(yǎng)，無菌操作十分重要。問題三角瓶內(nèi)的培養(yǎng)液如何取樣？發(fā)酵罐常用取樣方式可否知道？蒸汽連續(xù)在線無菌取樣微孔陶瓷管滲透膜管發(fā)酵清液不能取菌體揮發(fā)性物質(zhì)檢測問題：檢測所得產(chǎn)物濃度為發(fā)酵液中產(chǎn)物濃度嗎？主要參數(shù)檢測原理及儀器溫度的測定一般出廠就已經(jīng)校正好。熱電阻、熱電偶、半導(dǎo)體熱敏電阻、玻璃溫度計主要參數(shù)檢測原理及儀器罐壓的測定問題：為什么連接管為直管而不是彎管以保護(hù)壓力表？隔膜式壓力表液面或泡沫上升與電極探針接觸產(chǎn)生電信號。主要參數(shù)檢測原理及儀器液位和泡沫高度的檢測主要參數(shù)檢測原理及儀器液體和氣體流量測定主要參數(shù)檢測原理及儀器攪拌轉(zhuǎn)速常用檢測方法：磁感應(yīng)式、光感應(yīng)式和測速發(fā)電機(jī)等。感應(yīng)片切割磁場或光速。輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比。主要參數(shù)檢測原理及儀器

pH的檢測常用pH檢定儀為復(fù)合pH電極，具有結(jié)構(gòu)緊湊，可蒸汽加熱滅菌的優(yōu)點(diǎn)。思考：pH電極如何標(biāo)定？1、常用檢測方法：溶氧電極法主要參數(shù)檢測原理及儀器溶氧的檢測思考：溶氧電極如何標(biāo)定？2、電極的標(biāo)定一般測定中應(yīng)進(jìn)行以下二點(diǎn)標(biāo)定（1）零點(diǎn)標(biāo)定用飽和Na2SO3作無氧狀態(tài)的溶液，將氧電極放入該溶液中，顯示儀表上可見溶氧濃度下降，待下降穩(wěn)定后，調(diào)節(jié)零點(diǎn)旋鈕顯示零值。

（2）飽和校正（滿刻度）

進(jìn)行簡便測定時，可以采取空氣飽和方式。將電極放入培養(yǎng)液中，通氣攪拌一段時間，顯示儀上可見溶氧上升，待上升穩(wěn)定，調(diào)節(jié)滿刻度旋鈕至100%即為飽和值。主要參數(shù)檢測原理及儀器生物量的測定

干（濕）重法壓縮體積法（離心）光密度測定法OD600~660

其它方法（測粘度、靜置沉降體積法）問題：請問以上幾種方法的適用范圍？主要參數(shù)檢測原理及儀器產(chǎn)物量的測定

比色法利用HPLC檢測生物法（杯碟法）……斐林試劑法DNS法苯酚硫酸法主要參數(shù)檢測原理及儀器糖的測定凱氏定氮法格利氏法

氨氮的測定生物發(fā)酵溶液中營養(yǎng)成分與產(chǎn)物的分析類別檢測物質(zhì)發(fā)酵液待檢測的物質(zhì)成分微生物細(xì)胞營養(yǎng)基質(zhì)葡萄糖、麥芽糖、乳糖、醋酸、BOD等產(chǎn)物及副產(chǎn)物乙醇、氨、蛋白質(zhì)、抗生素、氨基酸、有機(jī)酸、酶、CH4、氫等營養(yǎng)鹽生長因子無機(jī)鹽(K+、Ca2+、NH+、NO3-等)、生物素、維生素動物細(xì)胞營養(yǎng)基質(zhì)葡萄糖、氨基酸等產(chǎn)物及副產(chǎn)物蛋白質(zhì)類（t-PA、GCSF、EPO、INF等)、乳酸、氨生長因子維生素、激素、抗生素植物細(xì)胞營養(yǎng)基質(zhì)糖類、醋酸、硝酸鹽、氨基酸等產(chǎn)物及副產(chǎn)物次生代謝產(chǎn)物（植物色素、皂甙等）、氨、CO2生長素維生素、植物激素（2,4-D、NAA、6-BA等）生物傳感器

(Biosensor)

傳感器：能感受(或響應(yīng))一種信息并變換成可測量信號(一般指電學(xué)量)的器件。

生物傳感器：將生物體的成份（酶、抗原、抗體、激素）或生物體本身（細(xì)胞、細(xì)胞器、組織）固定化在一器件上作為敏感元件的傳感器稱為生物傳感器。生物傳感器的基本組成組成：敏感元件（分子識別元件）和信號轉(zhuǎn)換器件生物傳感器的分類思考題以上參數(shù)哪些是物理參數(shù)？哪些是化學(xué)參數(shù)？哪些是生物參數(shù)？以上參數(shù)哪些是直接參數(shù)？哪些是間接參數(shù)？以上參數(shù)哪些是在線檢測參數(shù)？哪些是離線檢測參數(shù)？發(fā)酵工業(yè)中哪些參數(shù)的測定頻率最高？三、發(fā)酵過程的控制主要控制溫度、pH、溶氧濃度、基質(zhì)濃度、泡沫等。發(fā)酵過程的自動控制

變量測量和變化規(guī)律的認(rèn)識→控制器(自動化儀表、計算機(jī)組成)→控制關(guān)鍵變量→控制發(fā)酵過程1、基本的自動控制系統(tǒng)①前饋控制②反饋控制③自適應(yīng)控制2、發(fā)酵自動控制系統(tǒng)的硬件組成1、基本的自動控制系統(tǒng)①前饋控制：通過動態(tài)反應(yīng)快的變量測量來預(yù)測反應(yīng)慢、易干擾的被控對象的變化，并提前實(shí)施控制。如：通過冷卻水壓力（控制閥）控制溫度變化。1、基本的自動控制系統(tǒng)②反饋控制反饋控制是自動控制的主要方式控制器被控對象傳感器1、基本的自動控制系統(tǒng)②反饋控制開關(guān)控制：控制閥門的全開全關(guān)；

PID控制：采用比例、積分、微分控制算法；串聯(lián)反饋控制：兩個以上控制器對一變量實(shí)施聯(lián)合控制；前饋/反饋控制：前饋控制與反饋控制相結(jié)合。1、基本的自動控制系統(tǒng)③自適應(yīng)控制：提取有關(guān)輸入、輸出信息，對模型和參數(shù)不斷進(jìn)行辯識，使模型逐漸完善；同時自動修改控制器的動作，適應(yīng)實(shí)際過程?！赃m應(yīng)控制系統(tǒng)。2、發(fā)酵自動控制系統(tǒng)的硬件組成傳感器變送器執(zhí)行機(jī)構(gòu)電磁閥、氣動控制閥、電動調(diào)節(jié)閥、變速電機(jī)、正位移泵、蠕動泵。轉(zhuǎn)換器過程接口監(jiān)控計算機(jī)（一）溫度的控制控溫方式：簡單的On-Off（通-斷）控制或PID控制。生產(chǎn)罐：冷、熱水間接冷卻或加熱（過夾套或盤管）。問題：一般10m3以下發(fā)酵罐用夾套，10m3以上用盤管，為什么？（二）pH的控制一般PID控制碳、氮源影響pH值pH下降——加堿（常用氨水）pH上升——需要對培養(yǎng)基進(jìn)行調(diào)整1、發(fā)酵過程中pH的變化生長階段生成階段自溶階段碳源過量消泡油添加過量生理酸性物質(zhì)的存在2、引起pH下降的因素氮源過多生理堿性物質(zhì)的存在中間補(bǔ)料，堿性物質(zhì)添加過多3、引起pH上升的因素調(diào)節(jié)基礎(chǔ)培養(yǎng)基的配方調(diào)節(jié)碳氮比（C/N）添加緩沖劑補(bǔ)料控制直接加酸加堿補(bǔ)加碳源或氮源4、pH的控制（三）溶氧控制通氣量攪拌速度培養(yǎng)基組成補(bǔ)料方式及速率富氧空氣反應(yīng)器型式罐壓……（四）泡沫控制通氣與攪拌培養(yǎng)基組成培養(yǎng)液性質(zhì)變化滅菌染菌……1、影響泡沫穩(wěn)定的因素2、泡沫控制的方法化學(xué)消泡——天然油脂、泡敵等。機(jī)械消泡罐內(nèi)罐外其他方法調(diào)節(jié)通風(fēng)與攪拌、增大罐壓、……（五）補(bǔ)料控制1、基質(zhì)濃度對發(fā)酵的影響抑制生長饑餓根據(jù)經(jīng)驗(yàn)控制；以pH、尾氣、溶氧、產(chǎn)物濃度等參數(shù)間接控制流加；用傳感器直接測定限制性基質(zhì)的濃度，直接控制流加；……2、補(bǔ)料控制的策略?。。?！R：各控制參數(shù)

pHDO

預(yù)設(shè)補(bǔ)料速率

……四、發(fā)酵染菌的危害與防止所謂“雜菌”，是指在發(fā)酵培養(yǎng)中侵入了有礙生產(chǎn)的其他微生物。防止雜菌污染是任何發(fā)酵工廠的一項(xiàng)重要工作內(nèi)容。（一）發(fā)酵過程中染菌的檢查判斷１、生產(chǎn)上常用雜菌檢查方法鏡檢（簡便快速，早期染菌不易檢出)平板劃線酚紅肉湯培養(yǎng)2、輔助檢查方法溶解氧pH值尾氣中CO2含量能檢出更少雜菌，結(jié)果更準(zhǔn)確需時較長，操作較繁瑣發(fā)酵染菌的主要原因儀器設(shè)備的滲漏儀器、設(shè)備、管道、管件存在死角操作不當(dāng)預(yù)防為主，“防重于治”（二）發(fā)酵過程染菌原因的分析（１）國外一抗生素發(fā)酵染菌原因的分析染菌原因百分率，%染菌原因百分率，%種子帶菌9.64蛇管穿孔5.89接種時罐壓跌零0.19接種管穿孔0.39培養(yǎng)基滅菌不透0.79閥門泄漏1.45空氣系統(tǒng)帶菌19.96罐蓋漏1.54攪拌軸密封泄漏2.09其他設(shè)備漏10.13泡沫冒頂0.48操作問題10.15夾套穿孔12.36原因不明24.91（２）國內(nèi)一制藥廠發(fā)酵染菌原因的分析染菌原因百分率，%外界帶入雜菌（取樣、補(bǔ)料帶入）8.20設(shè)備穿孔7.60空氣系統(tǒng)帶菌26.00停電罐壓跌零1.60接種11.00蒸汽壓力不夠或蒸汽量不足0.60管理問題7.09操作違反規(guī)程1.60種子帶菌0.60原因不明35.00大批發(fā)酵罐染菌→空氣系統(tǒng)部分發(fā)酵罐(或罐組)染菌前期→種子帶雜菌，或滅菌不徹底中后期→中間補(bǔ)料系統(tǒng)或管路系統(tǒng)發(fā)生問題個別發(fā)酵罐連續(xù)染菌設(shè)備問題(如閥門的滲漏或罐體腐蝕磨損)設(shè)備的腐蝕磨損（出現(xiàn)每批發(fā)酵的染菌時間向前推移的現(xiàn)象）個別發(fā)酵罐偶然染菌→原因比較復(fù)雜（３）從染菌的規(guī)模來分析染菌原因？分析分析發(fā)酵早期染菌：種子帶菌、培養(yǎng)基和設(shè)備滅菌不徹底、設(shè)備或管道有死角中、后期染菌：中間補(bǔ)料、設(shè)備滲漏、操作不合理（４）從染菌的時間來分析耐熱性芽抱桿菌：死角或滅菌不徹底球菌、酵母：可能是從蒸汽的冷凝水或空氣中帶來的淺綠色菌落(革蘭氏陰性桿菌)：發(fā)酵罐的冷卻管或夾套滲漏霉菌：滅菌不徹底或無菌操作不嚴(yán)格（５）從染菌的類型來分析１.種子帶菌的原因及防止帶菌的原因無菌室的無菌條件不符合要求、培養(yǎng)基滅菌不徹底、操作不當(dāng)。種子帶菌的防止保持衛(wèi)生規(guī)范操作（三）發(fā)酵染菌的防止２.發(fā)酵設(shè)備、管件的滲漏