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發(fā)酵過程的參數(shù)檢測(cè)-發(fā)酵工藝過程控制

發(fā)酵過程參數(shù)的測(cè)定是進(jìn)行發(fā)酵過程控制的重要依據(jù)。通過各種參數(shù)的檢測(cè)，對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行定性和定量地描述，以期達(dá)到對(duì)發(fā)酵過程進(jìn)行有效控制的目的。

發(fā)酵過程參數(shù)的檢測(cè)形式分為原位檢測(cè)、在線檢測(cè)、離線檢測(cè)三種。

原位檢測(cè)通過安裝在發(fā)酵罐內(nèi)的原位傳感器直接與發(fā)酵液接觸進(jìn)行測(cè)量，對(duì)發(fā)酵過程不發(fā)生影響，常用于ph、溶解氧、罐壓的測(cè)量。

在線檢測(cè)是利用連續(xù)的取樣系統(tǒng)與相關(guān)的分析器連接，取得測(cè)量信號(hào)的參數(shù)測(cè)定方法，常用的分析器有各種傳感器，如ph、溶解氧、溫度、液位、泡沫等電，尾氣分析儀，流動(dòng)注射分析系統(tǒng)（FIA）和高效液相色譜（hpLC）系統(tǒng)等。

離線檢測(cè)是指在定的時(shí)間內(nèi)離散取樣，采用常規(guī)的化學(xué)分析和自動(dòng)的分析系統(tǒng)，在發(fā)酵罐外進(jìn)行樣品的處理和分析測(cè)量，如分光光度法、電位分析法、重量法、氣相色譜（GC）法等。目前，除了溫度、壓力、ph、溶解氧、尾氣等參數(shù)可利用自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行在線檢測(cè)外，多數(shù)化學(xué)和生物參數(shù)仍需通過定時(shí)取樣方法離線檢測(cè)，如發(fā)酵液中的基質(zhì)（糖、脂質(zhì)、鹽等）、前體和代謝產(chǎn)物（抗生素、酶、有機(jī)酸和氨基酸等）以及菌量的監(jiān)測(cè)主要還是依賴人工取樣，然后在罐外進(jìn)行分析。

發(fā)酵過程中可根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)和可能條件，有選擇地檢測(cè)部分參數(shù)。

在線測(cè)量有許多優(yōu)點(diǎn)，主要是及時(shí)、省力，且可使操作者從繁瑣操作中解脫出來，便于用計(jì)算機(jī)控制。但其應(yīng)用還受到諸多因素的限制：例如發(fā)酵液的性質(zhì)復(fù)雜和培養(yǎng)過程的嚴(yán)密性要求；菌體或培養(yǎng)基等固體物易附著在傳感器表面，從而影響其性能；罐內(nèi)氣泡對(duì)測(cè)量的干擾；培養(yǎng)基和有關(guān)設(shè)備需高壓蒸汽滅菌。因此，用于微生物發(fā)酵參數(shù)原位或在線檢測(cè)的傳感器除了必須耐高溫高壓蒸汽反復(fù)滅菌外，還要避免探頭表面被微生物堵塞導(dǎo)致測(cè)量失敗的危險(xiǎn)?，F(xiàn)已發(fā)明了探頭可伸縮的適合于大規(guī)模生產(chǎn)的裝置。這樣，探頭可以隨時(shí)拉出，經(jīng)重新校正和滅菌，然后再推進(jìn)去而不會(huì)影響發(fā)酵罐的無菌狀況。比較有價(jià)值的狀態(tài)參數(shù)檢測(cè)是尾氣分析和空氣流量的在線測(cè)量。

用不分光紅外和熱磁氧分析儀可分別測(cè)定尾氣中二氧化碳和氧氣的含量。也可以用種快速、不連續(xù)、能同時(shí)測(cè)定多種組分的質(zhì)譜儀進(jìn)行檢測(cè)。尾氣在線分析能及時(shí)反映生產(chǎn)菌的生長(zhǎng)及代謝狀況，通過尾氣分析可以判斷菌種發(fā)酵過程，攝氧率（OUR）、二氧化碳生成率（CER）和呼吸熵（RQ）等參數(shù)的變化都不樣。以面包酵母補(bǔ)料分批發(fā)酵為例，有兩種主要原因?qū)е乱掖嫉男纬?，即培養(yǎng)基中基質(zhì)濃度過高或溶解氧的不足都會(huì)形成乙醇。當(dāng)乙醇產(chǎn)生時(shí)，CER升高，OUR維持不變，RQ也會(huì)增加。因此，通過應(yīng)用尾氣分析即可控制面包酵母分批發(fā)酵的效果。

直接狀態(tài)參數(shù)能直接反映發(fā)酵過程中微生物生理代謝狀況；間接狀態(tài)參數(shù)更能反映發(fā)酵過程的整體狀況，尤其能提供從生長(zhǎng)向生產(chǎn)過渡或主要基質(zhì)間的代謝過渡指標(biāo)。

綜合各種狀態(tài)變量，可以了解過程狀態(tài)、反應(yīng)速率、設(shè)備性能、設(shè)備利用效率等信息，以便及時(shí)做出調(diào)整。如ph變化受系統(tǒng)反饋控制，也同時(shí)受到代謝變化及溶解氧控制操作的綜合影響。又如，從冷卻水的流量和測(cè)得的溫度可以準(zhǔn)確計(jì)算大規(guī)模發(fā)酵時(shí)發(fā)酵罐的總熱負(fù)荷和熱傳質(zhì)系數(shù)，而熱傳質(zhì)系數(shù)的變化能反映黏度增加和積垢問題。