生化反应参数检测及控制ppt课件.ppt

3.1.2 化学参数检测,二、溶解氧（DO）的测量,三、氧化还原电位（ORP）的测量,四、溶解二氧化碳测量,五、发酵尾气的在线分析,六、菌量测量,一、pH测量,一、pH测量,pH测量的意义,pH测量的概念,pH电极的安装及使用,pH测量应用示例,pH测量的意义,pH对菌体细胞的生长和代谢的影响,在微生物培养过程中，不同的环境pH对菌体细胞产生明显的作用，这些作用可以表现在以下几个方面。,各种微生物都有最适生长的pH值，超过这个pH范围，微生物生长就受到影响甚至停止。有的适宜于酸性培养，有的宜于中性，也有的宜于碱性。,一般来说，霉菌和酵母菌的最适的pH为3 6，大多数的细菌和放线菌适宜于中性或微碱性（pH6.87.6）。,pH测量的意义,pH对菌体细胞的生长和代谢的影响,pH变化对酶的生长影响，例对 E.Coli菌虽然在pH4.59之间能生长，但对菌体脱氨酶和脱羧酶的形成则有严重的影响。,pH测量的意义,pH对菌体细胞的生长和代谢的影响,即使酶的体系已形成，但由于环境pH的不同，使酶的活性受到抑制，因而改变了代谢产物的形成。,例在研究 E.Coli菌时，在pH 6.2时，二氧化碳和氢就从葡萄糖发酵中产生，而在 pH7.8时，由于蚁酸溶菌酶的作用，使气体形成受抑制，代之产生等量的蚁酸。,pH测量的意义,pH对菌体细胞的生长和代谢的影响,发酵过程pH的变化引起ATP生产率的减少，使细胞产量减少，传代时间增加。,例葡萄糖进行酒精发酵时，当pH从7.2变到 5.01时，每 100 mmol葡萄糖形成的 ATP从224 mmol降到153 mmol，相当菌丝体从 2.58 g降到 1.77 g。传代时间从 2 h增加到4h。,pH测量的意义,pH对菌体细胞的生长和代谢的影响,pH变化对细胞壁的机械强度也有明显的作用，膨胀或收缩改变了内部的渗透压。,例如青霉菌在pH大于6时菌丝长度缩短，而在pH大于或等于7时膨胀菌丝的数目增多。在膨胀的细胞里，结构的改变引起细胞壁强度降低；结果难以承受内部的渗透压。,pH测量的意义,pH对菌体细胞的生长和代谢的影响,有时，离子毒性作用也由于pH的变化而间接形成。即当在环境pH较低的情况下一些不离解的分子透过细胞壁，在中性的内部就发生离解，从而改变细胞内部的组成。,一般当使用有机酸作缓冲液时，抑制作用就是这种效应的结果。,pH测量的意义,pH对菌体细胞的生长和代谢的影响,由上可见，尽管pH变化对菌体细胞的影响是多种多样，其最后的作用结果虽各不相同，但菌体细胞对pH的变化异常敏感则是共同的，所以pH值是发酵过程中很重要的参数。在发酵过程中，发酵液的pH必须予以控制，才能符合菌体生长和产物合成的需要。,pH测量的意义,菌体细胞的生长和代谢对环境pH的影响,微生物的生命活动对环境 pH的影响主要有两种方式,其一是酸性或碱性代谢物的形成，使培养液的pH发生变化；,例在通气发酵过程中，许多微生物在过量糖的存在下，产生有机酸等代谢物，使pH降低。当菌丝自溶时，蛋白质分解或其他含氮化合物产生氨或产生其他碱性化合物，使pH升高。,pH测量的意义,菌体细胞的生长和代谢对环境pH的影响,其二就是菌体对培养基中生理酸性或生理碱性物质的利用，使环境的pH发生变化。,例如氨基酸作为主要或唯一碳源进行好气培养时，将引起氨的产生，当其量超过菌体需氮量时，就要引起pH上升。如果以氨基酸进行厌氧代谢，当脱氨作用时，既产生酸也产生碱。,pH测量的意义,菌体细胞的生长和代谢对环境pH的影响,所以，培养液pH变化是特定环境条件下微生物生命活动的综合结果，在同一时间也许既存在pH上升的因素，又存在使pH降低的可能，最后趋势则决定于这些因素的综合结果，如果不对pH加以控制调节的话，就要影响过程的进行。,pH对菌体细胞的生长和代谢的的关系,细胞的生长和代谢,环境pH,外部pH控制,pH测量的概念,pH定义,pH测量原理,测量电极,复合pH电极的技术指标,pH测量仪表,pH是氢离子活度的负对数。pH-lg 式中 氢离子活度；pH氢离子活度的负对数。其中“p”只表明了在离子和变量之间有一种指数相关的数学关系。带一价正电荷的氢离子存在于全部含水或酸的液体中。在稀溶液中，氢离子活度近似等于其浓度。,pH定义,电极电位法测量pH是基于两个电极上所发生的电化学反应。用电极电位法测量溶液pH值，可以获得较准确结果。,pH测量原理,电极电位法pH测量原理,电极电位法的原理是用两个电极插在被测量溶液中（见上图），其中一电极为指示电极（如玻璃pH电极），它的输出电位随被测溶液中的氢离子活度变化而变化；另一电极为参比电极（例如氯化银电极），其电位是固定不变的。上述两个电极在溶液中构成了一个原电池，该电池所产生的电动势 E的大小与溶液的 pH值有关，电动势 E与pH的变化关系可用下式表示：,pH测量原理,EE*D pH,式中 E 测量电池产生的电动势；E*测量电池的电动势常数（其与温度有关）；pH溶液的 pH值；D测量电极的响应级差（其与温度有关）。因此，若已知E*和D，则只要准确地测量两个电极间的电动势，就可以测得溶液中的pH值了。,pH测量原理,根据电极法原理构成的测量系统，无论是实验室或工业用测量系统，它应有发送器（即电极部分）和测量仪器（如变送器等）两大部分组成。,如上所述，对溶液pH值的测量，实际上是由发送器所得毫伏信号经由测量仪表放大指示其pH值。该发送器所得的毫伏信号实际上就是由指示（pH）电极、参比电极和被测溶液所组成的原电池的电动势。,pH测量原理,因此了解各有关电极与pH变化的响应原理，对掌握溶液（或发酵液）pH精确测量无疑是有帮助的。,对参比电极的基本要求是它的电位尽可能地恒定不变。在实际测量过程中，经验表明，大多数测量中的问题来自参比电极系统，因此，有必要认真研究一下参比电极的性质。,测量电极,参比电极,一个理想的参比电极要满足下列这些要求：（1）电位稳定；（2）没有极化性；（3）在重负荷下指示电位可逆变化；（4）电位响应只遵守能斯特方程；（5）没有温度滞后现象；（6）温度系数低。最常用的参比电极有甘汞电极和氧化银电极。,测量电极,参比电极,甘汞电极,甘汞电极一般有隔膜、参比液、导出系统及参比液补加孔等组成，其结构如图所示。,电极的外壳是一个玻璃管，里面套有一根小玻璃管，它的顶部伸出电极引线（或接线柱），引线的下端浸没在汞中。汞的下面有糊状甘汞（Hg2Cl2），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。小管与大管之间充以氯化钾（KCl）溶液，末端用多孔陶瓷堵塞（称为隔膜或盐桥）。甘汞电极插入溶液中时，电极内的少量氯化钾溶液通过多孔陶瓷渗入到被测溶液中，实现电极引线和溶液间的电的连通。,甘汞电极,甘汞电极电位只与氯化钾溶液的浓度有关，不随被测溶液的酸碱度而变化。所以只要氯化钾的浓度保持不变，甘汞电极的电位在一定的温度条件下是一个常数。例如 25时充有1molLKCI溶液的甘汞电极的电位为+0.2802 V，充有饱和氯化钾溶液的甘汞电极的电位为+0.2415 V。然而，当温度变化时，甘汞电极的电位随之而变，充有饱和氯化钾溶液的甘汞电极的温度系数为-0.76 mV，充有0.lmol/LKCI溶液的甘汞电极的温度系数为-0.07 mV，虽然饱和甘汞电极的电位易受温度变化的影响，但因配制饱和氯化钾溶液比较方便，所以饱和甘汞电极还是最为常用的。,甘汞电极,甘汞电极不宜在强酸或强碱性的溶液中使用，因为此时的液体接界电位较大，给测量带来较大误差。在发酵液中由于大分子的带电粒子（如蛋白质）或其他相的存在而成乳浊液时，都要使液接界电位升高，有时可达3050 mV，造成发酵液培养过程中 pH测量值的较大偏离。,甘汞电极,甘汞电极的缺点是高温时电极电位的稳定性较差。,氯化银电极的结构和原理都和甘汞电极相似（见图）。在一根铂丝上镀上纯银（或银丝），然后使其表面复盖一层氯化银膜，并将它浸没在盛有氯化钾溶液的下端具有隔膜结构的玻璃管内。,氯化银电极,同样其电极电位由参比电解质溶液中氯化钾的浓度所决定，与被测离子浓度无关。该电极的优点是在较高温度时，电极电位比较稳定，一般可以用于250 以下。,氯化银电极,氯化银电极电位的温度系数随参比电解质溶液中氯离子浓度增大而减小，故氯化银电极通常都充有较高浓度的氯化钾溶液。,对指示电极的基本要求是其电极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以用来测定溶液中的pH值。如铂氢电极、金属电极等。,测量电极,指示电极,近年来，玻璃电极仍是各种类型pH测量指示电极的主要趋势。目前铂氢电极只用于热力学研究或非还原性缓冲溶液pH值的精确测量上。虽然铂氢电极可以给出很精确的测量结果，但因其操作不便，易被吸附物毒化，暴露在氧化还原系统中电位会有变化等因素影响了其普遍使用。,玻璃pH电极,玻璃电极的结构如图所示。在玻璃电极内部装有缓冲溶液和电极引线，H+的交换通过玻璃膜进行。,玻璃电极结构1塞子；2引线；3保护层；4内部缓冲液；5膜,玻璃pH电极,玻璃膜的功能如图所示。下图是玻璃膜横断面的一半。当玻璃电极插入待测溶液中，就在玻璃膜（厚约 0.2 0.5mm）的外表面和内表面分别形成一凝胶,层（其厚度约为 10-4mm）。若待测溶液是酸性，则在外表形成一正的电势场，反之若是碱性，则形成一负的电势场。,玻璃pH电极,因为玻璃电极内部具有恒定pH值的缓冲溶液，所以，玻璃膜的内表面的电势在测量期间仍是常数，因此，玻璃膜上总的电势是膜的内外电场的差，即：,式中 Eel 电极电势；E0 零电位；S 斜率（mV每单位pH）；pHi 内部缓冲液的pH值；pHa 待测量溶液的pH值。,复合pH电极,发酵过程测量pH用的电极要求结构紧凑，故常用把指示电极和参比电极合为一体的复合型pH玻璃电极，结构如图所示。,复合电极结构1塞子；2引线；3参考电解质溶液；4内部缓冲液；5膜；6 参考元件,因为复合电极远比分开的电极测量容易，因此，所用的电极形式都是复合电极。在复合电极中，玻璃电极是由参考电极包裹着。这种结构不但便于安装与使用，而且外参比液也起屏蔽作用，以防电气干扰作用于指示电极。,复合pH电极,复合电极的响应为：,式中 S电极斜率，等于电极实际极差与理论级差之比；pHis复合pH电极等电位点pH，pHis=pH pH*，其中pH*为等电位点pH偏离，其在数值上大小与玻璃膜不平衡电位的温度系数，隔膜液接界电位的温度系数及内、外参比液中氯的离子活度不一致性有关。,复合pH电极,因为温度对pH值的准确测量有很大的影响，为了补偿温度的影响，则在pH复合电极中加一温度敏感元件，从而构成测量电极、参考电极和温度传感元件三为一体的三合一电极。这样的电极，对测量环境温度的变化有很好的补偿功能。,复合pH电极的技术指标,一个理想的复合pH电极要满足下列这些要求：（1）等电点电位为零；（2）温度系数为零；（3）电极斜率为1。这实际上很难做到。,实际复合pH电极与理想复合pH电极在不同温度下的响应曲线,复合pH电极的技术指标,零点与零点漂移；级差与斜率；电极内阻与膜电阻；电极响应时间；等电位点；温度影响；线性范围。,复合pH电极的主要技术指标：,电极零点电极零点即是电极响应电位为零时的pH值，它与电极设计零点不同，后者是指电极内缓冲参比液的pH值，通常电极零点表示方法有两种；,零点与零点漂移,（1）以电极输出为零时的 pH值表示，称为电极零点 pH，记为pH零点,故通常情况下电极零点是与温度有关的。,零点与零点漂移,（2）以电极处于电极设计零点（即内缓冲参比液pH值）条件下的电极响应电位值表示，称为电极零点电位偏差或不对称电位，记为E不对称，,零点与零点漂移,若已知电极的斜率和电极设计零点，E不对称与pH零点是可以相互换算的；,b 电极零点在使用中与如下问题有关：（1）选配电极时要注意使电极设计零点与 pH测量仪表本机设定零点相一致。（2）为了减少温度对pH测定的影响，应当尽可能的使用电极设计零点与被测环境 pH值相近的电极，例如在柠檬酸发酵中应当使用设计零点为 pH 4的电极。（3）电极零点与电极设计零点的偏差代表电极不可用性，若电极零点与电极设计零点偏差太大（与pH测量仪表有关，通常约1pH），电极将无法在仪表上标定，因而电极也就无法正常使用。,零点与零点漂移,c 零点漂移零点漂移即零点随使用时间延长而不断变化，由于高温消毒或其他使用环境条件变化，可能使pH电极零点不断变化，不适当的使用将加速零点漂移，这种变化若比较快，即在电极使用中必须频繁标定，当漂移的累积达到一定程度则表明电极必须再生处理或报废。,零点与零点漂移,级差即复合pH电极对每单位pH变化响应输出电位值差（常以毫伏表示），记为D，级差与温度有关。,级差与斜率,斜率即电极实际级差与理论级差的比率，记为S，斜率与温度无关，一般小于100。,斜率大小也表明电极可用性，若电极斜率太小（与 pH测量仪表有关，通常为90），电极将无法在仪表上标定，因而也就无法正常使用。,复合pH电极电阻的等效电路图。,电极内阻与膜电阻,由于正常情况下电极封装电阻（R封）远远大于玻璃膜电阻（RM），而内参比液溶液电阻（RL,内参），内参比电极电化学电阻（Re,内参），被测液溶液电阻（RL,被测），隔膜电阻（RD），外参比液溶液电阻（RL,外参）和外参比电极电化学电阻（Re,外参）都远远小于玻璃膜电阻（RM），所以正常情况下电极内阻就等于玻璃膜电阻。,电极内阻与膜电阻,从实用角度出发，希望电极内阻越小越好，一般的pH电极膜电阻约在500M左右，特殊制造的（低膜电阻）pH电极膜电阻可小到10 M左右。玻璃膜电阻与温度有关，温度越高，膜电阻越小。,由于pH电极内阻高，所以对pH仪表有特殊要求。根据实测电极内阻与电极说明书中给出的膜电阻分析比较，可以发现有故障电极故障所在。正常情况下电极内阻应等于膜电阻，当电极内部断路或隔膜堵塞时电极内阻将远远大于膜电阻，当电极内部短路（包括溶液引起的电气短路）或玻璃膜破裂时，电极内阻将远远小于正常膜电阻。,电极内阻与膜电阻,按国际规定，响应时间为电极响应电位达到与稳定响应电位相差1毫伏时的时间，实际中常用电极电位达到稳定响应电位的某一百分率的时间，并称为百分之多少的响应时间，如95响应时间等等。正常情况下pH电极响应缓慢的原因可能如下：,电极响应时间,（1）玻璃膜未充分水化；（2）玻璃膜污染或老化；（3）隔膜污染。,电极响应时间,不同温度下pH电极的响应曲线,pH电极等电位点即是不同温度下电极响应曲线的交点，见上图。电极在等温下标定与使用，等电位点无关紧要，在非等温下标定使用，等电位点与能否准确测量pH关系重大。性能优良的pH电极，其等电位点与零点重合，且等于电极设计零点。,等电位点,根据电极等电位点，可以知道电极在非等温环境中使用时测量的准确性或可用性。如果与电极匹配的pH测量仪表没有温度补偿装置或没进行温度补偿，只有等电位点 pH测定是准确的，当温度变化时，偏离该点的pH测定必定要产生测量误差，若偏离等电位点越远，测量误差越大。,等电位点,对那些已进行了温度补偿的pH测量装置（假设利用自动或手动温度补偿设置已进行了最佳温度补偿），如果所使用的电极等电位点与电极设计零点偏差存在，在不等温过程中pH测量也注定要产生测量误差，测量误差的大小正比于测定温度与标定温度差异大小，也正比于电极等电位偏差大小。对那些具有等电位点补偿的pH测量仪表，只有根据测定的电极等电位点数据，进行了适当的等电位点补偿，在非等温环境中使用才有可能获得准确pH测量结果。,等电位点,温度对出电极响应的影响表现在以下两个方面；,温度影响,（1）对pH电极响应级差及零点的影响，该影响前面已有讨论，这种影响对测量结果产生的作用可由仪表的温度及等电位点补偿校正。,温度影响,（2）pH电极响应温度滞后，当测量时，如果迅速改变pH电极工作温度，pH电极响应一般不能立即跟随温度变化而输出新的温度下稳定响应值，而是经历了一定时间后才接近新温度下稳定响应值，见后图。在迅速降温过程中也有类似现象，该现象称为 pH电极响应的温度滞后。pH电极响应的温度滞后限制了pH电极在快速变温场合下的使用，一般的电极响应温度滞后大约为3040分钟，快速热平衡pH电极的温度响应只要数分钟即可。,pH电极响应的温度滞后,温度影响,电极响应有一定的线性范围，该范围由玻璃敏感膜的酸误差或碱误差决定，线性范围的定义如图所示。线性范围的下限由酸误差响应曲线段切线与响应曲线直线段延长线交点确定，线性范围的上限由碱误差响应曲线的切线与响应曲线直线段延长线交点确定，这两个交点确定的范围，即线性范围。对pH电极用户来说，希望线性范围大一点好，尤其在两个极端环境（强碱或强酸）中使用。,线性范围,线性范围,碱误差 在碱溶液中胶层的氢离子部分或全部被碱离子尤其是钠离子置换。胶层这种低氢离子活度造成指示出的低pH值是虚假的。当胶层的氢离子活度低至可忽略的值时，玻璃电极响应的主要是钠离子（钠效应）。理论和实际的pH值差别即碱误差。碱误差随pH值的增加、碱浓度和温度的升高而增大。,线性范围,线性范围,酸误差 玻璃pH电极在强酸性溶液中也表现了与理论响应的偏离，该现象称为酸误差。有人已用放射性示踪试验证明，在强酸性溶液中胶层吸收酸分子，这就增加了胶层的氢离子活度，导致虚假的高pH值。酸误差不如碱误差重要，在很低的pH值下它才值得注意。一个玻璃电极的碱误差低，同样酸误差也低。,pH测量仪表包括 pH计和 pH变送器（也称工业 pH计）pH计和pH变送器在功能或结构上差异在于是否具有信号隔离作用。,pH测量仪表,输入单元,隔离单元,显示单元,输出单元,报警单元,pH变送器的功能方框图,工业中在线检测用pH装置，必须使用具有信号隔离作用的pH测量仪表，否则可能造成外参比电位旁路，使外参比极化，造成显示不稳，使测量误差增大。,pH测量仪表,根据pH电极的特点，对pH测量仪表有下列基本要求：（1）计量特性：高输入阻抗，低输入电流，高稳定性，低漂移，低显示误差；（2）调节特性：要求有零点（定位）调节，斜率（灵敏度）调节，温度补偿调节和等电位点调节。（3）使用特性：要求有pH显示，信号隔离和电流或电压信号输出。,pH测量仪表的主要技术指标,pH测量仪表,A仪表的输入阻抗 玻璃pH电极内阻约几百兆欧，微小电流流过电极就会引起显著的电压降。因此，pH测量仪表应有足够高的输入阻抗（一般为10111012）。,B仪表输入电流 仪表输入电流是由仪器输入端电子器件的泄漏电流所产生的。输入电流一般随输入端电压变化而变化，由于仪器输入电流会在测量电池等效电阻上产生额外电压，从而造成测量误差。一般输入电流不得大于110-12A。,pH测量仪表的主要技术指标,pH测量仪表,C仪表的稳定性 仪表的稳定性是一项综合性指标，温度对元器件影响，电源引起的波动，仪器的抗干扰特点等都将影响仪器的稳定性，仪表不稳定将直接影响到读数的准确度和重现性，特别是用于连续或自动测量的pH测量仪器，对稳定性要求更高，性能良好的仪器当电源电压变化10或连续使用24h后，显示飘移为 2mV（约 0.03 pH）以内，高精密度仪器要求比值在 0.5 mV（约 0.007pH）以内。,pH测量仪表的主要技术指标,pH测量仪表,D仪表的测量范围及分辨率 目前使用的pH仪表测量范围基本上都设计成 0 14 pH数字显示，有些设计成分档可调式。对实验室使用的高精度pH计，分辨率可达0.01 pH，工业现场中使用的pH变送器，分辨率大都为 0.01 pH或者 0.1pH，因为工业现场影响测量 pH准确度的因素主要不是仪表的分辨率，而是其他干扰。,pH测量仪表的主要技术指标,pH测量仪表,E仪表的信号隔离及信号输出 工业现场中使用的pH测量仪表，必须具有信号隔离功能，及信号输出远传的能力，信号输出格式为电压（010 mV或 0 5 V）或电流（0 10 mA或 420 mA）信号。,pH电极的安装及使用,pH电极安装,pH测量装置的标定,测量电极的使用,测量电极的维护,pH电极安装,基本pH自动控制系统,变送器,电缆,pH探头,护套,pH电极安装,基本pH自动控制系统,上图 为常见的pH自动控制的基本系统，其中插入发酵罐的复合 pH电极把培养液中的 pH值转换成毫伏电信号，经 pH变送器（也有用高阻转换器）转换后，输出标准统一信号（如420 mA）送调节器，经一定的调节规律运算以后，输出控制信号，启动执行机构加入 pH调节剂，达到精确控制 pH的目的。为了对过程的 pH变化跟踪记录，有时在 pH变送器后面接上记录仪。,pH电极安装,发酵过程的pH控制可以是一个简单的控制回路，但与发酵过程中其他控制系统比较，更易遭到失败，失败的多数原因是一次传感，即pH电极的安装、设计或电极失效。这是因为：,pH电极安装,（1）发酵罐的高温（120130）灭菌和 1040实际培养，因而要求电极既在常温下有较高的测量精度，又要能经受蒸气灭菌对电极的损坏。,（2）为了保持不受到污染，发酵设备一般都保持在 0.010.1 MPa的罐压，因而需对参比电极的电解液施以压力，保证不会通过液络部发生倒灌。,（1）发酵罐的高温（120130）灭菌和 1040实际培养，因而要求电极既在常温下有较高的测量精度，又要能经受蒸气灭菌对电极的损坏。,pH电极安装,（2）为了保持不受到污染，发酵设备一般都保持在 0.010.1 MPa的罐压，因而需对参比电极的电解液施以压力，保证不会通过液络部发生倒灌。,（3）必需保证培养过程长周期使用中的稳定测量。,（4）pH电极安装设计还要考虑高阻抗绝缘和温度补偿要求。,生物发酵中的关键-高温灭菌,通常温度在 121 度最高温度可达 130 度通常蒸汽压在 1.05 bar最高蒸汽压可达 1.68 bar灭菌时间通常在 20-30 分钟,高温灭菌对电极的影响,pH电极pH玻璃膜的老化(响应时间延长,斜率降低)银线上的AgCl溶解蒸汽引起电极接头短路氧电极氧膜的老化阴极的老化,为了克服困难，可以从下面几个方面进行考虑：,pH电极安装,a就地安装方式,把pH电极直接浸在发酵罐中，如图所示，这种方法的优点是响应时间短，减少了控制系统的纯迟后，有利于提高调节品质。此外，特别对一些较粘稠的发酵液，罐内安装的pH电极较能反映菌体培养的实际环境情况。这种方法的主要问题是pH电极必需经受灭菌温度冲击，对pH电极性能要求高。且当发生电极故障时，修理、调换困难，最常见的是培养基高温灭菌后常出现电极性能变化，或发酵长周期运转时液络部的液接电位变化。,pH电极安装,a就地安装方式,在小型罐中的就地安装,在大、中型罐中的就地安装,为了克服困难，可以从下面几个方面进行考虑：,pH电极安装,b外循环测量装置,测量电极装置于罐外的发送器内，靠搅拌装置产生的压差使发酵液通过导管在发送器中循环，将球阀关闭后对电极采用较低温度的灭菌或化学消毒，参见图。为了保证发送器的发酵液流通速度，也有采用齿轮泵或隔薄式循环泵强制循环。本法的主要优点是当电极故障时，可以不停罐拆卸调换。此外，可以采用化学灭菌方法避开对电极的高温破坏，一般可采用1过氧乙酸或5的碘酊灭菌，在发酵设备灭菌冷却后带压插入。,pH电极安装,b外循环测量装置,发酵罐外循环pH测量装置,为了克服困难，可以从下面几个方面进行考虑：,pH电极安装,c电极护套的设计,当采用以液体参比液的复合玻璃pH电极时，在受压的发酵罐内安装时必须采用加压护套。根据不同的使用要求有几种电极护套的设计。若选用固定插入式护套，使用前须用打气筒向加压室压入空气，以使电解液在护套内所受压力大于发酵罐内压力而不至产生倒流，并使电解液能匀速向外渗出，加压室顶部装有压力表，可以监视内部压力。电极插入罐内部分一般可装有可拆卸的保护套以保护电极玻璃球泡。,为了克服困难，可以从下面几个方面进行考虑：,pH电极安装,c电极护套的设计,为了在长周期使用，可选用一种可随时拉出pH电极进行标定、维修的护套。对于胶体电解质复合电极来说，由于无需加压，护套结构较简单，使用操作较方便。电极护套的设计或选择时要注意护套材料、插入位置、插入长度和插入头直径。一般采用不锈钢料，在发酵罐上可取垂直或15倾斜安装，插入长度根据电极长度决定，一般大于70mm以上。插入头直径一般采用国际标准 25 mm。,pH电极安装,pH测量系统（包括电极及仪表）在测量前必须加以标定，长久干置不用的电极，在头次标定前必须先把玻璃敏感球泡浸泡在与外参比液相同成份的溶液（通常是氯化钾溶液）中 24 h，标定及测量时要去掉电极上外参比液补加孔上的闭封塞，保持足够的外参比液，除掉电极内缓冲参比液及外参比液中可能存在的气泡，标定或测量时应使隔膜浸在溶液中。pH测量系统的标定有三种方式，一是标准缓冲液标定法；其又包括两点标定及一点标定，二是样品校合法；三是参数整定法。,pH测量装置的标定,标准缓冲液标定法用标准缓冲液对pH测量系统标定是最基本的方法，发酵过程用该法标定时，通常都是在两批发酵间隔期进行，如果使用可伸缩式pH探头，则可随时标定。,标准缓冲液标定法,(A)两点标定方法先连接好整套测量装置，接上pH电极，接通电源。将pH电极置于 pH 7标准缓冲液中，显示稳定后调 pH变送器的零点（或定位）旋纽，使pH变送器显示为该缓冲液实际pH值。然后提出pH电极，用蒸馏水冲洗，用吸水纸（卫生纸或滤纸）吸干水份。再将pH电极置于第二种标准缓冲液中（通常为pH4或者pH9标准缓冲液中的一种，选哪种应当视过程偏酸性或偏碱性而定），待显示稳定后，调pH变送器的斜率（或灵敏度）旋钮，使pH变送器显示为第二种标准缓冲液的实际pH值，斜率标定后冲洗电极并吸干水分，再返回pH 7标准缓冲液中检查，反复调整，使这两步皆满足要求，此时该pH测量装置标定好。,标准缓冲液标定法,(B)一点标定法方法 所谓一点标定法即只利用 pH 7标准缓冲液标定pH测量系统的零点。,标准缓冲液标定法,样品校合法通常在以下条件下使用：已作过两点标定，在不太长时间的使用过程中，为了补偿pH电极的零点漂移（高温消毒过程可能引起零点漂移，但对斜率影响较小），可用样品校合法标定仪表。方法如下：放出部分正在测量的溶液（发酵液），立即用一套标准pH测量装置（实验室中应当有一套可随时进行两点标定的pH测量装置）测其pH值。根据测得的结果，调节待校合pH变送器上的零点（或点位）旋钮，使其显示为标准pH装置离线测量的pH值。,样品的校合法,参数整定法即是根据实验室测得的pH电极的斜率，零点（精确地说应当是电极的等位点）数据，对 pH测量仪表进行调谐整定，使之与电极相配套。参数整定法多在智能化仪表中使用。,参数整定法,护套方式安装的pH电极在使用中应注意以下几点：（1）护套内压力应大于pH检测点压力；（2）电极上外参比液补加孔不应浸没于溶液中；（3）非等温过程中测量pH，由于测量时温度不同于标定时温度，尽管进行了最佳温度补偿，但也可能会引起测量误差，其误差正比于电极的等电位点偏移和测量温度与标定温度之差。为了减少或避免非等温过程中由此原因造成测量误差，除了应进行准确的温度补偿外，还应当选用等电位点偏移小的快速热平衡电极。,测量电极的使用,护套方式安装的pH电极在使用中应注意以下几点：（4）非等温环境中测量pH的另一个问题是快速变温过程中pH电极的温度响应滞后，因此，凡快速变温场合下测量pH，应首先考虑选用快速热平衡电极。,测量电极的使用,pH电极是一种电化学传感器，其原理是利用电极和待测溶液间发生的可逆反应来测量pH值的。如果在玻璃膜上有固体沉淀物或参考系统的反应影响该可逆反应，则信号的精确性就会降低。,测量电极的维护,所以，pH测量成功的关键在于 pH电极和仪表的日常正确使用和维护。,如果待测溶液污染了电极或电极老化，则会造成电极响应时间增加，零点漂移，斜率减小等现象。电极的使用寿命取决于玻璃的化学性质。即便是电极不投入使用，高温也会减少电极的寿命。在实验室条件下，电极的使用寿命可多于3年。如果电极在80下进行连续测量，则电极的使用年限会大大下降（可能只能用几个月）。如果待测溶液和电解液间的反应会产生干扰信号，则使用电桥或特定的电解液可以改善测量条件,电极功能维护,避免污染的方法：经常用适当溶剂冲洗电极；如果可能有固体物质沉淀于膜表面，则可提高搅拌转速或增大通气速率来去除之。当电极的玻璃膜和连结部受污染后，则电极应及时清洗。根据污染的不同类型，可采用不同的清洗方法。,电极功能维护,电极功能维护,电极功能维护,在用这些方法处理过电极以后，应将电极浸入参考电解液中15分钟，在测量之前还要先标定电极，这是因为清洗液会扩散进入接合处，引起扩散电势。电极只能淋洗，不能擦洗或机械清洗，因为这种洗法会导致静电荷，同时会增加电极测量响应时间。,当参考电极的传导元件已不再能完全浸入到电解液中（由于电解质会通过接合处扩散），或参考电解质溶液已污染（由于待测溶液的扩散），或参考电解液由于水分蒸发引起浓度升高时，电解液需要补充或更新。在更新电解液时要注意应使用与电极相同的电解质溶液。,电极贮存,电极应贮存在参考电解液中，这便于电极即时投入使用，同时保证电极的响应时间较短。如果电极长时间干燥贮存，为了获得准确pH测量，则在再次使用前往往需要浸入到参考电解液中活化数小时，也可以使用特定的活化溶液。如果电极是放入蒸馏水中贮存，则其响应时间会延长。特别要注意，有些电极是不能干燥贮存的。,生化工程一般都是常温常压下进行的，反应温度在40左右。因此，玻璃电极能否经受灭菌的高温是电极的关键因素，通常灭菌是将121130的高温蒸汽通入发酵罐中进行的。由于不可能在灭菌后进行电极的标定，因此电极的零点稳定性是电极的另一个重要因素。,pH测量应用示例,单克隆抗体的生产,青霉素生产,单克隆抗体是由哺乳动物细胞在小型生化反应器中（0.0510M3）悬浮生产的，细胞活性和抗体的产生是在一很窄的pH值范围。哺乳动物细胞的营养液中包含2.5 10血浆、葡萄糖、盐、氨基酸和维生素，通过加入有机磷酸盐和碳酸盐缓冲液调节pH在7.07.6。在培养过程中有些代谢产物会影响发酵液的pH值。这种培养过程长至几个星期，由于长期的在线测量以及培养条件的苛刻。要求进行严格的消毒处理。,（1）单克隆抗体的生产,许多哺乳动物细胞能够存活的pH范围为6.67.8，最佳生产条件为pH7.27.4。为了维持该条件，必须通过加入酸碱或改变气体中空气与CO2的比例来连续地控制pH的数值。,上述培养过程对pH电极的耐高温性和高可靠性都提出了很高的要求。,（1）单克隆抗体的生产,解决上述问题往往使用液体电解质电极或凝胶电解质电极。凝胶电解质电极没有内部压缩空气室，避免待测溶液进入电极。此外，这种电极所需维护工作量很少，因为没有必要向电极补入电解液和正压操作,青霉素是在200M3以上的大型生物反应器中，由丝状菌在液体中培养而获得的。青霉素的生产和菌体的生长都很依赖于发酵液的pH值，仅在较窄的pH范围内才能得到优化生长。发酵培养基中包括乳糖、葡萄糖、5玉米浆、豆油或其他氮源。发酵的初始阶段发酵液的最适宜pH为6.0 6.8。发酵培养液接种后，开始搅拌、通气，菌丝开始繁殖生长，而后释放出青霉素。,（2）青霉素生产,在发酵过程中必须连续地严格控制pH值，以维持最佳的生长和生产条件，如果pH有所升高或降低，则通过加入氨水或酸来中和，一旦pH值超过8，则青霉素的生产将会停止。,在青霉素发酵过程中，底物的利用和产物的形成都会改变发酵液的pH值。此外，菌丝体的繁殖生长会造成测量介质粘度上升，甚至堵塞电极的接合处。发酵液中的蛋白质与测量溶液接触产生沉淀也会堵塞接合处，导致pH值不稳定和产生不正确的测量信号，也会降低电极响应时间。,（2）青霉素生产,使用具有可伸缩保护套、能够进行压力补偿的电极，就可以进行长期的可靠的青霉素生产过程pH值的测量。另外，通过使用特殊的电解质，来有效地避免蛋白质沉淀。,二、溶解氧（DO）的测量,溶解氧测量的意义,溶解氧测量的概念,溶解氧测量装置的安装及使用,在好气菌发酵过程中，必须连续地通入无菌空气，氧由气相溶解到液相，然后经过液流传给细胞壁进入到细胞质，作为碳源氧化过程的电子最终受体，获得满足菌体生长以及合成产物等所需要的能量。因此，培养液溶氧浓度对菌体生长及产量有极其重要的意义。一般总希望在发酵不同阶段均使溶氧水平维持在略高于临界值以上，这样既不影响菌体的正常代谢，又不致因为维持过高的溶氧水平而大量消耗动力。不过，有时过高的溶氧水平反而对菌体代谢有不可逆的抑制作用。,溶解氧测量的意义,在一般情况下，微生物在发酵过程中的需氧量约为20 50 mmolL h，而在0.1MPa罐压，25时用空气饱和的培养液中的溶解氧，只能维持菌的正常呼吸15 30s。为了维持菌体代谢活动，必需不断地补充培养液中的溶解氧，因此就存在一个发酵罐的不断供氧和菌体细胞的不断耗氧问题，这是一个动态过程，当供氧速率小于需氧时，则培养液中氧浓度下降。,溶解氧测量的意义,在发酵过程中，常用以电化学为基础的电极法进行D0测量，由溶氧电极所获得的数据不仅可以给出微生物生理生化的动态信息，而且是发酵罐传质能力、设计放大和中间控制等研究的基础。,在发酵过程中，可以应用溶氧电极所测得的数据对过程工艺进行指导，用来判断工艺操作的合理性，一般有下面几点考虑：,溶解氧测量的意义,A 发酵过程的临界氧浓度 B KL估算 C 指导补料操作 D 菌体活性和菌量估计 C 意外操作分析,溶解氧测量的概念,电位型电极和电流型电极,氧电极测量的基本原理,溶解氧电极结构,溶解氧电极的技术指标,溶解氧测量仪表,空气的组成,在分析工作中所使用的电极可分为两种类型，即电位型电极和电流型电极。,电位型电极和电流型电极,电位型电极是利用一个特定离子的活性产生电位。这些电极的实例是玻璃pH电极及大多数离子选择电极。测量的是指示电极与一个惰性参考电极之间的电位差，而参考电极的电位必须是恒定的。,所有电位型电极都服从Nernst定律，因此电极与测量仪器在大多数情况下是通用的，电位测量的必要条件实际上是电极电压的无电流测定。在测量中，基本上不发生化学反应。,电流型电极（如氧电极）对活度的测定是基于电流的测量。,电位型电极和电流型电极,包含一个阴极与一个阳极的氧电极由一种电解质传导连接。加在阳极与阴极之间的适宜的极化电位在阴极上选择性地将氧还原。,阴极反应 O2 2H2O 4e-40H-,阳极反应 4Ag 4Cl-4AgCl4e-,化学反应产生一个与氧分压（PO2）成正比的电流。由于氧电极上消耗的样品连续从溶液中获得，因而溶液的粘度与流速对测量有很大影响。,电位型电极和电流型电极,氧电极的电极电流不仅与氧分压有关，也与电极的其他参数有关，不同类型或规格的氧电极，他们的电流可能相差几个数量级为此氧电极与放大器不能自由替换。,1）氧的极谱电位与电流,氧电极测量的基本原理,在某一溶氧浓度一定的溶液系统中，当在某一贵重金属（如铂、金或银等）电极与合适的参比电极（甘汞或 AgAgCl）之间加入0.60.8 V负电压时，溶液中的溶解氧就在阴极被还原。,1）氧的极谱电位与电流,氧电极测量的基本原理,从电极的电流电压极谱图可看出，OA为极谱残余电流；A点为氧的分解电压，当外加电压大于分解电压 A后，这时电极输出电流 I 随着负电压增加而增加，当到达B后，电极电流就不再随着外加电压而增加，即电极电流进入恒定区，这时称为饱和电流（也称极限扩散电流）。当外加电压继续增加到C点时，电极输出电流就迅速增加，这是由于水被分解成氧和氢所造成。,1）氧的极谱电位与电流,氧电极测量的基本原理,阴极与阳极之间电压的选择是要使氧能被充分地还原（见图A），而对另一些气体不发生作用（C）。这时的电压称为极谱电压，此时所产生的电流与溶液中氧含量成正比，此时的电极电流称为饱和电流。,对 Pt，AgAgCl系统，选择的理论电压在 600与 750 mV之间。此外还必须满足以下条件：即电解质溶液薄层的电阻必须较小，阳极必须有一个大的表面积，以防止电极电流将阳极极化，避免阴极极化电压下降。,2）极谱型溶氧电极和还原型溶氧