Báo cáo Công nghệ lên men thực phẩm : thiết bị đo và điều khiển

Do đó thiết bị theo dõi sản phẩm lên men chỉ ra sự phát triển lênmen và liên kết với hệ thống điều khiển.Trong các nghiên cứu ban đầu số các chức năng đó sẽ được kiểm soát có thể đượcgiớ

Khoa: Công Nghệ Hóa Học & Thực PhẩmMôn Học: Công Nghệ Lên Men

ĐỀ TÀI: THIẾT BỊ ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN

GVHD: Trịnh Khánh Sơn

Nhóm 3:

Lê Thị Chiến 11116008Phạm Đình Hà 11116024Phạm Thị Lệ 11116033Phan Văn Luật 11116036Vanxay Phimphone 11116L02

TP.HCM 10/2013

Chương 8: Thiết bị đo và điều khiển

Mục Lục

1 Giới thiệu 6

2.Phương pháp đo những giá trị trong sản xuất 8

2.1 Nhiệt độ 8

2.1.1 Nhiệt kế thủy ngân 8

2.1.2 Nhiệt kế điện trở 8

2.1.3 Nhiệt kế điện tử 9

2.2 Điều chỉnh nhiệt độ 9

2.3 Đo lưu lượng và điều khiển lưu lượng 10

2.3.1 Khí 10

2.3.1 Dung dịch 12

2.4 Đo áp suất 15

2.5 Điều chỉnh áp suất 17

2.6 Van an toàn 17

2.7 Điện trục khuấy 18

2.8 Tốc độ khuấy 18

2.9 Điều khiển và cảm biến bọt 19

2.10 Khối lượng 20

2.11 Sinh khối vi sinh vật 21

2.12 Đo đạc và kiểm soát lượng oxi hòa tan 22

2.13 Đầu vào và phân tích đầu ra (Iulet and exit analysis) 25

2.14 Kiểm soát và đo độ pH 28

2.15 Phản ứng oxi hóa khử 30

2.16 Điện cực carbon dioxide (CO2) 31

3 Phân tích trực tuyến các nhân tố hóa học khác (online analysis of other chemical factors 31

3.1 Cảm biến cụ thể các ion (ion specific sensor) 31

3.2 Enzyme và điện cực vi sinh vật 32

3.3 Quang phổ hồng ngoại 32

3.4 Máy quang phổ kế 33

4 Hệ thống điều khiển 33

4.1 Điều khiển bằng tay 34

4.2 Điều khiển tự động 35

4.3 Công tắc điều khiển (ON / OFF) 36

4.4 Điều khiển tỷ lệ 37

4.5 Điều khiển tích hợp 41

4.6 Điều khiển phát sinh 42

4.7 Kết hợp các phương pháp kiểm soát 43

4.7.1 Kiểm soát tỷ lệ- tích hợp 43

4.7.2 Kiểm soát tỷ lệ - phát sinh 43

4.7.3 Kiểm soát tỷ lệ-tích hợp-phát sinh 43

4.8 Bộ điều khiển 43

4.9 Hệ thống điều khiển phức tạp hơn 44

5 Ứng dụng máy tính trong công nghệ lên men 48

5.1 Thành phần của một hệ thống liên kết máy tính 50

5.2 Nhập dữ liệu 52

5.3 Phân tích dữ liệu 53

5.4 Điều khiển quá trình 55

6 Tài liệu tham khảo 60

nó Như thông tin chỉ ra thời gian tối ưu để thu được kết quả hoặc sự tiến triển quá trìnhlên men diễn ra không bình thường Điều này có thể chỉ ra những bất thường hoặc dấuhiệu chuẩn bị thoái hóa Do đó thiết bị theo dõi sản phẩm lên men chỉ ra sự phát triển lênmen và liên kết với hệ thống điều khiển.

Trong các nghiên cứu ban đầu số các chức năng đó sẽ được kiểm soát có thể đượcgiới hạn để đạt được kiến thức thêm về một quy trình lên men cụ thể Do đó pH có thểđược đo và ghi lại nhưng không duy trì ở pH quy định, nồng độ oxy hòa tan có thể đượcxác định nhưng không cố gắng sẽ được thực hiện để ngăn chặn suy giảm oxy.Điều đóquan trong để xem xét sự cần thiết về thiết bị cảm ứng và kết hợp với thiết bị điều khiểngiao diện với máy tính (sẽ được thảo luận phần sau).Trong chương này sẽ xem xét hệthống điều khiển chung dùng được có sẵn, tiêu chuẩn theo dõi và điều khiển và vai tròcủa máy tính Nhiều thông tin về thiết bị và điều khiển sẽ được viết bớiFlynn(1983,1984), Armiger (1985), Bull(1985), Rolf và Lim(1985), Bailey vàOllis(1986), Kristiansen(1987), montague et al (1988), Duusseljee và Feijen(1990),Atkinson và Mavituna(1991) và Royce(1993)

Trong bảng 8.1 thể hiện một số lượng đáng kể các các quá trình biến đổi có thểcần phải được theo dõi trong một quá trình lên men Phương pháp để đo lường nhữngbiến, cảm biến hoặc thiết bị cho các quá trình kiểm soát thay đổi, có thể được trình bàydưới đây.

3 Cảm biến không được tiếp xúc với dịch lên men hoặc khí như máy đo tốc

độ, tế bào tải.(load cells)

Nó cũng là cảm biến đặc trưng liên quan đến ứng dụng của nó để kiểm soát quátrình

1 In-line sensor: Cảm biến là một phần tích hợp của thiết bị lên men và giá trị

đo được nó được sử dụng trực tiếp để kiểm soát quá trìn

2 On-line sensor: Mặc dù cảm biến là một phần của thiết bị lên men, nhưngcác giá trị đo không thể sử dụng ngay để điều khiển Người điều khiển máy phải nhập giátrị đo của hệ thống nếu dữ liệu được sử dụng trong quá trình điều khiển

3 Off-line sensor: Cảm biến không phải là một phần tích hợp của thiết bị lênmen Giá trị đo được không thể được sử dụng cho quá trình điều khiển Người điều khiểncần thực tế hóa (như mẫu phân tích hoặc cân nặng mẫu) và nhập giá trị đo vào trong hệthống điều khiển

Khi đánh giá cảm biến để sử dụng trong đo và điều khiển Điều quan trong xemxét thời gian phản ứng, kết quả, độ nhạy, độ chính xác, sự dễ dàng và tốc độ, sự ổn định,

độ tin cậy, đầu ra (tiếp tục hoặc khôn tiếp tục), nguyên liệu tạo nên, tình trạng hoạt động,tiệt trùng, bảo quản,thanh toán và giá trị ( Flynn,1983,1984; Royce,1993)

2.Phương pháp đo những giá trị trong sản xuất.

2.1 Nhiệt độ

Nhiệt độ trong vessel men hoặc ống, một trong những thông số quan trọng nhất đểtheo dõi và điều khiển trong bất kì quy trình nào Nhiệt độ có thể đo bằng nhiệt kế thủyngân, nhiệt kế lưỡng kim, nhiệt kế bóng áp suất, cặp nhiệt điện, nhiệt kế dựa vào điện trởkim loại và nhiệt kế điện tử Trong đó thì nhiệt kế kim loại và nhiệt kế điện tử được ứngdụng nhiều nhất trong lên men Độ chính xác của nhiệt kế thủy ngân được sử dụng đểkiểm tra và hiệu chỉnh nhiệt độ cảm biến khác Trong khi các loại nhiệt kế rẻ hơn vẫnđược sử dụng trong phòng thí nghiệm

2.1.1 Nhiệt kế thủy ngân

Nhiệt kế thủy ngân có thể được sử dụng trực tiếp trong diện tích nhỏ như ghế băngtrong lên men Nhưng nó rất dễ vỡ do đó hạn chế sử dụng.Trong quy mô công nghiệp cầnthiết lồng nó vào trong túi nhiệt kế trong thùng lên men Cái đưa vào thời gian sau khi đinhiệt độ thùng lên men Đây là loại nhiệt kế có thể sử dụng đơn lẻ để biểu thị, khôngđược điều khiển tự động hay ghi lại

2.1.2 Nhiệt kế điện trở

Chúng ta cũng được biết rằng điện trở của kim loại thay đổ với giá trị nhiệt độkhác nhau Đây là tính chất được sử dụng trong thiết kế các nhiêt kế điện trở Bóng đèncủa thiết bị chứa yếu tố điện trở, một khuôn mica (mỗi lần đo rất chính xác) hoặc xungquanh khung gốm (mạnh nhưng độ chính xác không cao) Các yếu tố nhạy cảm là dâyquấn Dây dẫn từ bong đèn được kết nối đến các yếu tố đo Thường đọc kết quả thu đượcbắng cách sử dụng mạch wheat-stone biedge và đo nhiệt độ trung bình của yếu tố cảmứng Loại nhiệt kế này có độ chính xác ( ± 0.25%)cao hơn một số thiết bị khác và nhạycảm với sự thay đổi nhỏ nhiết đô Có phản ứng nhanh để phát hiện thay đổi (1-10s) vàkhông có hạn chế trong khoảng cách rất nhỏ (30x5 mm) và hiển thị điếm tái sản xuất.Những thiết kế này thưởng kèm theo lớp vỏ bắng thép không gỉ Nếu chúng được sửdụng quy mô lớn và có thiết bị hỗ trợ điện trở được quấn Dây bạch kim điện trở 100Ωthường được sử dụng

2.2 Điều chỉnh nhiệt độ

Việc sử dụng vỏ áo và cuộn ống trong khi lên men trong như một phương tiện đểkiểm soát nhiệt độ đã được mô tả chương 7 Trong hệ thống nhỏ có yếu tố làm nóng,công suất 300-400 W ứng với 10 dm3 lên men, cung cấp nước làm mát Thiết bị này mởhay tắt phụ thuộc vào việc cần làm nóng hay làm nguội

Bộphận làm nóng nên càng nhỏ càng tốt để giảm kích thước tản nhiệt kết quả đạtđược khi làm nóng không dài hơn yêu cầu Trong một số trường hợp nó có thể là tốt hơn

để chạy nước làm mát liên tục với tốc độ ổn định và có bộ phận làm nóng chỉ kết nối vớiđơn vị điều khiển Việc này có thể tốn kém khi hoạt động nếu nước được đổ trực tiếp đếnchất thải Với quy mô nhỏ Harvard Apparatus Ltd (Firicroft Way, Edenbridge, Kent,U.K) làm một đơn vị Các themoscirculator sẽ bơm tuần hoàn themocirculator, yếu tốlàm nóng nước sẽ chìm trong dịch lên men lên đến 10 dm3 và cho kiểm soát nhiệt độ ±

Hơi đầu vào hơi nước các cuộn dây và lớp áo có thể được thể hiện nếu lên menđượ tiệt trùng hang loạt

Tốc độ chậm cần thiết đối với tế bào động vật để giảm thiệu thiệt hại cắt Trongcác thùng lên men làm nóng fingers có thể gây ra những điểm nóng cục bộ à gây ra thiệthại cho tế bào Làm nóng vỏ áo (jackects) nhiệt lượng thấp hơn tỉ lệ thuận với bề mặtngoài (nước và silicone có cao su bao phủ phần nhiệt điện (chương 7) được sử dụ để giảiquyết vấn đề trên

2.3 Đo lưu lượng và điều khiển lưu lượng

Đo lưu lượng, điều chỉnh dung dịch, khí rất quan trọng khi kiểm soát các quátrình

2.3.1 Khí

Một trong những cách đơn giản để đo tốc độ khí của quá trình lên men là bằngphương tiện của một mét khu vực biến (means of a variable area meter) Rotameter là cáiđược sử dụng nhiều nhất, bao gồm một ống kính gắn kết theo chiều dọc với lỗ khoanngày càng tăng và kèm theo một phao di chuyển tự do mà có thể là một quả bóng hoặcmột”cái đê”(thimble) rỗng Vị trí của phao trong ống đong thủy tinh để chỉ ra tốc độ dòngchảy Kích thước khác nhau có thể cung cấp một phạm vi rộng của tốc độ dòng chảy.Mức độ chính xác phụ thuộc vào lượng khí tại áp suất ổn định Nhưng sai số lên đến

±10% của sai số được dẫn chứng Lỗi lớn nhất là khi tốc độ dòng chảy thấp Lí tưởng,rotameter không nên được tiệt trùng mà được đặt ở giữa đầu vào khí và bộ lọc vô trùng.Không có dự dữ liệu trực tuyến đăng nhập với rotameter đơn giản Ống kim loại có thể sửdụng những vị trí mà việc sự dụng thủy tinh không thích hợp Trên thực tế nơi đặt “ phao

” được xác định bởi từ tính hoặc kỹ thuật điện Nhưng vị trí này không thường được sửdụng cho việc lên men Rotameter cũng có thể được sử dụng để đo lưu lượng dung dịch,khi hạt mài mòn và những chất xơ không xuất hiện

Việc sử dụng oxy và carbon dioxide để phân tích khí thải đòi hỏi việc cung cấpviệc đo lưu lượng khí rất chính xác để phân tích được sử dụng hiệu quả Vì lí do này máy

đo dòng khí nóng được sử dụng cho phạm vi 0 đến 500 dm3 min-1 Những thiết bị có độchính xác ± 1% trên quy mô toàn diện và làm việc trên nguyên tắc đo nhiệt độ khácnhau thông qua thiết bị làm nóng đặt trên đường dẫn của dòng khí (Fig.8.1) Nhiệt độ đầu

dò như nhiệt kế đặt ở đầu nguồn và cuối nguồn của dòng nóng, phía trong hoặc phíangoài của ống dẫn

Lưu lượng khí, Q có thể được tính toán từ phương trình nhiệt đặc trưng:

H=QCp(T2-T1)

Trong đó H lượng nhiệt truyền (tốc độ dòng chảy của khối lượng khí.)

Cp là tiêu chuẩn nhiệt của khí

T1 nhiệt độ của khí trước khi được truyền nhiệt

T2 nhiệt độ của khí sau khi được truyền nhiệt

Từ phương trình trên ta có thể biến đổi lại Q:

Q=H / (Cp(T1-T2))

Hinh 8.1 thermal mass flowmeterĐiện thế vào có thể thu được bằng phương pháp này, có thể sử dụng trong dữ liệuđăng nhập Điều khiển lưu lượng khí thường sử dụng các van Thường thì phương phápnày điều khiển không triệt để, và nó cần thiết để kết hợp tự điều khiển của van Với quy

mô nhỏ chỉ số dòng chảy (flowstat) có sẵn(G.A.nlaton, Ltd Wella Road, Basingstoke,Hamp shire, U.K) Sự thay đổi của áp suất lỗ đo lưu lượng gây ra cho van và piston épnguồn mở hoặc đóng phần “còn lại” Tốc độ dòng chảy được trở lại như cũ Trong mộtflowstat khí các lỗ nên thượng nguồn khi nguồn cung cấp khí ở áp suất quy định và hạlưu khi áp lực cung cấp dao động và áp lực trở lại là không Van hoạt động bằng một cơchế tương tự có sẵn cho các ứng dụng ở quy mô lớn

2.3.1 Dung dịch

Dòng chảy không được vô trùng có thể được theo dõi bởi những thông số côngnghệ (Home et el., 1969) Nhưng đo tốc độ dòng chảy của dung dịch vô trùng găp một sốvấn đề điều này cần phải được giải quyết Trong phòng thí nghiêm tốc độ dòng chảy cóthể đo thủ công sử dụng burette tiệt trùng kết nối với nguồn ống cung cấp dữ liệu và thờigian thoát ra ngoài của lượng chất cần đo.Có thể sử dụng rotameters đã được đề cập ởphần trước Một phương pháp tốn kém hơn là sử dụng bộ chuyển đổi dòng điện(Home et

al., 1969) Cái mà có đối phó với các loại bụi trong hệ thống treo (which can cope withparticulate matter in suspension) và phạm vi đo tốc độ dòng chảy từ thấp đến cao (50

cm3/ phút đến 500000 dm3// phút) với độ chính xác ±1% Trong lưu lượng kế có 2 cuộndây ngoài ống.Cung cấp dòng điện xoay chiều để tạo ra một từ trường Điện áp giảmtrong trường này là tỷ lệ thuận với vận tốc tương đối của chất lỏng và từ trường Sự khácnhau của điện thế trong chất lỏng có thể được đo bằng cặp điện cực và tỉ lệ thuận với vậntốc của chất lỏng

Trong nuôi cấy hàng loạt và nuôi cấy mẻ một thay thế rẻ hơn để đo tốc độ dòngchảy gián tiếp tế bào tải (by load cell) (xem xét trọng lượng) Lên men và tất cả hồ chứaphụ trợ được gắn để load cells

Hình 8.2 Hình cắt cấu trúc hình thể của máy đo lưu lượng kế (Home et al 1969)

Cái mà kiểm soát tăng hay giảm trong khối lượng của mỗi thùng chứa tại nhữngkhoảng thời gian định kì Cung cấp trọng lực tiêu chuẩn của dung dịch được biết đến Nó

có thể ước lượng tương đối chính xác tốc độ dòng chảy trong các ống cấp Đây là một

Phương pháp đo gián tiếp tốc độ dòng chảy vô trùng là sử dụng bơm định lượngcái mà bơm dung dịch xác định trước và với tỉ lệ chính xác Một loạt các máy bơm địnhlượng thương mại bao gồm bơm có động cơ, bơm nhu động (peristaltic pumps), máy bơmpiston, máy bơm màng Máy bơm động cơ chỉ sử dụng khi lượng nhỏ dung dịch có thểphải được thêm vào chậm vào vassel Trong bơm màng, dung dịch di chuyển về phíatrước bằng cách siết chặt một ống được xây dựng tại một vỏ bọc hình bán nguyệt Nhiềukích thước của ống có thể được sử trong bơm khác nhau để tạo ra tốc độ dòng chảy đượcbiết đến khác nhau trong một phạm vi rất rộng Tạm dừng có thể được xử lý khi dungdịch tiếp xúc trực tiếp với bộ phận chuyển động Bơm piston được gia công chính xácbằng sứ hoặc thiếc không gỉ, piston di chuyển trong xy lanh bóng đôi đầu vào và van đầu

ra Piston chạy với tốc độ không đổi Tốc độ dòng chảy có thể thay đổi trong phạm vi xácđịnh bằng sự thay đổi hành trình piston, chiều dài của hành trình piston và cách sử dụngnhiều piston khác nhau Kích thước phù hợp từ cm3/h đến hang nghìn dm3/h và có thểhoạt động với áp suất cao Tuy nhiên chúng được sử dụng để bơm dung dịch có xơ hoặc

có hạt lơ lửng (particulate suspensions) Bơm piston đắt hơn so với máy bơm nhu động

có cùng kích thước nhưng nó không phụ thuộc vào sự làm việc của ống

Hình 8.3: Điều khiển trực tiếp bơm Diaphragm (cơ hoành) (Home et al 1969 )

Sự rò rỉ có thể xảy ra theo đường vỏ bọc trục của trục piston Vần đề này được loại

bỏ khi sử dụng máy bơm (màng) Diaphragm Đây là loại bơm sử dụng linh hoạt cơ hoành

để bơm chất lỏng xuyên qua vỏ bảo vệ, với van bóng để điều khiển hướng của dòng chảy.

Cơ hoành có thể làm bằng nhiều chất ví dụ như nhựa không dính, cao su tổng hợp, thépkhông gỉ và được khởi độnbằng piston Phạm vi kích thước của bơm sẵn có để dùng lênđến hàng nghìn dm3/h

Lưu lượng dung dịch từ thùng chứa nguồn dinh dưỡng hay đến hay đi khi lên men

có thể được theo dõi bằng cân liên tục trong lượng hoặc tế bào tải (load cell) Điều này sẽđược thảo luân trong weight section

Một trong những thiết bị cảm biến tiêu chuẩn để đo áp suất là ống đo áp suấtBourdon (Hình 8.4) Cái mà được sử dụng đo trực tiếp Cuộn một phần theo tiết diện hình

kính trong và ngoài dần dần được kéo thẳng ra ngoài Quá trình này được kết nối với ổcắm cuối cố định của ống trong khi đầu của bên kia được nối bằng một khu vực hướnghình quạt và chuyển động bánh răng mà thúcđẩy một con trỏ chỉ ra cho thấy phản ứngquay tuyến tính Khi thùng hoặc ống hoạt động dưới điều kiện vô trùng một thiết bị đo cơhoành có thể được sử dụng ( Hình 8.5) Thay đổi áp suất gây ra chuyển động cơ hoành.Cái được theo dõi bởi máy cần gạt con trỏ.

Hình 8.5 Loại bơm cơ hoành được lồng vào nhau

Ngoài ra áp lực có thể được đo lường từ xa bằng áp lực dưới đây kết nối với lõicủa một biến Sự chuyển động của lõi sinh ra đầu ra tương ứng Nó có khả năng sử dụngthiết bị cảm ứng áp suất kết hợp chặt chẽ với sức căng thước đo Nếu dây phụ thuộc vàosức căng thì điển trở của dây thay đổi Đó là một phần nguyên nhân dẫn đến sự thay đổikích thước của dây và sự thay đổi trong điện trở suất Điều này xảy ra do sự căng trongdây Đầu ra sau đó có thể được đo trên một khoảng cách dài.Một phương pháp điện là sửdụng một bộ chuyển đổi áp điện Một số tinh thể rắn như thạch anh có một phân bố điệntích không đối xứng, bất kỳ sự thay đổi trong hình dạng của tinh thể tạo ra bằng nhau,bên ngoài, không giống như các điện trên mặt đối diện của tinh thể.Đó là sự tác động củađiện áp Do đó áp suất có thể đo bằng giá trị trung bình của điện áp gắn bề mặt đối diệncủa tinh thể Bioengineering AG (Wald, Switzerland) tạo ra bộ chuyển đổi điện áp nhiệt

độ đầu vào được bù lại Để vượt qua hiệu ứng pyroelectric và xây dựng thành một vỏ bọc

có thể được đưa vào lên men Sẽ cần thiết để theo dõi và ghi lại áp suất khí quyển nếu

nồng độ oxy đầu vào và / hay đầu ra khí được xác định sử dụng phân tích khí oxy (đượcthấy phần sau) Phân tích khí thuận từ rất nhạy cảm với những thay đổi trong áp suất khíquyển Sự thay đổi của 1% áp suất có thể là nguyên nhân của sự thay đổi 1% nồng độoxy Phạm vi lỗi có thể rất đáng kể trong thùng nơi tỉ lệ oxy tiêu thụ rất thấp Và là nơi có

sự khác nhau rất ít thành phần khí giữa đầu vào và đầu ra Sự thay đổi áp suất nên liên tụctheo dõi để cho phép điều chỉnh áp suất phù hợp

2.5 Điều chỉnh áp suất

Mỗi phần của nhà máy thì làm việc với áp suất khác nhau Trong suốt thời gianvận hành bình thường áp suất tích cực 1.2 atm (161kN-1) luôn được duy trì trong quá trìnhlên men để hỗ trợ duy trì điều kiện vô trùng Rõ ràng áp suất sẽ được nâng lên trong quátrình tiệt trùng bằng hơi nước (Chương 5) Áp lực chính xác trong các bộ phận khác nhaunên được duy trì bằng van điều tiết (chương 7) điều khiển bằng cách kết hợp máy đo ápsuất

2.6 Van an toàn

Van an toàn (chương 7) nên được kết hợp tại vị trí thích hợp trong tất cả thùng lênmen Bố trí đường ống, cái mà có thể hoạt động được dưới áp lực Các van phải đượcthiết lập để giải phóng áp lực ngay sau khi nó làm tăng đáng kể trên áp suất làm việc quyđịnh

2.7 Điện trục khuấy

Nhiều loại cảm biến có thể sử dụng để đo năng lượng tiêu thụ trong lên men.Trong quy mô công nghiệp một mét watt gắn liền với động cơ khuấy sẽ cung cấp cho mộtdấu hiệu khá tốt của sự hấp thu năng lượng Đây là công nghệ đo mang lại sự chính xáckhông cao, có sự giảm về quy mô đến quy mô thí điểm và cuối cùng đến phòng thínghiệm Kết quả đo không chính xác có thể là do ma sát trong trục khuấy (chương 7).Lực kế xoắn có thể được sử dụng trong quy mô nhỏ Bởi vì lực kế được đặt bên ngoàitrục khuấy nên khi đó sẽ một lần nữa bao gồm sự ma sát trong các vòng bi Vì lý do nàyđồng hồ đo dòng gắn trên trục trong lên men là phương pháp chính xác nhất về đo lường

và vượt qua ma sát (Aiba et al., 1965; Broddgesell 1969 Aiba et al 1965) lắp bốn đồng

hồ đo dòng giống hệt nhau ở 45o đến trên trục trong một trục rỗng Dây dẫn từ đồng hồ

đo vượt ra ngoài của trục thông qua cái lỗ trục và sau đó tín hiệu điện được chon bởi sựlắp vành tiếp điện Nghiên cứu lý thuyết của sự căng dây đo được tìm ra bởi Aiba et al(1973)

2.8 Tốc độ khuấy

Trong tất cả quá trình lên men tốc độ khuấy rất quan trọng để theo dõi tỉ lệ quayvòng (rpm) của trục máy khuấy Tachometer(máy đo tốc độ vòng /phút) sử dụng cho mụcđích này có thể dùng cảm ứng điện từ nguồn phát điện, cảm biến ánh sáng hoặc lực lượng

từ tính như cơ chế phát hiện (Brodgesell, 1969) Kết quả cuối cùng của tachometer sẽđược xác định bởi các loại tín hiệu, đó là cần thiết để ghi âm và/ hay quy trình kiểm soát

để điều chỉnh tốc độ động cơ và thiết bị phụ trợ khác Sự cung cấp thường được thựchiện trên các chất gây men trong phòng thí nghiệm nhỏ để thay đổi tốc độ khuấy Trongnhiều trường hợp hiện nay điều đó là tiêu chuẩn thực hành sử dụng một động cơ trượt cómột đường cong mô-men xoắn có thể chấp nhận cái mà kết hợp với một điều khiểnthyristor Ở thí điểm hoặc trên quy mô lớn điều cần thiết để thay đổi tốc độ khuấy làthường được giảm Khi cần thiết nó có thể được thực hiện bằng hộp số, sửa đổi kíchthước của bánh xe hoặc vành đai hay thay đổi động cơ chạy thay thế đắt tiền nhất

2.9 Điều khiển và cảm biến bọt

Sự tạo bọt là một điều khó khăn trong nhiều quá trình lên men của vi sinh vật nếukhông được kiểm soát chặt chẽ Thực tế thông thường một chất phá bọt được thêm vàokhi bình nuôi cấy bắt đầu sủi bọt với mức độ nhất định được xác định trước Các phươngpháp sử dụng cho việc kiểm soát và việc bổ sung chất phá bọt sẽ phụ thuộc vào quá trìnhlên men và vấn đề kinh tế Tính chất của chất phá bọt (antifoam) sẽ được tìm hiểu thêm(chương 4,7) vì ảnh hưởng của nó đến lượng oxi hòa tan (chương 9) Bộ cảm biến bọt(foam sensing) và điều khiển được minh họa ở hình 8.6 Một bộ phận thăm dò đưa vàothông qua vách trên cùng của bình lên men Thường thì đầu dò là một thanh thép không

gỉ được cách ly ngoại trừ đầu nhọn tiếp xúc và được thiết kế đặt trên miệng bình lên men.Khi lượng bọt tăng lên và chạm vào đầu dò, một dòng điện sẽ chạy qua mạch của đầu dò

và bọt sẽ hoạt động như một chất điện phân Khi đó van được mở ra và bơm bắt đầu hoạtđộng đưa chất phá bọt vào trong bình lên men trong vòng vài giây Quá trình tính giờ xảy

ra đều đặn trong hệ thống đảm bảo rằng chất phá bọt đủ thời gian để trộn đều trong dịchnuôi cấy và phá vỡ bọt trước khi được đầu dò được lập trình sau một khoảng thời giannhất định để cảm biến bọt lần nữa nhờ việc khởi động một cách hợp lý bơm hoặc vanđiều khiển Nói cách khác chất phá bọt được thêm từ từ với tốc độ định trước bởi mộtmáy bơm nhỏ để không bao giờ xảy ra hiện tượng nổi bọt do đó không cần thiết phải có

hệ thống cảm biến

Một số thiết bị chống tạo bọt khí được mô tả bao gồm đĩa cánh quạt, bàn chảihoặc hình nón gắn liền với trục khuấy trên bề mặt môi trường lỏng, bọt được chia nhỏ khichúng chuyển động chạm vào thành bình nuôi cấy Các thiết bị sản xuất khác cũng đãđược sản xuất bao gồm một trục quay theo phương ngang tách ly tâm và cánh phản lựclàm lệch hướng các bọt khí (Hall cùng các cộng sự1973,Viesturs cùng các cộng sự,1982) Tiếc rằng các thiết bị này phải được sử dụng kết hợp với chất phá bọt

Hình 8.6: Bộ phận điều khiển và cảm ứng bọt

2.10 Khối lượng

Một cảm biến đo áp lực loadcell là ( hay còn gọi là cảm biến tải trọng load cell làmột thiết bị điện tử được lắp dưới sàn cân để hấp thụ sức nặng của hàng hóa,biến số liệuthành tín hiệu điện để chuyển đến đầu hiển thị cân nặng của vật.) công cụ cung cấpphương pháp xác định trọng lượng của bình lên men bằng cách đặt các load cell chịu tảidưới các thiết bị chịu tải hỗ trợ khi thiết kế hệ thống hỗ trợ cho một bình lên men.Nguyên tắc của của một tế bào tải nén( load cell) là 3 chân đế trong trạng thái tự do cânbằng ổn định mặc dù bề mặt của bộ phận hỗ trợ là không đều Nếu thêm chân đế phảitrang bị phương tiện điều chỉnh để đảm bảo chịu tải trên tất cả các chân đế Một load cell

về cơ bản là một thể đàn hồi, thường là một hình trụ thép vững chắc hoặc hình ống; áplực nén bên trong đó theo tải trọng trục có thể được đo bằng đồng hồ điện đo dòng khángđược gắn vào bề mặt của hình trụ Thiết bị load cell được lắp ráp phù hợp với các điểmkết nối cáp điện, thiết bị này được hiệu chỉnh bằng cách đo dòng nén trên phạm vi thíchhợp của tải Thay đổi của dòng kháng cùng với áp lực gây ra tỷ lệ thuận với tải được xácđịnh bằng một thiết bị điện phù hợp Do đó có thể sử dụng load cell với kích thước phùhợp để tính toán lượng chất đưa vào bình lên men chẳng hạn như sử dụng axit, base hoặccác chất phá bọt để kiểm soát lượng bọt Sự thay đổi trọng lượng trong một khoảng thờigian có thể được sử dụng như một phương pháp gián tiếp để tính toán lưu lượng chấtlỏng

2.11 Sinh khối vi sinh vật

Thời gian ước tính lượng sinh khối của vi sinh vật trong quá trình lên men là mộtyêu cầu thiết thực nhưng điều này được chứng minh là rất khó khăn để phát hiện bởi mộtcảm biến đạt yêu cầu Hầu hết các khảo sát được thực hiện gián tiếp thông qua trọnglượng chất khô (được đo nhanh trong lò vi sóng ), mật độ tế bào (bằng máy quang phổ),

số lượng tế bào (đo bằng buồng đếm Coulter) hoặc bằng cách sử dụng các bộ phận cảmbiến sẽ được thảo luận sau trong chương này Phương pháp thay thế khác là ước lượngthời gian một thành phần di động mà vẫn còn ở nồng độ liên tục như nicotinamideadenine dinucleotide (NAD) trong tế bào bởi một huỳnh quang phổ fluorimetry hoặc đo

lường một thuộc tính của tế bào mà chúng tỷ lệ với nồng độ tế bào sống chẳng hạn như

đo tần số vô tuyến điện dung

Các phép đo bởi fluorimetric rất cụ thể và nhanh chóng nhưng việc dụng chúngtrong nghiên cứu lên men vẫn còn giới hạn Việc đo lường NAD miễn là nó vẫn còn ởnồng độ không đổi trong tế bào có thể là một phương pháp gián tiếp lý tưởng để đo sựtăng trưởng liên tục của sinh khối vi khuẩn Trong các nghiên cứu đầu tiên, Harrison vàChance (1970) sử dụng kỹ thuật huỳnh quang để xác định mức độ NAD-NAPH bên trong

tế bào vi khuẩn trong quá trình nuôi cấy liên tục Einsele cùng cộng sự (1978) đã gắn mộtfluorimeter(thiết bị đo huỳnh quang) trên một bộ phận quan sát trong bình lên men nằmbên dưới bề mặt nuôi cấy, trong đó cho phép NADH tiếp xúc với huỳnh quang tại chỗ vớithời gian lâu hơn trong môi trường nuôi cấy và tuân theo sự hấp thu glucose bằng cáchtheo dõi NADH Beyeler cùng cộng sự (1981) đã phát triển một đầu dò sterilizable nhỏ

để lắp vào bình lên men theo dõi NADH Trong đó có độ đặc hiệu,độ nhạy, độ ổn định

caovà có thể hiệu chỉnh ngay tại chỗ Trong nuôi cấy mẻ của Candida tropicalis

NAD(P)H phụ thuộc vào tín hiệu hùynh quang tương quan với lượng sinh khối Do đó cóthể sử dụng trực tuyến để ước tính lượng sinh khối, những thay đổi trong điều kiện pháttriển như lượng chất dinh dưỡng cạn kiệt hoặc thiếu dưỡng khí cũng được phát hiệnnhanh chóng

Schneckenburger cùng cộng sự (1985) sử dụng kỹ thuật này để nghiên cứu sựphát triển của vi khuẩn methanogenic trong quá trình lên men kị khí Họ nghĩ rằng chiphí là một vấn đề vì thiết bị huỳnh quang là rất đắt đối với các ứng dụng công nghệ sinhhọc, thông thường giá tối thiểu là 10000US Ingold (Thủy Sĩ) đã phát triển đầu dòFluorosensor được tích hợp với một máy tính nhỏ hoặc bất kì thiết bị chuyển đổi dữ liệunào (Gary, Meier and Ludwig, 1988)

Điện môi quang phổ có thể được sử dụng trực tuyến để theo dõi sinh khối, chi tiết

về lý thuyết và nguyên tắc của kỹ thuật này được mô tả bởi Kell ( 1987) Ở tần số âmthanh thấp (0.1 đến 1 MHz) một màng tế bào vi khuẩn sẽ hoạt động như một tụ điện và

trở nên tích điện gọi là hiệu ứng phân tán β (Schwan,1957) và phân biệt được nó với cácbong bóng khí và các hạt vật chất không tan trong dung dịch Kích thước của các phântán β tỷ lệ tuyến tính với màng tế bào vi sinh vật Kell cùng cộng sự (1987) cho biết rằngđiện môi tỷ lệ tuyến tính với nồng độ sinh khối vi sinh vật đơn bào và ngay cả đối vớidạng hình thái tế bào đặc biệt như nấm sợi Điện môi được chứng minh là tỷ lệ tuyến tínhvới sinh khối vi sinh vật và được dùng để đo lượng sinh khối của một số loài vi khuẩn,nấm men, nấm mốc,hoặc lượng tế bào động thực vật.

Đầu dò sterilizable có thể được chèn trực tiếp vào bình lên men sử dụng một điệncực có đường kính 25mm Sự nhiễm bẩn của các điện cực khảo sát có thể tránh bằng cácứng dụng tự động làm sạch của xung điện cảm biến (‘Bug meter’) được sản xuất bởiAber

Điện cực được thương mại hóa bởi Applikon (Schiiedam, the Netherlands) và giớihạn điện dung của dụng cụ là từ 0.1 đến 200pF(picoFarads) với trọng lượng khô xấp xỉ0.1 đến 200mg/cm3 (xấp xỉ 106 đến 2.109 tế bào/cm3 nấm men Saccharomyces cerivisiae.Độ phân giải phụ thuộc vào các loại tế bào khác nhau và độ dẫn điện của môi

trường nuôi cấy nhưng thông thường là 0.1 mg/cm3 Để cảm biến làm việc có hiệu quảcác bộ phận làm ngưng hoạt động của thiết bị phải có độ dẫn điện tối thiểu Nấm men saukhi pha loãng được đưa qua axit là đạt được yêu cầu nhưng trước khi tiến hành có thể cầnthêm muối để dụng cụ có thể đo đạc Cảm biến này đã được chứng minh là lý tưởng chocác tế bào nấm men và hiện đang được các nhà máy sản xuất bia ứng dụng để kiểm soátlượng nấm men có trong môi trường nuôi cấy

2.12 Đo đạc và kiểm soát lượng oxi hòa tan

Trong quá trình lên men hiếu khí điều cần thiết là phải rằng nồng độ oxi hòa tankhông giảm xuống mức quy định Từ những năm 1970 điện cực oxi sterilizable đã được

sử dụng để theo dõi điều này (hình 8.7)

Hình 8.7: Cấu tạo của điện cực oxy hòa tan: (a) galvanic (b) polarographic ( Leeand Tsao, 1979)

Chi tiết của điện cực này được đưa ra bởi Lee và Tsao (1979) Các điện cực đo ápsuất riêng phần của oxi hòa tan và lượng oxi không hòa tan Do đó ở trạng thái nồng độcân bằng tín hiệu thăm dò của một điện cực sẽ được xác định bằng:

P(O2) = C(O2) × PT

Trong đó: P(O2) là áp suất riêng phần của oxi được đầu dò ghi lại

C(O2) là thể tích hay phần số mol oxi trong pha khí

PT là áp suất toàn phần

Trong thực tế người ta thường đọc áp suất riêng phần của oxi dưới dạng tỉ lệ phầntrăm bão hòa với không khí ở áp suất khí quyển Do đó 10% oxi hòa tan có nghĩa là ápsuất riêng phần của oxi vào khoảng 160mmHg Sự thay đổi áp suất dẫn đến sự thay đổiđáng kể giá trị điện cực Nếu áp suất toàn phần giữ cân bằng với sự thay đổi thành phầncủa môi trường nuôi cấy thì giá trị điện cực sẽ thay đổi ngay cả khi không thay đổi thànhphần khí Sự thay đổi áp suất không khí có thể gây ra sự thay đổi 5% giá trị điện cực và

áp lực phản lại do các bộ phận lọc gây ra cũng có thể làm tăng giá trị trong khi đọc, sự

10C cho áp suất của oxi; hiệu ứng này là nguyên nhân chủ yếu làm tăng tính thẩm thấucủa màng các điện cực Nhiều điện cực chế tạo có bộ phận cảm biến nhiệt cho phép bù lại

tự động của tín hiệu đầu ra Điều quan trọng cần phải nhớ rằng sự hòa tan của oxi bị ảnhhưởng bởi các thành phần khác trong môi trường nuôi cấy Vì thế nước ở nhiệt độ 250Cvới áp suất bão hòa không khí 760 mmHg sẽ chứa 8.4mgO2/m3; trong khi với dung dịchNaCl 25% ở cùng điều kiện sẽ chứa 2.0mgO2/m3 Tuy nhiên các kết quả đo áp suất riêngphần cho oxi sẽ rất khác nhau Do đó cách tốt nhất là hiệu chỉnh các điện cực trong tỉ lệphần trăm độ bão hòa của oxi Các chi tiết về các điện cực oxi và hiệu chỉnh của nó đượcđưa ra bởi Halling (1990)

Trong trường hợp thể tích lên men nhỏ (1dm3) các điện cực phổ biến nhất làgalvanic với anot làm bằng chì, catot là bạc; sử dụng Kali hydroxit (KOH), bicarbonate(HCO3-), clorua (Cl-) hoặc axetat (CH3COO-) như một chất điện phân Đầu cảm biến củađiện cực là một màng teflon, polyetylen hoặc polystiren cho phép thông qua các pha khí

để trạng thái cân bằng được thiết lập giữa các pha khí bên trong và bên ngoài điện củađiện cực Vì sự chuyển động tương đối chậm của oxi qua màng điện cực cứ 60 giây mớiđọc được 90% của giá trị thực cuối cùng (Johnson cùng các cộng sự 1964) Buhler vàIngold (1976) đưa ra là 50 giây đọc được 98% giá trị thực của điện cực được cải tiến saunày Các điện cực được thiết kế phù hợp để theo dõi những thay đổi rất nhỏ của nồng độoxi và thường được lưạ chọn với kích thước nhỏ gọn và chi phí tương đối thấp Một điềukhông may là điện cực rất nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ vì thế được khắc phục bằngcách sử dụng một điện trở nhiệt Các điện cực có tuổi thọ ngắn do sự ăn mòn anot

Điện cực Palarographic cồng kềnh hơn điện cực galvanic, được sử dụng thửnghiệm và trong sản xuất của công nghệ lên men; thường sử dụng nhiều đường kính như12,19 hoặc một loại có thể tháo ra được với đường kính là 25mm Chúng có anot làmbằng bạc, catot bằng vàng hoặc bạch kim còn dung dịch KCl là chất điện phân Thời gianphản hồi từ 0.05 đến 15 giây để đọc được 95% giá trị thực theo báo cáo của Lee và Tsao

1979 Điện cực có thể đo kết quả chính xác nếu chịu được áp suất và nhiệt độ cao, điệncực Palarographic có giá nhiều hơn 600% so với điện cực galvanic, chi phí bảo trì thấp

nhưng chỉ có màng cần phải thay thế nên vẫn có giá trị đáng kể Toàn bộ giai đoạn củacảm biến oxi sterilizable nhanh hiện nay vẫn đang được phát triển (Bambot cùng cộng sự1994)

Cảm biến huỳnh quang với nhóm mang màu phức tạp chromo-phero, diphenyl-1,10phenanthroline)rutheni-um(II) thỏa mãn áp suất riêng phần của oxi Quátrình phức tạp này được làm tắt bởi các phân tử oxi dẫn đến sự giảm tuổi thọ của huỳnhquang Vì thế có một mối liên hệ giữa tuổi thọ huỳnh quang với áp suất riêng phần củaoxi Tuy nhiên ở nhiệt độ phòng khi một điện cực oxi Clark-type cho thấy một hiệuchuẩn tuyến tính của bộ phận cảm biến quang học cho một phản hồi là đường hyperbolic

tris(4,7-Độ nhạy của cảm biến quang học cao hơn đáng kể so với điện cực oxi, khi áp suất của oxithấp và ngược lại cao khi áp lực oxi cao Các phép đo sẽ đáng tin cậy khi nhiệt độ của oxithấp duy trì ổn định trong quá trình nuôi cấy vi sinh vật Nồng độ oxi hòa tan có thể đượcxác định bằng phương pháp hệ thống ống được mô tả bởi Phillip, Johnson (1961) vàRobberts,Shepherd (1968) Đầu dò bao gồm một cuộn dây tráng teflon hoặc propylen vàotrong bình lên men thông qua một dòng heli hoặc nitơ, đường đi của oxi khuyết tán từmôi trường lên men thông qua thành ống vào trong dòng khí trơ sau đó được xác địnhbằng phân tích khí thuận (xem ở phần sau); ống sẽ được khử trùng lặp đi lặp lại và được

sử dụng liên tục đến 1000h trên quy mô thử nghiệm Nếu như đó là cần thiết để làm tăngnồng độ oxi hòa tan trong môi trường có thể đạt được bằng cách tăng tỉ lệ lưu lượngkhông khí hoặc số vòng quay trong một phút của cánh quạt hoặc là kết hợp cả hai quátrình để tăng tỉ lệ O2/N2 trong các khí đầu vào, sử dụng một van biến đổi theo tỉ lệ cân đốitrong khi duy trì tốc độ dòng khí liên tục (Siegall và Gagen, 1962) Do chi phí của kỹthuật này nên được sử dụng hạn chế ở phòng thí nghiệm và các nhà máy thử nghiệm

2.13 Đầu vào và phân tích đầu ra (Iulet and exit analysis)

Đo lường và ghi nhận giá trị của đầu vào và hoặc thành phần khí thoát ra là việcrất quan trọng trong nhiều nghiên cứu của quá trình lên men Bằng cách đo nồng độ khí

O2, CO2 đi vào, các loại khí thoát ra và tốc độ dòng khí đốt từ đó có thể xác định sự hấpthu O2 trong hệ thống Sự thay đổi tốc độ của dòng khí CO2 tỷ lệ thuận nồng độ O2 Khi

vật thể dao động ra khỏi từ trường một lực tĩnh điện được áp dụng để điều chỉnh quả tạ vềphía ban đầu, chỉ số của lực tĩnh điện có thể được sử dụng như một thước đo nồng độ oxi.Trong phân tích nhiệt một dòng chảy theo vòng là thành phần của đầu dò, sau khi đi quavòng hàm lượng oxi thuận từ trong các mẫu sẽ được hút bởi từ trường vào ống kính trungtâm nơi mà điện tử sẽ đun nóng dòng khí Điện trở được nối với một mạch cầuWheatstone (dụng cụ đo điện trở) để xác định biến thế trong điện trở do sự thay đổi tốc

độ dòng chảy gây ra Lượng oxi trong mẫu nóng mất một tỷ lệ cao do tính chất thuận từcủa nó, dòng khí oxi lạnh được hút vào thay cho dòng khí oxi nóng Sự thay đổi này tạo

ra một dòng đối lưu, tốc độ dòng chảy của dòng đối lưu là một hàm số của nồng độ oxi

và được đo bằng điện trở Kết quả là dòng khí lạnh được thổi vào qua vị trí A và dòng khínóng thì đi quanh qua vị trí B Do sự khác biệt về nhiệt độ dẫn đến sự mất cân bằng cầuWheatstone

Hình 8.8:Phân tích oxy kiểu thuận từ

Hình 8.9: Đo lường các yếu tố trong phân tích oxy kiểu thuận từ.

CO2 được theo dõi bởi việc phân tích hồng ngoại sử dụng phương pháp lọc, thiết

bị phân tích này (hình 8.10) bao gồm: một nguồn năng lượng hồng ngoại, một chopper đểđảm bảo rằng năng lượng đi qua mỗi bên của hệ thống quang học Một mẫu khảo sát, mộtmẫu tham chiếu và một máy đo hồng ngoại có độ nhạy ánh sáng ở bước sóng mà các khíđang xét hấp thu năng lượng hồng ngoại Trong trường hợp máy dò lấp đầy bởi lượng khí

CO2, bộ phận cảm biến của hệ thống sẽ bị giảm năng lượng quang học khi chùm tia đượcphát hiện, đó là do sự hấp thu lượng khí CO2 trong mẫu Việc phân tích )O2 và CO2 riêngbiệt là rất tốn kém trong trong mỗi đợt lên men Do đó chúng được hợp lại để phân tích

Đầu vào mẫu

ống thủy tinh

Nam châm Điện trở vòng

Cầu nối mạch

đầu ra

đợt lên men trong 30 đến 60 phút và có thể có kết quả chính xác cho các loại khí khácnhau Một cách khác việc phân tích khí được thay bằng một khối phổ kế có thể phân tíchđược một số thành phần khí có sẵn như O2 và CO2(xem ở phần sau).

Hình 8.10 Phân tích hống ngoại đơn giản

2.14 Kiểm soát và đo độ pH

Trong quá trình nuôi cấy mẻ do sự sinh trưởng của vi sinh vật làm cho độ pH củamôi trường không còn ổn định sau thời gian dài Hầu hết trong quá trình lên men cầnthiết phải đo và kiểm soát độ pH để thu được năng suất cao Sự thay đổi nhanh chóngcủa

độ pH được điều chỉnh thường xuyên bởi thiết bị truyền vận nhất là sự kết hợp của bộđệm trong quá trình nuôi cấy mẻ (chương 2,4) Độ pH có thể được kiểm soát bằng cáchcho thêm một lượng thích hợp NH3 hoặc NaOH nếu như độ pH quá thấp hoặc H2SO4 nếumôi trường quá kiềm Thông thường sự biến đổi của pH chỉ theo một hướng Đo pH mộtcách thường xuyên bằng cách sử dụng kết hợp tham chiếu một điện cực thuỷ tinh chịunhiệt ở 121oC và áp suất 138KN/m2 Các điện cực có thể là bạc /chloride bạc với KCl

hoặc với một công thức đặc biệt đóng vai trò như một chất điện phân (e.g Friscolyt byIngold) Đôi khi điện cực calomel/thủy ngân vẫn được sử dụng, điện cực này được nốithông qua dây dẫn đến một máy đo pH cùng với bộ điều khiển Các điện cực phải đượckhử trùng trong nồi hấp tiệt trùng autoclave, sau đó mới được cắm vào máy đo pH Cácđiện cực này phải chịu được điều kiện ở nồi hấp tiệt trùng mà vẫn giữ nguyên được điệntrở của chúng Việc khử trùng lặp lại nhiều lần có thể dần dần thay đổi hiểu suất đo đạccủa điện cực Thời gian nuôi cấy lâu gắn liền với nuôi cấy tế bào động vật và nuôi cấyliên tục sẽ giúp thu hồi sinh sản phẩm với hiệu suất cao và cho phép bảo vệ được các điệncực hoặc xử lý sự cố mà không ảnh hưởng đến quá trình lên men Các bộ phận của bìnhlên men được thiết kế kỹ lưỡng để đảm bảo không bị nhiễm bẩn khi điện cực được lấy rabảo dưỡng hoặc thay thế(Gary cùng cộng sự 1988) Hệ thống chất lỏng môi trường đảmbảo cho phản ứng xảy ra nhanh đó là sự ổn định và chính xác; khi các điện cực gây ra ápsuất lên thành bình các electrolyte dần dần sẽ thoát ra khỏi màng bảo vệ bằng gốm vàngăn ngừa sự ô nhiễm đặc biệt là các protein kết tủa trên màng khi tiếp xúc với chất điệnphân (Gary cùng cộng sự, 1988) Người đọc nên tham khảo ý kiến của Halling (1990) đểbiết thêm về hiệu chuẩn và kiểm tra khử trùng bảo trì thường xuyên và những vấn đề xảy

ra trong quá trình sử dụng Bộ phận kiểm soát sẽ được thảo luận sau trong chương này cóthể đơn giản là mở/tắt hoặc là phức tạp hơn Trong trường hợp bật /tắt bộ, điều khiểnđược thiết lập một giá trị pH xác định trước đó Khi tín hiệu phát ra từ role, van được mở

ra, bơm hoạt động, lượng axit hay kiềm được bơm vào bình lên men trong khoảng thờigian rất ngắn và được kiểm soát bởi bộ đếm thời gian của quá trình (0-60 giây) Trongthời gian đó không có axit hay base được thêm vào bình lên men nữa

Vào cuối chu kì đọc giá trị pH sẽ cho biết có hay không sự điều chỉnh của máy đo

pH, với một lượng thể tích nhỏ thì khả năng lệch giá trị pH là rất nhỏ; độ pH được theodõi trong suốt quá trình lên men diễn ra

Shinskey (1973) đã thảo luận việc kiểm soát độ pH của một quá trình nuôi cấy mẻ

sử dụng kiểm soát tỷ lệ và tỷ lệ đạo hàm (xem phần sau) và việc vượt qua ngưỡng cài đặt

là có thể tránh được Trong trường hợp hoạt động theo tỷ lệ bộ điều khiển phải được điều

chỉnh một van dẫn axit tắt khi có sự cố xảy ra Tuy nhiên điều này có thể chậm trễ trongviệc đóng van khi ngưỡng cài đặt được thiết lập Trong một số trường hợp vượt qua điểmthiết lập thì không thể khắc phục được nữa Do đó để ngăn ngừa việc qua giá trị này cácvan phải được đóng trước khi giá trị đạt gần ngưỡng đã cài đặt Điều này có thể đượcthực hiện bằng việc điều khiển tỷ lệ đạo hàm; các hoạt động phát sinh cần phải đượckiểm soát cẩn thận Một số nguyên nhân làm vượt qua một lượng lớn so với giá trịngưỡng sẽ dẫn đến đóng van sớm việc này xảy ra trong khoảng thời gian rất ngắn trướckhi van mở ra một lần nữa để cung cấp cho một quy trình tiếp theo Thể hiện ở hình 8.11

2.15 Phản ứng oxi hóa khử

Các khía cạnh của thế oxi hóa khử đã được xem xét bởi Jacob(1970),Kjaergaard(1977) và Halling (1990)

Hình 8.11 Phần trăm thay đổi pH và thay đổi pH với việc kiếm soát tỉ lệ đạo hàm

Nó là thước đo khả năng oxi hóa khử của một hệ thống sinh học và có thể xác địnhnhư một điện áp (mV), giá trị bất kì trong hệ thống phụ thuộc vào trạng thái cân bằngcủa:

Dạng khử ⇋dạng oxi hóa + electron

Các điện cực đo bao gồm vàng, bạch kim, iridium hàn với một dây đồng, giảithích các kết quả đo được là một khó khăn (Halling, 1990) và việc nuôi cấy vi sinh vậtkhông phải ở trạng thái cân bằng oxi hóa khử cho đến khi kết thúc một chu kì sinhtrưởng Trong chu kì, mặc dù một số phản ứng bán oxi hóa khử có thể ở trạng thái cânbằng nhưng chúng không hoàn toàn là một hệ thống động học Các vi sinh vật cũng cóthể ở trạng thái oxi hóa khử khác với môi trường nuôi cấy; khi các tín hiệu chỉ ra rằngnồng độ là tương đối và có thể thay đổi theo các chất của môi trường Điều này là xa lýtưởng cho một cái máy cảm biến mà chỉ nên đo lường cho một yếu tố cụ thể Nếu môitrường nuôi cấy có mặt của oxi chắc chắn sẽ át mất tín hiệu Nhưng nó có thể phát tínhiệu trong môi trường có nồng độ oxi thấp Vì thế điện cực oxi hóa khử có thể có ứngdụng tốt để xác định oxi có sẵn trong quá trình nuôi cấy kị khí hoặc đối với vi khuẩnViaephilic trên quy mô nhỏ (Kjaergaard và Joergensen, 1979).

Halling (1990) cung cấp thêm chi tiết về việc xử lý thường xuyên, khử trùng, thửnghiệm và hiệu chuẩn

2.16 Điện cực carbon dioxide (CO2)

Đo nồng độ hòa tan của CO2 bằng một điện cực Từ độ pH, sự thay đổi pH hoặcđiện áp có thể phát hiện khí đi vào dung dịch Các điện cực đầu tiên bao gồm một pHđiện kết hợp với dung dịch đệm bicarbonate (pH=5) xung quanh là các bóng đèn và đượcgắn vào dung dịch và được giữ lại bởi màng PTFE và được giữ bởi một vòng đệmOring.Không may là điện cực này không phải là một sterilizable hơi Dựa trên cơ sở thiết kếnày chúng đã được sửa đổi để CO2 hòa tan từ mẫu thấm vào một cốt thép silicone với hailớp màng bằng thép không gỉ và hòa tan trong chất điện phân bicarbonate bên trong củađiện cực Sự thay đổi pH được xác định bởi một yếu tố đo pH bên trong Hệ thống nàycực kì nhạy với sự thay đổi pH, một đơn vị biến đổi pH đặc trưng cho sự gia tăng gấp 10lần nồng độ CO2, những biện pháp ngăn ngừa đã được thực hiện trong các thiết bị để đảmbảo tối thiểu độ lệch của bộ cảm biến và có thể hiệu chỉnh các điện cực trực tiếp sử dụngdung dịch đệm có công thức đặc biệt