第八章-发酵过程参数的检测及控制.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第八章发酵过程的监测与控制,发酵过程的中间分析是生产控制的眼睛。,按性质分,物理参数：,温度、搅拌转速、空气压力、空气流量、溶解氧、表观粘度、排气氧（二氧化碳）浓度等,化学参数：,基质浓度（包括糖、氮、磷）、,pH,、产物浓度、核酸量等,生物参数：,菌丝形态、菌浓度、菌体比生长速率、呼吸强度、基质消耗速率、关键酶活力等,一、发酵过程检测的主要参数,从检测手段分,直接参数：,通过仪器或其它分析手段可以测得的参数，如温度、,pH,、残糖等,在线检测参数：,不经取样直接从发酵罐上安装的仪表,上 得到的参数，如温度、,pH,、搅拌转速；,离线检测参数：,取出样后测定得到的参数，如残糖、,NH,2,-N,、菌体浓度。,间接参数：,将直接参数经过计算得到的参数，如摄氧率、,KLa,等,二、发酵过程参数常用检测方法及仪器,主要参数检测原理及仪器,取样系统,生物反应过程大多为纯培养，,无菌操作,十分重要。,问题,三角瓶内的培养液如何取样？,发酵罐常用取样方式可否知道？,蒸汽,连续在线无菌取样,微孔陶瓷管,渗透膜管,发酵清液,不能取菌体,挥发性,物质检测,问题：检测所得产物浓度为发酵液中产物浓度吗？,主要参数检测原理及仪器,温度的测定,一般出厂就已经校正好。,热电阻、热电偶、半导体热敏电阻、玻璃温度计,主要参数检测原理及仪器,罐压的测定,问题：为什么连接管为直管而不是弯管以保护压力表？,隔膜式压力表,液面或泡沫上升与电极探针接触产生电信号。,主要参数检测原理及仪器,液位和泡沫高度的检测,主要参数检测原理及仪器,液体和气体流量测定,主要参数检测原理及仪器,搅拌转速,常用检测方法：磁感应式、光感应式和测速发电机等。,感应片切割磁场或光速。,输出电压与转速成正比。,主要参数检测原理及仪器,pH,的检测,常用,pH,检定仪为复合,pH,电极，具有结构紧凑，可蒸汽加热灭菌的优点。,思考：,pH,电极如何标定？,1,、常用检测方法：溶氧电极法,主要参数检测原理及仪器,溶氧的检测,思考：溶氧电极如何标定？,2,、电极的标定,一般测定中应进行以下,二点标定,（,1,）零点标定,用饱和,Na,2,SO,3,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，待下降稳定后，调节零点旋钮显示零值。,（,2,）饱和校正（满刻度）,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。,主要参数检测原理及仪器,生物量的测定,干（湿）重法,压缩体积法（离心）,光密度测定法,OD,600660,其它方法（测粘度、静置沉降体积法）,问题：请问以上几种方法的适用范围？,主要参数检测原理及仪器,产物量的测定,比色法,利用,HPLC,检测,生物法（杯碟法）,斐林试剂法,DNS,法,苯酚硫酸法,主要参数检测原理及仪器,糖的测定,凯氏定氮法,格利氏法,氨氮的测定,生物发酵溶液中营养成分与产物的分析,类别,检测物质,发酵液待检测的物质成分,微生物细胞,营养基质,葡萄糖、麦芽糖、乳糖、醋酸、,BOD,等,产物及副产物,乙醇、氨、蛋白质、抗生素、氨基酸、有机酸、酶、,CH,4,、氢等,营养盐生长因子,无机盐,(K,+,、,Ca,2+,、,NH,+,、,NO,3,-,等,),、生物素、维生素,动物细胞,营养基质,葡萄糖、氨基酸等,产物及副产物,蛋白质类（,t-PA,、,GCSF,、,EPO,、,INF,等,),、乳酸、氨,生长因子,维生素、激素、抗生素,植物细胞,营养基质,糖类、醋酸、硝酸盐、氨基酸等,产物及副产物,次生代谢产物（植物色素、皂甙等）、氨、,CO,2,生长素,维生素、植物激素（,2,4-D,、,NAA,、,6-BA,等）,生物传感器,(Biosensor),传感器,：,能感受,(,或响应,),一种信息并变换成可测量信号,(,一般指电学量,),的器件。,生物传感器,：,将生物体的成份（酶、抗原、抗体、激素）或生物体本身（细胞、细胞器、组织）固定化在一器件上作为敏感元件的传感器称为生物传感器。,生物传感器的基本组成,组成：,敏感元件（分子识别元件）和信号转换器件,生物传感器的分类,思考题,以上参数哪些是物理参数？哪些是化学参数？哪些是生物参数？,以上参数哪些是直接参数？哪些是间接参数？,以上参数哪些是在线检测参数？哪些是离线检测参数？,发酵工业中哪些参数的测定频率最高？,三、发酵过程的控制,主要控制温度、,pH,、溶氧浓度、基质浓度、泡沫等。,发酵过程的自动控制,变量测量和变化规律的认识控制器,(,自动化仪,表、计算机组成,),控制关键变量控制发酵过程,1,、,基本的自动控制系统,前馈控制,反馈控制,自适应控制,2,、,发酵自动控制系统的硬件组成,1,、基本的自动控制系统,前馈控制,：,通过动态反应快的变量测量来预测反应慢、易干扰的被控对象的变化，并提前实施控制。,如：通过冷却水压力（控制阀）控制温度,变化。,1,、基本的自动控制系统,反馈控制,反馈控制是自动控制的主要方式,控制器,被控对象,传感器,1,、基本的自动控制系统,反馈控制,开关控制：控制阀门的全开全关；,PID,控制：采用比例、积分、微分控制算法；,串联反馈控制：,两个以上控制器对一变量实施联合控制；,前馈,/,反馈控制：,前馈控制与反馈控制相结合。,1,、基本的自动控制系统,自适应控制,：,提取有关输入、输出信息，对模型和参数不断进行辩识，使模型逐渐完善；同时自动修改控制器的动作，适应实际过程。,自适应控制系统。,2,、发酵自动控制系统的硬件组成,传感器,变送器,执行机构,电磁阀、气动控制阀、电动调节阀、变速电机、,正位移泵、蠕动泵。,转换器,过程接口,监控计算机,（一）温度的控制,控温方式：简单的,On-Off,（通,-,断）控制或,PID,控制。,生产罐：冷、热水间接冷却或加热（过夹套或盘管）。,问题：一般,10 m,3,以下发酵罐用夹套，,10 m,3,以上用盘管，为什么？,（二）,pH,的控制,一般,PID,控制,碳、氮源影响,pH,值,pH,下降,加碱（常用氨水）,pH,上升,需要对培养基,进行调整,1,、发酵过程中,pH,的变化,生长阶段,生成阶段,自溶阶段,碳源过量,消泡油添加过量,生理酸性物质的存在,2,、引起,pH,下降的因素,氮源过多,生理碱性物质的存在,中间补料，碱性物质添加过多,3,、引起,pH,上升的因素,调节基础培养基的配方,调节碳氮比（,C/N,）,添加缓冲剂,补料控制,直接加酸加碱,补加碳源或氮源,4,、,pH,的控制,（三）溶氧控制,通气量,搅拌速度,培养基组成,补料方式及速率,富氧空气,反应器型式,罐压,（四）泡沫控制,通气与搅拌,培养基组成,培养液性质变化,灭菌,染菌,1,、影响泡沫稳定的因素,2,、泡沫控制的方法,化学消泡,天然油脂、泡敌等。,机械消泡,罐内,罐外,其他方法,调节通风与搅拌、增大罐压、,（五）补料控制,1,、基质浓度对发酵的影响,抑制生长,饥饿,根据经验控制；,以,pH,、尾气、溶氧、产物浓度等参数间接控制流加；,用传感器直接测定限制性基质的浓度，直接控制流加；,2,、补料控制的策略,！,R,：各控制参数,pH,DO,预设补料速率,四、发酵染菌的危害与防止,所谓,“杂菌”,，是指在,发酵培养中侵入了有碍生产的其他微生物,。,防止杂菌污染是任何发酵工厂的一项重要工作内容。,（一）发酵过程中染菌的检查判断,、生产上常用杂菌检查方法,镜检,（简便快速，,早期染菌不易检出,),平板划线,酚红肉汤培养,2,、辅助检查方法,溶解氧,pH,值,尾气中,CO,2,含量,能检出更少杂菌，结果更准确,需时较长，操作较繁琐,发酵染菌的主要原因,仪器设备的渗漏,仪器、设备、管道、管件存在死角,操作不当,预防为主，,“,防重于治,”,（二）发酵过程染菌原因的分析,（）国外一抗生素发酵染菌原因的分析,染菌原因,百分率，,%,染菌原因,百分率，,%,种子带菌,9.64,蛇管穿孔,5.89,接种时罐压跌零,0.19,接种管穿孔,0.39,培养基灭菌不透,0.79,阀门泄漏,1.45,空气系统带菌,19.96,罐盖漏,1.54,搅拌轴密封泄漏,2.09,其他设备漏,10.13,泡沫冒顶,0.48,操作问题,10.15,夹套穿孔,12.36,原因不明,24.91,（）国内一制药厂发酵染菌原因的分析,染菌原因,百分率，,%,外界带入杂菌（取样、补料带入）,8.20,设备穿孔,7.60,空气系统带菌,26.00,停电罐压跌零,1.60,接种,11.00,蒸汽压力不够或蒸汽量不足,0.60,管理问题,7.09,操作违反规程,1.60,种子带菌,0.60,原因不明,35.00,大批发酵罐染菌,空气系统,部分发酵罐,(,或罐组,),染菌,前期种子带杂菌，或灭菌不彻底,中后期中间补料系统或管路系统发生问题,个别发酵罐连续染菌,设备问题,(,如阀门的渗漏或罐体腐蚀磨损,),设备的腐蚀磨损（出现每批发酵的染菌时间向前推移的现象）,个别发酵罐偶然染菌原因比较复杂,（）从,染菌的规模,来分析染菌原因,？,分析,分析,发酵早期染菌：种子带菌、培养基和设备灭菌不彻底、设备或管道有死角,中、后期染菌：中间补料、设备渗漏、操作不合理,（）从,染菌的时间,来分析,耐热性芽抱杆菌：死角或灭菌不彻底,球菌、酵母：可能是从蒸汽的冷凝水或空气中带来的,浅绿色菌落,(,革兰氏阴性杆菌,),：发酵罐的冷却管或夹套渗漏,霉菌：灭菌不彻底或无菌操作不严格,（）从染菌的类型来分析,.,种子带菌的原因及防止,带菌的原因,无菌室的无菌条件不符合要求、培养基灭菌不彻底、操作不当。,种子带菌的防止,保持卫生,规范操作,（三）发酵染菌的防止,.,发酵设备、管件的渗漏与配置,设备和管件的,微小漏孔,。,试漏方法,气压试验,水压试验,阀门试漏的方法,.,发酵罐与管件的死角,死角,是指灭菌时因某些原因使灭菌温度达不到或不易达到的局部地区。,（,1,）法兰连接的死角,（）渣滓在罐底与用环式空气分布管所形成的死角,（）不锈钢衬里的死角,（）接种管路的死角,如下图,a,所示有一小段管路存在,蒸汽不流通的死角,解决办法：装设旁通（小放气阀）,（）排气管的死角,（,6,）压力表安装不合理形成的死角,