1、第六章第六章 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）放入发酵在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，为发酵控制提供依据。系统，将发酵的一些信息传递出来，为发酵控制提供依据。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、RNA检测检测一一 参数在线检测参数在线检测第1页，共84页。由于微生物
2、培养过程是纯培养过程，无菌要求由于微生物培养过程是纯培养过程，无菌要求高，因此对传感器有特殊要求：高，因此对传感器有特殊要求：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汽灭菌（材料、数据）（材料、数据）传感器结构不能存在灭菌不透的死角，以防传感器结构不能存在灭菌不透的死角，以防染菌（密封性好）染菌（密封性好）传感器对测量参数要敏感，且能转换成电信传感器对测量参数要敏感，且能转换成电信号。（响应快、灵敏）号。（响应快、灵敏）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。第2页，共84页。带计算机数据采集与控制的生物反应系统带计算机数据采集与控制的生物
3、反应系统P188第3页，共84页。原理：化学或物理信号原理：化学或物理信号 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第4页，共84页。介绍几种常用的在线检测的传感器及其工作介绍几种常用的在线检测的传感器及其工作原理原理 pH电极电极溶氧电极溶氧电极它们是基础电极，以它们为基础可以制它们是基础电极，以它们为基础可以制作各种离子电极和酶电极作各种离子电极和酶电极第5页，共84页。（一）（一）pHpH测量测量pH值的测量在生物反应中普遍进行，对于生值的测量在生物反应中普遍进行，对于生物过程控制是一个非
4、常重要的参数。物过程控制是一个非常重要的参数。1 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，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但对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表达方式上的麻烦引进引进pH=-lgH+H+=0.00001时时 用用pH5表示表示第6页，共84页。2 2、pHpH测量方法测量方法 pH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pH试纸测出的试纸测出的pH值会
5、有较大的差别，有时甚至达值会有较大的差别，有时甚至达0.51。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pH试纸试纸pH电极电极第7页，共84页。（1）pH电极测量原理电极测量原理pH电极实际上是由参比电极与指示电极实际上是由参比电极与指示电极组成的一个自发电池，该电池电极组成的一个自发电池，该电池的表达式可写为：的表达式可写为：参比电极参比电极 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中氢指示电极的输出电位随被测体系中氢离子活度而变化。因此整个自发电池离子活度而变化。因此整个自发电池的电动势就是被测
6、体系中氢离子活度的电动势就是被测体系中氢离子活度的函数。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，因此从电位对某一给定电极为常数，是温度的函数，因此从电位差计的差计的E值可测出值可测出pH值。值。第8页，共84页。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；7Hg2Cl2一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
7、线，引线的下端浸没在汞中，汞的下端有糊状甘汞，汞和甘汞顶部伸出电极引线，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，而汞和甘汞不会漏失，小管和大管之间充满用棉花堵住，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KCl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。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。参比电极参比电极第9页，共84页。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。这种半电池化亚汞以及含氯离子的电解质溶液组成。这种半电池可
8、表示为可表示为Hg(L)Hg2Cl2(S)Cl-(L)电极电位产生于汞和电极电位产生于汞和甘汞的界面，其电极反应为：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度有关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而不受被测溶液的酸碱度影响第10页，共84页。（2）指示电极）指示电极对指示电极的电位值随被测溶液氢离子活度的变化而对指示电极的电位值随被测溶液氢离子活度的变化而变化。原则上讲，任何与氢离子可逆反应的电极都可变化
9、。原则上讲，任何与氢离子可逆反应的电极都可用来测定溶液的用来测定溶液的pH。离子选择性电极的结构离子选择性电极的结构离子选择性电极的结构离子选择性电极的结构其中敏感性膜部分随组成其中敏感性膜部分随组成材料的不同而各有特色。材料的不同而各有特色。测定测定pH值的玻璃电极的敏值的玻璃电极的敏感膜是厚度为感膜是厚度为101103mm的玻璃薄膜，其电阻为的玻璃薄膜，其电阻为50500m。第11页，共84页。指示电极的关键是敏感膜指示电极的关键是敏感膜H+H+H+H+H+H+KCl溶液溶液待测溶液待测溶液浓度差引起电位差浓度差引起电位差浓差电极浓差电极玻璃敏感膜玻璃敏感膜第12页，共84页。（3）膜电位
10、）膜电位膜电位是由于膜两侧离子活度的差异而产生，故可看作是膜电位是由于膜两侧离子活度的差异而产生，故可看作是一种浓差电位。玻璃电极在使用前必须先在水中浸泡一段一种浓差电位。玻璃电极在使用前必须先在水中浸泡一段时间，玻璃膜表面吸收水分溶解，并且其中的一价阳离子时间，玻璃膜表面吸收水分溶解，并且其中的一价阳离子（如（如Na+离子）与水中离子）与水中H+离子发生离子交换反应。离子发生离子交换反应。SiO-Na+H+SiO-H+Na+使膜表面形成以使膜表面形成以 SiO-H+为主要成分的水合硅胶层，厚为主要成分的水合硅胶层，厚度约为度约为10-410-5mm第13页，共84页。液液 试试水合硅胶层水合
11、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分别表示试液内分别表示试液内与内参比溶液中与内参比溶液中H+离子活离子活度，度，1、2分别表示外侧分别表示外侧与内侧硅胶层表面与内侧硅胶层表面H+离子离子活度，活度，由于水合硅胶层表面与内由于水合硅胶层表面与内（内参比溶液）、外（试（内参比溶液）、外（试液）溶液中的液）溶液中的H+离子从活离子从活度大的一方向小的一方迁度大的一方向小的一方迁移，使玻璃膜的外、内侧移，使玻璃膜的外、内侧分别产生相界电位分别产生相界电位1和和2。经水浸泡后的玻璃膜截面成为三层结构，如图。经水浸泡后的玻璃膜截面成为三
12、层结构，如图。则有：则有：外侧外侧:1=K1+11LnFRT内侧：内侧：2=K2+22LnFRT第14页，共84页。可以认为，玻璃膜两侧表面性状基本相同，故可以认为，玻璃膜两侧表面性状基本相同，故K1=K2，水合硅胶层表面一价阳离子点已基本被，水合硅胶层表面一价阳离子点已基本被质子占据，故质子占据，故1=2，于是玻璃膜内、外侧之间，于是玻璃膜内、外侧之间的电位差的电位差膜膜=1-2=21LnFRT由于内参比溶液的由于内参比溶液的H+活度活度2一定，故玻璃膜电一定，故玻璃膜电位与待测溶液的位与待测溶液的H+离子活度（离子活度（pH值）成线性值）成线性关系。关系。第15页，共84页。膜膜=常数常数
13、+HLnFRT在在25下：下：膜膜=常数常数-0.0591pH（试液）（试液）但实际上玻璃膜内外侧表面性状总有微小差别，即但实际上玻璃膜内外侧表面性状总有微小差别，即使使1=2时，时，膜膜0，这差别所产生的电位叫不，这差别所产生的电位叫不对称电位（对称电位（不对称不对称），这样整个玻璃电极（指示电极），这样整个玻璃电极（指示电极）的电位应是内参比电位、膜电位与不对称电位之和。的电位应是内参比电位、膜电位与不对称电位之和。第16页，共84页。玻璃玻璃=0 +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
14、电位与试液pH值呈线性关值呈线性关系。系。（4）玻璃电极的性能）玻璃电极的性能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、玻内外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。不对称电势可以用已知对称电势可以用已知pH值的标准缓冲液来校正值的标准缓冲液来校正 第17页，共84页。零电势或等电势点零电势或等电势点 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
15、取决于内参比溶液的pH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。第18页，共84页。玻璃电极的测量范围玻璃电极的测量范围 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范围范围都是常数，因而响应曲线会偏离直线，实际的都是常数，因而响应曲线会偏离直线，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
16、量值偏低升高，测量值偏低第19页，共84页。（5）玻璃电极的使用限制）玻璃电极的使用限制对于蛋白质等粘度较大的测量体系，容易在玻对于蛋白质等粘度较大的测量体系，容易在玻璃电极敏感膜上产生沉积，应设法缩短电极的沉璃电极敏感膜上产生沉积，应设法缩短电极的沉浸时间或设法对电极表面进行清洗，工业测试中浸时间或设法对电极表面进行清洗，工业测试中常用特制毛刷或超声波清洗电极表面。常用特制毛刷或超声波清洗电极表面。强碱或其它对膜材料有腐蚀性的溶液，如氢氟强碱或其它对膜材料有腐蚀性的溶液，如氢氟酸溶液会破坏电极酸溶液会破坏电极脱水性介质，如无水乙醇、浓硫酸会破坏水脱水性介质，如无水乙醇、浓硫酸会破坏水合硅胶层
17、合硅胶层第20页，共84页。（6）复合电极）复合电极将两支电极都装在一将两支电极都装在一根玻璃管中，这种电根玻璃管中，这种电极叫复合电极，工业极叫复合电极，工业上在线检测大都使用上在线检测大都使用这种电极。它结构紧这种电极。它结构紧凑，便于安装。凑，便于安装。第21页，共84页。pH复合电极的结构复合电极的结构屏蔽引线用于减少噪声（电磁波、感应）。屏蔽引线用于减少噪声（电磁波、感应）。当电极插入被测溶液中后，参比电极当电极插入被测溶液中后，参比电极 隔膜隔膜 被测体系被测体系 玻璃敏感膜玻璃敏感膜 内参比电极之间内参比电极之间达到电导通，组成原电池，其原理与双电极达到电导通，组成原电池，其原理
18、与双电极pH计的工作原理完全相同，只是结构更紧凑，计的工作原理完全相同，只是结构更紧凑，使用更方便。使用更方便。第22页，共84页。（二）（二）敏化离子选择性电极敏化离子选择性电极以离子选择性电极为基础电极，通过化学反以离子选择性电极为基础电极，通过化学反应或生化反应使离子选择性电极的响应得到应或生化反应使离子选择性电极的响应得到敏化，叫作敏化离子选择性电极。包括有气敏化，叫作敏化离子选择性电极。包括有气敏电极和酶电极等。敏电极和酶电极等。第23页，共84页。气敏电极是基于界面化学反应的敏化电极气敏电极是基于界面化学反应的敏化电极 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
19、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生变化，并通过选择性电极电位反映出质的量发生变化，并通过选择性电极电位反映出来，达到间接表征被测气体含量的目的。来，达到间
20、接表征被测气体含量的目的。第24页，共84页。能用气敏电极测定气体有能用气敏电极测定气体有CO2、NH3、SO2、NO2、H2S、HCN、HF、Cl2、Br2、I2的蒸的蒸气等，其中以氨电极比较成熟，应用较广。气等，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。常用的氨离子可用氨气敏电极来测定。常用的氨电极为：氨电极为：第25页，共84页。1电极管；电极管；2透气膜；透气膜；30.1mol/LNH4Cl溶液；溶液；4pH玻玻璃电极；璃电极；5Ag/AgCl参比电极；参比电极；6，7玻璃膜；玻
21、璃膜；8可卸电极头；可卸电极头；9内参比溶液，内参比溶液，10内参比电内参比电极极在电极管内装有玻璃电在电极管内装有玻璃电极极Ag-AgCl电极，电极，底部装有一微孔透气膜，底部装有一微孔透气膜，玻璃电极的敏感膜紧贴玻璃电极的敏感膜紧贴于透气膜上，中间有一于透气膜上，中间有一极薄的液层，当氨通过极薄的液层，当氨通过透气膜渗入内充液薄层，透气膜渗入内充液薄层，即发生如下反应即发生如下反应NH3+H2O=NH4+OH-第26页，共84页。内充液中内充液中NH4+远大于生成的远大于生成的NH4+，故其，故其变化可以忽略不计，而薄层的变化可以忽略不计，而薄层的pH则由于则由于OH-的生成而升高，因此由
22、玻璃电极检的生成而升高，因此由玻璃电极检出出OH-的浓度，即可检出的浓度，即可检出NH3的浓度，电的浓度，电极电位与氨的浓度是对数响应。极电位与氨的浓度是对数响应。透气膜一般是透气膜一般是0.1mm厚的微孔聚四氟乙厚的微孔聚四氟乙烯，内充液为烯，内充液为0.1mol/L的的NH4Cl溶液。溶液。氨电极使用的上限为氨电极使用的上限为1mol/L,下限为下限为10-6mol/L。第27页，共84页。2、CO2的测量的测量（1）CO2电极（测溶液中的电极（测溶液中的CO2）结构与氨电极类似。测量结构与氨电极类似。测量CO2时，气体透过电极时，气体透过电极膜，膜，CO2和水反应，达到以下平衡：和水反应
23、，达到以下平衡：CO2+H2O HCO3-+H+产生的氢离子引起产生的氢离子引起pH的变化，就可以测出溶的变化，就可以测出溶解解CO2的浓度。如果的浓度。如果CO2扩散在水或扩散在水或NaHCO3的水溶液中，它们的的水溶液中，它们的pH值会依据下列的式子值会依据下列的式子而变化：而变化：第28页，共84页。在纯水中在纯水中 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。使用特殊的气体渗之间的对应关系。使用特殊的气体渗透膜，它能够使透膜，它能够使CO2扩散到扩散到N
24、aHCO3溶液中溶液中去，溶液中去，溶液中pH变化就是变化就是CO2实际分压的测实际分压的测量值量值 第29页，共84页。(2)尾气尾气CO2的测量的测量常用的尾气测定仪是常用的尾气测定仪是不分光红外线二氧化碳测定仪（简不分光红外线二氧化碳测定仪（简称称IR），其精度高，可达，其精度高，可达 0.5%，量程的线性范围大，量程的线性范围大，虽然仪器价格高，但在生物细胞培养时常被采用。虽然仪器价格高，但在生物细胞培养时常被采用。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（如氧、体（如氖、氩等）和无极性的双原子气体（如氧
25、、氢、氮等）外，几乎所有气体都在红外波段（即微氢、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，米级）具有不同的红外吸收光谱，CO2的红外吸收的红外吸收峰在峰在2.62.9m和和4.14.5m之间有两个吸收峰，根之间有两个吸收峰，根据吸收峰值可以求出据吸收峰值可以求出CO2的所含浓度。的所含浓度。第30页，共84页。（3）尾气氧的仪器分析）尾气氧的仪器分析采用热磁氧分析仪测定采用热磁氧分析仪测定原理是氧具有高顺磁性。在磁场中，氧气的原理是氧具有高顺磁性。在磁场中，氧气的磁化率比其它气体高几百倍，故混合气体的磁化率比其它气体高几百倍，故混合气体的磁化率几乎完全取决于含氧气
26、的多少。将排磁化率几乎完全取决于含氧气的多少。将排气通入热磁氧分析仪，就可测出排气氧的含气通入热磁氧分析仪，就可测出排气氧的含量。量。第31页，共84页。通过通过RQ值的测定，可以分析微生物可能利值的测定，可以分析微生物可能利用的基质用的基质氧化型的或还原型的，分析氧化型的或还原型的，分析微生物生长阶段，分析补料的速率是否合微生物生长阶段，分析补料的速率是否合理理例如，储炬等发现例如，储炬等发现RQ的变化与菌体生长、营养状况以的变化与菌体生长、营养状况以及产生抗生素密切相关。如及产生抗生素密切相关。如20h菌丝开始发生膨大，而菌丝开始发生膨大，而此时此时RQ达到峰值开始下降；达到峰值开始下降；
27、40h左右左右RQ降至谷底开始降至谷底开始回升，正是在这段时间产生抗生素启动。由于回升，正是在这段时间产生抗生素启动。由于RQ具有具有以上的关联特性，他们尝试在以上的关联特性，他们尝试在avemectin发酵过程中利发酵过程中利用用RQ作为补料控制的参考之一。作为补料控制的参考之一。3 3、排气氧、排气、排气氧、排气COCO2 2和呼吸熵和呼吸熵第32页，共84页。酶电极与气敏电极相似，是在离子选择性电极的表面酶电极与气敏电极相似，是在离子选择性电极的表面覆盖一个涂层，把酶固定在涂层内，通过酶反应产生覆盖一个涂层，把酶固定在涂层内，通过酶反应产生的物质的测定，可以推算出反应物的量。的物质的测定
28、，可以推算出反应物的量。例如脲酶电极，把脲酶固定在例如脲酶电极，把脲酶固定在NH3气敏电极或气敏电极或CO2气气敏电极的表面，在脲酶的催化下，尿素可以发生如下的敏电极的表面，在脲酶的催化下，尿素可以发生如下的分解反应：分解反应：CO(NH2)2+H2O 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的分的分压即可达到间接测定尿素的目的。压即可达到间接测定尿素的目的。4 4、酶电极、酶电极第33页，共84页。（三）（三）溶氧的测定溶氧的测定 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
29、在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来测定。溶氧电极发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。可分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，受气需极化电压及放大器，耗氧少，受气流影响小流影响小 原电池型原电池型 简单便宜，适于中小罐。耗氧较大，简单便宜，适于中小罐。耗氧较大，受气流和气泡影响大。受气流和气泡影响大。第34页，共84页。现在国内外测定溶液中的溶解氧基本上用现在国内外测定溶液中的溶解氧基本上用极极谱型的复膜氧电极谱型的复膜氧电极。复膜氧电极可分为复膜氧电极可分为 敞口式敞口式 封闭式封闭式第35页，
30、共84页。敞口式敞口式 在电极的玻璃管上有一个小孔，在电极的玻璃管上有一个小孔，使玻璃管与环境相通，这样在蒸汽灭菌时使玻璃管与环境相通，这样在蒸汽灭菌时电极玻璃管内外压力相等，有利于保护电电极玻璃管内外压力相等，有利于保护电极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第36页，共84页。1 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
31、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。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。第37页，共84页。在阴极表面发生的电极反应：在阴极表面发生的电极反应：1/2O2+H2O+e-2OH-阴极上失去电子后，阳极反应产生的电子流向阴极上失去电子后，阳极反应产生的电子流向阴极，于是在二电极之间形成电流，将氧的信阴极，于是在二电极之间形成电流，将氧的信号转变成电信
32、号。氧浓度越高，电流越大。号转变成电信号。氧浓度越高，电流越大。阳极上的反应是：阳极上的反应是：Pb+2ACO-Pb(ACO)2+2e-化学信号转变成电信号化学信号转变成电信号第38页，共84页。2 2、电极的构造、电极的构造在阴极银（铂）片在阴极银（铂）片的前面包一张半透的前面包一张半透膜，氧可以透过半膜，氧可以透过半透膜达到阴极上进透膜达到阴极上进行电极反应。该半行电极反应。该半透膜固定在阴极表透膜固定在阴极表面。小孔用于压力面。小孔用于压力补偿。补偿。第39页，共84页。3 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
33、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膜的厚度膜的厚度第40页，共84页。增加灵敏度因素：增加灵敏度因素：增加膜穿透系数增加膜穿透系数pm减小膜厚度减小膜厚度dm增加阴极表面积增加阴极表面积A扩散速度扩散速度 因为电极表面的氧浓度
34、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第41页，共84页。（2）温度的影响）温度的影响电极还会受温度的影响电极还会受温度的影响氧在溶液中的溶解度随温度上升而下降氧在溶液中的溶解度随温度上升而下降温度上升使膜穿透系数增加，且氧的内相扩温度上升使膜穿透系数增加，且氧的内相扩散增加，增加了电化学反应速率。散增加，增加了电化学反应速率。由于后者影响比较显著，因此随着温度的上升，由于后者影响比较显著，因此随着温度的上升，电极输出电流呈指数上升。所以电极须有温度补电极输出电流呈指数上升。所以电极须有温度补
35、偿功能，才能真正反映出氧溶解度变化的情况。偿功能，才能真正反映出氧溶解度变化的情况。第42页，共84页。4 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，将氧电极放入该溶作无氧状态的溶液，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，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。调节零点旋钮显示零值。（2）饱和校正（满刻度）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
36、段时间，显示仪上可见放入培养液中，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。第43页，共84页。5.5.摄氧率摄氧率r 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iiC*I饱饱在饱和氧浓度在饱和氧浓度C*时的电流值时的电流值I残残氧浓度为零时电极所具有的电流氧浓度为零时电极所具有的电流第44页，共84页。若
37、测定某培养时间的摄氧率，则关闭通气阀，保持若测定某培养时间的摄氧率，则关闭通气阀，保持搅拌，在罐顶通氮气，赶走上面的空气。此时，由搅拌，在罐顶通氮气，赶走上面的空气。此时，由于耗氧，于耗氧，CL下降，仪表上电流值也不断下降。下降，仪表上电流值也不断下降。R=(-i/t)残饱iiC*t停止供气后停止供气后CL下降到最低点时下降到最低点时所需时间所需时间 i在在t时间内的电流变化时间内的电流变化第45页，共84页。(2)用热磁氧分析仪测定用热磁氧分析仪测定原理是氧具有高顺磁性，氧气的磁化率比原理是氧具有高顺磁性，氧气的磁化率比其它气体高几百倍，故混合气体的磁化率其它气体高几百倍，故混合气体的磁化率
38、几乎完全取决于含氧气的多少，根据排气几乎完全取决于含氧气的多少，根据排气中的氧含量，可以算出摄氧率中的氧含量，可以算出摄氧率设进口氧含量为设进口氧含量为21%r=每小时通气量每小时通气量（0.21-出口氧出口氧%）*22.41000*V第46页，共84页。6 6、氧传递系数、氧传递系数kLakLa的测定的测定设备的设备的KLa可以用亚硫酸钠法来测定，但它可以用亚硫酸钠法来测定，但它是在非发酵过程中测定的，不能完全代表发是在非发酵过程中测定的，不能完全代表发酵过程中的酵过程中的KLa值。其它测定方法有值。其它测定方法有(1)用溶氧电极和热磁氧分析仪共同测定用溶氧电极和热磁氧分析仪共同测定在发酵过
39、程中如果溶氧浓度恒定在一定值表在发酵过程中如果溶氧浓度恒定在一定值表示此时供氧和需氧达到平衡，即示此时供氧和需氧达到平衡，即 r=KLa(C*-CL)式中式中C*可以查得，可以查得，CL可以用溶氧电极测得，可以用溶氧电极测得，r也可算出，因此可求得也可算出，因此可求得KLa值值第47页，共84页。例：一装料为例：一装料为7L的发酵罐，通气量的发酵罐，通气量1l/L.m，操作压力为操作压力为0.3Kg/cm2，在某发酵时间内发，在某发酵时间内发酵液的溶氧浓度为饱和氧浓度的酵液的溶氧浓度为饱和氧浓度的25%，空气进，空气进入时的氧含量为入时的氧含量为21%，废气排出时的氧含量为，废气排出时的氧含量
40、为19.8%（1atm时氧饱和浓度时氧饱和浓度C*=0.2mmol/L）求）求此时菌的摄氧率此时菌的摄氧率r=1*7*60/22.4*103*(0.21-0.198)/7KLar/0.26(0.21.0.198)第48页，共84页。(2)单用溶氧仪测定单用溶氧仪测定用溶氧仪测定发酵过程的溶氧，开始时供用溶氧仪测定发酵过程的溶氧，开始时供氧和需氧达到平衡，溶氧是一条水平线。氧和需氧达到平衡，溶氧是一条水平线。这是停止通气，保持搅拌，在罐顶通入氮这是停止通气，保持搅拌，在罐顶通入氮气，赶掉氧气。由于微生物对氧的利用，气，赶掉氧气。由于微生物对氧的利用，溶氧迅速下降，过一段时间溶氧下降缓慢，溶氧迅速
41、下降，过一段时间溶氧下降缓慢，待溶氧到最低点后在恢复通气。这样可以待溶氧到最低点后在恢复通气。这样可以得到溶氧随时间变化的曲线得到溶氧随时间变化的曲线第49页，共84页。CL/t=KLa(C*-CL)-rCL=-1/KLa(CL/t+r)+C*将将CL对对CL/t+r作图，得到一条直线，斜率为作图，得到一条直线，斜率为-1/KLa因此可求得因此可求得KLa,延长直线与纵坐标相交点为延长直线与纵坐标相交点为C*溶解氧浓度随通气变化的情况溶解氧浓度随通气变化的情况 KLa的求取的求取第50页，共84页。二二 参数的离线检测进展参数的离线检测进展（一）（一）利用高效液相（利用高效液相（HPLC）分析
42、代谢）分析代谢中间产物中间产物 通过中间代谢产物的测定可以深入了解微生通过中间代谢产物的测定可以深入了解微生物代谢的流向，依此来分析代谢的情况。从而有物代谢的流向，依此来分析代谢的情况。从而有的放矢的控制发酵过程的放矢的控制发酵过程第51页，共84页。例：鸟苷生产例：鸟苷生产在鸟苷发酵中，发现在鸟苷发酵中，发现发酵到发酵到40小时后鸟苷小时后鸟苷合成速率下降，但糖合成速率下降，但糖耗速率并未下降，而耗速率并未下降，而且由于耗糖且由于耗糖,使发酵过使发酵过程程pH下降，补入氨水下降，补入氨水增多。那么糖耗到哪增多。那么糖耗到哪里去了呢？里去了呢？于是进行以下一些于是进行以下一些测定与分析测定与分
43、析第52页，共84页。什么因素导致什么因素导致pH下降？下降？1 1、有机酸的积累、有机酸的积累 有机酸积累有机酸积累 pH下降下降 补加氨水补加氨水 在正常代谢情况下，细胞通过在正常代谢情况下，细胞通过EMP途径和途径和TCA循环的过程是为细胞合成提供前体和能量的，循环的过程是为细胞合成提供前体和能量的，按照细胞经济学的原则不会供过于求，即不会按照细胞经济学的原则不会供过于求，即不会出现有机酸的积累出现有机酸的积累若发酵后期有机酸积累会引起加入的若发酵后期有机酸积累会引起加入的NH4+积累，积累，相应出现产苷速率下降。相应出现产苷速率下降。代谢不正常代谢不正常第53页，共84页。测定以下中间
44、物测定以下中间物发酵后期丙酮酸积累发酵后期丙酮酸积累第54页，共84页。2 2、氨基酸的积累、氨基酸的积累在有机酸分析的基础上进一步通过在有机酸分析的基础上进一步通过HPLC测定测定发酵过程中不同时间发酵液中氨基酸，结果发发酵过程中不同时间发酵液中氨基酸，结果发现总氨基酸积累并且其积累晚于有机酸和现总氨基酸积累并且其积累晚于有机酸和NH4+积累。积累。第55页，共84页。氨基酸成分分析表明，初始发酵液中谷氨酸氨基酸成分分析表明，初始发酵液中谷氨酸浓度比较高，其它氨基酸浓度都较低，随着浓度比较高，其它氨基酸浓度都较低，随着发酵过程的进行谷氨酸很快被用于菌体合成，发酵过程的进行谷氨酸很快被用于菌体
45、合成，在在8小时之前已经降到很低水平，并始终维小时之前已经降到很低水平，并始终维持在低水平，而在持在低水平，而在48小时左右丙氨酸开始出小时左右丙氨酸开始出现明显的积累，发酵液中积累量达到初始量现明显的积累，发酵液中积累量达到初始量的的12.6倍之多，其它十余种氨基酸浓度则变倍之多，其它十余种氨基酸浓度则变化不大，并且在整个发酵过程中都维持在较化不大，并且在整个发酵过程中都维持在较低水平。因此，丙氨酸浓度变化可能是导致低水平。因此，丙氨酸浓度变化可能是导致代谢流迁移所致。代谢流迁移所致。第56页，共84页。3 3、分析原因、分析原因发酵过程中积累的氨基酸主要是丙氨酸，而丙氨发酵过程中积累的氨基
46、酸主要是丙氨酸，而丙氨酸的合成可以直接由丙酮酸转化而来，因此可以酸的合成可以直接由丙酮酸转化而来，因此可以推断由于推断由于EMP途径代谢流的增加造成了丙酮酸的途径代谢流的增加造成了丙酮酸的积累，丙酮酸随后转化为丙氨酸积累，丙酮酸随后转化为丙氨酸丙氨酸本身又会对谷氨酸合成酶（丙氨酸本身又会对谷氨酸合成酶（GS）造成）造成反馈抑制和阻遏，使产苷速率降低。反馈抑制和阻遏，使产苷速率降低。第57页，共84页。丙酮酸积累丙酮酸积累 氨水补加增加氨水补加增加NH4+积累积累抑制抑制GS抑制抑制TCA循环循环丙酮酸积累丙酮酸积累激活磷酸果糖激酶激活磷酸果糖激酶EMP流量增加流量增加恶性循环恶性循环丙氨酸积丙
47、氨酸积累累第58页，共84页。（二）（二）代谢流迁移的酶学证明代谢流迁移的酶学证明糖代谢途径关键酶糖代谢途径关键酶糖酵解途径（糖酵解途径（EMP）在糖酵解途径中有两个不可逆的步骤的酶：在糖酵解途径中有两个不可逆的步骤的酶：磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶 磷酸果糖激酶的时序分析磷酸果糖激酶的时序分析第59页，共84页。12小时时由于生长处于对数生长初期，代谢活力较低，所以小时时由于生长处于对数生长初期，代谢活力较低，所以PFK的活力相对较低。的活力相对较低。24小时后随着发酵过程进入平稳产物形小时后随着发酵过程进入平稳产物形成期和细胞生长期，磷酸果糖激酶的活力也基本保持平稳。但
48、是成期和细胞生长期，磷酸果糖激酶的活力也基本保持平稳。但是到到40小时以后，鸟苷形成速率减慢甚至停止，同时观察到氨基小时以后，鸟苷形成速率减慢甚至停止，同时观察到氨基酸和有机酸积累，酸和有机酸积累，PFK相对酶活增加，这表明此时通过相对酶活增加，这表明此时通过EMP途途径的糖代谢通量已有了明显的增加。径的糖代谢通量已有了明显的增加。第60页，共84页。丙酮酸激酶时序分析丙酮酸激酶时序分析第61页，共84页。丙酮酸激酶没有表现出明显的酶活增加，而是丙酮酸激酶没有表现出明显的酶活增加，而是在在24小时就基本上达到其最大值，随后维持在小时就基本上达到其最大值，随后维持在恒定的水平，这表明在糖代谢时恒
49、定的水平，这表明在糖代谢时EMP途径代谢途径代谢流增加中丙酮酸激酶所起的作用不大，不是造流增加中丙酮酸激酶所起的作用不大，不是造成代谢流迁移的主要因素成代谢流迁移的主要因素 磷酸戊糖途径（磷酸戊糖途径（HMP）关键酶）关键酶磷酸戊糖途径中主要的限速酶是磷酸戊糖途径中主要的限速酶是6磷酸葡萄磷酸葡萄糖脱氢酶，该酶催化糖脱氢酶，该酶催化6磷酸葡萄糖脱氢生成磷酸葡萄糖脱氢生成6磷酸葡萄糖酸内酯磷酸葡萄糖酸内酯。第62页，共84页。6磷酸葡萄糖脱氢酶时序分析磷酸葡萄糖脱氢酶时序分析由图可以看到，早期由图可以看到，早期6磷酸葡萄糖脱氢酶活力很高，这磷酸葡萄糖脱氢酶活力很高，这可能是前期菌体合成代谢比较活
50、跃，通过可能是前期菌体合成代谢比较活跃，通过HMP途径合成途径合成用于细胞成分的核酸等组成物质；随后基本不变，从而用于细胞成分的核酸等组成物质；随后基本不变，从而保持保持EMP和和HMP途径通量的平衡，此时稳定持续的形成途径通量的平衡，此时稳定持续的形成产物；但是到产物；但是到40小时后，小时后，6磷酸葡萄糖脱氢酶已经表磷酸葡萄糖脱氢酶已经表现出明显的下降趋势，并且随着后期发酵过程的进行而现出明显的下降趋势，并且随着后期发酵过程的进行而持续下降。根据物料平衡原则，有可能糖代谢在持续下降。根据物料平衡原则，有可能糖代谢在HMP途途径通量下降而径通量下降而EMP途径通量增加。途径通量增加。第63页
