第七章发酵过程控制发酵工程课件.ppt

1、发酵工程发酵工程精品课程精品课程http:/ http:/ 发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制发酵过程控制是发酵的重要部分发酵过程控制是发酵的重要部分控制难点：过程的不确定性和参数的非线性控制难点：过程的不确定性和参数的非线性同样的菌种，同样的培养基在不同工厂，不同批次同样的菌种，同样的培养基在不同工厂，不同批次会得到不同的结果，可见发酵过程的影响因素是复会得到不同的结果，可见发酵过程的影响因素是复杂的，比如设备的差别、水的差别、培养基灭菌的杂的，比如设备的差别、水的差别、培养基灭菌的差别，菌种保藏时间的长短，发酵过程的细微差别差别，菌种保藏时间的长短，发酵过程的细微差别都会引起微生物代谢的

2、不同。了解和掌握分析发酵都会引起微生物代谢的不同。了解和掌握分析发酵过程的一般方法对于控制代谢是十分必要的过程的一般方法对于控制代谢是十分必要的http:/ 发酵过程工艺控制的发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次目的、研究的方法和层次一一 发酵过程的种类发酵过程的种类分批培养分批培养补料分批培养补料分批培养半连续培养半连续培养连续培养连续培养v发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次http:/ 1、分批发酵分批发酵简单的过程，培养基中接入菌种以后，简单的过程，培养基中接入菌种以后，没有物料的加入和取出，除了空气的没有物料的加入和取出，除了空气的通入

3、和排气。整个过程中菌的浓度、通入和排气。整个过程中菌的浓度、营养成分的浓度和产物浓度等参数都营养成分的浓度和产物浓度等参数都随时间变化。随时间变化。v发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次http:/ 定定 期期死亡期死亡期v发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次http:/ 操作简单，周期短，染菌机会少，生产操作简单，周期短，染菌机会少，生产过程和产品质量容易掌握过程和产品质量容易掌握缺点缺点 产率低，不适于测定动力学数据产率低，不适于测定动力学数据v发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次发酵过程工艺控制的

4、目的、研究的方法和层次http:/ 2、补料分批培养、补料分批培养 在分批培养过程中补入新鲜的料液，以克在分批培养过程中补入新鲜的料液，以克服营养不足而导致的发酵过早结束的缺点。服营养不足而导致的发酵过早结束的缺点。在此过程中只有料液的加入没有料液的取在此过程中只有料液的加入没有料液的取出，所以发酵结束时发酵液体积比发酵开出，所以发酵结束时发酵液体积比发酵开始时有所增加。在工厂的实际生产中采用始时有所增加。在工厂的实际生产中采用这种方法很多。这种方法很多。v发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次http:/ 在这样一种系统中可以维持低的基质浓在这样一种

5、系统中可以维持低的基质浓度，避免快速利用碳源的阻遏效应；可以通过补度，避免快速利用碳源的阻遏效应；可以通过补料控制达到最佳的生长和产物合成条件；还可以料控制达到最佳的生长和产物合成条件；还可以利用计算机控制合理的补料速率，稳定最佳生产利用计算机控制合理的补料速率，稳定最佳生产工艺。工艺。缺点缺点 由于没有物料取出，产物的积累最终导致由于没有物料取出，产物的积累最终导致比生产速率的下降。由于有物料的加入增加了染比生产速率的下降。由于有物料的加入增加了染菌机会菌机会v发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次http:/ 3、半连续培养、半连续培养在补料分批培

6、养的基础上间歇放掉部分在补料分批培养的基础上间歇放掉部分发酵液（带放）称为半连续培养。某些发酵液（带放）称为半连续培养。某些品种采取这种方式，如四环素发酵品种采取这种方式，如四环素发酵优点优点 放掉部分发酵液，再补入部分料液，放掉部分发酵液，再补入部分料液，使代谢有害物得以稀释有利于产物合成，使代谢有害物得以稀释有利于产物合成，提高了总产量提高了总产量。缺点缺点 代谢产生的前体物被稀释，提取的总代谢产生的前体物被稀释，提取的总体积增大体积增大v发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次http:/ 4、连续培养、连续培养发酵过程中一边补入新鲜料液一边放出等

7、量发酵过程中一边补入新鲜料液一边放出等量的发酵液，使发酵罐内的体积维持恒定。的发酵液，使发酵罐内的体积维持恒定。达到稳态后，整个过程中菌的浓度，产物浓达到稳态后，整个过程中菌的浓度，产物浓度，限制性基质浓度都是恒定的。度，限制性基质浓度都是恒定的。v发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次http:/ 控制稀释速率可以使发酵过程最优化。控制稀释速率可以使发酵过程最优化。发酵周期长，得到高的产量。由于发酵周期长，得到高的产量。由于D，通过，通过改变稀释速率可以比较容易的研究菌生长的动改变稀释速率可以比较容易的研究菌生长的动力学力学缺点缺点 菌种不稳定的话，

8、长期连续培养会引起菌菌种不稳定的话，长期连续培养会引起菌种退化，降低产量。长时间补料染菌机会大大增种退化，降低产量。长时间补料染菌机会大大增加。加。v发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次http:/ 发酵过程工艺控制的目的发酵过程工艺控制的目的有一个好的菌种以后要有一个配合菌种生长有一个好的菌种以后要有一个配合菌种生长的最佳条件，使菌种的潜能发挥出来的最佳条件，使菌种的潜能发挥出来目标是得到最大的比生产速率和最大的生产目标是得到最大的比生产速率和最大的生产率率v发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次http:

9、/ 生长速率、呼吸强度、生长速率、呼吸强度、营养要求（酶系统）、代谢速率营养要求（酶系统）、代谢速率菌代谢与环境的相关性菌代谢与环境的相关性 温度、温度、pH、渗透压、渗透压、离子强度、溶氧浓度、剪切力等离子强度、溶氧浓度、剪切力等v发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次http:/ 发酵过程研究的方法和层次发酵过程研究的方法和层次1、研究方法、研究方法单因子实验单因子实验：对实验中要考察的因子逐个进行试对实验中要考察的因子逐个进行试验，寻找每个因子的最佳条件。一般用摇瓶做实验，寻找每个因子的最佳条件。一般用摇瓶做实验验优点优点 一次可以进行多种条件的

10、实验，可以在较一次可以进行多种条件的实验，可以在较快时间内得到的结果。快时间内得到的结果。缺点缺点 如果考察的条件多，实验时间会比较长如果考察的条件多，实验时间会比较长各因子之间可能会产生交互作用，影响的结果准各因子之间可能会产生交互作用，影响的结果准确性确性v发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次http:/ 同时进行多因子试验。用少量的实验，经过同时进行多因子试验。用少量的实验，经过数理分析得到单因子实验同样的结果，甚至更准确，数理分析得到单因子实验同样的结果，甚至更准确，大大提高了实验效率。大大提高了实验效率。但对于生物学实验要求准确性高，因为实

11、验的但对于生物学实验要求准确性高，因为实验的最佳条件是经过统计学方法算出来的，如果实验中最佳条件是经过统计学方法算出来的，如果实验中存在较大的误差就会得出错误的结果。存在较大的误差就会得出错误的结果。v发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次http:/ 2、研究的层次、研究的层次初级层次的研究初级层次的研究：一般在摇瓶规模进行试验。主要考察目的菌株一般在摇瓶规模进行试验。主要考察目的菌株生长和代谢的一般条件，如培养基的组成、最生长和代谢的一般条件，如培养基的组成、最适温度、最适适温度、最适pH等要求。等要求。摇瓶研究的优点是工作量大，可以一次试验几摇瓶

12、研究的优点是工作量大，可以一次试验几十种甚至几百种条件，对于菌种培养条件的优十种甚至几百种条件，对于菌种培养条件的优化有较高的效率。化有较高的效率。v发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次http:/ 发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析是生产控制的眼睛，它显发酵过程的中间分析是生产控制的眼睛，它显示了发酵过程中微生物的主要代谢变化。因为示了发酵过程中微生物的主要代谢变化。因为微生物个体极微小，肉眼无法看见，要了解它微生物个体极微小，肉眼无法看见，要了解它的代谢状况，只能从分析一些参数来判断，所的代谢状况，只能从分析一些参数来判断，所

13、以说中间分析是生产控制的眼睛。以说中间分析是生产控制的眼睛。这些代谢参数又称为状态参数，因为它们反映这些代谢参数又称为状态参数，因为它们反映发酵过程中菌的生理代谢状况，如发酵过程中菌的生理代谢状况，如pH，溶氧，溶氧，尾气氧，尾气二氧化碳，粘度，菌浓度等尾气氧，尾气二氧化碳，粘度，菌浓度等v发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析http:/ 发酵过程主要分析的项目发酵过程主要分析的项目目前发酵过程主要分析项目如下目前发酵过程主要分析项目如下1 1、pHpH pH与微生物的生命活动密切相关与微生物的生命活动密切相关 酶酶催化活性催化活性 pH的变化又是微生物代谢状况的综合反的变化又是微生物代谢状况

14、的综合反映映基质代谢、产物合成、细胞状态、基质代谢、产物合成、细胞状态、营养状况、供氧状况营养状况、供氧状况v发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析http:/ 2、排气氧、排气、排气氧、排气COCO2 2和呼吸熵和呼吸熵排气氧的浓度表征了进气的氧被微生物利用以后还排气氧的浓度表征了进气的氧被微生物利用以后还剩余的氧，因此排气氧的大小反映了菌生长的活性，剩余的氧，因此排气氧的大小反映了菌生长的活性，通过计算可以求得摄氧率（通过计算可以求得摄氧率（OUR）。）。排气二氧化碳反映了微生物代谢的情况，因为微生排气二氧化碳反映了微生物代谢的情况，因为微生物摄入的氧并不是全部变成二氧化碳的，有的进入物摄入

15、的氧并不是全部变成二氧化碳的，有的进入代谢中间物分子，进入细胞或产物，因此消耗的氧代谢中间物分子，进入细胞或产物，因此消耗的氧并不等于排出的二氧化碳，此外，含氧的有机物降并不等于排出的二氧化碳，此外，含氧的有机物降解后会产生二氧化碳，使排气二氧化碳大于消耗的解后会产生二氧化碳，使排气二氧化碳大于消耗的氧。氧。v发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析http:/ 呼吸熵反映了氧的利用状况呼吸熵反映了氧的利用状况v发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析http:/ 一般在发酵中后期为保证产生次级代谢产物，有意一般在发酵中后期为保证产生次级代谢产物，有意使菌体处于半饥饿状态，在营养限制的条件下，维使菌体

16、处于半饥饿状态，在营养限制的条件下，维持产生次级代谢产物的速率在较高水平。对于这种持产生次级代谢产物的速率在较高水平。对于这种工艺，后期的补料控制是关键。过程中发现，在补工艺，后期的补料控制是关键。过程中发现，在补糖开始时，不但糖开始时，不但CER、OUR大幅度提高，连大幅度提高，连RQ也也提高约提高约10，表明通过补糖不但提供了更多的碳源，表明通过补糖不但提供了更多的碳源，而且随着体系内葡萄糖浓度提高，糖代谢相关酶活而且随着体系内葡萄糖浓度提高，糖代谢相关酶活力也提高，产能增加。力也提高，产能增加。v发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析http:/ 3、糖含量、糖含量微生物生长和产物合成与糖

17、代谢有密切关系。微生物生长和产物合成与糖代谢有密切关系。糖的消耗糖的消耗 反映产生菌的生长繁殖情况反映产生菌的生长繁殖情况 反映产物合成的活力反映产物合成的活力菌体生长旺盛糖耗一定快，残糖也就降低得快通过糖含菌体生长旺盛糖耗一定快，残糖也就降低得快通过糖含量的测定，可以控制菌体生长速率，可控制补糖来调节量的测定，可以控制菌体生长速率，可控制补糖来调节pH，促进产物合成，不致于盲目补糖，造成发酵不正常。，促进产物合成，不致于盲目补糖，造成发酵不正常。糖含量测定包括总糖和还原糖。糖含量测定包括总糖和还原糖。总糖总糖指发酵液中残留的各种糖的总量。如发酵中的指发酵液中残留的各种糖的总量。如发酵中的淀粉

18、、饴糖、单糖等各种糖淀粉、饴糖、单糖等各种糖。还原糖还原糖指含有自由醛基的单糖，通常指的是葡萄指含有自由醛基的单糖，通常指的是葡萄糖。糖。v发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析http:/ 4、氨基氮和氨氮、氨基氮和氨氮氨基氮氨基氮指有机氮中的氮（指有机氮中的氮（NH2-N），单位是），单位是 mg/100ml。如氨基酸中的氮，黄豆饼粉、花生饼粉中都有有机氮。如氨基酸中的氮，黄豆饼粉、花生饼粉中都有有机氮。氨氮氨氮指无机氨中的氮（指无机氨中的氮（NH3-N）。）。氮利用快慢可分析出菌体生长情况，含氮产物合成情况。氮利用快慢可分析出菌体生长情况，含氮产物合成情况。但是氮源太多会促使菌体大量生长。

19、有些产物合成受到但是氮源太多会促使菌体大量生长。有些产物合成受到过量铵离子的抑制，因此必须控制适量的氮。通过氨基过量铵离子的抑制，因此必须控制适量的氮。通过氨基氮和氨氮的分析可控制发酵过程，适时采取补氨措施。氮和氨氮的分析可控制发酵过程，适时采取补氨措施。发酵后期氨基氮回升，这时就要放罐，否则影响提取过发酵后期氨基氮回升，这时就要放罐，否则影响提取过程。程。v发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析http:/ 5、磷含量、磷含量微生物体内磷含量较高，培养基中以磷酸盐微生物体内磷含量较高，培养基中以磷酸盐为主，发酵中用来计算磷含量的是磷酸根。为主，发酵中用来计算磷含量的是磷酸根。磷是核酸的组成部分

20、，是高能化合物磷是核酸的组成部分，是高能化合物ATP的的组成部分，磷还能促进糖代谢。因此磷在培组成部分，磷还能促进糖代谢。因此磷在培养基中具有非常重要的作用，如果磷缺乏就养基中具有非常重要的作用，如果磷缺乏就要采取补磷措施。要采取补磷措施。v发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析http:/ 6、菌浓度和菌形态、菌浓度和菌形态菌形态和菌浓度直接反映菌生长的情况。菌形态和菌浓度直接反映菌生长的情况。菌形态菌形态 显微镜观察显微镜观察菌浓度的测定是衡量产生菌在整个培养过程中菌菌浓度的测定是衡量产生菌在整个培养过程中菌体量的变化，一般前期菌浓增长很快，中期菌浓体量的变化，一般前期菌浓增长很快，中期菌浓

21、基本恒定。补料会引起菌浓的波动，这也是衡量基本恒定。补料会引起菌浓的波动，这也是衡量补料量适合与否的一个参数。补料量适合与否的一个参数。v发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析http:/ OD600660 适合于细菌、酵适合于细菌、酵母母v发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析http:/ 7、产物浓度、产物浓度 在培养过程中，产生菌的合成能力和产物积在培养过程中，产生菌的合成能力和产物积累情况都要通过产物量的测定来了解，产物浓累情况都要通过产物量的测定来了解，产物浓度直接反映了生产的状况度直接反映了生产的状况,是发酵控制的重要是发酵控制的重要参数。而且通过计算还可以得到生产速率和比参数。而且通

22、过计算还可以得到生产速率和比生产速率，从而分析发酵条件如补料、生产速率，从而分析发酵条件如补料、pH对对产物形成的影响。产物形成的影响。v发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析http:/ 产物量的测定产物量的测定（一）（一）产物量的特殊表示法产物量的特殊表示法1 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多少，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（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 类似重量单位类似重量单位 特殊单位特殊单位v发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析http:/ 如链霉素、

23、卡那霉素、红霉素等如链霉素、卡那霉素、红霉素等定义活性部分定义活性部分1g1uv发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析http:/ 1mg=3700u多粘菌素多粘菌素B 1mg=10000uv发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析http:/ 2、酶活力的表示法、酶活力的表示法酶活力用单位来表示。由于酶通常不是很纯，酶活力用单位来表示。由于酶通常不是很纯，不能用重量来表示酶的量。同一种酶用不同不能用重量来表示酶的量。同一种酶用不同的方法测定会有不同的酶活单位，容易造成的方法测定会有不同的酶活单位，容易造成混乱，为此国际上作了统一规定，规定在混乱，为此国际上作了统一规定，规定在250C下，下，以最适

24、的底物浓度，最适的缓冲液以最适的底物浓度，最适的缓冲液离子强度，以及最适的离子强度，以及最适的pH诸条件下，每分钟诸条件下，每分钟能转化一微克分子底物的酶定量为一个活性能转化一微克分子底物的酶定量为一个活性单位。单位。v发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析http:/ 1、化学法、化学法（1）滴定法）滴定法产物能使一定指示剂变色来指示反应终点的可用滴定产物能使一定指示剂变色来指示反应终点的可用滴定法法如青霉素在碱性条件下加入过量的如青霉素在碱性条件下加入过量的I2，反应生成青霉噻，反应生成青霉噻唑酸碘，用唑酸碘，用Na2S2O3滴定多余的碘，可计算出青霉素的滴定多余的碘，可计算出青霉素的单位单

25、位计算青霉素效价青霉噻唑酸碘青霉素滴定多余过量23222,IOSNAIOH柠檬酸可以用柠檬酸可以用NaOH滴定来计算柠檬酸产量滴定来计算柠檬酸产量v发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析http:/ 产物特定反应放出或摄入气体，使系统有压力产物特定反应放出或摄入气体，使系统有压力变化，可以通过测定压力变化得知产物量。变化，可以通过测定压力变化得知产物量。2、物理法、物理法 许多酶、抗生素都有不对称碳原子，具有旋许多酶、抗生素都有不对称碳原子，具有旋光性，因此可以通过测定旋光度来测定酶或光性，因此可以通过测定旋光度来测定酶或抗生素的含量。抗生素的含量。谷氨酸谷氨酸谷谷氨氨酸酸脱脱氢氢酶酶氨基丁酸氨

26、基丁酸CO2v发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析http:/ 生物法以抗生素的杀菌能力为衡量效价的标准生物法以抗生素的杀菌能力为衡量效价的标准，其其原理恰好与临床应用的要求相一致，而且此法灵敏原理恰好与临床应用的要求相一致，而且此法灵敏度高，需用的检品量较小，这是其它方法不能比的。度高，需用的检品量较小，这是其它方法不能比的。但此法得到结果比较慢，需经过但此法得到结果比较慢，需经过1618小时培养。小时培养。生物法常用于发酵终了产品效价的测定。生物法常用于发酵终了产品效价的测定。3 3、生物法、生物法v发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析http:/ ml加到已凝固的加到已凝固的培养基上待凝

27、固（上层）。培养基上待凝固（上层）。v发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析http:/ （小时）（小时）v发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析http:/ KUSUSSUSULLHHLLHHloglog22222222已知：已知：令：令：得出：得出：KUSUSSUSULLHHLLHHloglogKWVloglogv发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析http:/ D、T大大,误差小误差小截距小截距小 C、D、T、H小，误差小小，误差小v发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析http:/ http:/ 微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测 在线检测必须用专门的传感器（也叫电极或探头）在

28、线检测必须用专门的传感器（也叫电极或探头）放入发酵系统，将发酵的一些信息传递出来，为发酵控放入发酵系统，将发酵的一些信息传递出来，为发酵控制提供依据制提供依据。黑箱黑箱 灰箱灰箱 参数检测检测仪器：气相色谱、高效液相、离子色谱、检测仪器：气相色谱、高效液相、离子色谱、双向电泳、毛细管电泳、红外光谱、基因测序仪等双向电泳、毛细管电泳、红外光谱、基因测序仪等检测代谢中间物，分析代谢流向、检测代谢中间物，分析代谢流向、RNARNA检测检测一一 参数在线检测参数在线检测v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/ 插入罐内的传感器必须能经受高压蒸汽灭菌插入罐内的传感器必须能经受高压蒸

29、汽灭菌（材料、数据）（材料、数据）l 传感器结构不能存在灭菌不透的死角，以防染传感器结构不能存在灭菌不透的死角，以防染菌（密封性好）菌（密封性好）l 传感器对测量参数要敏感，且能转换成电信号。传感器对测量参数要敏感，且能转换成电信号。（响应快、灵敏）（响应快、灵敏）l 传感器性能要稳定，受气泡影响小。传感器性能要稳定，受气泡影响小。v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/ 电信号电信号 放大放大 记录显示仪记录显示仪 控制器（与设定参数比较）控制器（与设定参数比较）发出调节信号发出调节信号 控制器动作控制器动作v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/

30、 lpHpH电极电极l溶氧电极溶氧电极它们是基础电极，以它们为基础可以制作各它们是基础电极，以它们为基础可以制作各种离子电极和酶电极种离子电极和酶电极v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/ 1、pHpH的定义的定义影响化学平衡的往往是活度，而不是浓度，但对影响化学平衡的往往是活度，而不是浓度，但对于稀溶液为了避免在氢离子活度很小时表达方式于稀溶液为了避免在氢离子活度很小时表达方式上的麻烦上的麻烦引进引进pH=-lgHpH=-lgH+H+=0.00001H+=0.00001时时 用用pH5pH5表示表示v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/ 2、p

31、HpH测量方法测量方法 pHpH试纸曾经是一种广泛采用的方法试纸曾经是一种广泛采用的方法优点：方便，易操作优点：方便，易操作缺点：它主观性较强缺点：它主观性较强 质量差异，不同厂家不同批号的质量差异，不同厂家不同批号的pHpH试纸测试纸测出的出的pHpH值会有较大的差别，有时甚至达值会有较大的差别，有时甚至达0.510.51。对于一些要求较高的场合就适用对于一些要求较高的场合就适用pHpH试纸试纸pHpH电极电极v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/ 溶液溶液X 指示电极指示电极该电池的参比电极的输出电位恒定，该电池的参比电极的输出电位恒定，指示电极的输出电位随被测体系

32、中指示电极的输出电位随被测体系中氢离子活度而变化。因此整个自发氢离子活度而变化。因此整个自发电池的电动势就是被测体系中氢离电池的电动势就是被测体系中氢离子活度的函数。子活度的函数。E=E0-ln1/=E0-2.303 pHFRTaHFRT式中式中E0对某一给定电极为常数，是温度的函数，因此从对某一给定电极为常数，是温度的函数，因此从电位差计的电位差计的E值可测出值可测出pH值。值。v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/ 甘汞电极（甘汞电极（a）232型（型（b）217型型1导线；导线；2加液口；加液口；3-KCl溶液；溶液；4素烧瓷芯；素烧瓷芯；5铂丝；铂丝；6Hg；7

33、Hg2Cl2一般的参比电极是甘汞电极。电极的外壳是玻璃管，里面套一根小一般的参比电极是甘汞电极。电极的外壳是玻璃管，里面套一根小玻璃管，其顶部伸出电极引线，引线的下端浸没在汞中，汞的下端玻璃管，其顶部伸出电极引线，引线的下端浸没在汞中，汞的下端有糊状甘汞，汞和甘汞用棉花堵住，只有离子才能通过，而汞和甘有糊状甘汞，汞和甘汞用棉花堵住，只有离子才能通过，而汞和甘汞不会漏失，小管和大管之间充满汞不会漏失，小管和大管之间充满KCl溶液，末端用多孔陶瓷渗入溶液，末端用多孔陶瓷渗入到溶液中，实现电极引线与溶液间的电导通。到溶液中，实现电极引线与溶液间的电导通。u参比电极参比电极v微生物培养过程的参数检测微

34、生物培养过程的参数检测http:/ 由此可见，甘汞电极是由金属汞及其难溶盐由此可见，甘汞电极是由金属汞及其难溶盐氯氯化亚汞以及含氯离子的电解质溶液组成。这种半电化亚汞以及含氯离子的电解质溶液组成。这种半电池可表示为池可表示为Hg(L)Hg2Cl2(S)Cl-(L)电极电位产生电极电位产生于汞和甘汞的界面，其电极反应为：于汞和甘汞的界面，其电极反应为：2Cl-+2Hg Hg2Cl2+2e-其电极电位为其电极电位为Cl/HgCl,Hg=+ln1/0,/HgHgClClFRTCl 由此可见甘汞电极的电极电位只与氯化钾的活由此可见甘汞电极的电极电位只与氯化钾的活度有关而不受被测溶液的酸碱度影响度有关而

35、不受被测溶液的酸碱度影响v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/ SiO-H+为主要成分的水合硅胶层，为主要成分的水合硅胶层，厚度约为厚度约为10-410-5mmv微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/ 试试水合硅胶层水合硅胶层 干干 玻玻 璃璃 层层水合硅胶层水合硅胶层内参比溶液内参比溶液1 1 2 2 1-2以以1、2分别表示试液分别表示试液内与内参比溶液中内与内参比溶液中H+离离子活度，子活度，1、2分别表分别表示外侧与内侧硅胶层表示外侧与内侧硅胶层表面面H+离子活度，离子活度，由于水合硅胶层表面与由于水合硅胶层表面与内（内参比溶液）、外内（内

36、参比溶液）、外（试液）溶液中的（试液）溶液中的H+离离子从活度大的一方向小子从活度大的一方向小的一方迁移，使玻璃膜的一方迁移，使玻璃膜的外、内侧分别产生相的外、内侧分别产生相界电位界电位1和和2。经水浸泡经水浸泡后的玻璃后的玻璃膜截面成膜截面成为三层结为三层结构，如图构，如图:则有：则有：外侧外侧:1=K1+11LnFRT内侧：内侧：2=K2+22LnFRTv微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/ +膜膜+不对称不对称其中，其中，0 与与不对称不对称对于特定的电极是恒定的，对于特定的电极是恒定的，故玻璃电极的电极电位与试液故玻璃电极的电极电位与试液pH值呈线性关系。值呈线

37、性关系。（4）玻璃电极的性能）玻璃电极的性能l存在不对称电势存在不对称电势不对称电势产生于电极敏感玻璃膜部分，由于膜内外不对称电势产生于电极敏感玻璃膜部分，由于膜内外表面状态不完全一样引起的，它与温度、玻璃组成、表面状态不完全一样引起的，它与温度、玻璃组成、敏感膜厚度及加工状况等因素有关。不对称电势可以敏感膜厚度及加工状况等因素有关。不对称电势可以用已知用已知pH值的标准缓冲液来校正值的标准缓冲液来校正 v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/ 电极电位为零时的溶液电极电位为零时的溶液pH值称为零电势值称为零电势pH值，值，该值取决于内参比溶液的该值取决于内参比溶液的pH

38、值。含有值。含有0.025mol/l的的 KCl和等摩尔浓度的磷酸混合缓冲液的等电势和等摩尔浓度的磷酸混合缓冲液的等电势点为点为pH=7，在，在pH7时，玻璃电极的极性时，玻璃电极的极性发生改变。发生改变。v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/ 玻璃电极的实际转换系数并不是在整个玻璃电极的实际转换系数并不是在整个pH范围都是常数，因而响应曲线会偏离直线，范围都是常数，因而响应曲线会偏离直线，实际的实际的pH响应曲线如图响应曲线如图测量值测量值pH在碱性范围内在碱性范围内pH10 k降低，测量值偏高降低，测量值偏高在酸性范围内在酸性范围内pH1 k升高，测量值偏低升高，测

39、量值偏低v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/ 隔膜隔膜 被测被测体系体系 玻璃敏感膜玻璃敏感膜 内参比电极之间达到电内参比电极之间达到电导通，组成原电池，其原理与双电极导通，组成原电池，其原理与双电极pH计的工计的工作原理完全相同，只是结构更紧凑，使用更方便。作原理完全相同，只是结构更紧凑，使用更方便。v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/ 在某种离子选择性电极的表面覆盖一层憎水的透在某种离子选择性电极的表面覆盖一层憎水的透气膜，在透气膜和这种离子选择性电极之间充以中间气膜，在透气膜和这种离子选择性电极之间充以中间溶液，透气膜不允许溶液中的离子

40、通过，而只允许被溶液，透气膜不允许溶液中的离子通过，而只允许被测定的气体通过，直到透气膜内外两边该气体的分压测定的气体通过，直到透气膜内外两边该气体的分压相等。相等。进入透气膜的气体与中间溶液起反应，从而使中进入透气膜的气体与中间溶液起反应，从而使中间溶液中的某一被离子选择性电极响应的物质的量发间溶液中的某一被离子选择性电极响应的物质的量发生变化，并通过选择性电极电位反映出来，达到间接生变化，并通过选择性电极电位反映出来，达到间接表征被测气体含量的目的。表征被测气体含量的目的。v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/ 能用气敏电极测定气体有能用气敏电极测定气体有CO2、N

41、H3、SO2、NO2、H2S、HCN、HF、Cl2、Br2、I2的蒸气的蒸气等，其中以氨电极比较成熟，应用较广。等，其中以氨电极比较成熟，应用较广。1、NH4的测量的测量氨是酶反应中最常见的产物和反应物，氨离氨是酶反应中最常见的产物和反应物，氨离子可用氨气敏电极来测定。常用的氨电极为：子可用氨气敏电极来测定。常用的氨电极为：v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/ HCO3-+H+产生的氢离子引起产生的氢离子引起pH的变化，就可以测出溶解的变化，就可以测出溶解CO2的浓度。如果的浓度。如果CO2扩散在水或扩散在水或NaHCO3的水的水溶液中，它们的溶液中，它们的pH值会依

42、据下列的式子而变化：值会依据下列的式子而变化：v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/ pH=常数常数lg 2COp在在NaHCO3溶液中溶液中 pH=常数常数-lgpCO2在在NaHCO3溶液中测量能方便地确定溶液中测量能方便地确定pH和和pCO2之间的对应关系。使用特殊的气体渗透膜，它之间的对应关系。使用特殊的气体渗透膜，它能够使能够使CO2扩散到扩散到NaHCO3溶液中去，溶液中溶液中去，溶液中pH变化就是变化就是CO2实际分压的测量值实际分压的测量值 v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/ 0.5%，量程，量程的线性范围大，虽然仪器价格高，

43、但在生物细胞的线性范围大，虽然仪器价格高，但在生物细胞培养时常被采用。培养时常被采用。不分光红外线不分光红外线CO2气体分析原理是：除了单原子气体分析原理是：除了单原子气体（如氖、氩等）和无极性的双原子气体（如气体（如氖、氩等）和无极性的双原子气体（如氧、氢、氮等）外，几乎所有气体都在红外波段氧、氢、氮等）外，几乎所有气体都在红外波段（即微米级）具有不同的红外吸收光谱，（即微米级）具有不同的红外吸收光谱，CO2的的红外吸收峰在红外吸收峰在2.62.9m和和4.14.5m之间有两之间有两个吸收峰，根据吸收峰值可以求出个吸收峰，根据吸收峰值可以求出CO2的所含浓的所含浓度。度。v微生物培养过程的参

44、数检测微生物培养过程的参数检测http:/ 3、排气氧、排气、排气氧、排气COCO2 2和呼吸熵和呼吸熵v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/ 2NH3+CO2通过通过NH3或或CO2气敏电极测定气敏电极测定NH3或或CO2的分压的分压即可达到间接测定尿素的目的。即可达到间接测定尿素的目的。4 4、酶电极、酶电极v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/ 对于好氧微生物来说氧的供应十分重要，了解对于好氧微生物来说氧的供应十分重要，了解发酵过程中溶氧情况是发酵控制的关键方面。现在发发酵过程中溶氧情况是发酵控制的关键方面。现在发酵中溶氧测定大多用溶氧电极

45、来测定。溶氧电极可分酵中溶氧测定大多用溶氧电极来测定。溶氧电极可分为极谱型和原电池型。为极谱型和原电池型。极谱型极谱型 需极化电压及放大器，耗氧少，受气流影需极化电压及放大器，耗氧少，受气流影响小响小 原电池型原电池型 简单便宜，适于中小罐。耗氧较大，受简单便宜，适于中小罐。耗氧较大，受气流和气泡影响大。气流和气泡影响大。v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/ 敞口式敞口式 封闭式封闭式v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/ 在电极的玻璃管上有一个小孔，使在电极的玻璃管上有一个小孔，使玻璃管与环境相通，这样在蒸汽灭菌时电极玻璃管与环境相通，这样在

46、蒸汽灭菌时电极玻璃管内外压力相等，有利于保护电极玻璃管内外压力相等，有利于保护电极封闭式的电极玻璃管上没有小孔，蒸汽灭菌封闭式的电极玻璃管上没有小孔，蒸汽灭菌时玻璃管受压大时玻璃管受压大现在使用的大多数是敞口式电极现在使用的大多数是敞口式电极v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/ 1、复膜氧电极的工作原理、复膜氧电极的工作原理阴极由铂、银、金等贵金属组成，阳极由铅、锡、阴极由铂、银、金等贵金属组成，阳极由铅、锡、铝等组成铝等组成。当给电极施加极谱电压（。当给电极施加极谱电压（0.60.8V负负电压）时，溶液中的氧就在阴极被还原。当产生电压）时，溶液中的氧就在阴极被还原。

47、当产生的电流与溶液中氧含量成正比时，此时的电极电的电流与溶液中氧含量成正比时，此时的电极电流为饱和电流，此时的电压为极谱电压。氧浓度流为饱和电流，此时的电压为极谱电压。氧浓度与饱和电流成正比关系。与饱和电流成正比关系。v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/ 2、电极的构造、电极的构造在阴极银（铂）在阴极银（铂）片的前面包一张片的前面包一张半透膜，氧可以半透膜，氧可以透过半透膜达到透过半透膜达到阴极上进行电极阴极上进行电极反应。该半透膜反应。该半透膜固定在阴极表面。固定在阴极表面。小孔用于压力补小孔用于压力补偿。偿。v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测htt

48、p:/ 3、溶氧电极的影响因素、溶氧电极的影响因素（1）电极的灵敏度）电极的灵敏度电极的阴极表面覆盖了半透膜之后，在一定条件下当电极的阴极表面覆盖了半透膜之后，在一定条件下当膜成为氧扩散的控制因素时，氧分压的变化与电流输膜成为氧扩散的控制因素时，氧分压的变化与电流输出的稳态有以下对应式：出的稳态有以下对应式：IS=NFA(pm/dm)pO2式中式中IS电极电流电极电流 N电子数电子数 F法拉第常数法拉第常数 A阴极表面积阴极表面积 Pm氧在复膜中的穿透系数氧在复膜中的穿透系数 PO2被测溶液中的氧分压被测溶液中的氧分压 dm膜的厚度膜的厚度v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测ht

49、tp:/ 因为电极表面的氧浓度与液因为电极表面的氧浓度与液体主流中的氧浓度存在浓度梯度体主流中的氧浓度存在浓度梯度搅拌速度、通气量和培养液粘度搅拌速度、通气量和培养液粘度v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/ 4、电极的标定、电极的标定一般测定中应进行以下二点标定一般测定中应进行以下二点标定（1）零点标定）零点标定用饱和用饱和Na2SO3作无氧状态的溶液，将氧电极放入作无氧状态的溶液，将氧电极放入该溶液中，显示仪表上可见溶氧浓度下降，待下降该溶液中，显示仪表上可见溶氧浓度下降，待下降稳定后，调节零点旋钮显示零值。稳定后，调节零点旋钮显示零值。（2）饱和校正（满刻度）饱和

50、校正（满刻度）进行简便测定时，可以采取空气饱和方式。将电进行简便测定时，可以采取空气饱和方式。将电极放入培养液中，通气搅拌一段时间，显示仪上极放入培养液中，通气搅拌一段时间，显示仪上可见溶氧上升，待上升稳定，调节满刻度旋钮至可见溶氧上升，待上升稳定，调节满刻度旋钮至100%即为饱和值。即为饱和值。v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/ r的测定的测定(1)用溶氧电极测定用溶氧电极测定r要求电极响应时间短，能跟上摄氧率的变化。要求电极响应时间短，能跟上摄氧率的变化。测定前先用纯水标定电极，得到单位电流代表测定前先用纯水标定电极，得到单位电流代表的溶氧浓度：的溶氧浓度：残饱