摘 要：生物發(fā)酵工程是與人們生活息息相關的一種技術體系，包括工業(yè)生產(chǎn)菌株選育、生化反應器設計、最佳發(fā)酵條件的選擇及控制等過程。實質(zhì)上，生物發(fā)酵工程是生物與化學進行有機結(jié)合的一個反應過程，只有對該反應實現(xiàn)合理的在線監(jiān)測與控制，才能更科學地認識生物發(fā)酵的整個過程，為研究生物新陳代謝提供可靠的依據(jù)。鑒于此，文章主要對生物發(fā)酵過程的在線監(jiān)測及控制技術等相關問題進行探討。

關鍵詞：生物發(fā)酵；在線檢測技術；控制技術；進展

生物發(fā)酵技術和我們的日常生活緊密相關，生活中隨處可見發(fā)酵技術，如味精、啤酒、洗滌劑等。隨著生物技術的快速發(fā)展，為人類利用與改造生命活動提供了更多的新手段，為解決資源與安全、糧食安全、能源安全等問題提供了新的選擇。近年來，生化工業(yè)進入蓬勃發(fā)展時期，這使得藥物生產(chǎn)、污水處理、酶制劑等行業(yè)也取得了較快發(fā)展，進而又對發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生影響，如生化工程在線檢測、監(jiān)督檢測、自動化控制等問題，是當前發(fā)酵工程必須面臨的問題。以下主要對生物發(fā)酵過程的相關事項進行分析。

1 生物發(fā)酵工程概述

生物發(fā)酵工程的概念較多，現(xiàn)代意義上關于生物發(fā)酵工程的理解為：在合適的pH酸堿度值、陽光照射度、培養(yǎng)基等條件上，利用微生物的一些特點，并借助一些現(xiàn)代工程技術對微生物進行生產(chǎn)，從而培育出一些能夠滿足人類進行生產(chǎn)活動的物質(zhì)，或是將微生物用于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的一種技術體系[1]。

現(xiàn)階段，微生物發(fā)酵工程面臨的一大問題是自動化控制問題。為了順利解決該難題，首先應對微生物的不同特點有充足的了解。在科學技術快速發(fā)展的背景下，人們了解微生物的方式已經(jīng)發(fā)生了改變，已經(jīng)由原來的借助微生物形態(tài)進行表面認識，轉(zhuǎn)變?yōu)閷碗s生物學與細胞調(diào)節(jié)等方面。然而，微生物細胞較復雜，這使得生物發(fā)酵工程也變成了一類重復性差、高度非線性、慢性變、復雜的生化過程。因此，在研究過程中，不可僅從表面對生物發(fā)酵過程進行分析，而根據(jù)檢測得到的過程參數(shù)對生化發(fā)酵過程進行詳細分析。一般來說，檢測的過程參數(shù)主要包括物理參數(shù)、生物參數(shù)與化學參數(shù)這幾類。

2 發(fā)酵過程在線檢測的重要指標

生物發(fā)酵過程的在線檢測，往往涉及一些重要指標，常見的主要包括以下這幾個重要指標：溫度，可用于判斷微生物維持生長時間，多采用PT100方法測試；空氣流量，用于排泄廢氣或供氧，采用渦街流量計測試；罐壓，用于增加DO或維持正壓，使用數(shù)顯壓力表測試；pH，用于范穎細胞的代謝途徑，使用pH電極測試；體積，用于反映操作的穩(wěn)定性，使用差壓變送器測試；溶氧，用于反映供氧情況，使用溶氧電極測試[2]。

在對發(fā)酵過程進行在線檢測時，一般是用專門的傳感器放到發(fā)酵系統(tǒng)中，然后傳遞出發(fā)酵的相關信息，為開展發(fā)酵控制工作提供有用的依據(jù)。因為微生物培養(yǎng)過程屬于一個純培養(yǎng)的過程，要求有很好的無菌環(huán)境，故要求傳感器應滿足以下幾種情況：（1）如果是插入罐內(nèi)的傳感器，應具備經(jīng)受高壓蒸汽滅菌的能力；（2）具有穩(wěn)定的性能，受氣泡的影響較小；（3）結(jié)構不可有滅菌不透的死角，以免被細菌污染；（4）在測量參數(shù)方面，應具有較高的敏感性，且可轉(zhuǎn)換為電信號。

3 生物發(fā)酵過程的在線檢測與控制技術進展分析

微生物發(fā)酵過程屬于一種生化反應過程，主要是為了促進最終產(chǎn)物利用率的提升，確保微生物生長環(huán)境的舒適度。在舒適、適宜的環(huán)境中，有利于微生物進行有效的生長代謝，并能實現(xiàn)對微生物發(fā)酵過程的在線檢測與控制，從而提升微生物發(fā)酵產(chǎn)品的利用率，發(fā)揮其最大作用[3]。具體來說，主要包括以下幾個方面。

（1）電機攪拌熱、冷卻水溫度、微生物發(fā)酵熱等因素，均可能影響發(fā)酵的溫度。此外，發(fā)酵罐體積大小，也會在一定程度上影響發(fā)酵溫度的控制。如果發(fā)酵罐的體積較大，往往會采用冷卻水或發(fā)酵溫度為主回路的串級控制方式；如果是體積較小的發(fā)酵罐，多采用冷卻水流量、發(fā)酵溫度為主的簡單回路控制方式。

（2）在微生物發(fā)酵過程中，生物發(fā)酵也會受溶解氧濃度的控制情況影響。然而，現(xiàn)階段國內(nèi)對該方面的研究較少，僅限于了解到哪些因素會對溶解氧濃度產(chǎn)生影響。目前，影響溶解氧濃度的因素主要有：供給的空氣量、發(fā)酵罐本身的壓力、攪拌槳的轉(zhuǎn)速及形狀。

（3）在微生物發(fā)酵過程，pH酸堿度值也是影響在線檢測與控制的一個重要因素[4]。若pH酸堿度值過高或過低，微生物的生成及代謝過程都會發(fā)生變化，故必須保證酸堿度值得合適。若發(fā)酵液的酸堿度為強酸性，可通過加氧水的方法弱化其酸性；若發(fā)酵液濃度為強堿性，可通過加糖的方式弱化其堿性，調(diào)節(jié)發(fā)酵液的酸堿度，直至合適。

（4）消泡控制也是影響生物發(fā)酵工程的一個重要因素。發(fā)酵前，微生物的生長往往較旺盛，而此時若加滿液料，并將攪拌槳馬達最大速度啟動，空氣通入量也加到最大，很容易導致發(fā)酵液上浮的現(xiàn)象，最終發(fā)生逃液現(xiàn)象。若發(fā)生該類情況，一般會采用雙位式控制方法進行處理，可取得較好的效果。

（5）在生物發(fā)酵過程中，補料控制也是影響發(fā)酵的一個重要因素。在發(fā)酵的進行狀態(tài)中，微生物生成代謝也會在半連續(xù)式發(fā)酵過程的變化情況下發(fā)生相應的改變。所以，在這過程中，應該連續(xù)不斷地為生物補充營養(yǎng)成分，保證微生物能夠按優(yōu)生物軌跡生長，才能促進微生物代謝產(chǎn)物產(chǎn)量的提升。

4 發(fā)酵過程中對參數(shù)進行在線檢測的意義

在生物發(fā)酵過程進行檢測與控制，最終目的是用最少的原料，獲得最大化的所需產(chǎn)物。在生物的發(fā)酵過程中，在線檢測與控制技術的水平如何，不但會對菌種的最大生產(chǎn)能力產(chǎn)生直接影響，還會對下游處理難易程度也產(chǎn)生影響，是一項承上啟下的技術。

不同于物理、化學反應，生物過程反應速度相對較慢，反應物質(zhì)、產(chǎn)物濃度等的轉(zhuǎn)化率也不高。若要解決上述問題，工業(yè)微生物學通常是從兩個方面入手：（1）正確選育或改良菌種，提高發(fā)酵菌種的優(yōu)良性；（2）對培養(yǎng)條件進行合理控制，為生產(chǎn)出更好的目標產(chǎn)物創(chuàng)造條件。從某種程度上看，通過控制與優(yōu)化發(fā)酵過程，能夠?qū)⑸镞^程較好地控制在一種優(yōu)化的操作環(huán)境或條件下，被認為是促進生產(chǎn)力提升的有效措施或捷徑之一，具有非常重要的意義。因此，在發(fā)酵過程中，相關人員必須重視對發(fā)酵過程的線檢測與控制，力將發(fā)酵環(huán)境或操作條件控制在一個較理想的狀態(tài)下，為進一步提升生產(chǎn)水平提供強大的技術支持。

5 結(jié)束語

總而言之，生物發(fā)酵工程是一個復雜、技術要求高的反應過程，與我們?nèi)粘Ｉ钕⑾⑾嚓P。在生物發(fā)酵過程中，會受多種因素影響，進而影響到產(chǎn)品的質(zhì)量及使用率，無法發(fā)揮產(chǎn)品的最大作用。因此，對在生物發(fā)酵過程中，采用在線檢測與控制技術進一步提升微生物的代謝產(chǎn)物產(chǎn)量具有積極的意義。

參考文獻

[1]鄧昕.淺談發(fā)酵過程參數(shù)的在線監(jiān)測及自動控制[J].江西化工，2014（3）：186-187.

[2]周萬里，張金玲，朱思榮，等.基于生物參數(shù)在線檢測的谷氨酸發(fā)酵動力學研究[J].食品與機械，2014（6）：14-17.

[3]瞿亮，任路靜，黃和.裂殖壺菌發(fā)酵產(chǎn)DHA過程呼吸參數(shù)的在線檢測分析[J].生物加工過程，2013，11（6）：58-62.

[4]王萍，王澤建，張嗣良.生理代謝參數(shù)RQ在指導發(fā)酵過程優(yōu)化中的應用[J].中國生物工程雜志，2013，33（2）：88-95.