第七章發(fā)酵過程控制3

1、發(fā)酵工程發(fā)酵工程精品課程精品課程http:/ http:/ 微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測 在線檢測必須用專門的傳感器（也叫電極或探頭）在線檢測必須用專門的傳感器（也叫電極或探頭）放入發(fā)酵系統(tǒng)，將發(fā)酵的一些信息傳遞出來，為發(fā)酵控放入發(fā)酵系統(tǒng)，將發(fā)酵的一些信息傳遞出來，為發(fā)酵控制提供依據(jù)制提供依據(jù)。黑箱黑箱 灰箱灰箱 參數(shù)檢測檢測儀器：氣相色譜、高效液相、離子色譜、檢測儀器：氣相色譜、高效液相、離子色譜、雙向電泳、毛細管電泳、紅外光譜、基因測序儀等雙向電泳、毛細管電泳、紅外光譜、基因測序儀等檢測代謝中間物，分析代謝流向、檢測代謝中間物，分析代謝流向、RNARNA檢測檢測一一 參

2、數(shù)在線檢測參數(shù)在線檢測v微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測http:/ 插入罐內(nèi)的傳感器必須能經(jīng)受高壓蒸汽滅菌插入罐內(nèi)的傳感器必須能經(jīng)受高壓蒸汽滅菌（材料、數(shù)據(jù)）（材料、數(shù)據(jù)）l 傳感器結(jié)構(gòu)不能存在滅菌不透的死角，以防染傳感器結(jié)構(gòu)不能存在滅菌不透的死角，以防染菌（密封性好）菌（密封性好）l 傳感器對測量參數(shù)要敏感，且能轉(zhuǎn)換成電信號。傳感器對測量參數(shù)要敏感，且能轉(zhuǎn)換成電信號。（響應快、靈敏）（響應快、靈敏）l 傳感器性能要穩(wěn)定，受氣泡影響小。傳感器性能要穩(wěn)定，受氣泡影響小。v微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測http:/ 電信號電信號 放大放大 記錄顯示儀記錄顯示儀

3、控制器（與設定參數(shù)比較）控制器（與設定參數(shù)比較） 發(fā)出調(diào)節(jié)信號發(fā)出調(diào)節(jié)信號 控制器動作控制器動作v微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測http:/ lpHpH電極電極l溶氧電極溶氧電極它們是基礎電極，以它們?yōu)榛A可以制作各它們是基礎電極，以它們?yōu)榛A可以制作各種離子電極和酶電極種離子電極和酶電極v微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測http:/ pHpH測量測量pHpH值的測量在生物反應中普遍進行，對于生物過值的測量在生物反應中普遍進行，對于生物過程控制是一個非常重要的參數(shù)。程控制是一個非常重要的參數(shù)。1 1、pHpH的定義的定義影響化學平衡的往往是活度，而不是濃度，但

4、對影響化學平衡的往往是活度，而不是濃度，但對于稀溶液為了避免在氫離子活度很小時表達方式于稀溶液為了避免在氫離子活度很小時表達方式上的麻煩上的麻煩引進引進pH=-lgHpH=-lgH+ + H+=0.00001H+=0.00001時時 用用pH5pH5表示表示v微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測http:/ 2、pHpH測量方法測量方法 pHpH試紙曾經(jīng)是一種廣泛采用的方法試紙曾經(jīng)是一種廣泛采用的方法優(yōu)點：方便，易操作優(yōu)點：方便，易操作缺點：它主觀性較強缺點：它主觀性較強 質(zhì)量差異，不同廠家不同批號的質(zhì)量差異，不同廠家不同批號的pHpH試紙測試紙測出的出的pHpH值會有較大的差別，

5、有時甚至達值會有較大的差別，有時甚至達0.510.51。對于一些要求較高的場合就適用對于一些要求較高的場合就適用pHpH試紙試紙pHpH電極電極v微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測http:/ 溶液溶液X 指示電極指示電極該電池的參比電極的輸出電位恒定，該電池的參比電極的輸出電位恒定，指示電極的輸出電位隨被測體系中指示電極的輸出電位隨被測體系中氫離子活度而變化。因此整個自發(fā)氫離子活度而變化。因此整個自發(fā)電池的電動勢就是被測體系中氫離電池的電動勢就是被測體系中氫離子活度的函數(shù)。子活度的函數(shù)。 E=E0- ln1/ =E0-2.303 pHFRTaHFRT式中式中E0對某一給定電極為

6、常數(shù)，是溫度的函數(shù)，因此從對某一給定電極為常數(shù)，是溫度的函數(shù)，因此從電位差計的電位差計的E值可測出值可測出pH值。值。v微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測http:/ 甘汞電極（甘汞電極（a）232型（型（b）217型型1導線；導線；2加液口；加液口；3-KCl溶液；溶液；4素燒瓷芯；素燒瓷芯；5鉑絲；鉑絲；6Hg；7Hg2Cl2一般的參比電極是甘汞電極。電極的外殼是玻璃管，里面套一根小一般的參比電極是甘汞電極。電極的外殼是玻璃管，里面套一根小玻璃管，其頂部伸出電極引線，引線的下端浸沒在汞中，汞的下端玻璃管，其頂部伸出電極引線，引線的下端浸沒在汞中，汞的下端有糊狀甘汞，汞和甘汞用

7、棉花堵住，只有離子才能通過，而汞和甘有糊狀甘汞，汞和甘汞用棉花堵住，只有離子才能通過，而汞和甘汞不會漏失，小管和大管之間充滿汞不會漏失，小管和大管之間充滿KCl溶液，末端用多孔陶瓷滲入溶液，末端用多孔陶瓷滲入到溶液中，實現(xiàn)電極引線與溶液間的電導通。到溶液中，實現(xiàn)電極引線與溶液間的電導通。u參比電極參比電極v微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測http:/ 由此可見，甘汞電極是由金屬汞及其難溶鹽由此可見，甘汞電極是由金屬汞及其難溶鹽氯氯化亞汞以及含氯離子的電解質(zhì)溶液組成。這種半電化亞汞以及含氯離子的電解質(zhì)溶液組成。這種半電池可表示為池可表示為Hg(L) Hg2Cl2(S) Cl-(L

8、) 電極電位產(chǎn)生電極電位產(chǎn)生于汞和甘汞的界面，其電極反應為：于汞和甘汞的界面，其電極反應為： 2Cl-+2Hg Hg2Cl2+2e-其電極電位為其電極電位為Cl/HgCl,Hg= + ln1/0,/HgHgClClFRTCl 由此可見甘汞電極的電極電位只與氯化鉀的活由此可見甘汞電極的電極電位只與氯化鉀的活度有關(guān)而不受被測溶液的酸堿度影響度有關(guān)而不受被測溶液的酸堿度影響v微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測http:/ l離子選擇性電極的結(jié)構(gòu)離子選擇性電極的結(jié)構(gòu)離子選擇性電極的結(jié)構(gòu)離子選擇性電極的結(jié)構(gòu)其中敏感性膜部分隨組成其中敏感性膜部分隨組成材料的不同而各有特色。材料的不同而各有特

9、色。測定測定pH值的玻璃電極的值的玻璃電極的敏感膜是厚度為敏感膜是厚度為101103mm的玻璃薄膜，其的玻璃薄膜，其電阻為電阻為50500m。v微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測http:/ SiO-H+Na+ 使膜表面形成以使膜表面形成以 SiO-H+為主要成分的水合硅膠層，為主要成分的水合硅膠層，厚度約為厚度約為10-410-5mmv微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測http:/ 試試水合硅膠層水合硅膠層 干干 玻玻 璃璃 層層水合硅膠層水合硅膠層內(nèi)參比溶液內(nèi)參比溶液1 1 2 2 1-2以以1、2分別表示試液分別表示試液內(nèi)與內(nèi)參比溶液中內(nèi)與內(nèi)參比溶液中H+離離

10、子活度，子活度，1、2分別表分別表示外側(cè)與內(nèi)側(cè)硅膠層表示外側(cè)與內(nèi)側(cè)硅膠層表面面H+離子活度，離子活度， 由于水合硅膠層表面與由于水合硅膠層表面與內(nèi)（內(nèi)參比溶液）、外內(nèi)（內(nèi)參比溶液）、外（試液）溶液中的（試液）溶液中的H+離離子從活度大的一方向小子從活度大的一方向小的一方遷移，使玻璃膜的一方遷移，使玻璃膜的外、內(nèi)側(cè)分別產(chǎn)生相的外、內(nèi)側(cè)分別產(chǎn)生相界電位界電位1和和2。經(jīng)水浸泡經(jīng)水浸泡后的玻璃后的玻璃膜截面成膜截面成為三層結(jié)為三層結(jié)構(gòu)，如圖構(gòu)，如圖:則有：則有：外側(cè)外側(cè): 1=K1+11LnFRT內(nèi)側(cè)：內(nèi)側(cè)：2=K2+22LnFRTv微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測http:/ 21

11、LnFRT由于內(nèi)參比溶液的由于內(nèi)參比溶液的H+活度活度2一定，故玻璃膜電位一定，故玻璃膜電位與待測溶液的與待測溶液的H+離子活度（離子活度（pH值）成線性關(guān)系。值）成線性關(guān)系。v微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測http:/ HLnFRT在在25下：下：膜膜=常數(shù)常數(shù)-0.0591pH（試液）（試液）但實際上玻璃膜內(nèi)外側(cè)表面性狀總有微小差別，即使但實際上玻璃膜內(nèi)外側(cè)表面性狀總有微小差別，即使1=2時，時，膜膜0，這差別所產(chǎn)生的電位叫不對稱電，這差別所產(chǎn)生的電位叫不對稱電位（位（不對稱不對稱），這樣整個玻璃電極（指示電極）的電），這樣整個玻璃電極（指示電極）的電位應是內(nèi)參比電位、膜

12、電位與不對稱電位之和。位應是內(nèi)參比電位、膜電位與不對稱電位之和。v微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測http:/ +膜膜+不對稱不對稱其中，其中， 0 與與不對稱不對稱對于特定的電極是恒定的，對于特定的電極是恒定的，故玻璃電極的電極電位與試液故玻璃電極的電極電位與試液pH值呈線性關(guān)系。值呈線性關(guān)系。（4）玻璃電極的性能）玻璃電極的性能l存在不對稱電勢存在不對稱電勢不對稱電勢產(chǎn)生于電極敏感玻璃膜部分，由于膜內(nèi)外不對稱電勢產(chǎn)生于電極敏感玻璃膜部分，由于膜內(nèi)外表面狀態(tài)不完全一樣引起的，它與溫度、玻璃組成、表面狀態(tài)不完全一樣引起的，它與溫度、玻璃組成、敏感膜厚度及加工狀況等因素有關(guān)。不對

13、稱電勢可以敏感膜厚度及加工狀況等因素有關(guān)。不對稱電勢可以用已知用已知pH值的標準緩沖液來校正值的標準緩沖液來校正 v微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測http:/ 電極電位為零時的溶液電極電位為零時的溶液pH值稱為零電勢值稱為零電勢pH值，值，該值取決于內(nèi)參比溶液的該值取決于內(nèi)參比溶液的pH值。含有值。含有0.025mol/l的的 KCl和等摩爾濃度的磷酸混合緩沖液的等電勢和等摩爾濃度的磷酸混合緩沖液的等電勢點為點為pH=7，在，在pH7時，玻璃電極的極性時，玻璃電極的極性發(fā)生改變。發(fā)生改變。v微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測http:/ 玻璃電極的實際轉(zhuǎn)換系數(shù)并

14、不是在整個玻璃電極的實際轉(zhuǎn)換系數(shù)并不是在整個pH范圍都是常數(shù)，因而響應曲線會偏離直線，范圍都是常數(shù)，因而響應曲線會偏離直線，實際的實際的pH響應曲線如圖響應曲線如圖測量值測量值pH在堿性范圍內(nèi)在堿性范圍內(nèi)pH10 k降低，測量值偏高降低，測量值偏高在酸性范圍內(nèi)在酸性范圍內(nèi)pH1 k升高，測量值偏低升高，測量值偏低v微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測http:/ 隔膜隔膜 被測被測體系體系 玻璃敏感膜玻璃敏感膜 內(nèi)參比電極之間達到電內(nèi)參比電極之間達到電導通，組成原電池，其原理與雙電極導通，組成原電池，其原理與雙電極pH計的工計的工作原理完全相同，只是結(jié)構(gòu)更緊湊，使用更方便。作原理完

15、全相同，只是結(jié)構(gòu)更緊湊，使用更方便。v微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測http:/ 敏化離子選擇性電極敏化離子選擇性電極以離子選擇性電極為基礎電極，通過化學反應或以離子選擇性電極為基礎電極，通過化學反應或生化反應使離子選擇性電極的響應得到敏化，叫生化反應使離子選擇性電極的響應得到敏化，叫作敏化離子選擇性電極。包括有氣敏電極和酶電作敏化離子選擇性電極。包括有氣敏電極和酶電極等。極等。v微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測http:/ 在某種離子選擇性電極的表面覆蓋一層憎水的透在某種離子選擇性電極的表面覆蓋一層憎水的透氣膜，在透氣膜和這種離子選擇性電極之間充以中間氣膜，

16、在透氣膜和這種離子選擇性電極之間充以中間溶液，透氣膜不允許溶液中的離子通過，而只允許被溶液，透氣膜不允許溶液中的離子通過，而只允許被測定的氣體通過，直到透氣膜內(nèi)外兩邊該氣體的分壓測定的氣體通過，直到透氣膜內(nèi)外兩邊該氣體的分壓相等。相等。 進入透氣膜的氣體與中間溶液起反應，從而使中進入透氣膜的氣體與中間溶液起反應，從而使中間溶液中的某一被離子選擇性電極響應的物質(zhì)的量發(fā)間溶液中的某一被離子選擇性電極響應的物質(zhì)的量發(fā)生變化，并通過選擇性電極電位反映出來，達到間接生變化，并通過選擇性電極電位反映出來，達到間接表征被測氣體含量的目的。表征被測氣體含量的目的。v微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)

17、檢測http:/ 能用氣敏電極測定氣體有能用氣敏電極測定氣體有CO2、NH3、SO2、NO2、H2S、HCN、HF、Cl2、Br2、I2的蒸氣的蒸氣等，其中以氨電極比較成熟，應用較廣。等，其中以氨電極比較成熟，應用較廣。 1、NH4的測量的測量氨是酶反應中最常見的產(chǎn)物和反應物，氨離氨是酶反應中最常見的產(chǎn)物和反應物，氨離子可用氨氣敏電極來測定。常用的氨電極為：子可用氨氣敏電極來測定。常用的氨電極為：v微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測http:/ 1mol/L的的NH4Cl溶液。氨電極使溶液。氨電極使用的上限為用的上限為1mol/L,下限為下限為10-6mol/L。v微生物培養(yǎng)過程

18、的參數(shù)檢測微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測http:/ HCO3-+H+產(chǎn)生的氫離子引起產(chǎn)生的氫離子引起pH的變化，就可以測出溶解的變化，就可以測出溶解CO2的濃度。如果的濃度。如果CO2擴散在水或擴散在水或NaHCO3的水的水溶液中，它們的溶液中，它們的pH值會依據(jù)下列的式子而變化：值會依據(jù)下列的式子而變化：v微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測http:/ pH=常數(shù)常數(shù)lg 2COp在在NaHCO3溶液中溶液中 pH=常數(shù)常數(shù)-lgpCO2在在NaHCO3溶液中測量能方便地確定溶液中測量能方便地確定pH和和pCO2之間的對應關(guān)系。使用特殊的氣體滲透膜，它之間的對應關(guān)系。使用特殊的氣體

19、滲透膜，它能夠使能夠使CO2擴散到擴散到NaHCO3溶液中去，溶液中溶液中去，溶液中pH變化就是變化就是CO2實際分壓的測量值實際分壓的測量值 v微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測http:/ 0.5%，量程，量程的線性范圍大，雖然儀器價格高，但在生物細胞的線性范圍大，雖然儀器價格高，但在生物細胞培養(yǎng)時常被采用。培養(yǎng)時常被采用。不分光紅外線不分光紅外線CO2氣體分析原理是：除了單原子氣體分析原理是：除了單原子氣體（如氖、氬等）和無極性的雙原子氣體（如氣體（如氖、氬等）和無極性的雙原子氣體（如氧、氫、氮等）外，幾乎所有氣體都在紅外波段氧、氫、氮等）外，幾乎所有氣體都在紅外波段（即微

20、米級）具有不同的紅外吸收光譜，（即微米級）具有不同的紅外吸收光譜，CO2的的紅外吸收峰在紅外吸收峰在2.62.9m和和4.14.5m之間有兩之間有兩個吸收峰，根據(jù)吸收峰值可以求出個吸收峰，根據(jù)吸收峰值可以求出CO2的所含濃的所含濃度。度。v微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測http:/ 3、排氣氧、排氣、排氣氧、排氣COCO2 2和呼吸熵和呼吸熵v微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測http:/ 2NH3+CO2通過通過NH3或或CO2氣敏電極測定氣敏電極測定NH3或或CO2的分壓的分壓即可達到間接測定尿素的目的。即可達到間接測定尿素的目的。4 4、酶電極、酶電極v微

21、生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測http:/ 溶氧的測定溶氧的測定 對于好氧微生物來說氧的供應十分重要，了解對于好氧微生物來說氧的供應十分重要，了解發(fā)酵過程中溶氧情況是發(fā)酵控制的關(guān)鍵方面。現(xiàn)在發(fā)發(fā)酵過程中溶氧情況是發(fā)酵控制的關(guān)鍵方面?，F(xiàn)在發(fā)酵中溶氧測定大多用溶氧電極來測定。溶氧電極可分酵中溶氧測定大多用溶氧電極來測定。溶氧電極可分為極譜型和原電池型。為極譜型和原電池型。 極譜型極譜型 需極化電壓及放大器，耗氧少，受氣流影需極化電壓及放大器，耗氧少，受氣流影響小響小 原電池型原電池型 簡單便宜，適于中小罐。耗氧較大，受簡單便宜，適于中小罐。耗氧較大，受氣流和氣泡影響大。氣流和氣泡影

22、響大。v微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測http:/ 敞口式敞口式 封閉式封閉式v微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測http:/ 在電極的玻璃管上有一個小孔，使在電極的玻璃管上有一個小孔，使玻璃管與環(huán)境相通，這樣在蒸汽滅菌時電極玻璃管與環(huán)境相通，這樣在蒸汽滅菌時電極玻璃管內(nèi)外壓力相等，有利于保護電極玻璃管內(nèi)外壓力相等，有利于保護電極封閉式的電極玻璃管上沒有小孔，蒸汽滅菌封閉式的電極玻璃管上沒有小孔，蒸汽滅菌時玻璃管受壓大時玻璃管受壓大現(xiàn)在使用的大多數(shù)是敞口式電極現(xiàn)在使用的大多數(shù)是敞口式電極v微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測http:/ 1、復膜氧電

23、極的工作原理、復膜氧電極的工作原理陰極由鉑、銀、金等貴金屬組成，陽極由鉛、錫、陰極由鉑、銀、金等貴金屬組成，陽極由鉛、錫、鋁等組成鋁等組成 。當給電極施加極譜電壓（。當給電極施加極譜電壓（0.60.8V負負電壓）時，溶液中的氧就在陰極被還原。當產(chǎn)生電壓）時，溶液中的氧就在陰極被還原。當產(chǎn)生的電流與溶液中氧含量成正比時，此時的電極電的電流與溶液中氧含量成正比時，此時的電極電流為飽和電流，此時的電壓為極譜電壓。氧濃度流為飽和電流，此時的電壓為極譜電壓。氧濃度與飽和電流成正比關(guān)系。與飽和電流成正比關(guān)系。v微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測http:/ 2OH-陰極上失去電子后，陽極反應

24、產(chǎn)生的電子流向陰陰極上失去電子后，陽極反應產(chǎn)生的電子流向陰極，于是在二電極之間形成電流，將氧的信號轉(zhuǎn)極，于是在二電極之間形成電流，將氧的信號轉(zhuǎn)變成電信號。氧濃度越高，電流越大。變成電信號。氧濃度越高，電流越大。陽極上的反應是：陽極上的反應是：Pb+2ACO- Pb(ACO)2+2e-化學信號轉(zhuǎn)變成電信號化學信號轉(zhuǎn)變成電信號v微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測http:/ 2、電極的構(gòu)造、電極的構(gòu)造在陰極銀（鉑）在陰極銀（鉑）片的前面包一張片的前面包一張半透膜，氧可以半透膜，氧可以透過半透膜達到透過半透膜達到陰極上進行電極陰極上進行電極反應。該半透膜反應。該半透膜固定在陰極表面。固

25、定在陰極表面。小孔用于壓力補小孔用于壓力補償。償。v微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測http:/ 3、溶氧電極的影響因素、溶氧電極的影響因素（1）電極的靈敏度）電極的靈敏度電極的陰極表面覆蓋了半透膜之后，在一定條件下當電極的陰極表面覆蓋了半透膜之后，在一定條件下當膜成為氧擴散的控制因素時，氧分壓的變化與電流輸膜成為氧擴散的控制因素時，氧分壓的變化與電流輸出的穩(wěn)態(tài)有以下對應式：出的穩(wěn)態(tài)有以下對應式：IS=NFA(pm/dm)pO2式中式中IS電極電流電極電流 N電子數(shù)電子數(shù) F法拉第常數(shù)法拉第常數(shù) A陰極表面積陰極表面積 Pm氧在復膜中的穿透系數(shù)氧在復膜中的穿透系數(shù) PO2被測溶

26、液中的氧分壓被測溶液中的氧分壓 dm膜的厚度膜的厚度v微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測http:/ 因為電極表面的氧濃度與液因為電極表面的氧濃度與液體主流中的氧濃度存在濃度梯度體主流中的氧濃度存在濃度梯度攪拌速度、通氣量和培養(yǎng)液粘度攪拌速度、通氣量和培養(yǎng)液粘度v微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測http:/ 4、電極的標定、電極的標定一般測定中應進行以下二點標定一般測定中應進行以下二點標定（1）零點標定）零點標定用飽和用飽和Na2SO3作無氧狀態(tài)的溶液，將氧電極放入作無氧狀態(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，待下降該溶液中，顯示儀表上可見溶

27、氧濃度下降，待下降穩(wěn)定后，調(diào)節(jié)零點旋鈕顯示零值。穩(wěn)定后，調(diào)節(jié)零點旋鈕顯示零值。 （2）飽和校正（滿刻度）飽和校正（滿刻度） 進行簡便測定時，可以采取空氣飽和方式。將電進行簡便測定時，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。即為飽和值。v微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測http:/ r的測定的測定(1)用溶氧電極測定用溶氧電極測定r要求電極響應時間短，能跟上攝氧率的變化。要求電極響應時間短，能跟上攝氧率的變化

28、。測定前先用純水標定電極，得到單位電流代表測定前先用純水標定電極，得到單位電流代表的溶氧濃度：的溶氧濃度： 殘飽iiC*I飽飽在飽和氧濃度在飽和氧濃度C*時的電流值時的電流值I殘殘氧濃度為零時電極所具有的電流氧濃度為零時電極所具有的電流v微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測http:/ (-i/t) 殘飽iiC* t停止供氣后停止供氣后CL下降到最低點下降到最低點時所需時間時所需時間 i在在t時間內(nèi)的電流變化時間內(nèi)的電流變化v微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測http:/ 6、氧傳遞系數(shù)、氧傳遞系數(shù)kLakLa的測定的測定設備的設備的KLa可以用亞硫酸鈉法來測定，但它

29、可以用亞硫酸鈉法來測定，但它是在非發(fā)酵過程中測定的，不能完全代表發(fā)是在非發(fā)酵過程中測定的，不能完全代表發(fā)酵過程中的酵過程中的KLa值。其它測定方法有值。其它測定方法有(1)用溶氧電極和熱磁氧分析儀共同測定用溶氧電極和熱磁氧分析儀共同測定在發(fā)酵過程中如果溶氧濃度恒定在一定值表示在發(fā)酵過程中如果溶氧濃度恒定在一定值表示此時供氧和需氧達到平衡，即此時供氧和需氧達到平衡，即 r=KLa(C*-CL)式中式中C*可以查得，可以查得，CL可以用溶氧電極測得，可以用溶氧電極測得，r也可算出，因此可求得也可算出，因此可求得KLa值值v微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測http:/ 溶解氧濃度隨通

30、氣變化的情況溶解氧濃度隨通氣變化的情況 KLa的求取的求取v微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測http:/ 參數(shù)的離線檢測進展參數(shù)的離線檢測進展（一）（一） 利用高效液相（利用高效液相（HPLC）分析代謝中間產(chǎn)）分析代謝中間產(chǎn)物物 通過中間代謝產(chǎn)物的測定可以深入了解微生通過中間代謝產(chǎn)物的測定可以深入了解微生物代謝的流向，依此來分析代謝的情況。從而有物代謝的流向，依此來分析代謝的情況。從而有的放矢的控制發(fā)酵過程的放矢的控制發(fā)酵過程v微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測http:/ 1、有機酸的積累、有機酸的積累 有機酸積累有機酸積累 pH下降下降 補加氨水補加氨水 在正

31、常代謝情況下，細胞通過在正常代謝情況下，細胞通過EMP途徑和途徑和TCA循循環(huán)的過程是為細胞合成提供前體和能量的，按照細環(huán)的過程是為細胞合成提供前體和能量的，按照細胞經(jīng)濟學的原則不會供過于求，即不會出現(xiàn)有機酸胞經(jīng)濟學的原則不會供過于求，即不會出現(xiàn)有機酸的積累的積累若發(fā)酵后期有機酸積累會引起加入的若發(fā)酵后期有機酸積累會引起加入的NH4+積累，積累，相應出現(xiàn)產(chǎn)苷速率下降。相應出現(xiàn)產(chǎn)苷速率下降。代謝不正常代謝不正常v微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測http:/ 2、氨基酸的積累、氨基酸的積累在有機酸分析的基礎上進一步通過在有機酸分析的基礎上進一步通過HPLC測定發(fā)酵過程中不同時間發(fā)酵

32、液中氨基酸，測定發(fā)酵過程中不同時間發(fā)酵液中氨基酸，結(jié)果發(fā)現(xiàn)總氨基酸積累并且其積累晚于有結(jié)果發(fā)現(xiàn)總氨基酸積累并且其積累晚于有機酸和機酸和NH4+積累。積累。v微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測http:/ 3、分析原因、分析原因發(fā)酵過程中積累的氨基酸主要是丙氨酸，而丙氨發(fā)酵過程中積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轉(zhuǎn)化而來，因此可以酸的合成可以直接由丙酮酸轉(zhuǎn)化而來，因此可以推斷由于推斷由于EMP途徑代謝流的增加造成了丙酮酸的途徑代謝流的增加造成了丙酮酸的積累，丙酮酸隨后轉(zhuǎn)化為丙氨酸積累，丙酮酸隨后轉(zhuǎn)化為丙氨酸丙氨酸本身又會對谷氨酸合成酶（丙氨酸本身又會對谷氨酸合

33、成酶（GS）造成反饋）造成反饋抑制和阻遏，使產(chǎn)苷速率降低。抑制和阻遏，使產(chǎn)苷速率降低。v微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測http:/ 氨水補加增加氨水補加增加NH4+積累積累抑制抑制GS抑制抑制TCA循環(huán)循環(huán)丙酮酸積累丙酮酸積累激活磷酸果糖激酶激活磷酸果糖激酶EMP流量增加流量增加惡性循環(huán)惡性循環(huán)丙氨酸丙氨酸積累積累v微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測http:/ 代謝流遷移的酶學證明代謝流遷移的酶學證明糖代謝途徑關(guān)鍵酶糖代謝途徑關(guān)鍵酶糖酵解途徑（糖酵解途徑（EMP）在糖酵解途徑中有兩個不可逆的步驟的酶：在糖酵解途徑中有兩個不可逆的步驟的酶：磷酸果糖激酶和丙酮酸激

34、酶磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶 磷酸果糖激酶的時序分析磷酸果糖激酶的時序分析v微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測http:/ v微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測http:/ 磷酸戊糖途徑（磷酸戊糖途徑（HMP）關(guān)鍵酶）關(guān)鍵酶磷酸戊糖途徑中主要的限速酶是磷酸戊糖途徑中主要的限速酶是6磷酸葡萄糖脫磷酸葡萄糖脫氫酶，該酶催化氫酶，該酶催化6磷酸葡萄糖脫氫生成磷酸葡萄糖脫氫生成6磷酸葡磷酸葡萄糖酸內(nèi)酯萄糖酸內(nèi)酯。v微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測http:/ 螺旋霉素生物合成代謝網(wǎng)絡途徑螺旋霉素生物合成代謝網(wǎng)絡途徑 v微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測微生物培養(yǎng)過程的參

35、數(shù)檢測http:/ 螺旋霉素生物合成中間物動態(tài)流量分布圖螺旋霉素生物合成中間物動態(tài)流量分布圖 哪個代謝中間物過多積累哪個代謝中間物過多積累v微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測http:/ 要減少要減少FO-FO-轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)化為FO-必須降低必須降低C3?；傅幕盍Γ@與?；傅幕盍?，但這與SP、SP合成有矛盾合成有矛盾在發(fā)酵結(jié)束時，在發(fā)酵結(jié)束時， SP-SP-還有一定的積累，如能最大還有一定的積累，如能最大限度的轉(zhuǎn)化為限度的轉(zhuǎn)化為SP-SP-、SP-SP-，即加強步驟，即加強步驟3 3對發(fā)酵對發(fā)酵效率和發(fā)酵效價是有積極意義的。而效率和發(fā)酵效價是有積極意義的。而FO-FO-、NSP

36、-NSP-的最終積累則導致流量浪費，因為這兩種物質(zhì)最的最終積累則導致流量浪費，因為這兩種物質(zhì)最終不能轉(zhuǎn)化為目的產(chǎn)物。因此必須減小步驟終不能轉(zhuǎn)化為目的產(chǎn)物。因此必須減小步驟4 4的通的通量。但由于這幾個步驟的轉(zhuǎn)化都是由量。但由于這幾個步驟的轉(zhuǎn)化都是由C C3 3?；复呋；复呋磻?，這給改變通量帶來一定的困難。反應，這給改變通量帶來一定的困難。v微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測http:/ 24 32 40 48 56 64 72 80 88 96發(fā)酵時間（h）質(zhì)量濃度（g/L）乙酸丁酸圖圖2 有機酸前體的動態(tài)流量分布圖有機酸前體的動態(tài)流量分布圖v微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測微生

37、物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測http:/ 2中，乙酸和丁酸在從中，乙酸和丁酸在從4040小時開始積累小時開始積累并在并在6464小時達到最高值，對照圖小時達到最高值，對照圖3 3螺旋霉素螺旋霉素生物合成代謝網(wǎng)絡途徑生物合成代謝網(wǎng)絡途徑99，我們可以推測在，我們可以推測在發(fā)酵中前期在圖發(fā)酵中前期在圖3 3中的步驟中的步驟1 1也即大環(huán)成環(huán)步也即大環(huán)成環(huán)步驟有一定程度的驟有一定程度的“瓶頸瓶頸”影響，從而導致乙影響，從而導致乙酸、丁酸有一定的積累。若能加強這一步驟酸、丁酸有一定的積累。若能加強這一步驟的通量，應能提高代謝網(wǎng)絡的通量，提高螺的通量，應能提高代謝網(wǎng)絡的通量，提高螺旋霉素的效價。旋霉素的效價。我們測定了內(nèi)酯環(huán)合成相關(guān)的酶活我們測定了內(nèi)酯環(huán)合成相關(guān)的酶活前體前體的活化的活化v微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測http:/ 測定酶活并建立酶活趨勢曲線。測定酶活并建立酶活趨勢曲線。分析：兩種酶在發(fā)酵過程中都有兩個活性高峰期分析：兩種酶在發(fā)酵過程中都有兩個活性高峰期, ,但但出現(xiàn)的時間相差很大。出現(xiàn)的時間相差很大。?；っ傅幕钚愿叻迤谥饕性诎l(fā)酵中前期?；っ傅幕钚愿叻迤谥饕性诎l(fā)酵中前期?；；鵆oACoA合成酶的活性高峰期主要集中在發(fā)酵中后合成酶的活性高峰期主要集中在發(fā)酵中后