生物發(fā)酵過程的在線檢測及控制技術(shù)進(jìn)展研究

摘 要：生物發(fā)酵工程是與人們生活息息相關(guān)的一種技術(shù)體系，包括工業(yè)生產(chǎn)菌株選育、生化反應(yīng)器設(shè)計(jì)、最佳發(fā)酵條件的選擇及控制等過程。實(shí)質(zhì)上，生物發(fā)酵工程是生物與化學(xué)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合的一個(gè)反應(yīng)過程，只有對該反應(yīng)實(shí)現(xiàn)合理的在線監(jiān)測與控制，才能更科學(xué)地認(rèn)識(shí)生物發(fā)酵的整個(gè)過程，為研究生物新陳代謝提供可靠的依據(jù)。鑒于此，文章主要對生物發(fā)酵過程的在線監(jiān)測及控制技術(shù)等相關(guān)問題進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：生物發(fā)酵；在線檢測技術(shù)；控制技術(shù)；進(jìn)展

生物發(fā)酵技術(shù)和我們的日常生活緊密相關(guān)，生活中隨處可見發(fā)酵技術(shù)，如味精、啤酒、洗滌劑等。隨著生物技術(shù)的快速發(fā)展，為人類利用與改造生命活動(dòng)提供了更多的新手段，為解決資源與安全、糧食安全、能源安全等問題提供了新的選擇。近年來，生化工業(yè)進(jìn)入蓬勃發(fā)展時(shí)期，這使得藥物生產(chǎn)、污水處理、酶制劑等行業(yè)也取得了較快發(fā)展，進(jìn)而又對發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生影響，如生化工程在線檢測、監(jiān)督檢測、自動(dòng)化控制等問題，是當(dāng)前發(fā)酵工程必須面臨的問題。以下主要對生物發(fā)酵過程的相關(guān)事項(xiàng)進(jìn)行分析。

1 生物發(fā)酵工程概述

生物發(fā)酵工程的概念較多，現(xiàn)代意義上關(guān)于生物發(fā)酵工程的理解為：在合適的pH酸堿度值、陽光照射度、培養(yǎng)基等條件上，利用微生物的一些特點(diǎn)，并借助一些現(xiàn)代工程技術(shù)對微生物進(jìn)行生產(chǎn)，從而培育出一些能夠滿足人類進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng)的物質(zhì)，或是將微生物用于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的一種技術(shù)體系[1]。

現(xiàn)階段，微生物發(fā)酵工程面臨的一大問題是自動(dòng)化控制問題。為了順利解決該難題，首先應(yīng)對微生物的不同特點(diǎn)有充足的了解。在科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的背景下，人們了解微生物的方式已經(jīng)發(fā)生了改變，已經(jīng)由原來的借助微生物形態(tài)進(jìn)行表面認(rèn)識(shí)，轉(zhuǎn)變?yōu)閷?fù)雜生物學(xué)與細(xì)胞調(diào)節(jié)等方面。然而，微生物細(xì)胞較復(fù)雜，這使得生物發(fā)酵工程也變成了一類重復(fù)性差、高度非線性、慢性變、復(fù)雜的生化過程。因此，在研究過程中，不可僅從表面對生物發(fā)酵過程進(jìn)行分析，而根據(jù)檢測得到的過程參數(shù)對生化發(fā)酵過程進(jìn)行詳細(xì)分析。一般來說，檢測的過程參數(shù)主要包括物理參數(shù)、生物參數(shù)與化學(xué)參數(shù)這幾類。

2 發(fā)酵過程在線檢測的重要指標(biāo)

生物發(fā)酵過程的在線檢測，往往涉及一些重要指標(biāo)，常見的主要包括以下這幾個(gè)重要指標(biāo)：溫度，可用于判斷微生物維持生長時(shí)間，多采用PT100方法測試；空氣流量，用于排泄廢氣或供氧，采用渦街流量計(jì)測試；罐壓，用于增加DO或維持正壓，使用數(shù)顯壓力表測試；pH，用于范穎細(xì)胞的代謝途徑，使用pH電極測試；體積，用于反映操作的穩(wěn)定性，使用差壓變送器測試；溶氧，用于反映供氧情況，使用溶氧電極測試[2]。

在對發(fā)酵過程進(jìn)行在線檢測時(shí)，一般是用專門的傳感器放到發(fā)酵系統(tǒng)中，然后傳遞出發(fā)酵的相關(guān)信息，為開展發(fā)酵控制工作提供有用的依據(jù)。因?yàn)槲⑸锱囵B(yǎng)過程屬于一個(gè)純培養(yǎng)的過程，要求有很好的無菌環(huán)境，故要求傳感器應(yīng)滿足以下幾種情況：（1）如果是插入罐內(nèi)的傳感器，應(yīng)具備經(jīng)受高壓蒸汽滅菌的能力；（2）具有穩(wěn)定的性能，受氣泡的影響較小；（3）結(jié)構(gòu)不可有滅菌不透的死角，以免被細(xì)菌污染；（4）在測量參數(shù)方面，應(yīng)具有較高的敏感性，且可轉(zhuǎn)換為電信號。

3 生物發(fā)酵過程的在線檢測與控制技術(shù)進(jìn)展分析

微生物發(fā)酵過程屬于一種生化反應(yīng)過程，主要是為了促進(jìn)最終產(chǎn)物利用率的提升，確保微生物生長環(huán)境的舒適度。在舒適、適宜的環(huán)境中，有利于微生物進(jìn)行有效的生長代謝，并能實(shí)現(xiàn)對微生物發(fā)酵過程的在線檢測與控制，從而提升微生物發(fā)酵產(chǎn)品的利用率，發(fā)揮其最大作用[3]。具體來說，主要包括以下幾個(gè)方面。

（1）電機(jī)攪拌熱、冷卻水溫度、微生物發(fā)酵熱等因素，均可能影響發(fā)酵的溫度。此外，發(fā)酵罐體積大小，也會(huì)在一定程度上影響發(fā)酵溫度的控制。如果發(fā)酵罐的體積較大，往往會(huì)采用冷卻水或發(fā)酵溫度為主回路的串級控制方式；如果是體積較小的發(fā)酵罐，多采用冷卻水流量、發(fā)酵溫度為主的簡單回路控制方式。

（2）在微生物發(fā)酵過程中，生物發(fā)酵也會(huì)受溶解氧濃度的控制情況影響。然而，現(xiàn)階段國內(nèi)對該方面的研究較少，僅限于了解到哪些因素會(huì)對溶解氧濃度產(chǎn)生影響。目前，影響溶解氧濃度的因素主要有：供給的空氣量、發(fā)酵罐本身的壓力、攪拌槳的轉(zhuǎn)速及形狀。

（3）在微生物發(fā)酵過程，pH酸堿度值也是影響在線檢測與控制的一個(gè)重要因素[4]。若pH酸堿度值過高或過低，微生物的生成及代謝過程都會(huì)發(fā)生變化，故必須保證酸堿度值得合適。若發(fā)酵液的酸堿度為強(qiáng)酸性，可通過加氧水的方法弱化其酸性；若發(fā)酵液濃度為強(qiáng)堿性，可通過加糖的方式弱化其堿性，調(diào)節(jié)發(fā)酵液的酸堿度，直至合適。

（4）消泡控制也是影響生物發(fā)酵工程的一個(gè)重要因素。發(fā)酵前，微生物的生長往往較旺盛，而此時(shí)若加滿液料，并將攪拌槳馬達(dá)最大速度啟動(dòng)，空氣通入量也加到最大，很容易導(dǎo)致發(fā)酵液上浮的現(xiàn)象，最終發(fā)生逃液現(xiàn)象。若發(fā)生該類情況，一般會(huì)采用雙位式控制方法進(jìn)行處理，可取得較好的效果。

（5）在生物發(fā)酵過程中，補(bǔ)料控制也是影響發(fā)酵的一個(gè)重要因素。在發(fā)酵的進(jìn)行狀態(tài)中，微生物生成代謝也會(huì)在半連續(xù)式發(fā)酵過程的變化情況下發(fā)生相應(yīng)的改變。所以，在這過程中，應(yīng)該連續(xù)不斷地為生物補(bǔ)充營養(yǎng)成分，保證微生物能夠按優(yōu)生物軌跡生長，才能促進(jìn)微生物代謝產(chǎn)物產(chǎn)量的提升。

4 發(fā)酵過程中對參數(shù)進(jìn)行在線檢測的意義

在生物發(fā)酵過程進(jìn)行檢測與控制，最終目的是用最少的原料，獲得最大化的所需產(chǎn)物。在生物的發(fā)酵過程中，在線檢測與控制技術(shù)的水平如何，不但會(huì)對菌種的最大生產(chǎn)能力產(chǎn)生直接影響，還會(huì)對下游處理難易程度也產(chǎn)生影響，是一項(xiàng)承上啟下的技術(shù)。

不同于物理、化學(xué)反應(yīng)，生物過程反應(yīng)速度相對較慢，反應(yīng)物質(zhì)、產(chǎn)物濃度等的轉(zhuǎn)化率也不高。若要解決上述問題，工業(yè)微生物學(xué)通常是從兩個(gè)方面入手：（1）正確選育或改良菌種，提高發(fā)酵菌種的優(yōu)良性；（2）對培養(yǎng)條件進(jìn)行合理控制，為生產(chǎn)出更好的目標(biāo)產(chǎn)物創(chuàng)造條件。從某種程度上看，通過控制與優(yōu)化發(fā)酵過程，能夠?qū)⑸镞^程較好地控制在一種優(yōu)化的操作環(huán)境或條件下，被認(rèn)為是促進(jìn)生產(chǎn)力提升的有效措施或捷徑之一，具有非常重要的意義。因此，在發(fā)酵過程中，相關(guān)人員必須重視對發(fā)酵過程的線檢測與控制，力將發(fā)酵環(huán)境或操作條件控制在一個(gè)較理想的狀態(tài)下，為進(jìn)一步提升生產(chǎn)水平提供強(qiáng)大的技術(shù)支持。

5 結(jié)束語

總而言之，生物發(fā)酵工程是一個(gè)復(fù)雜、技術(shù)要求高的反應(yīng)過程，與我們?nèi)粘Ｉ钕⑾⑾嚓P(guān)。在生物發(fā)酵過程中，會(huì)受多種因素影響，進(jìn)而影響到產(chǎn)品的質(zhì)量及使用率，無法發(fā)揮產(chǎn)品的最大作用。因此，對在生物發(fā)酵過程中，采用在線檢測與控制技術(shù)進(jìn)一步提升微生物的代謝產(chǎn)物產(chǎn)量具有積極的意義。

參考文獻(xiàn)

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