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微生物的生長(zhǎng)代謝過(guò)程是動(dòng)態(tài)變化的，細(xì)胞不停地在于外界環(huán)境進(jìn)行著物質(zhì)交換。發(fā)酵參數(shù)可以正確地反映發(fā)酵條件和微生物代謝的變化。根據(jù)參數(shù)的性質(zhì)特點(diǎn)，可分為三類，即物理參數(shù)、化學(xué)參數(shù)及生物學(xué)參數(shù)。

一、物理參數(shù)

1、溫度

   對(duì)于所有生物細(xì)胞的生物反應(yīng)，溫度都是很重要的影響因素。不同生物細(xì)胞、不同發(fā)酵階段、不同產(chǎn)物，所需的溫度范圍并不一致，將溫度控制在其理想范圍內(nèi)，有利于生物細(xì)胞的生長(zhǎng)繁殖和產(chǎn)物合成。除此之外，溫度還與溶解氧濃度密切相關(guān)。溫度檢測(cè)儀表有熱電阻檢測(cè)器、半導(dǎo)體熱敏電阻、熱電偶和玻璃溫度計(jì)等。保興賽斯發(fā)酵罐使用進(jìn)口Pt100電極檢測(cè)溫度。

圖1 溫度電極

2、壓力

發(fā)酵過(guò)程中維持罐內(nèi)正壓，是防止雜菌污染的重要措施。同時(shí)罐壓與培養(yǎng)液中O₂和CO₂的溶解度有關(guān)，間接影響菌體的生長(zhǎng)代謝。常用的壓強(qiáng)檢測(cè)儀是壓力表，一般安裝在發(fā)酵罐或空氣過(guò)濾器頂部，通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)氣和出氣閥門改變罐內(nèi)壓力。為便于觀測(cè)和控制，保興賽斯配有罐壓自控系統(tǒng)的設(shè)備，可將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)與儀表聯(lián)接，再反饋控制閥門開關(guān)，自動(dòng)調(diào)節(jié)壓力。

圖2 保興賽斯發(fā)酵設(shè)備壓力表應(yīng)用示例

3、通氣流量

對(duì)于好氧生物發(fā)酵，必須向發(fā)酵罐內(nèi)通入無(wú)菌空氣，一是供應(yīng)生物細(xì)胞生長(zhǎng)代謝所必須的氧，二是增加培養(yǎng)液的混合與傳質(zhì)，三是維持罐內(nèi)正壓環(huán)境。通氣量的大小直接影響發(fā)酵液中氧的傳遞。

測(cè)量氣體流量的裝置分為體積流量型和質(zhì)量流量型。體積流量型氣體流量計(jì)包括轉(zhuǎn)子流量計(jì)和同心孔板壓差式流量計(jì)，實(shí)驗(yàn)室小試和中試發(fā)酵系統(tǒng)常應(yīng)用轉(zhuǎn)子流量計(jì)，同心孔板壓差式流量計(jì)一般用于工業(yè)生產(chǎn)的大罐。質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量精度比轉(zhuǎn)子流量計(jì)更高。保興賽斯發(fā)酵罐配有空氣流量自動(dòng)控制系統(tǒng)，帶質(zhì)量流量計(jì)，可與溶氧進(jìn)行關(guān)聯(lián)控制。

圖3 保興賽斯發(fā)酵設(shè)備質(zhì)量流量計(jì)應(yīng)用實(shí)例

4、攪拌轉(zhuǎn)速

攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)發(fā)酵液的混合狀態(tài)、溶解速率、物質(zhì)傳遞等有重要影響，同時(shí)影響生物細(xì)胞的生長(zhǎng)、產(chǎn)物合成、攪拌功率消耗等。當(dāng)通氣量一定時(shí)，攪拌轉(zhuǎn)速升高，其溶氧速率增大，消耗的攪拌功率也越大。攪拌轉(zhuǎn)速的檢測(cè)常用方法有磁感應(yīng)式、光感應(yīng)式和測(cè)速發(fā)電機(jī)等三種。

5、液位

液位檢測(cè)的主要方法有壓差法、電容法、電導(dǎo)法等。壓差法是利用發(fā)酵罐內(nèi)上下兩點(diǎn)或三點(diǎn)間的不同壓強(qiáng)，計(jì)算料液量和液面高度。除此之外，保興賽斯發(fā)酵罐帶有大視鏡，直接觀察液位和發(fā)酵狀態(tài)，還可選配罐體稱重系統(tǒng)，直接測(cè)量裝液量，大罐（≥500L）可選配壓差液位計(jì)檢測(cè)裝液量。

6、泡沫

   發(fā)酵液面上的泡沫層，如果控制不好，會(huì)降低發(fā)酵罐裝液系數(shù)，減少設(shè)備利用率，甚至出現(xiàn)“逃液”現(xiàn)象，造成浪費(fèi)和污染。保興賽斯發(fā)酵設(shè)備配消泡電極，自動(dòng)檢測(cè)泡沫，控制界面選擇設(shè)定蠕動(dòng)泵功能，可按照時(shí)間比例自動(dòng)添加消泡劑。

圖4 保興賽斯發(fā)酵設(shè)備消泡電極應(yīng)用實(shí)例

7、黏度

培養(yǎng)基的黏度主要受培養(yǎng)液的成分及濃度、細(xì)胞濃度、溫度、代謝產(chǎn)物等影響。而發(fā)酵液的黏度（或表觀黏度）對(duì)溶液的攪拌與混合、溶氧速率、物質(zhì)傳遞等有重要影響，同時(shí)對(duì)攪拌功率消耗及發(fā)酵產(chǎn)物的分離純化均起著重要作用。發(fā)酵工業(yè)上常用的黏度測(cè)定儀有振動(dòng)式黏度傳感儀、毛細(xì)管黏度計(jì)、回轉(zhuǎn)式黏度計(jì)和渦輪旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)等。

二、化學(xué)參數(shù)

1、pH

   發(fā)酵液的pH是發(fā)酵過(guò)程中各種生化反應(yīng)的綜合結(jié)果，是細(xì)胞生長(zhǎng)和產(chǎn)物生成的重要指示。通常用的pH測(cè)定儀是pH玻璃電極，其結(jié)構(gòu)緊湊、可高溫滅菌。

圖5 pH電極

2、DO

溶解氧濃度直接影響微生物的代謝，它的大小與氧的傳遞速率、微生物的攝氧率等有關(guān)。此外，發(fā)酵過(guò)程溶解氧還可以作為判斷發(fā)酵是否有雜菌或噬菌體污染的間接參數(shù)，若溶氧濃度變化異常，則提示發(fā)酵系統(tǒng)出現(xiàn)雜菌污染或其他問(wèn)題。故對(duì)培養(yǎng)液中的溶氧濃度必須測(cè)定和控制。

在發(fā)酵過(guò)程中，常用的溶氧電極有極譜溶氧電極和光學(xué)溶氧電極兩種。但在某些限氧條件下進(jìn)行的發(fā)酵反應(yīng)，如厭氧發(fā)酵，溶氧電極無(wú)法精確測(cè)定溶氧值，檢測(cè)氧化還原電位參數(shù)更為理想。

圖6 DO電極

3、溶解CO₂濃度

通氣發(fā)酵過(guò)程中，由于生物細(xì)胞的呼吸和生物合成，培養(yǎng)液中的氧會(huì)被部分消耗，而CO₂的含量會(huì)升高。對(duì)大部分的好氧發(fā)酵，當(dāng)發(fā)酵液中溶解CO₂濃度增至某值時(shí)，就會(huì)使細(xì)胞生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成速率下降。溶解CO₂濃度可用CO₂電極測(cè)定。

圖7 CO₂電極

4、尾氣

   通過(guò)發(fā)酵尾氣中CO_2、O₂在線檢測(cè)分析和裝液量、進(jìn)氣量等數(shù)據(jù)，可以計(jì)算獲取發(fā)酵過(guò)程重要的呼吸代謝參數(shù)，如CO₂釋放速率（CER）、攝氧率（OUR）、呼吸商（RQ）等。這些參數(shù)反映了微生物的代謝狀況，尤其能提供從生長(zhǎng)向生產(chǎn)過(guò)渡或主要基質(zhì)間的代謝過(guò)渡指標(biāo)。尾氣的檢測(cè)可直接使用尾氣分析儀，在線監(jiān)測(cè)尾氣中CO₂和O₂氣體濃度。

圖8 保興賽斯尾氣分析儀應(yīng)用實(shí)例

5、產(chǎn)物濃度

檢測(cè)產(chǎn)物濃度可以了解發(fā)酵的進(jìn)程以及決定發(fā)酵是否正?；蚴欠窠Y(jié)束發(fā)酵。生物傳感器是由固定化的生物材料和適當(dāng)?shù)男盘?hào)轉(zhuǎn)換器相結(jié)合而成的檢測(cè)器件，目前已有用于葡萄糖檢測(cè)的葡萄糖酶電極傳感器和用于酒精、乳酸等測(cè)定的微生物傳感器。但仍有一些其他物質(zhì)缺乏相應(yīng)的傳感器，需要采用離線檢測(cè)。保興賽斯發(fā)酵設(shè)備可選配在線生化分析儀和生化分析儀兩種。

     
圖9a 自動(dòng)取樣器                                                                                        圖9b 保興賽斯自動(dòng)取樣器應(yīng)用實(shí)例                                                                                                 圖9c 在線生化分析儀

三、生物學(xué)參數(shù)

1、菌體形態(tài)

觀察種子階段菌體的生長(zhǎng)情況，可選擇種齡最合適的種子。在發(fā)酵過(guò)程中，定時(shí)鏡檢，有利于發(fā)現(xiàn)生長(zhǎng)異常的菌體或雜菌污染，及時(shí)采取措施控制情況。

2、菌體濃度

在發(fā)酵過(guò)程中，生物細(xì)胞濃度是發(fā)酵生產(chǎn)速率和效率關(guān)鍵的影響因素。生物細(xì)胞濃度的測(cè)定有全細(xì)胞濃度和活細(xì)胞濃度之分。全細(xì)胞濃度測(cè)定方法分為濕重法、干重法、濁度法、濕細(xì)胞體積等。其中，流通式濁度計(jì)可在線檢測(cè)全細(xì)胞濃度。活細(xì)胞濃度的測(cè)定原理是利用活細(xì)胞催化的反應(yīng)或活細(xì)胞本身有的物質(zhì)如ATP，使用生物發(fā)光或化學(xué)發(fā)光法測(cè)定。

參考資料：

[1]朱明軍.生物工程設(shè)備[M].北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社,2021.12