第十章 发酵过程的参数检测剖析
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(简)发酵过程参数相关分析
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代谢曲线对照
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常规发酵过程分析的缺陷性
分析发酵数据时，通过产品小试研究形成工厂生产的 工艺控制为目标，把重点放在寻找最佳的操作点或某 参数时序变化规律，在方法上主要依据人工经验的试 差法，由此逐渐形成作为生产工艺管理的工艺规程。
----缺乏机理性认识，有局限性。 发酵过程动力学研究强调了参数趋势曲线的动态性并 采用了过程数学模拟等进行仿真，可进一步总结经验 规律，引入动态优化控制方法，为过程工艺优化研究 提供了内容。
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参数曲线相关分析的优势
从发酵过程多尺度系统理论来看，参数趋势曲 线相关有可能是某一尺度的线性或动力学行为， 也可能是多尺度系统的结构性突变，因此用常 规的单一尺度模式有时就无法解释过程中发生 的许多现象。 虽然这些过程检测大多是环境中的状态或操作 量，但可以通过进一步分析，得到反映分子、 细胞和反应器工程水平的不同尺度问题的联系， 从而实现跨尺度观察和跨尺度操作。
发酵过程参数相关分析原理及应用
国家生化工程技术研究中心（上海） 庄英萍 ypzhuang@
.
主要内容
发酵过程特性概述 发酵过程的参数分类及检测 理化相关 生物相关 应用举例 下阶段工作展望
.
发酵过程特性概述
生物反应器中基因、细胞和反应器不同尺度网络之 间存在着以时间为坐标多输入多输出的互动关系。 表现在同一尺度下多过程的耦合，不同尺度下也往 往会有不同过程发生。 多尺度的研究方法要求从一个尺度观察另一尺度现 象，即所谓跨尺度观察与控制，即可能提供在生物 技术研究中所没有发现的现象。 研究尺度间相互作用和耦合的原则和条件，只有这 样才能进一步分析不同尺度下的各种子过程之间的 相互量化关系，并与已知条件关联，构成描述复杂 系统的综合模型或描述。
代谢曲线对照
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常规发酵过程分析的缺陷性
分析发酵数据时，通过产品小试研究形成工厂生产的 工艺控制为目标，把重点放在寻找最佳的操作点或某 参数时序变化规律，在方法上主要依据人工经验的试 差法，由此逐渐形成作为生产工艺管理的工艺规程。
----缺乏机理性认识，有局限性。 发酵过程动力学研究强调了参数趋势曲线的动态性并 采用了过程数学模拟等进行仿真，可进一步总结经验 规律，引入动态优化控制方法，为过程工艺优化研究 提供了内容。
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参数曲线相关分析的优势
从发酵过程多尺度系统理论来看，参数趋势曲 线相关有可能是某一尺度的线性或动力学行为， 也可能是多尺度系统的结构性突变，因此用常 规的单一尺度模式有时就无法解释过程中发生 的许多现象。 虽然这些过程检测大多是环境中的状态或操作 量，但可以通过进一步分析，得到反映分子、 细胞和反应器工程水平的不同尺度问题的联系， 从而实现跨尺度观察和跨尺度操作。
发酵过程参数相关分析原理及应用
国家生化工程技术研究中心（上海） 庄英萍 ypzhuang@
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主要内容
发酵过程特性概述 发酵过程的参数分类及检测 理化相关 生物相关 应用举例 下阶段工作展望
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发酵过程特性概述
生物反应器中基因、细胞和反应器不同尺度网络之 间存在着以时间为坐标多输入多输出的互动关系。 表现在同一尺度下多过程的耦合，不同尺度下也往 往会有不同过程发生。 多尺度的研究方法要求从一个尺度观察另一尺度现 象，即所谓跨尺度观察与控制，即可能提供在生物 技术研究中所没有发现的现象。 研究尺度间相互作用和耦合的原则和条件，只有这 样才能进一步分析不同尺度下的各种子过程之间的 相互量化关系，并与已知条件关联，构成描述复杂 系统的综合模型或描述。
第十章发酵过程检测与自控
16
三、计算机在发酵过程中的应用
工业以太网 • 工业以太网作为一种高效的局域网络，可起到
数据传输、生产设备控制等功能，基于以太网 的控制系统成为智能工厂的核心，利用以太网 的标准接口与自行设计的现场智能单元作为嵌 入式网络服务器，能够完成对现场设备的工作 参数、状态参数的采集与处理，最终实现对现
17
10
10
第二节 二、发酵过程变量的间接估计
1.DO：发酵液中的溶解氧浓度 2.耗氧速率OUR 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，通过计 算可以求得摄氧率（OUR）。 11
11
第二节 二、发酵过程变量的间接估计
12
12
第二节 二、发酵过程变量的间接估计
一些碳-能源基质的理论呼吸商
碳-能源 葡萄糖 焦糖 甲烷 甲醇 乳酸 甘油 植物油
呼吸商 1.00 1.00 0.50 0.67 15 1.00 0.88 0.70
15
三、计算机在发酵过程中的应用
计算机集散控制系统
• 计算机集散控制系统（Distributed Control System, DCS）， 其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、 组态方便。1995年ISO对DCS的定义为满足大型工业生产和 日益复杂的过程控制要求，按照控制分散、管理集中的原则 构思，微处理器、通讯技术、16人机接口技术、I/O接口技术 相结合用于数据采集、过程控制和生产管理的综合控制系统。
发酵传感器
4
4
一、发酵过程参数检测
发酵过程检测参数及传感器
参数
传感铂电阻温度计
DCO2（溶解 CO2 浓度） CO2 电极，膜管传感器
三、计算机在发酵过程中的应用
工业以太网 • 工业以太网作为一种高效的局域网络，可起到
数据传输、生产设备控制等功能，基于以太网 的控制系统成为智能工厂的核心，利用以太网 的标准接口与自行设计的现场智能单元作为嵌 入式网络服务器，能够完成对现场设备的工作 参数、状态参数的采集与处理，最终实现对现
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第二节 二、发酵过程变量的间接估计
1.DO：发酵液中的溶解氧浓度 2.耗氧速率OUR 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，通过计 算可以求得摄氧率（OUR）。 11
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第二节 二、发酵过程变量的间接估计
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第二节 二、发酵过程变量的间接估计
一些碳-能源基质的理论呼吸商
碳-能源 葡萄糖 焦糖 甲烷 甲醇 乳酸 甘油 植物油
呼吸商 1.00 1.00 0.50 0.67 15 1.00 0.88 0.70
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三、计算机在发酵过程中的应用
计算机集散控制系统
• 计算机集散控制系统（Distributed Control System, DCS）， 其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、 组态方便。1995年ISO对DCS的定义为满足大型工业生产和 日益复杂的过程控制要求，按照控制分散、管理集中的原则 构思，微处理器、通讯技术、16人机接口技术、I/O接口技术 相结合用于数据采集、过程控制和生产管理的综合控制系统。
发酵传感器
4
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一、发酵过程参数检测
发酵过程检测参数及传感器
参数
传感铂电阻温度计
DCO2（溶解 CO2 浓度） CO2 电极，膜管传感器
第十章：发酵过程优化与放大概论
• 物理测量：温度、压力、体积、流量等
• 物理化学：pH、溶氧、溶CO2、氧化还
原
•
电位、气相成分分析等
• 化学测量：基质、前体、产物等的浓度
• 生物生化：生物量、细胞形态、酶活性、
• 胞内成分等,提供反映环境和细胞代谢生理变化的
连模：连续模拟 间歇：间歇模拟
• 分批发酵过程检测系统的配置
•1.1.2 发酵传感器
第十章 发酵过程优化与放大
本章提要
• 发酵过程检测与自控 • 生物反应器过程的多尺度理论──发酵过
程优化与放大基础 • 发酵过程优化控制中的方法和手段 • 发酵过程优化控制举例
第一部份 发酵过程检 测与自控
(简介一些控制的基本常识）
• 发酵过程的任务：使菌株的生
产能力高效表达，以较低的物料消 耗获得更多的发酵产品
• 传感器（发酵罐）标准电信号仪表显示 或传送给计算机
• 1.1.2.1 对传感器的要求
• 可靠性，准确性，精确度，响应时间，分辨 能力，灵敏度，测量范围，特异性，可维修 性，特殊要求（如是否能与发酵液同时进行 灭菌等）
• 1.1.2.2 发酵用传感器的分类
• 1. 按测量方式分 • 离线传感器：不安装在发酵罐内，人工取样 • 在线传感器：自动测定，流动注射分析系统
发酵行业生产的主要问题
提高产品的市场竞争能力，降低成本， 提高质量：过程优化与小试放大
• 测定发酵液中氧化剂（电子供体）和还原剂（电
子受体）之间平衡的信息 • 用一种由Pt电极和Ag/AgCl参比电极组成的复合
电极与具有mV读数的pH计连接 • 受温度和溶氧压的影响
• 发酵液中溶氧压很低时，超出溶氧探头 的极限，氧化还原电位可弥补 这一点
发酵工程第8讲
1 温度：温度传热器一般用热电阻（铂电阻、铜电阻）放在插入 发酵液的金属套管中，经过仪表进行温度的测量。
2 空气流量：一般控制在0.5 ～1L/L.min，一般采用转子流量计 测量，转子的位置随气体流量的变化而升降，造成电容量的 变化，由此发出信号。（与化学参数溶氧关联） 3 罐压力：发酵罐的压力可用就地指示（压力表），也可将压力 信号转变为电信号远传，一般采用隔膜式元件（压力敏感膜）
第三节
化学参数的测定
1 pH测量
Байду номын сангаас
pH测量方法 pH试纸
pH电极
pH试纸曾经是一种广泛采用的方法
优点：方便，易操作
缺点：它主观性较强 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。
2 溶氧的测定（相对溶氧，绝对溶氧用碘量法）
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。现在国 内外测定溶液中的溶解氧基本上用复膜溶氧电极。 2.1电极的构造： 由半透膜和电极两部分组成，所有的薄膜要求能透过 氧分子，但不能透过电解质和水，同时要能耐高温。 一般使用聚四氟乙烯、氟化乙烯-丙烯共聚物或聚丙 烯薄膜，也可用硅橡胶膜。
复膜氧电极的结构
在阴极银（铂） 片的前面包一张 半透膜，氧可以 透过半透膜达到 阴极上进行电极 反应。该半透膜 固定在阴极表面。
2.2 复膜氧电极的工作原理
电极部分包括阳极、阴极、电解液，阴极由铂、 银、金等贵金属组成，用于还原氧分子，贵金属
起传递电子的作用。阳极由铅、锡、铝等组成 。 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，此时的电极电流为饱和电 流。氧浓度与饱和电流成正比关系。
三大参数从检测手段分可分为：直接参数、间接参数
2 空气流量：一般控制在0.5 ～1L/L.min，一般采用转子流量计 测量，转子的位置随气体流量的变化而升降，造成电容量的 变化，由此发出信号。（与化学参数溶氧关联） 3 罐压力：发酵罐的压力可用就地指示（压力表），也可将压力 信号转变为电信号远传，一般采用隔膜式元件（压力敏感膜）
第三节
化学参数的测定
1 pH测量
Байду номын сангаас
pH测量方法 pH试纸
pH电极
pH试纸曾经是一种广泛采用的方法
优点：方便，易操作
缺点：它主观性较强 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。
2 溶氧的测定（相对溶氧，绝对溶氧用碘量法）
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。现在国 内外测定溶液中的溶解氧基本上用复膜溶氧电极。 2.1电极的构造： 由半透膜和电极两部分组成，所有的薄膜要求能透过 氧分子，但不能透过电解质和水，同时要能耐高温。 一般使用聚四氟乙烯、氟化乙烯-丙烯共聚物或聚丙 烯薄膜，也可用硅橡胶膜。
复膜氧电极的结构
在阴极银（铂） 片的前面包一张 半透膜，氧可以 透过半透膜达到 阴极上进行电极 反应。该半透膜 固定在阴极表面。
2.2 复膜氧电极的工作原理
电极部分包括阳极、阴极、电解液，阴极由铂、 银、金等贵金属组成，用于还原氧分子，贵金属
起传递电子的作用。阳极由铅、锡、铝等组成 。 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，此时的电极电流为饱和电 流。氧浓度与饱和电流成正比关系。
三大参数从检测手段分可分为：直接参数、间接参数
发酵过程中工艺参数的检测和控制课件
在线分析仪
通过分析发酵液体的成分，间接 评估泡沫对发酵过程的影响。
泡沫控制的方法和策略
物理方法
通过调节搅拌速度、通气量、 温度等物理参数，控制泡沫产生。
化学方法
添加消泡剂或表面活性剂，降 低泡沫的稳定性，使其破裂或 减少。
工艺参数优化
通过优化培养基配方、接种量、 发酵温度等工艺参数，减少泡 沫产生。
发酵过程的原理和步骤
总结词
发酵过程通常包括菌种选择、种子扩大培养、发酵罐接种、发酵过程控制和产物提取等步骤。其原理是利用微生 物的代谢活动，将底物转化为产物。
详细描述
在发酵过程中，首先需要选择适合的菌种，并进行种子扩大培养，使菌种数量达到一定规模。然后，将种子接种 到发酵罐中，在适宜的条件下进行发酵。发酵过程中，需要控制温度、pH、溶氧等参数，以确保微生物的正常 代谢活动。最后，通过提取和分离等方法，获得所需的产物。
总结词
发酵是一种生物化学过程，通过微生物或酶的作用将有机物 质转化为更简单的物质或产生新的物质。根据发酵产物的不 同，可以分为酒精发酵、乳酸发酵、醋酸发酵等类型。
详细描述
发酵是一种古老的生物化学过程，广泛应用于食品、饮料、 化工、制药等领域。通过发酵，人们可以将有机物质转化为 酒精、乳酸、醋酸等物质，也可以产生新的物质，如抗生素、 酶等。
溶氧浓度过高则可能导致微生物 死亡或产生副产物。
因此，对溶氧浓度的检测和控制 是实现高效、稳定发酵的关键。
溶氧浓度检测的方法和设备
01
02
03
04
溶氧浓度的检测方法包括电极 法、荧光法、光纤传感器法等。
电极法是最常用的方法，通过 测量溶解氧通过电解膜时的电
流来计算溶氧浓度。
荧光法利用荧光物质与溶解氧 的相互作用产生荧光，通过测 量荧光强度来计算溶氧浓度。
第十章 发酵过程的实验室研究、中试和放大
下涡轮至罐底的距离C可取0.5~1.0D。 符合上述条件的发酵罐，用经验公式计算或实测结果 都表明，多个涡轮输出的功率近似等于单个涡轮的功 率乘以涡轮的个数。
3，通气液体机械搅拌功率的计算
迈凯尔的修正关系式
Pg 2.25(
P02 ND 3 Q
0.08
)
0.39
10
3
计算举例
某细菌醪发酵罐 罐直径T＝1.8(米) 圆盘六弯叶涡轮直径D＝0.60米，一只涡轮 罐内装四块标准挡板 搅拌器转速N＝168转／分 通气量Q＝1.42米3／分(已换算为罐内状态的流量) 罐压P＝1.5绝对大气压 醪液粘度μ＝1.96×10-3牛· 秒／米2 醪液密度ρ＝1020公斤／米3 要求计算Pg
缺点: 进罐空气处于负压，因而增加了染菌机会，且搅
拌转速甚高，有可能使菌丝被切断，使正常的生长受到影响。
2.3 气升式发酵罐
• 优点：能耗低，液体中的剪切作用小，结构简单，
且由于省去了机械搅拌而不需机械密封，避免了
因机械密封不良造成的杂菌污染。
• 缺点：它不适用于高粘度或含大量固体的培养液。
流 型
特点：剪切作用较强，混合效果较差
轴向流（流体流动方向平行于搅拌轴，流体 由桨叶推动，使流体向下流动，遇到容器底 面再翻上，形成上下循环流）
流 型
特点：剪切作用较弱，混合效果较好
流 型
切向流（无挡板的容器内，流体绕轴作旋转 运动，流速高时液体表面会形成旋涡，此时 流体从桨叶周围周向卷吸至桨叶区的流量很 小，混合效果很差。）
箭叶
+++
+
+
+++
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3，通气液体机械搅拌功率的计算
迈凯尔的修正关系式
Pg 2.25(
P02 ND 3 Q
0.08
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0.39
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3
计算举例
某细菌醪发酵罐 罐直径T＝1.8(米) 圆盘六弯叶涡轮直径D＝0.60米，一只涡轮 罐内装四块标准挡板 搅拌器转速N＝168转／分 通气量Q＝1.42米3／分(已换算为罐内状态的流量) 罐压P＝1.5绝对大气压 醪液粘度μ＝1.96×10-3牛· 秒／米2 醪液密度ρ＝1020公斤／米3 要求计算Pg
缺点: 进罐空气处于负压，因而增加了染菌机会，且搅
拌转速甚高，有可能使菌丝被切断，使正常的生长受到影响。
2.3 气升式发酵罐
• 优点：能耗低，液体中的剪切作用小，结构简单，
且由于省去了机械搅拌而不需机械密封，避免了
因机械密封不良造成的杂菌污染。
• 缺点：它不适用于高粘度或含大量固体的培养液。
流 型
特点：剪切作用较强，混合效果较差
轴向流（流体流动方向平行于搅拌轴，流体 由桨叶推动，使流体向下流动，遇到容器底 面再翻上，形成上下循环流）
流 型
特点：剪切作用较弱，混合效果较好
流 型
切向流（无挡板的容器内，流体绕轴作旋转 运动，流速高时液体表面会形成旋涡，此时 流体从桨叶周围周向卷吸至桨叶区的流量很 小，混合效果很差。）
箭叶
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+
+
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发酵过程的参数相关分析
1.1.2 二氧化碳释放率CER
排气二氧化碳反映了微生物代谢的情况 微生物摄入的氧并不是全部变成二氧化碳，有的 进入代谢中间物分子，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 有机物降解后会产生二氧化碳，使排气二氧化碳 大于消耗的氧。
重要间接参数介绍
二氧化碳释放速率CER， mol/（L·h）
C CER
Fin
C inertia
in
CO2out
1 (CO2out CCO2out )
CCO2in
f
f
273 273 tin
Pin
1 10 5 1 h
简化公式：CER＝F/V(CO2out-CO2in)
CER：表示单位体积发酵液单位时间内释放的二氧化碳的量
在非糖限制条件下，特别是在发酵初期，菌量与CER有 一定的线性关系
OUR下降，表征的是该菌株耗氧能力降低;与 此相应，伴随着CER的下降，是菌体活力下 降的表现
重要间接参数介绍
体积氧传递系数 KLa，1/h
KLa
OUR , ηapp)
C:整体液相中的溶解氧浓度 mol/l C*:与气相氧分压平衡的液相中氧浓度mol/l一般取0.2mmol/L
发酵过程的参数相关分析
华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室，国家生化工程技 术研究中心 2007.5.23
主要内容
1.重要参数介绍 2.多参数相关性分析 3.发酵培养基分析与工艺改进
1.发酵过程的参数分类
直接参数
通过传感器把非电量变化直接转化为电量变 化， 实时地送计算机数据采集。物理参数、化学参数、 生物量参数就地测量（in line）、在线测量（on line）
2.1 理化相关
10-发酵过程的参数检测1
■发酵工业用的传感器应满足的要求
1)传感器能经受高压蒸汽灭菌； 1)传感器能经受高压蒸汽灭菌； 传感器能经受高压蒸汽灭菌 2)传感器及其二次仪表具有长期稳定性； 2)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 3)最好能在过程中随时校正； 3)最好能在过程中随时校正； 最好能在过程中随时校正 4)探头材料不易老化，使用寿命长； 4)探头材料不易老化，使用寿命长； 探头材料不易老化 5)探头安装使用和维修方便； 5)探头安装使用和维修方便； 探头安装使用和维修方便 6)解决探头敏感部位被物料(反应液)粘住、 6)解决探头敏感部位被物料(反应液)粘住、堵塞 解决探头敏感部位被物料 问题； 问题； 7)价格合理，便于推广应用。 7)价格合理，便于推广应用。 价格合理
6. 发酵液料液计量和液位控制 在微生物深层培养中， 为适应代谢需要 在微生物深层培养中 ， 达到控制发酵过程的目的， 达到控制发酵过程的目的 ， 需要不断加入各 种流体如流加葡萄糖， 种流体如流加葡萄糖 ， 或者加入酸碱浓液控 制pH，加入消沫剂控制泡沫形成，或者加入 ，加入消沫剂控制泡沫形成， 前体物质促进产物的合成等。 前体物质促进产物的合成等。 这些流加液的精确计量和发酵罐中的料液 量的计量在发酵过程控制和动力学研究上具 有重要意义。 有重要意义。
感温元件一般装置在金属套管中， 感温元件一般装置在金属套管中，再插入 发酵罐中或沿发酵罐罐壁固定， 发酵罐中或沿发酵罐罐壁固定，安装时必须 注意保证发酵罐的无菌状态。 注意保证发酵罐的无菌状态。 •二次仪表：选择二次仪表时，应考虑温度范 二次仪表：选择二次仪表时， 二次仪表 型号是否与选用的热电阻相匹配。 围，型号是否与选用的热电阻相匹配。
感温元件： 感温元件： • 发酵罐的测温方法有多种：玻璃温度计、热 发酵罐的测温方法有多种：玻璃温度计、 电偶、热敏电阻、热电阻温度计等 电偶、热敏电阻、热电阻温度计等。 • 当温度测量范围小时，热电阻检测器（RTD） 当温度测量范围小时，热电阻检测器（ ） 比热电偶更灵敏。其特点是： 比热电偶更灵敏。其特点是：对温度变化更灵 测量精确度高，线性好， 敏，测量精确度高，线性好，能够满足发酵温 度检测和控制的要求。 度检测和控制的要求。
10第十章 发酵过程的检测与自控1已hard
（三）主要在线传感器 1. pH传感器 pH值传感器是一个密封的银/氯化银混 合电极，耐用而稳定。pH探头通过测量 pH电极和参比电极、被测溶液所组成的 电池的电动势，间接测量pH 。 pH值的测量范围为0～14。分辨率为 0.005 pH单位，温度范围: 5 到80℃。
2.溶氧电极
一般使用复膜溶氧探头，有两种： 原电池型：由碱性电解液、银阴极和铅
离子选择性电极是一个半 电池（气敏电极例外），它 的电势不能单独测量，而 必须和适合的外参比电极 组成完整的电化学电池， 然后测量电池的电动势
8. 光密度传感器
基于对光的透射、反射或散射而实现测定。细菌 (可见光)；较大的微生物(红外波长)；植物细胞 或昆虫(浊度法)。光源常采用绿色滤光器、红外 二极管、激光二极管或780～900 nm的激光。
（9）可维修性：指的是传感器发生故障或失效 后进行修理和校准的可能性及难易程度。
（10）发酵过程对传感器的特殊要求：耐受蒸汽 灭菌 、保持无菌 、不易污染和便于清洗。
（二）发酵用传感器的分类 测量操作方式： 离线(off-line) 在线(on-line) 原位(in-line)传感器；
检测原理：力敏、热敏、光敏、磁敏、电 化学
第一节 发酵过程检测
四、发酵过程检测的可靠性
（二）分析数据的确认
（1）校准：传感器和分析仪在使用一段时间后应
当进行校准。
（2）数据解析：利用相关变量的检测数据进行解
析，确认某些传感器的可靠性。 （3）噪声分析：所有传感器和分析仪都不可避免 地会出现一些噪声。噪声突然或缓慢消失，有 可能是出现故障的信号。
（二）尾气分析
（2）顺磁O2分析仪：
氧的顺磁特性使磁场
第十章 发酵过程的参数检测
优点： 结构简单、使用方便、价格低
Note: 按20℃、103.32KPa设计，实际使用
中应校正
金属转子流量计
2、质量流量型
根据流体的固有性质，如质量、导电性、电磁感应 性、热传导性能等设计的流量计。
这种测量没有能量损耗，可直接读出气体的质量流量， 不受温度和压力变化的影响。
热质量流量传感器结构示意图
如对发酵罐温度的控制，可采用前馈控制系统 冷却水的压力被测量但不控制，当压力发生变化时，控制
器提前对冷却水控制阀发出控制动作指令，以避免温度的波 动。
前馈控制的精度取决于干扰量的测量精度，以及预报干扰 量对控制变量影响的数学模型的准确性
2）反馈控制
r(t)
+e
控制器 u(t) 被控对象 x(t)
y(t) 传感器
物理夹持的方法包于电极的敏感部分 包埋剂有淀粉、凝胶、聚丙烯酰胺等
酶电极的种类：
糖电极、尿电极、氨基酸电极、醇类电极、青霉素电极等
例如 葡萄糖电极
采用适当的方法，制备含有葡萄糖氧化酶(GOD)的生物 功能膜；然后将该膜覆盖在电化学传感器件表面的透析膜 上；如此制成葡萄糖电极。
GOD 葡萄糖 + O2 + H2O ——→ + H2O2
的响应特性。
2）如何固定？
固定方法分化学方法和物理方法
化学方法：
依靠化学键的结合力，把载体和酶的某种功能团 结合起来
常用的方法有： 分子间交联 共价结合
◇ 分子间交联 即通过适度的双功能试剂，如戊二醛，把醛基与惰性载体 （如硅粒、明胶）交联在一起
◇ 共价结合 借助于共价键把酶的功能团与载体结合起来
电阻式、电容式、 电感式、半导体式
五、液位测量
Note: 按20℃、103.32KPa设计，实际使用
中应校正
金属转子流量计
2、质量流量型
根据流体的固有性质，如质量、导电性、电磁感应 性、热传导性能等设计的流量计。
这种测量没有能量损耗，可直接读出气体的质量流量， 不受温度和压力变化的影响。
热质量流量传感器结构示意图
如对发酵罐温度的控制，可采用前馈控制系统 冷却水的压力被测量但不控制，当压力发生变化时，控制
器提前对冷却水控制阀发出控制动作指令，以避免温度的波 动。
前馈控制的精度取决于干扰量的测量精度，以及预报干扰 量对控制变量影响的数学模型的准确性
2）反馈控制
r(t)
+e
控制器 u(t) 被控对象 x(t)
y(t) 传感器
物理夹持的方法包于电极的敏感部分 包埋剂有淀粉、凝胶、聚丙烯酰胺等
酶电极的种类：
糖电极、尿电极、氨基酸电极、醇类电极、青霉素电极等
例如 葡萄糖电极
采用适当的方法，制备含有葡萄糖氧化酶(GOD)的生物 功能膜；然后将该膜覆盖在电化学传感器件表面的透析膜 上；如此制成葡萄糖电极。
GOD 葡萄糖 + O2 + H2O ——→ + H2O2
的响应特性。
2）如何固定？
固定方法分化学方法和物理方法
化学方法：
依靠化学键的结合力，把载体和酶的某种功能团 结合起来
常用的方法有： 分子间交联 共价结合
◇ 分子间交联 即通过适度的双功能试剂，如戊二醛，把醛基与惰性载体 （如硅粒、明胶）交联在一起
◇ 共价结合 借助于共价键把酶的功能团与载体结合起来
电阻式、电容式、 电感式、半导体式
五、液位测量
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一、pH测量
1、取样罐外测量
试纸法 （精密级） 酸度计法
罐外取样测量不利于实现自动化管理
2、在线测量
发酵用复合pH电极 + pH显示仪表
pH测量原理图
发酵用复合pH电极
过高的温度将对玻璃膜材质 和参比电极性质产生影响，造 成不可逆转的破坏。
外加不锈钢护套后安装于罐内
pH显示仪表
应具有较高的输入阻抗（1011-1012 ） 并具有自动或手动的温度补偿功能
无空气流过 有空气流过
随流量变化的温度分布
● 有空气流过时，上游温 度下降，下游温度上升， 导致测量管中温度分布发 生畸变；
● 不平衡电桥输出的电势
E = bcM
b —系数 c —介质比热容 M —质量流量
● 当气体比热容恒定时，流 量信号与质量成正比
四、罐压测量
就地指示式： 压力表 信号远传式： 压力信号转换器
优点： 结构简单、使用方便、价格低
Note: 按20℃、103.32KPa设计，实际根据流体的固有性质，如质量、导电性、电磁感应 性、热传导性能等设计的流量计。
这种测量没有能量损耗，可直接读出气体的质量流量， 不受温度和压力变化的影响。
热质量流量传感器结构示意图
成回路，当接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势， 这种现象称为热电效应，这种电动势称为热电势。
热电偶就是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接用做 测量介质温度的一端叫做工作端（测量端），另一端叫做冷端 （亦称作补偿端）。冷端与显示仪表连接。
热电偶实际上是一种能量转换器，它将热能转换为电能，用 所产生的热电势测量温度。
◇ 由于这个氧浓度梯度随时间而减小，且易受到搅拌程度等 物理因素的影响，造成电极输出信号不稳定，使整个电极测 量难以进行。
◇ 因此，一个基本的DO电极测量系统不仅要具备指示电极 和参比电极之间形成的电位差，使此时只有氧在电极上发生 反应，而且要使电极表面与液流主体之间有一个稳定的氧扩 散梯度。
复膜氧电极：
导线
热 电 偶
热电阻
工作原理： 电阻线中的金属丝在不同的温度有不同的电阻,根据这
条热电阻线的电阻变化可以求出被测物体的即时温度。
常用热电阻： 铂电阻 精度高，性能可靠，但价格贵 铜电阻 -50-150℃线性响应较好，价低
铂电阻 Pt 100
铜电阻
二次仪表
应与所选用的感温元件的类别和型号匹配； 并注意选择合适的温度范围
六、发酵液黏度测量
发酵液通常属非牛顿流体，不能采用 一般的工业黏度计或油品黏度计测量。
可测量发酵液黏度的黏度计： 毛细管黏度计 回转式黏度计 涡轮旋转黏度计
旋转黏度计
毛细管黏度计
● 恒温
● 毛细管半径和长度 要精确计算
● 被测置于贮筒，在 恒定压差△P下从毛 细管排出
第二节 化学参数测量
流 通 式 量 热 计
三、通气流量测量
根据作用原理，可分两种类型： 体积流量型 质量流量型
1、体积流量型
◇ 根据流体动能的转换及流体流动类型的改变而设计的 测量装置。
◇ 这种测量装置会引起流体能量的 不同程度的损失，且 测量值受到温度和压力变化的影响。
主要型式： 转子流量计 刻度管：玻璃、金属 信号传送：指示式、远传式
温度显示仪表
二、生物热的测量
微热量测定器要满足一定的条件： 长时间的稳定性； 适合微生物培养的特殊要求（如搅拌、通气、补料等）
1、绝热量热计
尽可能把微生物反应器与外界环境隔绝，以减少热量 损失所造成的测量误差
原理： 当由生物热造成反应器升温时，可计算使平衡罐与
反应罐温度相等所需的加热功率，就可得到反应罐中生 物热量的大小。
的使用性能受到影响。 3）罐内气泡影响，带来对测量干扰。 4）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。 5）化学成分的分析是重要的检测内容，但电信号转换困难。
第一节 物理参数检测
感温元件
1）热电偶 2）热电阻
感温元件装置在金属套管内安装在罐壁
热电偶
热电偶工作原理： 两种 不同成分的导体（称为热电偶丝材或热电极）两端接合
第十章 发酵过程的参数检测
物理参数
直
（温度、压力、搅拌速度、通气流量、泡沫水
接
平、加料速率、生物热、黏度等）
参
数
化学参数
(pH、溶氧浓度、溶解CO2浓度、碳源含量、氮 源含量、代谢物浓度）
间
接
（摄氧率OUR、CO2释放率CER、呼吸商RQ、
参
细胞浓度、比生长速率）
数
发酵过程参数检测的复杂性：
1）罐内插入的传感器必须能耐热，经受高温灭菌。 2）菌体以及其它固体物质附在表面，使一些传感器
电极的阴极、阳极和电解质被一层聚分子膜（如聚四氟 乙烯）与被测溶液隔开；该膜能透过氧分子，但不能透过 溶液中的其它离子或分子。
复 膜 氧 电 极
溶氧电极
三、溶解CO2测量
◇ 在NaHCO3溶液中： pH = 常数 - lg PCO2
电阻式、电容式、 电感式、半导体式
五、液位测量
发酵罐内保持一定的压力，同时存在泡沫，故一般 受常用压双式法液兰面差计压不法适：用。
◇ 法兰上装有可传递压强的金属薄片； ◇ 罐底的法兰上所受到的压强是液柱压强与罐内保压之 和，罐顶法兰所受压强仅为保压压强；两者之差即为液柱 压强（P)。 ◇ 如发酵液的重度r已知，则液柱高度H=P/r 。
标定
量热计 反应 平衡
记录仪 计算器
反馈回路
t反
t平
零检测器
加热控制
不平衡信号
绝热式微量热器原理图
2、热流量热计
热量被允许拖着一定的途径流到一个冷阱（或热源） 中去，所传过的热量速率可以通过检测所形成的温度梯 度得到。
如Calvet 微量热器
Calvet 微 量 热 器
3、流通式量热计
把器内培养液与器外的培养液进行交换，这个器外 培养罐可以是连续发酵罐或批发酵罐，因此试剂或样品 的加入是在量热器外进行而不影响量热器的测量。
二、溶解氧（DO) 的测量
电极法 ◇ 电解型（极谱型）电极
如阴极和阳极都用银制成，参比电解液用KCl溶液 ◇ 原电池型
如阴极用银，阳极用铅
◇ 当把电极放在一被测溶液中时，就在阴极表面发生了电极 反应，使距表面越近的溶液中的氧被还原了；此时，电极表 面的氧浓度与液流主体中的氧浓度就形成了一个梯度，这时 电极反应速度是受氧扩散控制的。