生物发酵过程控制与检测技术浅析

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摘要：生物发酵是指为生物创造适宜的养育生长条件，使其在一定环境下进行发酵，对培育微生物的特性进行调查后选择合适的生物技术将微生物通过一系列代谢反应后最终转化为所需产物。一般来说，应给予微生物适宜的光照条件、pH值、养分浓度、通气条件等，使得代谢过程较为充分，获得产物性质优良。目前，微生物发酵的应用范围愈加广泛，除传统工业、农业外，食品、制药、酿酒等行业利用发酵技术获得新产品。文章主要对生物发酵过程进行阐述，并简要分析影响发酵过程的因素和生物在线检测技术。

关键词：生物发酵过程；发酵因素控制；在线检测技术

生物发酵技术已逐渐渗透至人们日常生活中，如制药行业生产的抗生素，食品行业的酸奶、啤酒、鸡精等，均是生物发酵代谢所得的产物。近年来，生物工程的发展为人们提供了新的生活方式，通过保护人体健康、提高粮食产量、维护食品安全、保护环境与资源发展等方面来维持社会的和谐发展。由于我国生物技术研发进程较慢，因此目前在生物发酵方面的自动化控制、发酵技术控制等落后于其他的发达国家。因此，应重视提高发酵技术水平，对发酵过程进行分析并把控可能影响发酵的因素，提高我国生化技术的研究水平和控制力度。

1现代意义上的生物发酵过程

生物发酵既定意义有所不同，根据现代生物技术而言，生物发酵是指帮助微生物创造适合生长繁殖的条件，如合适的阳光照射强度、pH值、含氧量、培养基养分等对生物进行培养发酵。现代工程技术融合发酵技术能够提供新的生物发酵和产品研发途径，培养出优质产物，因此，在工业生产领域中应用广泛。生物发酵过程会受多种外界因素影响导致微生物所需培养条件数值变化较大，如何在培养过程中自动控制变量因素使培养皿中微生物生长环境处于平衡状态是目前有待研究的课题，即在发酵过程中融入自动化控制技术来保障微生物的良好生存条件。该课题的研究应从了解不同类型微生物特点和构造开始，随着科技的进步与发展，研究者对微生物的了解过程从观察表面变化状态到研究微生物的结构与细胞代谢。微生物组成细胞较为复杂，因此生物发酵过程是一项时间较长、变化较慢、重复性较差的生物变化生长过程，在研究生物发酵过程中不可以表面形态和体积等来判断，而应测定发酵过程中的参数来分析生长过程中环境的变化及生物自身变化进行详细分析。我们对微生物的了解过程已经发生了变化，不再是凭借微生物形态来进行的表面认识，而是随着生化工程的发展，已经开始着重研究复杂的生物学和微生物细胞的调节方面。微生物细胞具有复杂性的特点，因此，生物发酵工程是一类高度非线性、慢时变、重复性较差的复杂生化过程，我们在研究时就不能只是从表面分析生物发酵过程，而是使用检测的过程参数来详细分析生物发酵过程。检测过程中包含的参数一般为体积、pH值、溶氧情况等，涉及到化学、物理、生物三个方面。而对于工业发酵方面来说，发酵工程的首要任务是选择适宜菌种进行培养繁殖，同时还应保持最佳生长条件和参数控制、发酵罐的选择与微生物的接种、分离提纯等。生物工程的发展对人们生活影响较大，随着研究的进展，生物工程研究结果逐渐引起世界各国领导的关注，发酵罐的结构、体积等根据不同的反应过程有所变化，生物工程的发展使得医药行业、食品行业、环保行业的进步。生物工程的发展同时推动着发酵工程，对于发酵过程的检测和控制成为当下有待研究的课题，例如发酵在线检测、自动化控制等。

2生物发酵的在线检测及控制

微生物发酵过程的实质是为了提高最终微生物的发酵产量及利用率，给予微生物适宜的生长环境使其有良好的反应过程。良好的发酵环境需根据微生物特点制定，适宜微生物生长及代谢，进而对发酵过程中各参数的变化进行检测和控制，提高其发酵代谢效率。

2.1控制发酵温度

微生物的生长需要在适宜的环境温度下进行，影响发酵过程温度变化的因素主要有搅拌过程产热、发酵过程产热、冷却水系统等，此外，生物反应器的体积大小可能会影响温度数值的变化。如体积较大的生物反应器使用以发酵温度、冷却水系统为主回路的附属路径串级控制；体积较小的生物反应器使用以发酵温度为主、冷却水系统流量为控制参数变化回路的控制方式。

2.2控制pH值

微生物发酵过程中，控制酸碱度变化能保障其发酵过程产物利用率的提升，适宜的pH值能为微生物创造良好生长环境，同时若数值控制不当会影响微生物的生长及代谢过程，若菌液的pH值过低，可加氧水来提高pH数值；若pH值偏高，可加糖来降低pH数值，保持稳定的pH值。

2.3溶解氧浓度的影响

在发酵过程中，溶解氧浓度对发酵效果具有一定影响，但目前我国对于发酵过程中溶解氧浓度的相关研究较少，影响溶解氧浓度的因素：生物反应器自身承载压力；发酵过程中供给空气量；搅拌电机的转速与桨叶大小。可通过采取一定措施来改变发酵过程中溶氧浓度效果，见表1。

2.4消泡控制措施

微生物发酵过程中，需消除搅拌通气产生的泡沫，除此之外，若培养基中营养浓度较大，黏度较高也会产生大量泡沫。在发酵前微生物生长速度较快，加入发酵液进行搅拌时会因产生大量泡沫使得液面上升，可采用双位控制法消除多余泡沫。

2.5补料控制

补料控制是指在发酵过程中适当给微生物补充营养成分，随着微生物发酵时间持续，在该时间段内发酵罐中养分不断被吸收用于代谢生长，代谢生长过程随发酵过程而变化，通过不断为微生物提供养分，使其保持良好生长状态，按照预定生长计划进行繁殖，提高代谢产物的利用率。

2.6发酵系统多尺度分析

根据红霉素发酵工艺优化过程进行分析，研究整个发酵系统多尺度的主要影响因素及应用。生物细胞的基因尺度决定细胞尺度，通过对生物反应器发酵过程中的操作变量控制，如加热、加碳源、加氮源、搅拌、通气等，改变生物反应器中的生长环境，环境变量以信号传导的方式影响微生物的基因尺度，通过分析环境变量的动态因子变化，其结果将直接影响微生物细胞尺度。该发酵系统分析了局部与整体的联系，分析某过程变化对于最终结果的影响，解决发酵过程中控制局部变量实现整体的协调作用。

2.7酵母菌发酵案例分析

以酵母菌摇瓶培养案例为例分析酵母菌发酵过程中各项参数的变化情况。啤酒、面包、酸奶等食物的研发与酵母菌息息相关，为更好掌握酵母菌生长情况，应对各项数值进行测试记录。经由48h的平板涂布培养后，分离菌种进行单独扩大培养，每隔3h记录酵母菌溶液中pH值、菌液浓度、吸光度等参数，结果见表2。表2扩培过程各参数变化数值在实验过程中，摇瓶操作会产生一定泡沫，可以适当降低转速来减少泡沫的产生，避免影响实验结果。通过表2可知，酵母菌在发酵过程经历四个时间阶段，即适应期、生长期、平稳期、死亡期，而适应期为0~3h，生长期为3~24h，平稳期为24~40h，死亡期为40~48h。随着菌体浓度的改变，pH数值在4.2~5.2之间变化，而酵母菌的适宜生长pH值为3~7.5，因此取最佳pH值为4.2~4.6。

3发酵过程在线检测的重要指标

生物发酵过程是一项生物与化学结合的反应过程，对该过程参数变化进行检测，并适当控制数值变化使其满足生长条件，能够对发酵过程全面认知，同时了解微生物的生长与代谢过程。生物发酵在线检测需重视以下指标，可从根据以下指标判断生物的整体的生长情况：第一，温度，通过环境温度的变化判断微生物生长所需要的时间，常用PT100温度传感器进行测试；第二，空气流量，测试发酵过程中空气流量，可明确微生物生长中所需氧气和排泄废气的数值，可采用涡流流量计进行数值测定；第三，发酵时罐压大小，罐压可以增加微生物发酵时溶氧的质量，或避免外部空气进入，可采用压力表进行测定；第四，pH值，用于满足微生物生长的适宜条件，同时反应微生物的代谢规律，使用pH玻璃电极传感器进行测定；第五，体积，微生物发酵过程中的体积分数变化能够反应整体发酵过程的稳定性，可采用差压变送器测定；第六，溶氧，反应微生物发酵过程中对氧气的需求度和实际供氧量，使用溶氧电极测定。对微生物发酵过程进行检测时，搜集发酵过程中重要指标的数值变化，将传感器放置于发酵重要环节并及时反应信息，为发酵测定工作提供准确数据分析。微生物培养过程需保证在无菌环境下进行，因此在接种、分离纯化、培养等阶段都应在无菌条件下操作，检测环境的传感器应满足以下条件：若传感器需插入发酵罐内部，应保持自身不携带外来菌种且耐高温灭菌；传感器对数值测试稳定准确，自身性能良好，受外界因素影响较小；传感器结构不可留有灭菌不到位的死角，防止因灭菌不彻底导致被污染；对数值变化敏感性较高。

4发酵过程中对参数进行在线检测的意义

对生物发酵过程进行检测和发酵控制的根本目的是节约培养原料，获得更优质的反应产物。在生物发酵过程中，在线检测技术和控制技术的水平高低会直接影响发酵结果，此外，若控制不到位会使得菌种的生产能力受到一定影响，使后续工作开展难度较大。生物反应与物理化学反应不同，物理化学反应速率较快且反应结果较直观，有时仅凭肉眼即可进行判断，除此之外，化学反应的物质转化率较高，新物质产出量较高。而生物反应需要较长的反应过程，且对反应环境条件要求严格，最终产出物质质量较少，即转化率较低。为了解决生物反应速率较慢、产物转化率较低的问题，应从以下两方面进行改善：第一，为生物反应选择适宜的培育菌种，在满足菌种生长环境后进行条件控制，或改良菌种品质，使菌种的生产能力提升，最终转化率相应提升。第二，合理控制培养条件。在生物发酵过程中，应对菌种的基本特性了解充分，掌握适宜其生长的有关条件，如光照强度、pH值等，严格控制生物培养条件，使最终培养产物更加优质。从最终的产出结果和产出物性质来看，控制发酵过程中的反应速度和生物生长条件，优化菌种性能可给予生物发酵良好的操作环境和空间，有助于后续微生物培养工作的开展，能够有效促进生物反应的转化率提升和菌种生产能力的提升。因此在生物发酵过程中，研究人员需采取相应的检测技术和控制技术，将整个过程控制在优质的操作环境中，并对发酵过程进行实时检测，提升生物发酵水平。

5结束语

为了提高我国生物工程研究水平，针对微生物发酵过程中可能存在的问题进行控制，完善生物发酵工艺，生物发酵系统与操作流程也随着技术的提升而不断优化。生物发酵控制器是针对微生物发酵过程进行长期控制，能够控制培养过程中的温度变化、pH值变化等影响生物发酵的关键因素，同时能对该过程进行数据采集和分析，能够对参数进行控制和调节，通过对传感器发送指令，在接受到命令后执行操作并将对应数据传输到控制系统中，最终实现数据的调控。在该过程中，控制系统可分为三种形式：其一为可编程控制器PLC，是一种可编程的内部储存器，通过执行数据储存、数据运算等操作命令，由数字形式的输出模式来把控微生物的发酵过程。PLC广泛应用于工业生产和机械设备制造，在1960年后首次被应用于生物发酵过程，解决了生物发酵过程中的自动控制难题，目前该控制手段仍然在不断使用；其二为PC计算机，该控制形式晚于PLC控制器，但在该形式的计算机诞生后立即应用于生物发酵控制系统；其三为单片机，是通过大规模集成电路将内存存储、数据处理、数据读取、计数或定时等功能集中到一块硅片上的微型计算机系统，能够对生物发酵过程中的干扰因素进行实时检测分析，并使其恢复正常数值。我国对于生物反应器研究起步较晚，作为生物工程研究的核心反应系统，生物反应器可将存在于自然界中的微生物和具有降解能力的微生物接入充满金属离子的水溶液或由同一结构、成分组成的固体集合，而该系统的主要研究功能为微生物的降解能力。据研究调查表明，生物反应器能够将污染物进行快速降解，在此过程中生物反应控制系统的流程设计主要依靠研究经验，目前我国对于此类研究案例较少，缺乏系统的理论知识体系和专业的研究设计，仍依赖外国公司进行控制系统的设计。由此，我国应不断加强对生物发酵技术的研究和对发酵过程中控制系统的设计，能够完善我国生物工程理论体系，提高我国生物技术的研究水平，同时提升相关企业的国际竞争力。对于生物发酵过程的研究仍有待完善，对发酵过程进行正确分析、解析，详细记录当中的数据变化和整体过程细节，为今后的研究提供案例参考，加大对生物发酵技术研究的资金扶持，设立专项研究经费，使有关研究顺利开展，通过科研人员的努力不断深入，为人们生活创造更多便捷条件和优质资源。

参考文献：

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作者:王伟民 单位:武汉轻工大学