发酵过程的参数检测-发酵工艺过程控制

发酵过程参数的测定是进行发酵过程控制的重要依据。通过各种参数的检测，对生产过程进行定性和定量地描述，以期达到对发酵过程进行有效控制的目的。

发酵过程参数的检测形式分为原位检测、在线检测、离线检测三种。

原位检测通过安装在发酵罐内的原位传感器直接与发酵液接触进行测量，对发酵过程不发生影响，常用于ph、溶解氧、罐压的测量。

在线检测是利用连续的取样系统与相关的分析器连接，取得测量信号的参数测定方法，常用的分析器有各种传感器，如ph、溶解氧、温度、液位、泡沫等电，尾气分析仪，流动注射分析系统（FIA）和高效液相色谱（hpLC）系统等。

离线检测是指在定的时间内离散取样，采用常规的化学分析和自动的分析系统，在发酵罐外进行样品的处理和分析测量，如分光光度法、电位分析法、重量法、气相色谱（GC）法等。目前，除了温度、压力、ph、溶解氧、尾气等参数可利用自动检测系统进行在线检测外，多数化学和生物参数仍需通过定时取样方法离线检测，如发酵液中的基质（糖、脂质、盐等）、前体和代谢产物（抗生素、酶、有机酸和氨基酸等）以及菌量的监测主要还是依赖人工取样，然后在罐外进行分析。

发酵过程中可根据产品特点和可能条件，有选择地检测部分参数。

在线测量有许多优点，主要是及时、省力，且可使操作者从繁琐操作中解脱出来，便于用计算机控制。但其应用还受到诸多因素的限制：例如发酵液的性质复杂和培养过程的严密性要求；菌体或培养基等固体物易附着在传感器表面，从而影响其性能；罐内气泡对测量的干扰；培养基和有关设备需高压蒸汽灭菌。因此，用于微生物发酵参数原位或在线检测的传感器除了必须耐高温高压蒸汽反复灭菌外，还要避免探头表面被微生物堵塞导致测量失败的危险。现已发明了探头可伸缩的适合于大规模生产的装置。这样，探头可以随时拉出，经重新校正和灭菌，然后再推进去而不会影响发酵罐的无菌状况。比较有价值的状态参数检测是尾气分析和空气流量的在线测量。

用不分光红外和热磁氧分析仪可分别测定尾气中二氧化碳和氧气的含量。也可以用种快速、不连续、能同时测定多种组分的质谱仪进行检测。尾气在线分析能及时反映生产菌的生长及代谢状况，通过尾气分析可以判断菌种发酵过程，摄氧率（OUR）、二氧化碳生成率（CER）和呼吸熵（RQ）等参数的变化都不样。以面包酵母补料分批发酵为例，有两种主要原因导致乙醇的形成，即培养基中基质浓度过高或溶解氧的不足都会形成乙醇。当乙醇产生时，CER升高，OUR维持不变，RQ也会增加。因此，通过应用尾气分析即可控制面包酵母分批发酵的效果。

直接状态参数能直接反映发酵过程中微生物生理代谢状况；间接状态参数更能反映发酵过程的整体状况，尤其能提供从生长向生产过渡或主要基质间的代谢过渡指标。

综合各种状态变量，可以了解过程状态、反应速率、设备性能、设备利用效率等信息，以便及时做出调整。如ph变化受系统反馈控制，也同时受到代谢变化及溶解氧控制操作的综合影响。又如，从冷却水的流量和测得的温度可以准确计算大规模发酵时发酵罐的总热负荷和热传质系数，而热传质系数的变化能反映黏度增加和积垢问题。