CN102154097A - 自动调控氧化还原电位的装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动调控氧化还原电位的装置及其应用。该装置包括至少一个发酵灌、用于测定所述发酵罐内氧化还原电位的ORP电极、接收所述ORP电极的信号并将所述ORP电极的信号与用户预定信号值或信号区间值比较而产生控制信号的中央处理器、接收所述中央处理器的控制信号并据所述控制信号控制通向所述发酵罐的气体流速的气体流量控制器等。该装置将氧化还原电位在线监测、信号处理、反馈控制等过程系统集成起来，可用于优化发酵体系氧化还原电位提高发酵产出，也可应用于筛选具有优良性状新的工业生产菌株，及菌株生产性能优化。此装置的研制也可以使氧化还原电位的监控与其它发酵控制自动化监控过程同步起来，提高其协同效应。

Description

自动调控氧化还原电位的装置及其应用

技术领域

本发明涉及自动调控氧化还原电位的装置及其应用。

背景技术

无论化学反应还是生物转化，都需要控制反应体系的条件。温度、压力、pH、浓度等都是常见的控制条件，基本已实现自动化监测调控(表1)，这些监控手段应用到工业生产中，大大提高了生产效率，降低了工人的劳动强度。但是很多重要的环境参数还没有实现在线监测及自动化控制，氧化还原电位是其中之一。氧化还原电位(又称氧化还原电势，oxidoreduction potential或redox potential或reduction potential，简称ORP)表示一种物质或体系给出电子或者获得电子的能力，某一体系的ORP为该体系中不同氧化还原对的电势总和。反应体系的ORP在很大程度上能决定目标物质或微生物等进行氧化或还原反应的可行性和反应程度。

表1.重要环境参数的检测及控制方法

以生物发酵为例，工业发酵研究和开发的主要目的就是建立一种能达到高产低成本的可行的过程。工业发酵过程不仅包括生物细胞的生长、生理和繁殖等生命过程，而且还涉及微生物细胞分泌的酶所催化的生化反应，它们都受到环境条件的影响。但是，微生物的生长代谢是一个动态过程，其生长环境条件随微生物代谢发生不断变化，在发酵过程中，为了充分发挥生物细胞的生产能力，就必须通过各种检测手段以及采用传感器实时测定菌体浓度、糖、氮消耗、产物浓度、培养温度、pH、溶解氧等参数的情况，并予以有效的控制，使生产菌种处于产物合成的优化环境之中。

厌氧和微氧发酵虽然在生物燃料及醇类化学品生产等领域已广泛采用，但对其监测、调控等方面的研究刚刚起步，发酵控制手段较少，一般采用很粗放的深层静置发酵或通N₂控制厌氧发酵等。研究表明，与溶氧浓度对好氧发酵过程的重要性一样，ORP是影响厌氧及微氧发酵过程效率的重要监控参数。ORP能够影响营养物质的属性，特别是金属离子的价态，从而改变微生物的生长和代谢。许多微生物能够通过调节自身的代谢以适应环境ORP变化，比较典型的是兼性厌氧微生物，通过改变代谢途径甚至整个代谢网络，使自己既能在好氧环境(ORP较高)生长，又能在厌氧环境(ORP较低)生长，两种环境下生长特性和代谢谱发生很大变化。

每一个菌株都有一个合适的ORP范围，在这个范围内，菌体生长或产物合成速度最快。研究还发现，环境ORP对菌体的底物代谢流也会发生较大影响。有人研究发现，低ORP条件下培养的E.coli中乳酸脱氢酶比酶活较高而乙酰辅酶A浓度下降，从而导致代谢产物中乳酸比例提高而乙酸比例下降。我们的研究发现低ORP条件下筛选获得的Klebsiella突变株，具有更高的1，3-丙二醇生产能力，从而建立了一种新的高通量筛选方法。在厌氧发酵体系中，氧化还原反应电子传递链中没有氧作为电子的受体，菌体多以NAD(P)H-NAD(P)+为辅酶参与氧化还原反应的电子传递，同时将底物转化为各种代谢产物，以维持胞内的氧化还原平衡。因此，发展厌氧及微氧发酵体系的一个关键问题就是如何监测和调控影响胞内氧化还原反应的发酵系统，建立并维持合适的胞外环境，以最大限度发挥微生物包内反应效率，从而提高厌氧及微氧发酵过程的效率。

对氧化还原电位的检测技术已经比较成熟：ORP可以用ORP电极进行监测，在厌氧条件下ORP电极比溶氧电极测量更精细，在微量氧气条件下比溶氧电极更灵敏。由于电位的绝对值很难精确测定，一般引入一个参比电极，溶液体系的ORP表示为溶液传感电极与参比电极之间的电位差，两个电极之间由盐桥连接。通常情况下，传感电极采用铂金电极(也可为金或石墨电极)，将其插入可逆的氧化还原系统中，还原型物质就会将电子给予电极，并成为与该体系的还原能力大小相应电位的半电池。将它与标准氢电极组合所测得的电位即为该体系的ORP。ORP值Eh可由能斯特方程计算：

$\mathrm{Eh}=E^0+\left(\frac{\mathrm{RT}}{\mathrm{nF}}\right)\ln \frac{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{OX}}}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{RED}}}$

(Eh表示系统的实际氧化还原电位，E⁰是当系统的所有反应物的活度均为1、温度为30℃时系统的标准电位，R是气体常数，T是绝对温度，F是法拉第常数，n是反应过程中被转移的电子数。)

通常情况下，由于氢电极比较容易坏，所以采用更稳定的氯化银电极或饱和甘汞电极作为参比电极，将其用标准氢电极或标准ORP溶液校正电位差。

近年来也报道了多种ORP调控方法，最常见的是调节通入发酵体系氮气或者氢气比例的方法。但是，到目前为止，这些调控过程均是根据在线监测的ORP水平，根据经验通过手动控制进行调节，操作强度高、波动性很大、存在一定滞后性，而且对操作人员的知识和经验要求很高。因此，极有必要研制一种氧化还原电位自动监测调控系统，连续、迅速、准确地将ORP在线监测、信号处理、反馈控制等过程系统集成起来，实现工业过程最优化的自动控制。该设备的研制将填补国内外在此领域的空白，具有重要的科学研究意义和工业应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自动调控氧化还原电位的装置。

本发明提供的自动调控氧化还原电位的装置包括至少一个发酵罐、用于测定所述发酵罐内氧化还原电位的ORP电极、接收所述ORP电极的信号并将所述ORP电极的信号与用户预定信号值或信号区间值比较而产生一控制信号的中央处理器、接收所述中央处理器的控制信号并据所述控制信号控制通向所述发酵罐的气体流速的气体流量控制器；

所述ORP电极与所述中央处理器之间设置有转换所述ORP电极的信号为标准信号的信号标准化转换器和将所述标准信号转换为所述中央处理器能接收的数字信号的第一I/O模块；

所述中央处理器与所述气体流量控制器之间设置一将所述中央处理器的控制信号转化为所述气体流量控制器能接收的电信号的第二I/O模块。

上述气体流量控制器是控制空气、氧气和/或氮气流速的电信号控制脉冲阀门。

所述中央处理器接收所述ORP电极的信号并将所述ORP电极的信号与用户预定信号值或信号区间值比较而产生另一控制信号；上述装置还包括接收所述中央处理器的另一控制信号并据所述另一控制信号控制通向所述发酵罐的氧化剂和/或还原剂的流速的液体流量控制器；所述第二I/O模块将所述中央处理器的另一控制信号转化为所述液体流量控制器能接收的电信号。

进一步，上述液体流量控制器为蠕动泵。

本发明的另一目的在于提供一种利用上述的装置进行检测发酵体系是否染菌的方法。

本发明提供的检测发酵体系是否染菌的方法，包括如下步骤：

1)用所述ORP电极测定所述发酵罐内的氧化还原电位，得到ORP电极信号；

2)将步骤1)的ORP电极信号转换为标准信号，将所述标准信号转换为数字信号输送给所述中央处理器；

3)用户根据所述中央处理器所呈现的氧化还原电位判断发酵体系是否染菌。

本发明的又一目的在于提供一种利用上述的装置进行自动调控氧化还原电位的方法。

本发明提供的自动调控氧化还原电位的方法包括如下步骤：

1)用所述ORP电极测定所述发酵罐内的氧化还原电位，得到ORP电极信号；

2)将步骤1)的ORP电极信号转换为标准信号，将所述标准信号转换为数字信号输送给所述中央处理器；

3)所述中央处理器将步骤2)的数字信号和用户设定的信号值或信号区间值进行比较，产生控制信号；

4)将步骤3)的控制信号转换为电信号后输送给气体流量控制器；

5)所述气体流量控制器根据步骤4)中的电信号控制通向所述发酵体系的气体流速从而自动调控氧化还原电位。

上述气体是空气、氧气和/或氮气。

步骤3)中，步骤2)的数字信号与用户设定的信号值相同或在用户设定的信号区间内，所述控制信号是维持所述气体流量控制器的状态的信号；步骤2)的数字信号大于用户设定的信号值或大于所述用户设定的信号区间的上限值，所述控制信号是启动所述气体流量控制器来降低空气或氧气的流速或者增加氮气的流速的信号；步骤2)的数字信号小于用户设定的信号值或小于所述用户设定的信号区间的下限值，所述控制信号是启动所述气体流量控制器来增加空气或氧气的流速或者降低氮气的流速的信号。

上述气体流量控制器控制气体流速达到设定的阙值，所述方法还包括步骤5)之后的启动液体流量控制器；所述启动液体流量控制器的方法包括如下步骤：

6)所述气体流量控制器控制气体流速达到设定的阙值的信号转换成数字信号输送给中央处理器，所述中央处理器据此产生针对控制通向所述发酵体系的氧化剂和/或还原剂的流速的液体流量控制器的另一控制信号；

7)将步骤6)的另一控制信号转换为电信号后输送给所述液体流量控制器；

8)所述液体流量控制器根据步骤7)的电信号控制通向所述发酵体系的氧化剂和/或还原剂的流速。

其中，步骤2)的数字信号与用户设定的信号值相同或在用户设定的信号区间内，所述另一控制信号是维持所述液体流量控制器的状态的信号；步骤2)的数字信号大于用户设定的信号值或大于所述用户设定的信号区间的上限值，所述另一控制信号是启动所述液体流量控制器来降低氧化剂的流速或者增加还原剂的流速的信号；步骤2)的数字信号小于用户设定的信号值或小于所述用户设定的信号区间的下限值，所述另一控制信号是启动所述液体流量控制器来增加氧化剂的流速或者降低还原剂的流速的信号。

本发明提供的自动调控氧化还原电位的装置可以连续、迅速、准确地将氧化还原电位在线监测、信号处理、反馈控制等过程系统集成起来。该装置可用于优化发酵体系氧化还原电位提高发酵产出，也可应用于筛选具有优良性状新的工业生产菌株，及菌株生产性能优化。此装置的研制也可以使氧化还原电位的监控与其它发酵控制自动化监控过程同步起来，提高其协同效应。

附图说明

图1为本发明装置示意图。

图2为本发明装置的ORP实时在线监测系统示意图。

图3为本发明装置的ORP自动控制硬件系统示意图。

图4为自动控制系统监控记录K.oxytoca ATCC 43165微氧和厌氧发酵结果。

图5为K.oxytoca ATCC 43165发酵产1，3丙二醇过程ORP自动调控结果。

图6为丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum)CGMCC №.2287发酵产丁醇ORP自动调控结果，Control是不调控ORP的对照，Regulated ORP为用本发明装置调控ORP的实验组。

图7为丙酮丁醇梭菌发酵消耗葡萄糖和产生丁醇的时变曲线，Control是不调控ORP的对照，Regulated ORP为用本发明装置调控ORP的实验组。

图8为监测染菌后发酵体系氧化还原电位变化的时变曲线，K.oxytoca为未接E.coli的结果，K.oxytoca+E.coli为在培养K.oxytoca12小时后接种E.coli后的结果。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。

下述实施例中，如无特殊说明，均为常规方法。

实施例1、一种自动调控氧化还原电位的装置及其使用方法

一、自动调控氧化还原电位的装置

如图1所示，一种自动调控氧化还原电位的装置，包括发酵灌8、设置在发酵罐8中的ORP电极9、信号标准化转换器10、I/O模块11、中央处理器1、I/O模块3、电信号控制脉冲阀门5、蠕动泵4。

发酵灌8是发酵场所。ORP电极9用于测定所述发酵罐8内氧化还原电位，可产生ORP电极信号。信号标准化转换器10和I/O模块11设置在ORP电极9和中央处理器1之间，其中，信号标准化转换器10可以将ORP电极9的ORP电极信号转换为4-20mA的标准信号，I/O模块11可以将该标准信号转换为中央处理器1能接收的数字信号。中央处理器1可以接收I/O模块11输送的数字信号，并将该数字信号发送到中央处理器1的数据库中，这样用户可以查看实时和历史数据。

中央处理器1可接收用户指令，产生预定信号值或这信号区间值，并将I/O模块11输送的数字信号与该预定信号值或信号区间值进行比较运算，从而产生控制信号。该控制信号可通过I/O模块3转化为电信号后输送给电信号控制脉冲阀门5或蠕动泵4。

电信号控制脉冲阀门5可根据相应控制信号控制通向发酵罐8的空气、氧气和/或氮气流速；蠕动泵4可根据相应控制信号控制通向发酵罐8的氧化剂和/或还原剂的流速。

为了适应大规模生产，上述自动调控氧化还原电位的装置中的发酵罐也可以是多个。从每个发酵罐中测得的信号转化成电信号后，通过一总线网络2传送给中央处理器1，中央处理器1发出控制信号通过总线网络2传送给相应的I/O模块，然后再传给蠕动泵4或电信号控制脉冲阀门5。

二、装置的动作过程

1、在线监测

如图1和2所示，在线监测包括如下步骤：

1)用ORP电极9测定发酵罐8内的氧化还原电位，得到ORP电极信号；

2)将步骤1)的ORP电极信号通过上述信号标准化转换器10转换为标准信号，该标准信号通过I/O模块11转换为数字信号输送给中央处理器1；

3)中央处理器1将步骤2)的数字信号发送到中央处理器1的数据库中，这样用户可以查看实时和历史数据。

2、通过控制空气、氧气和/或氮气流速来自动调控ORP

如图1和3所示，包括如下步骤：

a)用户往中央处理器1中输入参数得到用户设定的信号值或信号区间值；

b)中央处理器1将上述步骤2)的数字信号和步骤a)中用户设定的信号值或信号区间值进行比较，产生第一控制信号；

c)将步骤b)的第一控制信号转换为电信号后输送给电信号控制脉冲阀门5；

d)电信号控制脉冲阀门5根据步骤c)中的电信号控制通向发酵罐的空气、氧气和/或氮气流速。

其中，步骤b)的数字信号与用户设定的信号值相同或在用户设定的信号区间内，第一控制信号是维持电信号控制脉冲阀门5的状态的信号；步骤b)的数字信号大于用户设定的信号值或大于所述用户设定的信号区间的上限值，第一控制信号是启动电信号控制脉冲阀门5来降低空气或氧气的流速或者增加氮气的流速的信号；步骤b)的数字信号小于用户设定的信号值或小于所述用户设定的信号区间的下限值，第一控制信号是启动电信号控制脉冲阀门5来增加空气或氧气的流速或者降低氮气的流速的信号。

3、在2的基础上进一步通过控制氧化剂和/或还原剂的流速来自动调控ORP

如图1和3所示，如果电信号控制脉冲阀门5控制气体流速达到设定的阙值，本发明装置调控过程在上述2的基础上，还包括如下步骤：

e)电信号控制脉冲阀门5控制气体流速达到设定的阙值的信号转换成数字信号输送给中央处理器1，中央处理器1产生针对控制通向所述发酵体系的氧化剂和/或还原剂的流速的蠕动泵4的第二控制信号；

f)将步骤e)的第二控制信号转换为电信号后输送给蠕动泵4；

g)蠕动泵4根据步骤f)中的电信号控制通向发酵罐8的氧化剂和/或还原剂的流速。

其中，步骤2)的数字信号与步骤a)中用户设定的信号值相同或在用户设定的信号区间内，所述第二控制信号是维持蠕动泵4的状态的信号；步骤2)的数字信号大于步骤a)中用户设定的信号值或大于所述用户设定的信号区间的上限值，所述第二控制信号是启动蠕动泵4来降低氧化剂的流速或者增加还原剂的流速的信号；步骤2)的数字信号小于步骤a)中用户设定的信号值或小于所述用户设定的信号区间的下限值，所述第二控制信号是启动蠕动泵4来增加氧化剂的流速或者降低还原剂的流速的信号。

实施例2、利用实施例1的自动调控氧化还原电位的装置在线监测

如实施例1的步骤二的1所述，本发明的自动调控氧化还原电位的装置可以在线监测并自动记录所测体系的ORP变化，采集数据，数据间隔可以由用户任意设定，时间间隔为大于1秒即可。采集的数据由系统记录，生成自动报表，该报表可以以excel格式打开，供用户调用。

本实例以克来伯氏菌(Klebsiella)发酵为例，应用该系统检测记录产酸克来伯氏菌(Klebsiella oxytoca)两个不同发酵条件：Klebsiella oxytoca ATCC 43165(美国ATCC菌种库保藏，保藏号43165；中国工业微生物菌种保藏管理中心CICC保藏，保藏号21518)在微氧和厌氧条件下发酵时ORP的变化规律。

种子培养基(/L)：磷酸氢二钾(K₂HPO₄·3H₂O)4.45g，磷酸二氢钾(KH₂PO₄)1.3g，硫酸铵((NH4)₂SO₄)3.0g，硫酸镁(MgSO₄·7H₂O)0.2g，碳酸钙(CaCO₃)2.0g，酵母浸粉(Yeast extract)1.0g，葡萄糖20g，微量元素溶液(Trace Elem ental Solution，以下简称TES)2.0ml，铁溶液(Fe²⁺solution)2.0ml，pH 7.0。

发酵培养基(/L)：磷酸氢二钾(K₂HPO₄·3H₂O)4.45g，磷酸二氢钾(KH₂PO₄)1.3g，硫酸铵((NH4)₂SO₄)3.0g，硫酸镁(MgSO₄·7H₂O)0.2g，(CaCl₂·2H₂O)0.02g，酵母浸粉(Yeast extract)1.0g，甘油20g，TES 2.0ml，铁溶液(Fe²⁺solution)2.0ml，pH 7.0。

TES组成(/L)：硫酸锰(MnSO₄·4H₂O)100mg，氯化锌(ZnCl₂)70mg，鉬酸钠(Na₂MoO₄·2H₂O)35mg，硼酸(H₃BO₃)60mg，氯化钴(CoCl₂·6H₂O)200mg，硫酸铜(CuSO₄·5H₂O)30mg，氯化镍(NiCl₂·6H₂O)25mg，浓盐酸(37％HCl)0.9ml。

发酵罐发酵培养基，装液量2L，接种量5％，发酵温度37℃，搅拌转速400rev·min^-1，采用4mol·L^-1NaOH在线调控pH＝7.0。

厌氧实现条件：通入高纯氮气(纯度99.9％)维持厌氧，通气量1L·L^-1·min^-1。微氧实现条件：发酵过程不通入任何气体，通过转速400rev·min^-1的搅拌维持微氧。

实验过程中选择记录时间间隔为30min，实验结束后，将ORP数据调出，转换为图表数据形式。在两种不同的条件下ORP数据记录结果如附图4所示。本实施例中，利用本装置能够很好的再现发酵过程中的ORP变化，能够系统的将发酵过程中的ORP记录并存储，以利于操作者调用，相对于手动记录来说，省工省力。

实施例3：利用实施例1的自动调控氧化还原电位的装置控制空气、氧气和/或氮气流速来自动调控ORP

如实施例1的步骤二的2所述，利用本发明的自动调控氧化还原电位的装置可调节通入体系的空气/氮气流量，对利用产酸克来伯氏菌ATCC 43165以甘油为底物生产1，3-丙二醇的发酵过程进行调控。

种子培养基(/L)：磷酸氢二钾(K₂HPO₄·3H₂O)4.45g，磷酸二氢钾(KH₂PO₄)1.3g，硫酸铵((NH4)₂SO₄)3.0g，硫酸镁(MgSO₄·7H₂O)0.2g，碳酸钙(CaCO₃)2.0g，酵母浸粉(Yeast extract)1.0g，葡萄糖20g，微量元素溶液(Trace Elemental Solution，以下简称TES)2.0ml，铁溶液(Fe²⁺solution)2.0ml，pH 7.0。

发酵培养基(/L)：磷酸氢二钾(K₂HPO₄·3H₂O)4.45g，磷酸二氢钾(KH₂PO₄)1.3g，硫酸铵((NH4)₂SO₄)3.0g，硫酸镁(MgSO₄·7H₂O)0.2g，(CaCl₂·2H₂O)0.02g，酵母浸粉(Yeast extract)1.0g，甘油20g，TESI2.0ml，铁溶液(Fe²⁺solution)2.0ml，pH 7.0。

TESI(mg·L^-1)：硫酸锰(MnSO₄·4H₂O)100，氯化锌(ZnCl₂)70，鉬酸钠(Na₂MoO₄·2H₂O)35，硼酸(H₃BO₃)60，氯化钴(CoCl₂·6H₂O)200，硫酸铜(CuSO₄·5H₂O)30，氯化镍(NiCl₂·6H₂O)25。加入浓盐酸(37％HCl)0.9ml。

发酵罐发酵培养基，装液量3L，接种量5％，发酵温度37℃，搅拌转速400rev·min^-1，采用4mol·L^-1NaOH在线调控pH＝7.0。

发酵体系氧化还原电位(ORP)分别设定为-140mV和-240mV，利用本发明的氧化还原电位自动监控系统进行自动控制。结果如附图5所示。

本实施例中，利用本发明的氧化还原电位自动控制系统能够很好的将发酵过程的ORP水平控制在要求的范围内，且误差精度在±5mV以内，能够很好的满足实验的要求。相比于较高ORP条件(-140mV)，在-220mV条件下，菌体生长较差，但是1，3-丙二醇浓度较高。这表明氧化还原电位对菌株的生长以及代谢有着很大的影响，研究不同菌株在不同氧化还原电位水平下的生理变化有助于阐明其的生理特性，以利于利用代谢工程技术去改造获得具有新特性的菌株，而本系统的发明则为此提供了有力的工具和基础。

实施例4：利用实施例1的自动调控氧化还原电位的装置调节空气/氮气流量及液体还原剂流量

如实施例1的步骤二的2和3所述，利用本发明的自动调控氧化还原电位的装置调节通入体系的空气/氮气流量来调节ORP，当气体流量达到2L·L·min^-1时，达到气体流量阙值，此时会自动启动控制氧化剂和/或还原剂的流速来自动调控ORP。

本实施例中菌株为丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum)CGMCC №.2287(保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心。中国专利：200810102673.2)。

实施例中，丁醇浓度检测方法为高效液相色谱法。样品前处理方法为：12000rpm离心1min，取上清液，用0.22μm滤膜过滤。色谱条件为：Agilent 1200液相色谱仪，示差检测器；BioRad Aminex HPX-87H有机酸柱(300*7.8mm)，柱温15℃；上样量10μl；流动相为0.05mM H₂SO₄，流速0.5ml/min。丁醇标准品购自Sigma公司(目录号：4C006217)；在如上色谱条件下标准品的保留时间为40.9分钟。

将丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum)CGMCC №.2287用RCM培养基(组成：每升培养基含葡萄糖5.0；酵母浸膏粉3.0；水解酪蛋白10.0；牛肉膏10.0；淀粉10.0；氯化钠5.0；醋酸钠3.0；pH 6.8)于37℃温箱中静置培养至对数期，作为发酵种子液。将上述获得的发酵种子液按照体积百分比为5％的量接种到装有3LCGM培养基(培养基组成：每升培养基含KH₂PO₄，0.75g；K₂HPO₄·3H₂O，0.75g；MgSO₄·7H₂O，0.4g；MnSO₄·H₂O，0.01g；FeSO₄·7H₂O，0.01g；NaCl，1.0g；yeast extract，5.0g；(NH4)₂SO₄，2.0g；glucose，70g)的7L发酵罐中进行发酵，发酵温度为37℃，利用本发明的自动调控氧化还原电位的装置调节通入体系的空气/氮气流量，发酵体系氧化还原电位(ORP)设定为-325mV。对照方案(Control)不调控ORP。

本实施例中，不控制ORP的对照方案中发酵过程ORP波动很大(如附图6所示)，而利用本发明的装置能够很好的将发酵过程的ORP水平控制在要求的范围内，且误差精度在±5mV以内，能够很好的满足实验的要求。同时由于ORP的控制，丙酮丁醇梭菌发酵后期消耗葡萄糖和产生丁醇的速率均高于不控制ORP的对照方案(图7)。

另外，本实施例中，不控制ORP的对照方案中发酵40h后ORP较快速上升(图6)，对应图7中丁醇产生速率明显下降；60h后ORP上升速度加快(图6)，对应图7中丁醇浓度不再变化。这说明发酵体系的ORP可以用来指示发酵进程，直观地反映出丁醇合成情况。

实施例5：利用实施例1的自动调控氧化还原电位的装置监测染菌后发酵体系氧化还原电位变化

如实施例1所述，本发明的自动调控氧化还原电位的装置可以在线监测并自动记录所测体系的ORP变化，采集和记录数据，生成自动报表，该报表可以以excel格式打开，供用户调用，用户可以查看实时和历史数据。

本实例以Klebsiella oxytoca ATCC 43165为初始菌种，在如实施例2所述的厌氧条件下进行培养，在12h接种E.coli Top10菌株，模拟染菌的情况。利用实施例1的自动调控氧化还原电位的装置监测染菌后发酵体系氧化还原电位变化，并与未接种E.coli Top10的历史曲线进行对比。

本实施例中，接种E.coli后，发酵体系ORP水平逐渐偏离未接种E.coli的历史曲线(图8)。这说明用该发明的装置可以在不进行其它检测的情况下，在线指示发酵过程是否染杂菌。

Claims (10)

1.一种自动调控氧化还原电位的装置，其特征在于，它包括全少一个发酵罐、用于测定所述发酵罐内氧化还原电位的ORP电极、接收所述ORP电极的信号并将所述ORP电极的信号与用户预定信号值或信号区间值比较而产生一控制信号的中央处理器、接收所述中央处理器的控制信号并据所述控制信号控制通向所述发酵罐的气体流速的气体流量控制器；

所述ORP电极与所述中央处理器之间设置有转换所述ORP电极的信号为标准信号的信号标准化转换器和将所述标准信号转换为所述中央处理器能接收的数字信号的第一I/O模块；

所述中央处理器与所述气体流量控制器之间设置一将所述中央处理器的控制信号转化为所述气体流量控制器能接收的电信号的第二I/O模块。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述气体流量控制器是控制空气、氧气和/或氮气流速的电信号控制脉冲阀门。

3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于：

所述中央处理器接收所述ORP电极的信号并将所述ORP电极的信号与用户预定信号值或信号区间值比较而产生另一控制信号；所述装置还包括接收所述中央处理器的另一控制信号并据所述另一控制信号控制通向所述发酵罐的氧化剂和/或还原剂的流速的液体流量控制器；所述第二I/O模块将所述中央处理器的另一控制信号转化为所述液体流量控制器能接收的电信号。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于：所述液体流量控制器为蠕动泵。

5.一种利用权利要求1-4中任一所述的装置进行检测发酵体系是否染菌的方法，包括如下步骤：

1)用所述ORP电极测定所述发酵罐内的氧化还原电位，得到ORP电极信号；

2)将步骤1)的ORP电极信号转换为标准信号，将所述标准信号转换为数字信号输送给所述中央处理器；

3)用户根据所述中央处理器所呈现的氧化还原电位判断发酵体系是否染菌。

6.一种利用权利要求1-4中任一所述的装置自动调控氧化还原电位的方法，包括如下步骤：

1)与权利要求5的步骤1)相同；

2)与权利要求5的步骤2)相同；

3)所述中央处理器将步骤2)的数字信号和用户设定的信号值或信号区间值进行比较，产生控制信号；

4)将步骤3)的控制信号转换为电信号后输送给气体流量控制器；

5)所述气体流量控制器根据步骤4)中的电信号控制通向所述发酵体系的气体流速从而自动调控氧化还原电位。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：所述气体是空气、氧气和/或氮气。

8.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于：步骤3)中的控制信号是如下a)或b)或c)：

a)步骤2)的数字信号与用户设定的信号值相同或在用户设定的信号区间内，所述控制信号是维持所述气体流量控制器的状态的信号；

b)步骤2)的数字信号大于用户设定的信号值或大于所述用户设定的信号区间的上限值，所述控制信号是启动所述气体流量控制器来降低空气或氧气的流速或者增加氮气的流速的信号；

c)步骤2)的数字信号小于用户设定的信号值或小于所述用户设定的信号区间的下限值，所述控制信号是启动所述气体流量控制器来增加空气或氧气的流速或者降低氮气的流速的信号。

9.如权利要求6-8中任一所述的方法，其特征在于：所述气体流量控制器控制气体流速达到设定的阙值，所述方法还包括步骤5)之后的启动液体流量控制器；所述启动液体流量控制器的方法包括如下步骤：

6)所述气体流量控制器控制气体流速达到设定的阙值的信号转换成数字信号输送给中央处理器，所述中央处理器据此产生针对控制通向所述发酵体系的氧化剂和/或还原剂的流速的液体流量控制器的另一控制信号；

7)将步骤6)的另一控制信号转换为电信号后输送给所述液体流量控制器；

8)所述液体流量控制器根据步骤7)的电信号控制通向所述发酵体系的氧化剂和/或还原剂的流速。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于：步骤6)中的控制信号是如下a)或b)或c)：

a)步骤2)的数字信号与用户设定的信号值相同或在用户设定的信号区间内，所述另一控制信号是维持所述液体流量控制器的状态的信号；

b)步骤2)的数字信号大于用户设定的信号值或大于所述用户设定的信号区间的上限值，所述另一控制信号是启动所述液体流量控制器来降低氧化剂的流速或者增加还原剂的流速的信号；

c)步骤2)的数字信号小于用户设定的信号值或小于所述用户设定的信号区间的下限值，所述另一控制信号是启动所述液体流量控制器来增加氧化剂的流速或者降低还原剂的流速的信号。

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