生物發(fā)酵過程控制與檢測技術淺析

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摘要：生物發(fā)酵是指為生物創(chuàng)造適宜的養(yǎng)育生長條件，使其在一定環(huán)境下進行發(fā)酵，對培育微生物的特性進行調查后選擇合適的生物技術將微生物通過一系列代謝反應后最終轉化為所需產物。一般來說，應給予微生物適宜的光照條件、pH值、養(yǎng)分濃度、通氣條件等，使得代謝過程較為充分，獲得產物性質優(yōu)良。目前，微生物發(fā)酵的應用范圍愈加廣泛，除傳統(tǒng)工業(yè)、農業(yè)外，食品、制藥、釀酒等行業(yè)利用發(fā)酵技術獲得新產品。文章主要對生物發(fā)酵過程進行闡述，并簡要分析影響發(fā)酵過程的因素和生物在線檢測技術。

關鍵詞：生物發(fā)酵過程；發(fā)酵因素控制；在線檢測技術

生物發(fā)酵技術已逐漸滲透至人們日常生活中，如制藥行業(yè)生產的抗生素，食品行業(yè)的酸奶、啤酒、雞精等，均是生物發(fā)酵代謝所得的產物。近年來，生物工程的發(fā)展為人們提供了新的生活方式，通過保護人體健康、提高糧食產量、維護食品安全、保護環(huán)境與資源發(fā)展等方面來維持社會的和諧發(fā)展。由于我國生物技術研發(fā)進程較慢，因此目前在生物發(fā)酵方面的自動化控制、發(fā)酵技術控制等落后于其他的發(fā)達國家。因此，應重視提高發(fā)酵技術水平，對發(fā)酵過程進行分析并把控可能影響發(fā)酵的因素，提高我國生化技術的研究水平和控制力度。

1現(xiàn)代意義上的生物發(fā)酵過程

生物發(fā)酵既定意義有所不同，根據現(xiàn)代生物技術而言，生物發(fā)酵是指幫助微生物創(chuàng)造適合生長繁殖的條件，如合適的陽光照射強度、pH值、含氧量、培養(yǎng)基養(yǎng)分等對生物進行培養(yǎng)發(fā)酵。現(xiàn)代工程技術融合發(fā)酵技術能夠提供新的生物發(fā)酵和產品研發(fā)途徑，培養(yǎng)出優(yōu)質產物，因此，在工業(yè)生產領域中應用廣泛。生物發(fā)酵過程會受多種外界因素影響導致微生物所需培養(yǎng)條件數值變化較大，如何在培養(yǎng)過程中自動控制變量因素使培養(yǎng)皿中微生物生長環(huán)境處于平衡狀態(tài)是目前有待研究的課題，即在發(fā)酵過程中融入自動化控制技術來保障微生物的良好生存條件。該課題的研究應從了解不同類型微生物特點和構造開始，隨著科技的進步與發(fā)展，研究者對微生物的了解過程從觀察表面變化狀態(tài)到研究微生物的結構與細胞代謝。微生物組成細胞較為復雜，因此生物發(fā)酵過程是一項時間較長、變化較慢、重復性較差的生物變化生長過程，在研究生物發(fā)酵過程中不可以表面形態(tài)和體積等來判斷，而應測定發(fā)酵過程中的參數來分析生長過程中環(huán)境的變化及生物自身變化進行詳細分析。我們對微生物的了解過程已經發(fā)生了變化，不再是憑借微生物形態(tài)來進行的表面認識，而是隨著生化工程的發(fā)展，已經開始著重研究復雜的生物學和微生物細胞的調節(jié)方面。微生物細胞具有復雜性的特點，因此，生物發(fā)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(fā)酵過程，而是使用檢測的過程參數來詳細分析生物發(fā)酵過程。檢測過程中包含的參數一般為體積、pH值、溶氧情況等，涉及到化學、物理、生物三個方面。而對于工業(yè)發(fā)酵方面來說，發(fā)酵工程的首要任務是選擇適宜菌種進行培養(yǎng)繁殖，同時還應保持最佳生長條件和參數控制、發(fā)酵罐的選擇與微生物的接種、分離提純等。生物工程的發(fā)展對人們生活影響較大，隨著研究的進展，生物工程研究結果逐漸引起世界各國領導的關注，發(fā)酵罐的結構、體積等根據不同的反應過程有所變化，生物工程的發(fā)展使得醫(yī)藥行業(yè)、食品行業(yè)、環(huán)保行業(yè)的進步。生物工程的發(fā)展同時推動著發(fā)酵工程，對于發(fā)酵過程的檢測和控制成為當下有待研究的課題，例如發(fā)酵在線檢測、自動化控制等。

2生物發(fā)酵的在線檢測及控制

微生物發(fā)酵過程的實質是為了提高最終微生物的發(fā)酵產量及利用率，給予微生物適宜的生長環(huán)境使其有良好的反應過程。良好的發(fā)酵環(huán)境需根據微生物特點制定，適宜微生物生長及代謝，進而對發(fā)酵過程中各參數的變化進行檢測和控制，提高其發(fā)酵代謝效率。

2.1控制發(fā)酵溫度

微生物的生長需要在適宜的環(huán)境溫度下進行，影響發(fā)酵過程溫度變化的因素主要有攪拌過程產熱、發(fā)酵過程產熱、冷卻水系統(tǒng)等，此外，生物反應器的體積大小可能會影響溫度數值的變化。如體積較大的生物反應器使用以發(fā)酵溫度、冷卻水系統(tǒng)為主回路的附屬路徑串級控制；體積較小的生物反應器使用以發(fā)酵溫度為主、冷卻水系統(tǒng)流量為控制參數變化回路的控制方式。

2.2控制pH值

微生物發(fā)酵過程中，控制酸堿度變化能保障其發(fā)酵過程產物利用率的提升，適宜的pH值能為微生物創(chuàng)造良好生長環(huán)境，同時若數值控制不當會影響微生物的生長及代謝過程，若菌液的pH值過低，可加氧水來提高pH數值；若pH值偏高，可加糖來降低pH數值，保持穩(wěn)定的pH值。

2.3溶解氧濃度的影響

在發(fā)酵過程中，溶解氧濃度對發(fā)酵效果具有一定影響，但目前我國對于發(fā)酵過程中溶解氧濃度的相關研究較少，影響溶解氧濃度的因素：生物反應器自身承載壓力；發(fā)酵過程中供給空氣量；攪拌電機的轉速與槳葉大小?？赏ㄟ^采取一定措施來改變發(fā)酵過程中溶氧濃度效果，見表1。

2.4消泡控制措施

微生物發(fā)酵過程中，需消除攪拌通氣產生的泡沫，除此之外，若培養(yǎng)基中營養(yǎng)濃度較大，黏度較高也會產生大量泡沫。在發(fā)酵前微生物生長速度較快，加入發(fā)酵液進行攪拌時會因產生大量泡沫使得液面上升，可采用雙位控制法消除多余泡沫。

2.5補料控制

補料控制是指在發(fā)酵過程中適當給微生物補充營養(yǎng)成分，隨著微生物發(fā)酵時間持續(xù)，在該時間段內發(fā)酵罐中養(yǎng)分不斷被吸收用于代謝生長，代謝生長過程隨發(fā)酵過程而變化，通過不斷為微生物提供養(yǎng)分，使其保持良好生長狀態(tài)，按照預定生長計劃進行繁殖，提高代謝產物的利用率。

2.6發(fā)酵系統(tǒng)多尺度分析

根據紅霉素發(fā)酵工藝優(yōu)化過程進行分析，研究整個發(fā)酵系統(tǒng)多尺度的主要影響因素及應用。生物細胞的基因尺度決定細胞尺度，通過對生物反應器發(fā)酵過程中的操作變量控制，如加熱、加碳源、加氮源、攪拌、通氣等，改變生物反應器中的生長環(huán)境，環(huán)境變量以信號傳導的方式影響微生物的基因尺度，通過分析環(huán)境變量的動態(tài)因子變化，其結果將直接影響微生物細胞尺度。該發(fā)酵系統(tǒng)分析了局部與整體的聯(lián)系，分析某過程變化對于最終結果的影響，解決發(fā)酵過程中控制局部變量實現(xiàn)整體的協(xié)調作用。

2.7酵母菌發(fā)酵案例分析

以酵母菌搖瓶培養(yǎng)案例為例分析酵母菌發(fā)酵過程中各項參數的變化情況。啤酒、面包、酸奶等食物的研發(fā)與酵母菌息息相關，為更好掌握酵母菌生長情況，應對各項數值進行測試記錄。經由48h的平板涂布培養(yǎng)后，分離菌種進行單獨擴大培養(yǎng)，每隔3h記錄酵母菌溶液中pH值、菌液濃度、吸光度等參數，結果見表2。表2擴培過程各參數變化數值在實驗過程中，搖瓶操作會產生一定泡沫，可以適當降低轉速來減少泡沫的產生，避免影響實驗結果。通過表2可知，酵母菌在發(fā)酵過程經歷四個時間階段，即適應期、生長期、平穩(wěn)期、死亡期，而適應期為0~3h，生長期為3~24h，平穩(wěn)期為24~40h，死亡期為40~48h。隨著菌體濃度的改變，pH數值在4.2~5.2之間變化，而酵母菌的適宜生長pH值為3~7.5，因此取最佳pH值為4.2~4.6。

3發(fā)酵過程在線檢測的重要指標

生物發(fā)酵過程是一項生物與化學結合的反應過程，對該過程參數變化進行檢測，并適當控制數值變化使其滿足生長條件，能夠對發(fā)酵過程全面認知，同時了解微生物的生長與代謝過程。生物發(fā)酵在線檢測需重視以下指標，可從根據以下指標判斷生物的整體的生長情況：第一，溫度，通過環(huán)境溫度的變化判斷微生物生長所需要的時間，常用PT100溫度傳感器進行測試；第二，空氣流量，測試發(fā)酵過程中空氣流量，可明確微生物生長中所需氧氣和排泄廢氣的數值，可采用渦流流量計進行數值測定；第三，發(fā)酵時罐壓大小，罐壓可以增加微生物發(fā)酵時溶氧的質量，或避免外部空氣進入，可采用壓力表進行測定；第四，pH值，用于滿足微生物生長的適宜條件，同時反應微生物的代謝規(guī)律，使用pH玻璃電極傳感器進行測定；第五，體積，微生物發(fā)酵過程中的體積分數變化能夠反應整體發(fā)酵過程的穩(wěn)定性，可采用差壓變送器測定；第六，溶氧，反應微生物發(fā)酵過程中對氧氣的需求度和實際供氧量，使用溶氧電極測定。對微生物發(fā)酵過程進行檢測時，搜集發(fā)酵過程中重要指標的數值變化，將傳感器放置于發(fā)酵重要環(huán)節(jié)并及時反應信息，為發(fā)酵測定工作提供準確數據分析。微生物培養(yǎng)過程需保證在無菌環(huán)境下進行，因此在接種、分離純化、培養(yǎng)等階段都應在無菌條件下操作，檢測環(huán)境的傳感器應滿足以下條件：若傳感器需插入發(fā)酵罐內部，應保持自身不攜帶外來菌種且耐高溫滅菌；傳感器對數值測試穩(wěn)定準確，自身性能良好，受外界因素影響較小；傳感器結構不可留有滅菌不到位的死角，防止因滅菌不徹底導致被污染；對數值變化敏感性較高。

4發(fā)酵過程中對參數進行在線檢測的意義

對生物發(fā)酵過程進行檢測和發(fā)酵控制的根本目的是節(jié)約培養(yǎng)原料，獲得更優(yōu)質的反應產物。在生物發(fā)酵過程中，在線檢測技術和控制技術的水平高低會直接影響發(fā)酵結果，此外，若控制不到位會使得菌種的生產能力受到一定影響，使后續(xù)工作開展難度較大。生物反應與物理化學反應不同，物理化學反應速率較快且反應結果較直觀，有時僅憑肉眼即可進行判斷，除此之外，化學反應的物質轉化率較高，新物質產出量較高。而生物反應需要較長的反應過程，且對反應環(huán)境條件要求嚴格，最終產出物質質量較少，即轉化率較低。為了解決生物反應速率較慢、產物轉化率較低的問題，應從以下兩方面進行改善：第一，為生物反應選擇適宜的培育菌種，在滿足菌種生長環(huán)境后進行條件控制，或改良菌種品質，使菌種的生產能力提升，最終轉化率相應提升。第二，合理控制培養(yǎng)條件。在生物發(fā)酵過程中，應對菌種的基本特性了解充分，掌握適宜其生長的有關條件，如光照強度、pH值等，嚴格控制生物培養(yǎng)條件，使最終培養(yǎng)產物更加優(yōu)質。從最終的產出結果和產出物性質來看，控制發(fā)酵過程中的反應速度和生物生長條件，優(yōu)化菌種性能可給予生物發(fā)酵良好的操作環(huán)境和空間，有助于后續(xù)微生物培養(yǎng)工作的開展，能夠有效促進生物反應的轉化率提升和菌種生產能力的提升。因此在生物發(fā)酵過程中，研究人員需采取相應的檢測技術和控制技術，將整個過程控制在優(yōu)質的操作環(huán)境中，并對發(fā)酵過程進行實時檢測，提升生物發(fā)酵水平。

5結束語

為了提高我國生物工程研究水平，針對微生物發(fā)酵過程中可能存在的問題進行控制，完善生物發(fā)酵工藝，生物發(fā)酵系統(tǒng)與操作流程也隨著技術的提升而不斷優(yōu)化。生物發(fā)酵控制器是針對微生物發(fā)酵過程進行長期控制，能夠控制培養(yǎng)過程中的溫度變化、pH值變化等影響生物發(fā)酵的關鍵因素，同時能對該過程進行數據采集和分析，能夠對參數進行控制和調節(jié)，通過對傳感器發(fā)送指令，在接受到命令后執(zhí)行操作并將對應數據傳輸到控制系統(tǒng)中，最終實現(xiàn)數據的調控。在該過程中，控制系統(tǒng)可分為三種形式：其一為可編程控制器PLC，是一種可編程的內部儲存器，通過執(zhí)行數據儲存、數據運算等操作命令，由數字形式的輸出模式來把控微生物的發(fā)酵過程。PLC廣泛應用于工業(yè)生產和機械設備制造，在1960年后首次被應用于生物發(fā)酵過程，解決了生物發(fā)酵過程中的自動控制難題，目前該控制手段仍然在不斷使用；其二為PC計算機，該控制形式晚于PLC控制器，但在該形式的計算機誕生后立即應用于生物發(fā)酵控制系統(tǒng)；其三為單片機，是通過大規(guī)模集成電路將內存存儲、數據處理、數據讀取、計數或定時等功能集中到一塊硅片上的微型計算機系統(tǒng)，能夠對生物發(fā)酵過程中的干擾因素進行實時檢測分析，并使其恢復正常數值。我國對于生物反應器研究起步較晚，作為生物工程研究的核心反應系統(tǒng)，生物反應器可將存在于自然界中的微生物和具有降解能力的微生物接入充滿金屬離子的水溶液或由同一結構、成分組成的固體集合，而該系統(tǒng)的主要研究功能為微生物的降解能力。據研究調查表明，生物反應器能夠將污染物進行快速降解，在此過程中生物反應控制系統(tǒng)的流程設計主要依靠研究經驗，目前我國對于此類研究案例較少，缺乏系統(tǒng)的理論知識體系和專業(yè)的研究設計，仍依賴外國公司進行控制系統(tǒng)的設計。由此，我國應不斷加強對生物發(fā)酵技術的研究和對發(fā)酵過程中控制系統(tǒng)的設計，能夠完善我國生物工程理論體系，提高我國生物技術的研究水平，同時提升相關企業(yè)的國際競爭力。對于生物發(fā)酵過程的研究仍有待完善，對發(fā)酵過程進行正確分析、解析，詳細記錄當中的數據變化和整體過程細節(jié)，為今后的研究提供案例參考，加大對生物發(fā)酵技術研究的資金扶持，設立專項研究經費，使有關研究順利開展，通過科研人員的努力不斷深入，為人們生活創(chuàng)造更多便捷條件和優(yōu)質資源。

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作者:王偉民 單位:武漢輕工大學