發(fā)酵過程的參數(shù)檢測-發(fā)酵工藝過程控制
發(fā)酵過程參數(shù)的測定是進行發(fā)酵過程控制的重要依據(jù)。通過各種參數(shù)的檢測，對生產(chǎn)過程進行定性和定量地描述，以期達到對發(fā)酵過程進行有效控制的目的。
發(fā)酵過程參數(shù)的檢測形式分為原位檢測、在線檢測、離線檢測三種。
原位檢測通過安裝在發(fā)酵罐內(nèi)的原位傳感器直接與發(fā)酵液接觸進行測量，對發(fā)酵過程不發(fā)生影響，常用于ph、溶解氧、罐壓的測量。
在線檢測是利用連續(xù)的取樣系統(tǒng)與相關的分析器連接，取得測量信號的參數(shù)測定方法，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，流動注射分析系統(tǒng)（fia）和高效液相色譜（hplc）系統(tǒng)等。
離線檢測是指在定的時間內(nèi)離散取樣，采用常規(guī)的化學分析和自動的分析系統(tǒng)，在發(fā)酵罐外進行樣品的處理和分析測量，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)可利用自動檢測系統(tǒng)進行在線檢測外，多數(shù)化學和生物參數(shù)仍需通過定時取樣方法離線檢測，如發(fā)酵液中的基質（糖、脂質、鹽等）、前體和代謝產(chǎn)物（抗生素、酶、有機酸和氨基酸等）以及菌量的監(jiān)測主要還是依賴人工取樣，然后在罐外進行分析。
發(fā)酵過程中可根據(jù)產(chǎn)品特點和可能條件，有選擇地檢測部分參數(shù)。
在線測量有許多優(yōu)點，主要是及時、省力，且可使操作者從繁瑣操作中解脫出來，便于用計算機控制。但其應用還受到諸多因素的限制：例如發(fā)酵液的性質復雜和培養(yǎng)過程的嚴密性要求；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)氣泡對測量的干擾；培養(yǎng)基和有關設備需高壓蒸汽滅菌。因此，用于微生物發(fā)酵參數(shù)原位或在線檢測的傳感器除了必須耐高溫高壓蒸汽反復滅菌外，還要避免探頭表面被微生物堵塞導致測量失敗的危險?，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，探頭可以隨時拉出，經(jīng)重新校正和滅菌，然后再推進去而不會影響發(fā)酵罐的無菌狀況。比較有價值的狀態(tài)參數(shù)檢測是尾氣分析和空氣流量的在線測量。
用不分光紅外和熱磁氧分析儀可分別測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)、能同時測定多種組分的質譜儀進行檢測。尾氣在線分析能及時反映生產(chǎn)菌的生長及代謝狀況，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。以面包酵母補料分批發(fā)酵為例，有兩種主要原因導致乙醇的形成，即培養(yǎng)基中基質濃度過高或溶解氧的不足都會形成乙醇。當乙醇產(chǎn)生時，cer升高，our維持不變，rq也會增加。因此，通過應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，尤其能提供從生長向生產(chǎn)過渡或主要基質間的代謝過渡指標。
綜合各種狀態(tài)變量，可以了解過程狀態(tài)、反應速率、設備性能、設備利用效率等信息，以便及時做出調(diào)整。如ph變化受系統(tǒng)反饋控制，也同時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得的溫度可以準確計算大規(guī)模發(fā)酵時發(fā)酵罐的總熱負荷和熱傳質系數(shù)，而熱傳質系數(shù)的變化能反映黏度增加和積垢問題。