1、第一節：檢測與控制概論第一節：檢測與控制概論發酵過程檢測與控制的概念發酵過程檢測與控制的概念為了更好的進行發酵生產，為了更好的進行發酵生產，人們選取了發酵過程中的某些變量，人們選取了發酵過程中的某些變量，依據一定的原理，依據一定的原理，利用一定的方法利用一定的方法并借助相應的儀器設備并借助相應的儀器設備對其進行檢測對其進行檢測或檢查，或檢查，并在此基礎上并在此基礎上通過一定的方法通過一定的方法和儀器設備和儀器設備對發酵過程進行有目的的干預，對發酵過程進行有目的的干預，使其盡可能按照預定的方向進行。使其盡可能按照預定的方向進行。問題：如何發酵生產更好的進行？問題：如何發酵生產更好的進行？都有哪些

2、變量可選？選取都有哪些變量可選？選取的原則是什么？的原則是什么？如何對參數進行判斷？如何對參數進行判斷？檢檢測測控控制制一、發酵過程的檢測檢查變量一、發酵過程的檢測檢查變量進罐罐中出罐物理參數化學參數生物參數（參數）（參數）1、檢測的變量統計、檢測的變量統計問題：發酵過程中都有那些變量？問題：發酵過程中都有那些變量？發酵罐接種接種壓空壓空蒸汽蒸汽水水流加流加取樣取樣放罐放罐尾氣尾氣冷凝冷凝水水溫度、溫度、PH、DO進罐罐中出罐物理參數流量溫度溫度、壓力、轉速、黏度、密度擴散系數、雷諾準數等流量溫度化學參數氧、CO2濃度DO、PH、氧還電位、離子濃度殘糖、某中間代謝物濃度等氧、CO2濃度生物參數

3、O.D.、細胞生長速度、細胞比生長速度、KLa等2、檢測變量選取原則、檢測變量選取原則（1）實用原則）實用原則（2）可行性原則）可行性原則3、實際發酵生產和研究中主要檢測的變量、實際發酵生產和研究中主要檢測的變量（1）PH（2）DO（3）溫度）溫度（4）轉速）轉速（5）殘糖）殘糖（6）其他）其他（1）流量）流量（2）溫度）溫度（1）流量）流量（2）溫度）溫度進罐進罐罐中罐中出罐出罐4、實際發酵生產和研究中主要的檢查項目、實際發酵生產和研究中主要的檢查項目（1）微生物形態的檢查）微生物形態的檢查（2）無菌檢查）無菌檢查（3）泡沫檢查）泡沫檢查二、檢測的原理和方法二、檢測的原理和方法1、PH（1）

4、儀器設備：）儀器設備：PH電極電極（3）方法：電位分析法）方法：電位分析法（2）原理：能斯特方程式，原電池工作原理）原理：能斯特方程式，原電池工作原理2、DO（1）儀器方法：溶氧電極）儀器方法：溶氧電極（3）方法：極譜分析法）方法：極譜分析法（2）原理：斐克擴散定律，法拉第電解定律）原理：斐克擴散定律，法拉第電解定律3、溫度、溫度（1）儀器設備：溫敏電極）儀器設備：溫敏電極（3）方法：利用溫敏金屬的電阻變化）方法：利用溫敏金屬的電阻變化（2）原理：溫敏金屬電阻與溫度的關系）原理：溫敏金屬電阻與溫度的關系4、流量、流量（1）儀器設備：轉子流量計）儀器設備：轉子流量計（3）方法：讓氣（水）流自下從

5、一垂直管道中央契形塞子周圍）方法：讓氣（水）流自下從一垂直管道中央契形塞子周圍間隙通過，利用流體的速度、流量與塞子被沖起的高度的關系計間隙通過，利用流體的速度、流量與塞子被沖起的高度的關系計算流量。算流量。（2）原理：流體力學知識）原理：流體力學知識5、轉速、轉速（2）原理：電磁感應原理）原理：電磁感應原理（3）方法：利用電磁感應將轉速轉換成感應電信號）方法：利用電磁感應將轉速轉換成感應電信號（1）儀器設備：轉速表）儀器設備：轉速表6、殘糖、殘糖（3）原理：氧化還原電反應）原理：氧化還原電反應（1）方法：斐林滴定法）方法：斐林滴定法（2）儀器設備：相應玻璃儀器）儀器設備：相應玻璃儀器 發酵罐取

6、樣設備發酵罐取樣設備7、其他、其他（1）氧氣主要依據其高順磁性以順磁氧分析儀分析。）氧氣主要依據其高順磁性以順磁氧分析儀分析。7.1、進出罐氣體成分（主要為氧氣和、進出罐氣體成分（主要為氧氣和CO2）（2） CO2利用其紅外吸收特性用紅外利用其紅外吸收特性用紅外CO2分析儀分析。分析儀分析。（1）重量法。）重量法。7.2、菌體濃度、菌體濃度（2）比例法。）比例法。（3）體積法。）體積法。（4）利用其他物理化學性質與質量的線形關系：）利用其他物理化學性質與質量的線形關系： 如測黏度如測黏度 測吸光度測吸光度 測濁度測濁度 測熒光強度測熒光強度7.3、某些中間代謝產物和酶、某些中間代謝產物和酶（1

7、）中間代謝物）中間代謝物 一般有三種方法：一般有三種方法： 生物傳感器生物傳感器 氣質聯用（氣質聯用（GC-MS）（復雜代謝物）（復雜代謝物） 高壓液相色譜（高壓液相色譜（HPLC）（復雜代謝物）（復雜代謝物）（2）酶）酶 常用活力測定表達結果。常用活力測定表達結果。7.4、終產物（并非控制依據）、終產物（并非控制依據）（1）化學法，如滴定。）化學法，如滴定。（2）物理法，如測比色、旋光度等。）物理法，如測比色、旋光度等。（3）生物法，如杯碟法測抗生素效價。）生物法，如杯碟法測抗生素效價。例如例如終產物的特殊表示方法終產物的特殊表示方法三、檢查的原理和方法三、檢查的原理和方法1、微生物形態的觀

8、察、微生物形態的觀察取樣后顯微鏡下觀察。取樣后顯微鏡下觀察。2、無菌檢查、無菌檢查取樣后顯微鏡下觀察，結合平板法。取樣后顯微鏡下觀察，結合平板法。3、泡沫檢查、泡沫檢查泡沫電極。泡沫電極。四、主要檢測變量的控制四、主要檢測變量的控制1、PH方法：采用在發酵過程中向罐中流加酸堿物質來達到。方法：采用在發酵過程中向罐中流加酸堿物質來達到。原理：酸堿中和反應原理：酸堿中和反應儀器設備：補料系統手動或自動電路儀器設備：補料系統手動或自動電路2、DO（1）原理：氧氣傳遞、消耗的動力學原理）原理：氧氣傳遞、消耗的動力學原理（2）方法：改變攪拌與通氣量等）方法：改變攪拌與通氣量等（3）儀器設備：發酵罐配套電

9、路）儀器設備：發酵罐配套電路3、溫度、溫度（1）原理：關于傳熱和換熱的恒算）原理：關于傳熱和換熱的恒算（2）方法：以水、蒸汽為介質換熱、維持發酵罐溫度或進行滅菌。）方法：以水、蒸汽為介質換熱、維持發酵罐溫度或進行滅菌。（3）儀器設備：蛇管、夾套及其他發酵罐換熱設備）儀器設備：蛇管、夾套及其他發酵罐換熱設備4、流量、流量手動或自動閥門開度直接調節。手動或自動閥門開度直接調節。5、轉速、轉速發酵罐電動機或其他動力設備直接調節。發酵罐電動機或其他動力設備直接調節。6、殘糖、殘糖（1）升高濃度：一般采用流加滅菌糖液的方法。）升高濃度：一般采用流加滅菌糖液的方法。（2）降低濃度：一般不能直接調節，而是采

10、用其他調節手段改變）降低濃度：一般不能直接調節，而是采用其他調節手段改變菌體代謝途徑和強度，加速糖耗，間接調節殘糖濃度。菌體代謝途徑和強度，加速糖耗，間接調節殘糖濃度。7、其他、其他發酵過程中主要依據此二者間接估算呼吸商、攝氧率等生物參數，發酵過程中主要依據此二者間接估算呼吸商、攝氧率等生物參數，不是控制的對象。不是控制的對象。7.1、進出罐氣體成分（主要為氧氣和、進出罐氣體成分（主要為氧氣和CO2）7.2、菌體濃度、菌體濃度是一個間接控制的參數，通過其他參數的控制而控制。是一個間接控制的參數，通過其他參數的控制而控制。7.3、某些關鍵的中間代謝產物和酶、某些關鍵的中間代謝產物和酶用于對發酵進

11、程更精確的把握，一般不是直接控制的對象。用于對發酵進程更精確的把握，一般不是直接控制的對象。7.4、終產物、終產物量度控制的效果。量度控制的效果。五、主要檢查變量的控制五、主要檢查變量的控制1、微生物形態的控制、微生物形態的控制量度控制效果，不是直接控制對象。量度控制效果，不是直接控制對象。2、無菌控制、無菌控制提前放罐、加抗生素、設備滅菌、環境消毒等。提前放罐、加抗生素、設備滅菌、環境消毒等。3、泡沫控制、泡沫控制手動或自動流加消泡劑，或消泡漿自動打碎泡沫。手動或自動流加消泡劑，或消泡漿自動打碎泡沫。本節知識結構圖本節知識結構圖發酵過程檢測與控制發酵過程檢測與控制檢測參數種類檢測參數種類控制

12、方法控制方法更好發酵生產更好發酵生產備選備選變量變量物理物理化學化學生物生物流量流量溫度溫度PHDO殘糖殘糖轉速轉速菌濃菌濃尾氣尾氣中中(終終)產物產物檢測方法檢測方法直接控制對象直接控制對象檢查項目檢查項目一定一定原則原則主要主要檢測檢測參數參數形態、染菌、泡沫形態、染菌、泡沫流量流量溫度溫度PHDO殘糖（升高）殘糖（升高）轉速轉速其他環節其他環節其他環節其他環節其他環節其他環節間接控制間接控制間接控制間接控制間接控制間接控制電極電極電極電極電極電極轉速表轉速表氧還滴定氧還滴定順磁、紅外順磁、紅外流量計流量計閥門閥門夾套、蛇管夾套、蛇管電路電路流加流加轉速、空氣流量轉速、空氣流量流加流加*

13、殘糖降低時是間接控制殘糖降低時是間接控制HPLC等等重量法、比例法等重量法、比例法等專門檢查控制方法專門檢查控制方法課下閱讀課下閱讀:營養基質及菌體濃度的影響及其控制營養基質及菌體濃度的影響及其控制發酵終點的判斷發酵終點的判斷發酵的優化控制發酵的優化控制發酵過程的計算機控制發酵過程的計算機控制發酵過程的精確控制發酵過程的精確控制產物量的特殊表示法產物量的特殊表示法1、抗生素效價的表示、抗生素效價的表示抗生素效價表示抗生素的有效成分的抗生素效價表示抗生素的有效成分的多少，效價大小用單位（多少，效價大小用單位（u）來表示）來表示效價表示方法：重量折算法效價表示方法：重量折算法 重量單位重量單位 類

14、似重量單位類似重量單位重量折算單位：以最低抑菌濃度為重量折算單位：以最低抑菌濃度為一個單位，如青霉素一個單位，如青霉素G鈉鹽鈉鹽0.6微克微克1u （1mg=約約1670u）制霉菌素制霉菌素 1mg=3700u重量單位：規定某些抗生素活性部重量單位：規定某些抗生素活性部分分1g=1u 如鏈霉素、卡那霉素、如鏈霉素、卡那霉素、紅霉素等定義活性部分紅霉素等定義活性部分1g1u紅霉素堿紅霉素堿1mg=1000u紅霉素硫酸鹽紅霉素硫酸鹽1mg=798u類似重量單位：規定抗生素的某種鹽類似重量單位：規定抗生素的某種鹽1mg=1000u如金霉素、四環素的鹽酸鹽定一為如金霉素、四環素的鹽酸鹽定一為1g1u，

15、如四環素鹽酸鹽，如四環素鹽酸鹽 1mg=1000u，四環素堿四環素堿 1mg=1082u少數以少數以0.1g1u，如，如多粘菌素多粘菌素B 1mg=10000u實際效價一般低于理論效價實際效價一般低于理論效價2、酶活力的表示法、酶活力的表示法酶活力用單位來表示。酶活力用單位來表示。國際上作了統一規定，在國際上作了統一規定，在250C下，以下，以最適的底物濃度，最適的緩沖液離子最適的底物濃度，最適的緩沖液離子強度，以及最適的強度，以及最適的pH諸條件下，每分諸條件下，每分鐘能轉化一微克分子底物的酶定量為鐘能轉化一微克分子底物的酶定量為一個活性單位。一個活性單位。青霉素在堿性條件下加入過量的青霉素

16、在堿性條件下加入過量的I2，青霉素水，青霉素水解產生青霉噻唑酸，后者與碘發生氧化還原反解產生青霉噻唑酸，后者與碘發生氧化還原反應，用應，用Na2S2O3滴定多余的碘，可計算出青霉滴定多余的碘，可計算出青霉素的含量素的含量計算青霉素效價青霉噻唑酸碘青霉素滴定多余過量23222,IOSNAIOH再如檸檬酸可以用再如檸檬酸可以用NaOH滴定來計算檸檬酸產量滴定來計算檸檬酸產量（1）化學法）化學法（2）物理法）物理法藍色麥芽酚鏈霉素加熱，22,FeOHOH淀粉酶活力測定：在淀粉酶活力測定：在1%可溶性淀粉溶液中加可溶性淀粉溶液中加入淀粉酶，所釋放出的麥芽糖與生色試劑（入淀粉酶，所釋放出的麥芽糖與生色試劑（3，5-二硝基水楊酸與酒石酸鉀鈉的堿溶液）產生二硝基水楊酸與酒石酸鉀鈉的堿溶液）產生顏色，它在顏色，它在540nm處所得吸光度跟淀粉酶活處所得吸光度跟淀粉酶活力成正比。力成正比。（3）生物法）