淺析生物發酵過程的在線檢測及控制

1.發酵技術

發酵技術是最貼近人們生活的技術之一，因爲我們平時所用到的酵母以及所飲用的啤酒等等都是和發酵離不開的，而隨着生物科學技術的不斷髮展，使得發酵工業逐漸的被人們重視起來。對於發酵工業來說，我們大致將其分爲五個階段，第一個階段是在19世紀之前，當時的發酵工業還比較淺顯，只是用於含有酒精的飲料和醋的生產。第二個階段是在1900年到1940年這一時間段內，這個時候就出現了分批補料的技術，這一階段主要是生產酵母、檸檬酸、乳酸。第三個階段我們是按照低二次世界大戰的時間而定的，因爲這一階段發酵工業的發展是根據第二次世界大戰的需求，逐漸培育出來的以深層培養生產的青黴素，也是在這一階段發酵工業有了巨大的變化，其中就包括其他不同抗生素、氨基酸的轉化。第四個階段是在20世紀60年代初期，這一時期的發酵工業普遍採用了分批培養技術和分批補料培養法。而最後一個階段是以基因工程爲基礎開始的，也是從這個時候開始形成了一個新的發酵過程，比如說胰島素的生產。從我國目前的發酵水平來看，我國的生物發酵技術不管是從工藝上，還是從自動化控制技術方面，都和其他發達國家的發酵技術有很大的差距。所以我們在對發酵工藝進行相關研究的同時，還要不斷的提高發酵自動化控制技術。

2.發酵過程控制

生物的發酵過程是指在合適的培養基、溫度等條件下進行的培養髮酵，它會利用微生物的某種功能，運用現代的工程技術手段產生對人類有益的物質，有時會直接把微生物運用到工業化的生產技術體系之中。生物發酵的主要內容包括工業生產菌株的選擇培育、發酵最佳條件的選擇和控制、發酵罐的設計以及產品的分離等過程。

如果想要真正的去控制生物的發酵過程，就要先了解其特性，現階段對微生物的認知已經逐漸進入到了分子生物學方面的研究階段，而生物的細胞是非常複雜的，但是現在的生物技術已經將這種複雜的生物細胞變得規矩，這也是就是所說的對發酵的控制，我們曾採用控制發酵技術的氨基酸、核酸發酵的出現就是最好的體現。而我們的生物工程工作者現階段的主要任務就是怎樣更好的去調節控制發酵技術，按照經濟援助將實驗室當中的結果逐漸的擴大到生產規模當中，這也就是發酵工程控制的出現。

發酵工程控制主要包含了兩方面的內容，一是怎樣改變細胞的遺傳組成以及細胞的代謝生理特徵，也就是細胞的內部控制。二是包括了營養成分、細胞體以及代謝產物在內的細胞生長的物理方面、化學方面的環境控制。

3.發酵工程當中的環境控制

我們都知道微生物的發酵其實是一個非常複雜的`生化反應過程，爲了提高最終的效率，我們一定要保證在整個操作的過程當中始終處於一個適合微生物生長代謝的環境中，在這種環境的基礎上對發酵過程的控制在進行相應的優化，從而提高發酵產品的得率，所以說生物發酵的環境是非常重要的，我們一般情況下根據發酵罐會進行一些發酵狀態的控制。

(1)發酵的溫度控制

微生物的發酵是需要一個非常適宜的溫度才能夠生長的，在生物酶動力學方面入手的話，就會知道酶的最佳活力是有一個特定的溫度的，所以說微生物發酵過程的發酵溫度控制方面是一個非常重要的微生物生長參數，一定進行嚴格的控制纔可以，目前已知的影響發酵溫度的因素主要有電機攪拌熱、微生物發酵熱、冷卻水本身的溫度變化等等，一些較小型的發酵罐溫度控制系統是以發酵溫度本省爲控制參數的，冷卻水流量爲控制參數的簡單迴路控制方案，而對於一些較大型的發酵罐系統，一般採用的是發酵溫度作爲主迴路，以冷卻時系統作爲主迴路的附屬路徑的串級控制放案。

(2)發酵過程當中pH控制

pH值時微生物生長的一個環境參數，因此在發酵的過程當中要對其進行嚴格的控制，不然很有可能會嚴重的影響到微生物道謝的進行以及代謝產物的合成。我們在工業的生產中，如果發酵液的pH值較低的話，一般我們會採用加氨水的方法使pH值回升;如果偏高的話，就會在發酵之前先適當的添加一些糖來進行相應的調整，這是目前已知的方法。所以說在pH值控制的範圍內，一定要控制好氨水的加入量，千萬不要有過量的情況出現，我們也是爲了避免一般的調節閘有泄漏的缺陷，因爲之前就出現過調節閘泄漏，所以在pH值控制當中所使用的閘門是開關閘，所以在控制裝置方面使用的是蠕動泵來加入適當的中和液，蠕動泵是一種體積很小的微量計，液體的流量就可以通過調節蠕動泵的轉動速度來進行相應的控制。

(3)溶解氧濃度的控制

微生物的發酵還有一個重要的原料，就是氧氣，這一原料的用途主要體現在耗氧型發酵道德過程當中，氧是微生物生長所必須的原料之一，如果供氧不足的話，會抑制微生物的生長和代謝，所以我們在發酵的過程當中一定要確保穩定的溶解氧濃度，目前已知的影響溶解氧濃度的主要因素有三個方面，一是供給的空氣量多少，二是攪拌槳的轉速，三是發酵罐自身的壓力。

(4)消泡控制

在發酵之前，微生物的生長是非常快的，當加入液料之後，攪拌馬達會開啓，這時的空氣流入量是最大的，也是在這個時候，發酵液的上浮情況是很嚴重的，如果不小心就會出現逃液的情況，在這種情況下，一定要及時的加入消泡劑，消泡劑的作用是減少泡沫的出現，防止發酵液上浮的。我們通常會採取雙位式的控制方法，所謂的雙位式，就是當發酵液的液麪高度超過規定的高度時，會自動打開消泡劑的閥門，當發酵液的液麪高度低於規定高度時，會自動關閉消泡劑閥門。目前這一方法是最爲有效的。