生物传感器的研究及其在发酵工业中的应用

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1、1 生 物 传 感 器 (Biosensors)的 研 发 及 其在 发 酵 工 业 中 的 应 用 2 一 、 生 物 传 感 器应 用 研 究 概 况 3 国 内 外 得 到 应 用 的 生 物 传 感 器 主 要 包 括 ：1测 定 水 质 的 BOD分 析 仪 、 在 市 场 上 有 以 日 本 和 德 国 为代 表 产 品 供 应 。 采 用 丝 网 印 刷 和 微 电 子 技 术 的 手 掌 型 血 糖 分 析 器 ，已 形 成 规 模 化 生 产 ， 年 销 售 量 约 为 十 亿 美 元 ； 固 定 化 酶 传 感 分 析 仪 ： 国 外 以 美 国 的 YSI公 司 和 德

2、国BST公 司 为 代 表 ， 都 有 系 列 分 析 仪 产 品 ， 它 们 主 要用 于 环 境 监 测 和 食 品 分 析 ， 国 内 到 目 前 为 主 只 有 山东 省 科 学 院 生 物 研 究 所 的 系 列 化 产 品 在 市 场 得 到 应用 。4 SPR生 物 传 感 器 ， 在 日 、 美 、 德 、 瑞 典 等 国 得 到 了开 发 和 初 步 应 用 。极 大 多 数 同 类 其 它 研 究 还 都 处 在 探 索 性 阶 段 ， 4 德 国 研 发 的 环 境 废 水 BOD分 析 仪 5 手 掌 型 葡 萄 糖 (glucose)分 析 仪 6 系列化生物传感器技

3、术研发现状 7 SBA-50型 单 电 极 生 物 传 感 分 析 仪 ， 是 SBA-30型 乳 酸 分 析 仪 的 更 新 换 代 产 品 SBA-40C生 物 传 感 分 析 仪 能 分 析 仪 9 SBA-60型 生 物 传 感 在 线 分 析 系 统 ， 为 发 酵 自 动控 制 提 供 了 新 的 基 础 平 台 11 SBA-70型 血 糖 乳 酸 自 动 分 析 仪 12 二 、 生 物 传 感 器的 应 用 13 ! $ ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 14 1、 发 酵 中

4、葡 萄 糖 测 定过 去 用 操 作 繁 琐 时 间 长 的 还 原 糖 方 法 只 能近 似 地 估 计 葡 萄 糖 的 变 化 。 现 在 提 供 了 快速 而 准 确 的 固 定 化 酶 的 测 定 方 法 ， 发 酵 中可 根 据 糖 消 耗 确 定 微 生 物 的 生 长 速 率 ， 观察 是 否 染 菌 ， 随 时 与 产 物 的 产 生 一 起 估 算转 化 率 ， 确 定 补 料 效 果 和 及 时 判 断 发 酵 结束 的 时 间 。 发 酵 过 程 或 设 备 异 常 现 象 通 过葡 萄 糖 分 析 得 到 及 时 预 报 。 15 2、 谷 氨 酸 发 酵 液 的 分

5、析在 谷 氨 酸 发 酵 中 ， 随 时 跟 踪 目 标 产 物 的 产 生 。 快速 获 得 主 控 参 数 的 变 化 信 息 。先 进 的 分 析 方 法 ， 使 时 间 缩 短 了 几 十 倍 。在 发 酵 前 期 及 时 知 道 产 酸 出 现 时 间在 发 酵 中 期 可 根 据 谷 氨 酸 产 生 速 率 ， 预 知 最 终 的产 量 ， 并 获 得 补 氨 是 否 均 匀 的 信 息在 发 酵 后 期 ， 可 根 据 谷 氨 酸 产 生 速 率 变 慢 情 况 确定 放 罐 时 间 和 今 后 配 料 的 调 整 16 在 我 国 发 酵 工 厂 普 及 应 用 的 SBA-4

6、0型谷 氨 酸 -葡 萄 糖 双 功 能 分 析 仪工 厂 发 酵 车 间 化 验员 正 在 分 析 样 品 17 3、 乳 酸 传 感 器 在 发 酵 上 的 应 用乳 酸 测 定 是 生 物 传 感 器 出 现 后 新 增 加 的 控 制 参 数 。实 践 中 发 现 它 的 控 制 是 获 得 发 酵 高 产 的 关 键 。 乳酸 是 需 氧 发 酵 产 物 转 化 过 程 中 的 中 间 产 物 ， 是 过程 控 制 的 敏 感 参 数 ， 与 生 物 素 的 加 入 量 、 补 糖 、活 菌 数 、 菌 活 力 、 空 气 补 给 等 控 制 直 接 相 关 。 发酵 旺 盛 期 ，

7、 乳 酸 必 然 产 生 ， 适 度 的 乳 酸 浓 度 是 高产 罐 的 重 要 指 示 。 此 时 单 纯 地 通 过 通 风 是 达 不 到乳 酸 下 降 的 目 的 ， 反 而 引 起 能 源 的 浪 费 及 减 产 。发 酵 后 期 、 放 罐 前 应 控 制 乳 酸 下 降 ， 才 能 达 到 高产 。 18 乳 酸 传 感 器 的 应 用 现 状 是 体 育 上 耐 力 项 目 科 学 训 练 的 常 用 设 备 已 在 抗 疲 劳 保 健 食 品 检 测 中 普 及 应 用 ，许 多 省 级 卫 生 防 疫 站 成 功 地 用 这 项 新 技术 实 现 了 在 同 一 小 实

8、验 动 物 体 内 多 次 采血 检 测 ， 简 化 了 分 析 化 验 工 作 量 是 发 酵 控 制 的 有 效 新 指 标 是 新 型 可 降 解 塑 料 聚 L-乳 酸 前 体 生 产过 程 控 制 的 主 控 参 数 19 4、 监 控 离 交 回 收 谷 氨 酸 或 浓 缩 物 的 浓 度 ： 谷 氨 酸 传 感 器 可测 出 0.1%的 谷 氨 酸 浓 度 变 化 ， 而 瓦 氏 法 不 可 能 达 到 这 样 的 精确 度 。 过 去 离 子 交 换 单 用 pH跃 变 点 来 控 制 回 收 会 造 成 谷 氨 酸的 大 量 流 失 。 使 用 谷 氨 酸 传 感 器 可 以

9、 使 离 交 回 收 率 提 高 30- 50% 20 5、 监 控 淀 粉 糖 的 水 解在 淀 粉 糖 的 水 解 中 ， 葡 萄 糖 与 还 原 糖 的比 值 可 衡 量 糖 质 量 。 发 酵 中 糖 液 质 量是 至 关 重 要 的 ， 糖 化 不 好 时 不 仅 浪 费了 粮 食 而 且 会 造 成 发 酵 中 泡 沫 增 多 ，通 气 不 良 ， 乳 酸 增 高 ； 对 后 提 取 也 带来 很 多 麻 烦 ； 并 将 增 加 污 水 排 放 的 BOD量 。 21 6、 酶 活 力 的 快 速 测 定 (1) 糖 化 酶 活 力 的 快 速 测 定 可 正 确 控 制糖 水 解

10、 时 的 加 酶 量 ， 提 高 糖 液 的 质 量 。 可 以 在 SBA分 析 仪 通 过 预 设 定 的 快 速 分析 程 序 ， 在 三 分 钟 得 到 结 果 (2) 辨 别 纯 生 啤 酒 的 真 假 ； 比 较 不 同 厂家 产 品 的 质 量 ： 通 过 检 测 蔗 糖 水 解 酶 水 解产 生 的 葡 萄 糖 来 快 速 分 析 。 22 7、 极 低 浓 度 产 品 的 纯 度 检 验 在 木 糖 醇 产 品 纯 度 检 验 中 ， 可 检 测 残留 不 到 1%的 葡 萄 糖 量 ， 在 99%以 上 的 木糖 醇 产 品 中 方 便 地 检 测 葡 萄 糖 的 含 量

11、。使 产 品 符 合 出 口 要 求 。 在 BOD标 准 液 的 检 验 中 准 确 得 到 低 浓度 的 葡 萄 糖 和 谷 氨 酸 标 准 的 变 化 情 况 。 23 8、 蛋 白 酶 活 性 的 快 速 测 定 测 定 原 理 ： 酪 蛋 白 在 蛋 白 酶 作 用 下 产 生 谷 氨酸 ， 测 定 经 一 定 反 应 时 间 后 ， 所 产 生 的 谷 氨酸 量 程 序 ： 用 本 仪 器 主 机 提 供 的 标 准 程 序 ， 设 定标 准 值 =1000 酶 膜 ： 谷 氨 酸 氧 化 酶 酶 膜 操 作 方 法 举 例 ( 略 ) 24 9、 麦 芽 糖 快 速 测 定测 定

12、 原 理 ：方 法 :在 一 定 浓 度 的 麦 芽 糖 溶 液 中 加 入 葡 萄 糖 糖 化 酶（ u/mL底 物 ） ， 然 后 在 pH 、 的 条件 下 保 温 min， 取 水 解 液 L， 水 解 注 入 型 葡 萄 糖生 物 传 感 分 析 仪 中 ， s即 可 得 到 结 果 。麦 芽 糖 的 测 定 范 围 为 mg/dL， 测 定 回 收 率 平 均为 . 。在 葡 萄 糖 存 在 时 需 要 先 测 定 葡 萄 糖 含 量 25 10、 在 线 过 程 分 析 系 统 至 今 在 占 我 国 新 型 发 酵 60%以 上 产 值的 谷 氨 酸 发 酵 中 还 没 有 实 质 性 地 应 用好 自 动 控 制 系 统 ， 生 物 传 感 在 线 分 析可 能 是 这 一 领 域 技 术 改 造 和 进 步 的 标志 。 26 谢 谢 各 位欢 迎 交 流