生物发酵过程的在线检测及控制

1.发酵技术

发酵技术是最贴近人们生活的技术之一，因为我们平时所用到的酵母以及所饮用的啤酒等等都是和发酵离不开的，而随着生物科学技术的不断发展，使得发酵工业逐渐的被人们重视起来。对于发酵工业来说，我们大致将其分为五个阶段，第一个阶段是在19世纪之前，当时的发酵工业还比较浅显，只是用于含有酒精的饮料和醋的生产。第二个阶段是在1900年到1940年这一时间段内，这个时候就出现了分批补料的技术，这一阶段主要是生产酵母、柠檬酸、乳酸。第三个阶段我们是按照低二次世界大战的时间而定的，因为这一阶段发酵工业的发展是根据第二次世界大战的需求，逐渐培育出来的以深层培养生产的青霉素，也是在这一阶段发酵工业有了巨大的变化，其中就包括其他不同抗生素、氨基酸的转化。第四个阶段是在20世纪60年代初期，这一时期的发酵工业普遍采用了分批培养技术和分批补料培养法。而最后一个阶段是以基因工程为基础开始的，也是从这个时候开始形成了一个新的发酵过程，比如说胰岛素的生产。从我国目前的发酵水平来看，我国的生物发酵技术不管是从工艺上，还是从自动化控制技术方面，都和其他发达国家的发酵技术有很大的差距。所以我们在对发酵工艺进行相关研究的同时，还要不断的提高发酵自动化控制技术。

2.发酵过程控制

生物的发酵过程是指在合适的培养基、温度等条件下进行的培养发酵，它会利用微生物的某种功能，运用现代的工程技术手段产生对人类有益的物质，有时会直接把微生物运用到工业化的生产技术体系之中。生物发酵的主要内容包括工业生产菌株的选择培育、发酵最佳条件的选择和控制、发酵罐的设计以及产品的分离等过程。

如果想要真正的去控制生物的发酵过程，就要先了解其特性，现阶段对微生物的认知已经逐渐进入到了分子生物学方面的研究阶段，而生物的细胞是非常复杂的，但是现在的生物技术已经将这种复杂的生物细胞变得规矩，这也是就是所说的对发酵的控制，我们曾采用控制发酵技术的氨基酸、核酸发酵的出现就是最好的体现。而我们的生物工程工作者现阶段的主要任务就是怎样更好的去调节控制发酵技术，按照经济援助将实验室当中的结果逐渐的扩大到生产规模当中，这也就是发酵工程控制的出现。

发酵工程控制主要包含了两方面的内容，一是怎样改变细胞的遗传组成以及细胞的代谢生理特征，也就是细胞的内部控制。二是包括了营养成分、细胞体以及代谢产物在内的细胞生长的物理方面、化学方面的环境控制。

3.发酵工程当中的环境控制

我们都知道微生物的发酵其实是一个非常复杂的生化反应过程，为了提高最终的效率，我们一定要保证在整个操作的过程当中始终处于一个适合微生物生长代谢的环境中，在这种环境的基础上对发酵过程的控制在进行相应的优化，从而提高发酵产品的得率，所以说生物发酵的环境是非常重要的，我们一般情况下根据发酵罐会进行一些发酵状态的控制。

3.1发酵的温度控制

微生物的发酵是需要一个非常适宜的温度才能够生长的，在生物酶动力学方面入手的话，就会知道酶的最佳活力是有一个特定的温度的，所以说微生物发酵过程的发酵温度控制方面是一个非常重要的微生物生长参数，一定进行严格的控制才可以，目前已知的影响发酵温度的因素主要有电机搅拌热、微生物发酵热、冷却水本身的温度变化等等，一些较小型的发酵罐温度控制系统是以发酵温度本省为控制参数的，冷却水流量为控制参数的简单回路控制方案，而对于一些较大型的发酵罐系统，一般采用的是发酵温度作为主回路，以冷却时系统作为主回路的附属路径的串级控制放案。

3.2发酵过程当中pH控制

pH值时微生物生长的一个环境参数，因此在发酵的过程当中要对其进行严格的控制，不然很有可能会严重的影响到微生物道谢的进行以及代谢产物的合成。我们在工业的生产中，如果发酵液的pH值较低的话，一般我们会采用加氨水的方法使pH值回升;如果偏高的话，就会在发酵之前先适当的添加一些糖来进行相应的调整，这是目前已知的方法。所以说在pH值控制的范围内，一定要控制好氨水的加入量，千万不要有过量的情况出现，我们也是为了避免一般的调节闸有泄漏的缺陷，因为之前就出现过调节闸泄漏，所以在pH值控制当中所使用的闸门是开关闸，所以在控制装置方面使用的是蠕动泵来加入适当的中和液，蠕动泵是一种体积很小的微量计，液体的流量就可以通过调节蠕动泵的转动速度来进行相应的控制。

3.3溶解氧浓度的控制

微生物的发酵还有一个重要的原料，就是氧气，这一原料的用途主要体现在耗氧型发酵道德过程当中，氧是微生物生长所必须的原料之一，如果供氧不足的话，会抑制微生物的生长和代谢，所以我们在发酵的过程当中一定要确保稳定的溶解氧浓度，目前已知的影响溶解氧浓度的主要因素有三个方面，一是供给的空气量多少，二是搅拌桨的转速，三是发酵罐自身的压力。

3.4消泡控制

在发酵之前，微生物的生长是非常快的，当加入液料之后，搅拌马达会开启，这时的空气流入量是最大的，也是在这个时候，发酵液的上浮情况是很严重的，如果不小心就会出现逃液的情况，在这种情况下，一定要及时的加入消泡剂，消泡剂的作用是减少泡沫的出现，防止发酵液上浮的。我们通常会采取双位式的控制方法，所谓的双位式，就是当发酵液的液面高度超过规定的高度时，会自动打开消泡剂的阀门，当发酵液的液面高度低于规定高度时，会自动关闭消泡剂阀门。目前这一方法是最为有效的。