生物發酵過程的在線檢測及控制的技術進展

摘要：生物發酵工程是指在合適的PH酸堿度值、陽光照射度、培養基、通氣量、攪拌等條件下，對生物進行培養發酵，利用微生物的一些特點，使用現代的工程技術對微生物進行生產，培育出對人類有用的物質，也可以將微生物適用于工業生產的技術體系。這種生物發酵工程的主要內容是工業生產菌株的選育、最佳發酵條件的選擇與控制、生化反應器（發酵罐）的設計和產品的分離、提取和精制等過程。生物發酵工程是生物及化學相結合的反應過程，要對這種反應進行合理的在線檢測以及控制，才可以認識生物發酵的全過程，這對于研究生物的新陳代謝有著重要的意義。本文對生物發酵過程進行在線檢測及控制，探究生物發酵技術的發展過程。

關鍵詞：生物發酵過程 在線檢測 控制 技術進展

中圖分類號： TQ920 文獻標識碼：A 文章編號1672-3791（2015）05（a）-0000-00

生物發酵的技術與我們平時的生活息息相關，我們日常的生活中每時每刻都有發酵技術的存在，比如我們喝的啤酒、用的味精、抗生素、加酶洗滌劑等等，這些物品的產生都離不開發酵技術。隨著近幾十年來生物技術的蓬勃發展，為人類利用和改造生命活動提供了新手段，為更好地解決當今世界經濟社會發展所面臨的人口健康、糧食安全、能源安全、資源與環境安全等重大問題提供了新的途徑。

生化工業的發展，不斷引起各國領導的關注，生化反應器的體積也隨之不斷發生變化，帶動了藥物的生產、酶制劑、污水處理以及飼料添加劑等各方面的不斷發展。生化工業的發展，影響了發酵工業的發展，從而產生了許多問題，例如對于生化工程的在線檢測、自動化控制方式、監督檢測等等，這些問題如今成為了生化工業在發展過程中所要面對的重要問題。與目前國外其他的先進現代技術相比，我國的生物發酵技術還處在一個低級的水平，例如在生物發酵的自動化控制技術、發酵工藝方面等等都落后于國外的生物發酵技術。因此，我國要加強生物發酵技術的發展，提高生化技術的控制力度。

1現代意義上的生物發酵過程

生物發酵過程有許多不同的概念，而現代意義上的生物發酵過程是指在合適的陽光照射度、PH酸堿度值、培養基等條件下對生物進行培養發酵，利用微生物的一些特點，使用現代的工程技術對微生物進行生產，培育出對人類有用的物質，也可以將微生物適用于工業生產的技術體系。生物發酵過程面臨著自動化控制的難題，為了解決這個難題，首先我們就要了解那些微生物所擁有的不同特點。隨著我國科學技術的發展，我們對微生物的了解過程已經發生了變化，不再是憑借微生物形態來進行的表面認識，而是隨著生化工程的發展，已經著重研究復雜的生物學和微生物細胞的調節方面。而微生物細胞具有復雜性的特點，因此，生物發酵工程是一類高度非線性、慢時變、重復性較差的復雜生化過程，我們在研究時就不能只是從表面分析生物發酵過程，而是要檢測的過程參數來詳細分析生物發酵過程。檢測的過程參數主要有三種分類，一種是物理參數，一種是化學參數，還有一種是生物參數。

2生物發酵的在線檢測及控制

微生物的發酵過程是一種為了提高最終產物的利用率，保證微生物生長環境的舒適度的一種生化反應過程。微生物生長環境的舒適度要適宜微生物的生長代謝，然后對生物發酵過程進行在線檢測和控制，這樣的作用是可以提高生物發酵的產品的使用效率，使其作用發揮到最大化。

1、發酵溫度的控制，影響發酵溫度的因素主要有電機攪拌熱、微生物發酵熱、冷卻水的溫度的變化等等，同時，發酵罐的體積大小也對發酵溫度的控制有一定的影響。例如體積大的發酵罐主要采用發酵溫度、冷卻水系統為主回路的附屬路徑的串級控制方式；而小型的發酵罐由于體積較小，主要采用以發酵溫度為主，冷卻水流量為控制參數的簡單回路的方式。

2、生物在發酵過程中，一定要控制PH酸堿度值，使用合適的酸堿度值，否則會影響微生物的生成和代謝過程。如果發現發酵液的酸堿度偏酸性，可以加氧水來弱化酸性；如果酸堿度偏堿性，可以加糖來弱化堿性，使得酸堿度適中。

3、在生物發酵過程中，溶解氧濃度控制也影響著生物的發酵，但是目前國內對于這方面的研究特別少，只知道影響溶解氧濃度的因素主要有三方面，一種是發酵罐自身的壓力，一種是供給的空氣量，還有一種是攪拌槳的形狀和轉速。

4、在生物發酵過程中，消泡控制也是影響因素。在發酵之前，微生物通常生長的比較旺盛，這時加入加入液料滿載，全速啟動攪拌槳的馬達，將空氣通入量開到最大，發酵液就會很快上浮，很容易發生逃液現象。在這種情況下，通常會采用雙位式的控制方法，目前這一方法是最為有效的。

5、在生物發酵過程中，還有一項因素也會影響發酵，就是補料控制。隨著發酵過程的進行，微生物的生成代謝也會隨著半連續式發酵過程的發展而發生變化，因此，在發酵過程中要連續不斷的給生物補充營養成分，使得微生物按照優化生物的軌跡生長，來提高微生物代謝產物的質量。

3總結

為了生物發酵工藝不斷發展與完善，與之相關的系統也在不斷地進行著變化，不斷優化。生物發酵控制器從控制系統的硬件方面來看主要有三種形式：一種是可編程控制器PLC，這種PLC是在1960年后開始應用于發酵工業中，一經應用，便使得自動化發酵過程成為現實，并且在目前，這種控制器還在廣泛使用；另一種是PC計算機，這種計算機最早是由德國貝朗公司在1982年發現的，最早使用于生物發酵控制系統；還有一種是傳統單片機，可以對發酵過程的PH酸堿度值、溫度進行實時在線檢測及控制。

作為任何生物工程的核心——生物反應器國內起步較晚，控制系統設計主要依賴于經驗，缺乏系統性的工業級研究與設計，國內大部分市場被國外公司占領。因此，對生物發酵過程的檢測技術和先進控制系統設計等方面進行研究與設計，具有重要的理論意義和現實需要。發酵過程的研究，是一項工程浩大的工作，正確把握生物發酵的過程，記錄控制其發酵過程的一點一滴，對今后與其相關工作的研究會提供一定的資料與依據，使有關生物方面的研究更深入，為人類的生產生活提供更多的資源，使人類與自然能夠和諧相處，共同發展、進步。

參考文獻

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