生物工艺学第七章 发酵工艺控制(3-4节)

整理文档很辛苦,赏杯茶钱您下走!

免费阅读已结束,点击下载阅读编辑剩下 ...

阅读已结束,您可以下载文档离线阅读编辑

资源描述

第七章第七章发酵工艺控制发酵工艺控制引言;引言;发酵过程技术原理;发酵过程技术原理;发酵过程参数的检测;发酵过程参数的检测;发酵条件的影响及其控制发酵条件的影响及其控制温度;温度;pHpH值值;;溶解氧溶解氧;;二氧化碳和泡沫二氧化碳和泡沫;;补料补料。。发酵终点的判断。发酵终点的判断。第三节第三节发酵过程参数的检测发酵过程参数的检测黑箱检测方法:分光光度法;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、基因测序仪等检测代谢中间物,分析代谢流向、RNA检测等。⎯⎯→⎯参数检测灰箱生化反应过程的基本特征生化反应过程的基本特征过程属于开放系统:细胞不断从外界获得生存所需能过程属于开放系统:细胞不断从外界获得生存所需能量,同时将代谢产物或废物排除体外;量,同时将代谢产物或废物排除体外;检测参数的检测参数的多样性和综合性多样性和综合性::过程检测只能是环境中的状态或操作量的变化值,过程检测只能是环境中的状态或操作量的变化值,这种变化与细胞代谢的关联;这种变化与细胞代谢的关联;参数的综合性参数的综合性反映了参数在不同水平上的相关性,反映了参数在不同水平上的相关性,要用要用系统思维方式系统思维方式反映参数的多样性和综合性。反映参数的多样性和综合性。计算机数据检测和控制系统分为:计算机数据检测和控制系统分为:信号检测;信号检测;计算机控制;计算机控制;与工艺研究结合的软件部分。与工艺研究结合的软件部分。原理:化学或物理信号电信号放大记录显示仪控制器(与设定参数比较)发出调节信号控制器动作带计算机数据采集与控制的生物反应系统(P188图7-33)参数检测的复杂性参数检测的复杂性化学成分分析是重要的检测内容,电信号转换化学成分分析是重要的检测内容,电信号转换困难,原因:困难,原因:①①传感器要经受高温灭菌;传感器要经受高温灭菌;②②菌体以及其它固体物质附在表面,使一些传感菌体以及其它固体物质附在表面,使一些传感器的使用性能受到影响;器的使用性能受到影响;③③罐内气泡影响,带来对测量干扰;罐内气泡影响,带来对测量干扰;④④传感器结构必须防止杂菌进入和避免产生灭菌传感器结构必须防止杂菌进入和避免产生灭菌死角,因而使传感器结构复杂或性能变化。死角,因而使传感器结构复杂或性能变化。发酵工程所用传感器的特殊要求发酵工程所用传感器的特殊要求①①经受高压蒸汽灭菌;经受高压蒸汽灭菌;②②传感器及其二次仪表具有长期稳定性;传感器及其二次仪表具有长期稳定性;③③最好能在过程中随时校正;最好能在过程中随时校正;④④探头材料不易老化、使用寿命长;探头材料不易老化、使用寿命长;⑤⑤探头安装、使用、维修方便;探头安装、使用、维修方便;⑥⑥解决探头敏感部位被物料(反应液)粘住、解决探头敏感部位被物料(反应液)粘住、堵塞问题;堵塞问题;⑦⑦价格合理、便于推广。价格合理、便于推广。为克服传感器受高温破坏所采用的措施为克服传感器受高温破坏所采用的措施①①用化学试剂对传感器灭菌;用化学试剂对传感器灭菌;②②采用连续取样或罐外循化;采用连续取样或罐外循化;③③用微孔氟塑料管扩散导气法,对培养液中用微孔氟塑料管扩散导气法,对培养液中的挥发性成分进行测量;的挥发性成分进行测量;④④利用培养液连续透析器法,防止杂菌返回利用培养液连续透析器法,防止杂菌返回罐内。罐内。生物传感器生物传感器测量系统分类测量系统分类就地信号系统:如就地信号系统:如pHpH、、DODO、罐压等;、罐压等;在线测量系统:用连续的取样系统与有关的分析在线测量系统:用连续的取样系统与有关的分析仪器连接,取得测量信号,如仪器连接,取得测量信号,如FIAFIA;;离线测量:离散取样后在反应器外进行化学分析离线测量:离散取样后在反应器外进行化学分析或仪器分析。或仪器分析。评价检测技术主要性能的指标评价检测技术主要性能的指标响应时间;响应时间;转换系数:转换系数:信号输出量(信号输出量(ee))被测参数输入量(被测参数输入量(xx))灵敏度:灵敏度:△△e/e/△△xx;;精度:精度:一般指仪表的相对误差;一般指仪表的相对误差;稳定性:稳定性:是对信号的漂移而言的,它主要是由信是对信号的漂移而言的,它主要是由信号噪声的低频部分所决定。漂移可通过重新标定号噪声的低频部分所决定。漂移可通过重新标定或基线补偿予以克服。或基线补偿予以克服。一般要测量的发酵反应过程的参数:一般要测量的发酵反应过程的参数:11、物理参数:、物理参数:发酵罐温度(发酵罐温度(TT))发酵罐压力(发酵罐压力(PP))发酵液体积(发酵液体积(VV))空气流量(空气流量(FFAA))冷却水流量(冷却水流量(FFWW))冷却水温度(冷却水温度(TT入入、、TT出出))搅拌转速(搅拌转速(RMPRMP))搅拌马达电流(搅拌马达电流(II))泡沫高度(泡沫高度(HH))培养液体积(培养液体积(VV))都可用自动测量仪自动测量都可用自动测量仪自动测量22、化学参数:、化学参数:pHpH值值;;溶解氧浓度(溶解氧浓度(DODO));;氧化还原电势氧化还原电势;;粘度粘度;;尾气成分(尾气成分(COCO22,,OO22等)等)滤速;滤速;成分浓度(糖、氮、前体、诱导物、产物)。成分浓度(糖、氮、前体、诱导物、产物)。33、、间接参数:间接参数:OUROUR、、CERCER、、RQRQ、、μμ、、Yx/sYx/s、细胞浓度、细胞量、、细胞浓度、细胞量、氧利用率、代谢产物浓度及产物生成速率、发氧利用率、代谢产物浓度及产物生成速率、发酵热等。酵热等。温度测量温度测量温度是一个重要的检测参数和控制参数,温度温度是一个重要的检测参数和控制参数,温度检测系统主要由以下几部分组成:检测系统主要由以下几部分组成:感温元件:普遍用的是热电阻检测器(铂和铜电感温元件:普遍用的是热电阻检测器(铂和铜电阻)。阻)。感温元件一般装置在金属套管内,再插入发酵感温元件一般装置在金属套管内,再插入发酵液中或沿发酵罐罐壁固定安装。液中或沿发酵罐罐壁固定安装。二次仪表:二次仪表:选择二次仪表考虑的因素:选择二次仪表考虑的因素:温度范围温度范围型号匹配型号匹配搅拌转速的测量搅拌转速的测量发酵罐最好发酵罐最好配用变速电机或机械变速装置配用变速电机或机械变速装置,以,以满足不同搅拌转速的需要。满足不同搅拌转速的需要。搅拌转速的检测:搅拌转速的检测:11、、应用测速发电机应用测速发电机;;22、应用磁感应式检测器;、应用磁感应式检测器;33、应用光感应式检测器、应用光感应式检测器。。搅拌功率的测量搅拌功率的测量研究搅拌功率的意义:研究搅拌功率的意义:搅拌功率反映了搅拌功率反映了““三传三传””的强化程度;的强化程度;研究反应器形式时主要的测量参数;研究反应器形式时主要的测量参数;判断发酵工艺是否正常。判断发酵工艺是否正常。搅拌功率的测定搅拌功率的测定(多数通过力矩测定)(多数通过力矩测定)11、电机反转矩测定法、轴功率和应变片法。、电机反转矩测定法、轴功率和应变片法。22、功率表。、功率表。通气量的测量通气量的测量通气量的大小直接影响发酵液中氧的传递速率,通气量的大小直接影响发酵液中氧的传递速率,从而影响菌体的代谢途径;从而影响菌体的代谢途径;根据作用原理,流量计可分为两大类型:根据作用原理,流量计可分为两大类型:体积流量型体积流量型(据动能转换及流动类型的改变而(据动能转换及流动类型的改变而设计的);设计的);质量流量型。质量流量型。体积流量型流量计体积流量型流量计同心孔板压差式流量:同心孔板压差式流量:原理:由节流产生压差,用差压变送器加以检测,再转原理:由节流产生压差,用差压变送器加以检测,再转换成信号;换成信号;应用:工业和中试规模的大中型发酵罐上使用。应用:工业和中试规模的大中型发酵罐上使用。转子流量计:转子流量计:原理:原理:://优点:由于使用简便、结构简单,流体压降损失小优点:由于使用简便、结构简单,流体压降损失小,,具有具有线性刻度,价格便宜等优点被广泛应用;线性刻度,价格便宜等优点被广泛应用;缺点:引起流体能量的不同程度的损失,测量受温度、缺点:引起流体能量的不同程度的损失,测量受温度、压力的影响,使用中一般需要经常校正。压力的影响,使用中一般需要经常校正。质量流量型流量计质量流量型流量计根据流体的固有性质,如质量、导电性、热传导根据流体的固有性质,如质量、导电性、热传导性能等设计的流量计。性能等设计的流量计。根据根据““科里奥利(科里奥利(CoriolisCoriolis))效应效应””设计的质量流设计的质量流量计量计更适用于杂质量大、流量较大的流量测量更适用于杂质量大、流量较大的流量测量,,具具有更好的响应时间和灵敏度。有更好的响应时间和灵敏度。不平衡电桥电势不平衡电桥电势EE==bCMbCMBB-系数,-系数,CC-介质比热容,-介质比热容,MM-质量流量-质量流量罐压测量罐压测量发酵罐保持一定的罐压力的目的:发酵罐保持一定的罐压力的目的:防染菌;防染菌;提高氧和二氧化碳的溶解度。提高氧和二氧化碳的溶解度。罐压测量:罐压测量:就地指示;就地指示;转换为电信号:电阻式、电感式、电容式。转换为电信号:电阻式、电感式、电容式。选择测压点和控制点时考虑的因素:选择测压点和控制点时考虑的因素:采用与发酵罐隔离的硅油不锈钢膜片传压系统,避免采用与发酵罐隔离的硅油不锈钢膜片传压系统,避免死角;死角;测压点与控制点远离发酵罐(无硅油隔离装置测压点与控制点远离发酵罐(无硅油隔离装置));;注意气源波动对压力的影响。注意气源波动对压力的影响。料液计量与液位控制料液计量与液位控制料液计量的原理和方法主要有以下几种:料液计量的原理和方法主要有以下几种:压差法:此法易受通气量和搅拌转速的影响;压差法:此法易受通气量和搅拌转速的影响;直接重量测量法;直接重量测量法;体积计量法:通过泵或阀门来控制;体积计量法:通过泵或阀门来控制;流量计计量;流量计计量;液位探针:在连续发酵中以稳定液面;在通气发酵液位探针:在连续发酵中以稳定液面;在通气发酵中,判断泡沫的产生情况。中,判断泡沫的产生情况。至今无一个可行有效的测发酵液粘度的通用至今无一个可行有效的测发酵液粘度的通用方法,原因:方法,原因:11、无菌操作的限制;、无菌操作的限制;22、发酵液多属非牛顿流体。、发酵液多属非牛顿流体。发酵液粘度测定发酵液粘度测定粘度计的主要形式:粘度计的主要形式:毛细管粘度计;毛细管粘度计;回转式粘度计;回转式粘度计;蜗轮流转粘度计;蜗轮流转粘度计;工业现场测试:由于测定发酵液流变特性必须在工业现场测试:由于测定发酵液流变特性必须在脱气之后才能进行,因此尽管已经出现了可以现脱气之后才能进行,因此尽管已经出现了可以现场测定非牛顿型流体料液的流变特性仪器,但目场测定非牛顿型流体料液的流变特性仪器,但目前还没有成功的报道;前还没有成功的报道;工业生产测试:取样后实验室测试滤速。工业生产测试:取样后实验室测试滤速。pHpH值测量值测量pH试纸:优点:方便,易操作,曾是一种广泛采用的方法;缺点:主观性较强,存在质量差异,不同厂家不同批号的pH试纸测出的pH值会有较大的差别,有时甚至达0.5~1;对于一些要求较高的场合不适用。pH试纸;pH电极。pHpH电极测量系统:电极测量系统:测量时,测量时,pHpH受温度的影响;受温度的影响;在等电点附近测量时,精度可提高。在等电点附近测量时,精度可提高。发酵用复合电极发酵用复合电极((指示和参比电极合为一体)指示和参比电极合为一体)pHpH测量仪表:测量仪表:具有自动或手动的温度补偿功能具有自动或手动的温度补偿功能..pHpH测量成功的关键在于测量成功的关键在于pHpH电极和仪表的电极和仪表的日常日常正常使用和维护正常使用和维护。。溶解氧(溶解氧(DODO))的测量的测量D

1 / 70
下载文档,编辑使用

©2015-2020 m.777doc.com 三七文档.

备案号:鲁ICP备2024069028号-1 客服联系 QQ:2149211541

×
保存成功