生物發(fā)酵過(guò)程控制與檢測(cè)技術(shù)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(zhǎng)條件，使其在一定環(huán)境下進(jìn)行發(fā)酵，對(duì)培育微生物的特性進(jìn)行調(diào)查后選擇合適的生物技術(shù)將微生物通過(guò)一系列代謝反應(yīng)后最終轉(zhuǎn)化為所需產(chǎn)物。一般來(lái)說(shuō)，應(yīng)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(guò)程較為充分，獲得產(chǎn)物性質(zhì)優(yōu)良。目前，微生物發(fā)酵的應(yīng)用范圍愈加廣泛，除傳統(tǒng)工業(yè)、農(nóng)業(yè)外，食品、制藥、釀酒等行業(yè)利用發(fā)酵技術(shù)獲得新產(chǎn)品。文章主要對(duì)生物發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行闡述，并簡(jiǎn)要分析影響發(fā)酵過(guò)程的因素和生物在線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)。

關(guān)鍵詞：生物發(fā)酵過(guò)程；發(fā)酵因素控制；在線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)

生物發(fā)酵技術(shù)已逐漸滲透至人們?nèi)粘Ｉ钪?，如制藥行業(yè)生產(chǎn)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(chǎn)物。近年來(lái)，生物工程的發(fā)展為人們提供了新的生活方式，通過(guò)保護(hù)人體健康、提高糧食產(chǎn)量、維護(hù)食品安全、保護(hù)環(huán)境與資源發(fā)展等方面來(lái)維持社會(huì)的和諧發(fā)展。由于我國(guó)生物技術(shù)研發(fā)進(jìn)程較慢，因此目前在生物發(fā)酵方面的自動(dòng)化控制、發(fā)酵技術(shù)控制等落后于其他的發(fā)達(dá)國(guó)家。因此，應(yīng)重視提高發(fā)酵技術(shù)水平，對(duì)發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行分析并把控可能影響發(fā)酵的因素，提高我國(guó)生化技術(shù)的研究水平和控制力度。

1現(xiàn)代意義上的生物發(fā)酵過(guò)程

生物發(fā)酵既定意義有所不同，根據(jù)現(xiàn)代生物技術(shù)而言，生物發(fā)酵是指幫助微生物創(chuàng)造適合生長(zhǎng)繁殖的條件，如合適的陽(yáng)光照射強(qiáng)度、pH值、含氧量、培養(yǎng)基養(yǎng)分等對(duì)生物進(jìn)行培養(yǎng)發(fā)酵?，F(xiàn)代工程技術(shù)融合發(fā)酵技術(shù)能夠提供新的生物發(fā)酵和產(chǎn)品研發(fā)途徑，培養(yǎng)出優(yōu)質(zhì)產(chǎn)物，因此，在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。生物發(fā)酵過(guò)程會(huì)受多種外界因素影響導(dǎo)致微生物所需培養(yǎng)條件數(shù)值變化較大，如何在培養(yǎng)過(guò)程中自動(dòng)控制變量因素使培養(yǎng)皿中微生物生長(zhǎng)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(guò)程中融入自動(dòng)化控制技術(shù)來(lái)保障微生物的良好生存條件。該課題的研究應(yīng)從了解不同類(lèi)型微生物特點(diǎn)和構(gòu)造開(kāi)始，隨著科技的進(jìn)步與發(fā)展，研究者對(duì)微生物的了解過(guò)程從觀察表面變化狀態(tài)到研究微生物的結(jié)構(gòu)與細(xì)胞代謝。微生物組成細(xì)胞較為復(fù)雜，因此生物發(fā)酵過(guò)程是一項(xiàng)時(shí)間較長(zhǎng)、變化較慢、重復(fù)性較差的生物變化生長(zhǎng)過(guò)程，在研究生物發(fā)酵過(guò)程中不可以表面形態(tài)和體積等來(lái)判斷，而應(yīng)測(cè)定發(fā)酵過(guò)程中的參數(shù)來(lái)分析生長(zhǎng)過(guò)程中環(huán)境的變化及生物自身變化進(jìn)行詳細(xì)分析。我們對(duì)微生物的了解過(guò)程已經(jīng)發(fā)生了變化，不再是憑借微生物形態(tài)來(lái)進(jìn)行的表面認(rèn)識(shí)，而是隨著生化工程的發(fā)展，已經(jīng)開(kāi)始著重研究復(fù)雜的生物學(xué)和微生物細(xì)胞的調(diào)節(jié)方面。微生物細(xì)胞具有復(fù)雜性的特點(diǎn)，因此，生物發(fā)酵工程是一類(lèi)高度非線(xiàn)性、慢時(shí)變、重復(fù)性較差的復(fù)雜生化過(guò)程，我們?cè)谘芯繒r(shí)就不能只是從表面分析生物發(fā)酵過(guò)程，而是使用檢測(cè)的過(guò)程參數(shù)來(lái)詳細(xì)分析生物發(fā)酵過(guò)程。檢測(cè)過(guò)程中包含的參數(shù)一般為體積、pH值、溶氧情況等，涉及到化學(xué)、物理、生物三個(gè)方面。而對(duì)于工業(yè)發(fā)酵方面來(lái)說(shuō)，發(fā)酵工程的首要任務(wù)是選擇適宜菌種進(jìn)行培養(yǎng)繁殖，同時(shí)還應(yīng)保持最佳生長(zhǎng)條件和參數(shù)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(duì)人們生活影響較大，隨著研究的進(jìn)展，生物工程研究結(jié)果逐漸引起世界各國(guó)領(lǐng)導(dǎo)的關(guān)注，發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)、體積等根據(jù)不同的反應(yīng)過(guò)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(jìn)步。生物工程的發(fā)展同時(shí)推動(dòng)著發(fā)酵工程，對(duì)于發(fā)酵過(guò)程的檢測(cè)和控制成為當(dāng)下有待研究的課題，例如發(fā)酵在線(xiàn)檢測(cè)、自動(dòng)化控制等。

2生物發(fā)酵的在線(xiàn)檢測(cè)及控制

微生物發(fā)酵過(guò)程的實(shí)質(zhì)是為了提高最終微生物的發(fā)酵產(chǎn)量及利用率，給予微生物適宜的生長(zhǎng)環(huán)境使其有良好的反應(yīng)過(guò)程。良好的發(fā)酵環(huán)境需根據(jù)微生物特點(diǎn)制定，適宜微生物生長(zhǎng)及代謝，進(jìn)而對(duì)發(fā)酵過(guò)程中各參數(shù)的變化進(jìn)行檢測(cè)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(zhǎng)需要在適宜的環(huán)境溫度下進(jìn)行，影響發(fā)酵過(guò)程溫度變化的因素主要有攪拌過(guò)程產(chǎn)熱、發(fā)酵過(guò)程產(chǎn)熱、冷卻水系統(tǒng)等，此外，生物反應(yīng)器的體積大小可能會(huì)影響溫度數(shù)值的變化。如體積較大的生物反應(yīng)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(jí)控制；體積較小的生物反應(yīng)器使用以發(fā)酵溫度為主、冷卻水系統(tǒng)流量為控制參數(shù)變化回路的控制方式。

2.2控制pH值

微生物發(fā)酵過(guò)程中，控制酸堿度變化能保障其發(fā)酵過(guò)程產(chǎn)物利用率的提升，適宜的pH值能為微生物創(chuàng)造良好生長(zhǎng)環(huán)境，同時(shí)若數(shù)值控制不當(dāng)會(huì)影響微生物的生長(zhǎng)及代謝過(guò)程，若菌液的pH值過(guò)低，可加氧水來(lái)提高pH數(shù)值；若pH值偏高，可加糖來(lái)降低pH數(shù)值，保持穩(wěn)定的pH值。

2.3溶解氧濃度的影響

在發(fā)酵過(guò)程中，溶解氧濃度對(duì)發(fā)酵效果具有一定影響，但目前我國(guó)對(duì)于發(fā)酵過(guò)程中溶解氧濃度的相關(guān)研究較少，影響溶解氧濃度的因素：生物反應(yīng)器自身承載壓力；發(fā)酵過(guò)程中供給空氣量；攪拌電機(jī)的轉(zhuǎn)速與槳葉大小?？赏ㄟ^(guò)采取一定措施來(lái)改變發(fā)酵過(guò)程中溶氧濃度效果，見(jiàn)表1。

2.4消泡控制措施

微生物發(fā)酵過(guò)程中，需消除攪拌通氣產(chǎn)生的泡沫，除此之外，若培養(yǎng)基中營(yíng)養(yǎng)濃度較大，黏度較高也會(huì)產(chǎn)生大量泡沫。在發(fā)酵前微生物生長(zhǎng)速度較快，加入發(fā)酵液進(jìn)行攪拌時(shí)會(huì)因產(chǎn)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(bǔ)料控制

補(bǔ)料控制是指在發(fā)酵過(guò)程中適當(dāng)給微生物補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)成分，隨著微生物發(fā)酵時(shí)間持續(xù)，在該時(shí)間段內(nèi)發(fā)酵罐中養(yǎng)分不斷被吸收用于代謝生長(zhǎng)，代謝生長(zhǎng)過(guò)程隨發(fā)酵過(guò)程而變化，通過(guò)不斷為微生物提供養(yǎng)分，使其保持良好生長(zhǎng)狀態(tài)，按照預(yù)定生長(zhǎng)計(jì)劃進(jìn)行繁殖，提高代謝產(chǎn)物的利用率。

2.6發(fā)酵系統(tǒng)多尺度分析

根據(jù)紅霉素發(fā)酵工藝優(yōu)化過(guò)程進(jìn)行分析，研究整個(gè)發(fā)酵系統(tǒng)多尺度的主要影響因素及應(yīng)用。生物細(xì)胞的基因尺度決定細(xì)胞尺度，通過(guò)對(duì)生物反應(yīng)器發(fā)酵過(guò)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(yīng)器中的生長(zhǎng)環(huán)境，環(huán)境變量以信號(hào)傳導(dǎo)的方式影響微生物的基因尺度，通過(guò)分析環(huán)境變量的動(dòng)態(tài)因子變化，其結(jié)果將直接影響微生物細(xì)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(guò)程變化對(duì)于最終結(jié)果的影響，解決發(fā)酵過(guò)程中控制局部變量實(shí)現(xiàn)整體的協(xié)調(diào)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(guò)程中各項(xiàng)參數(shù)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(guān)，為更好掌握酵母菌生長(zhǎng)情況，應(yīng)對(duì)各項(xiàng)數(shù)值進(jìn)行測(cè)試記錄。經(jīng)由48h的平板涂布培養(yǎng)后，分離菌種進(jìn)行單獨(dú)擴(kuò)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(shù)，結(jié)果見(jiàn)表2。表2擴(kuò)培過(guò)程各參數(shù)變化數(shù)值在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，搖瓶操作會(huì)產(chǎn)生一定泡沫，可以適當(dāng)降低轉(zhuǎn)速來(lái)減少泡沫的產(chǎn)生，避免影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通過(guò)表2可知，酵母菌在發(fā)酵過(guò)程經(jīng)歷四個(gè)時(shí)間階段，即適應(yīng)期、生長(zhǎng)期、平穩(wěn)期、死亡期，而適應(yīng)期為0~3h，生長(zhǎng)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(shù)值在4.2~5.2之間變化，而酵母菌的適宜生長(zhǎng)pH值為3~7.5，因此取最佳pH值為4.2~4.6。

3發(fā)酵過(guò)程在線(xiàn)檢測(cè)的重要指標(biāo)

生物發(fā)酵過(guò)程是一項(xiàng)生物與化學(xué)結(jié)合的反應(yīng)過(guò)程，對(duì)該過(guò)程參數(shù)變化進(jìn)行檢測(cè)，并適當(dāng)控制數(shù)值變化使其滿(mǎn)足生長(zhǎng)條件，能夠?qū)Πl(fā)酵過(guò)程全面認(rèn)知，同時(shí)了解微生物的生長(zhǎng)與代謝過(guò)程。生物發(fā)酵在線(xiàn)檢測(cè)需重視以下指標(biāo)，可從根據(jù)以下指標(biāo)判斷生物的整體的生長(zhǎng)情況：第一，溫度，通過(guò)環(huán)境溫度的變化判斷微生物生長(zhǎng)所需要的時(shí)間，常用PT100溫度傳感器進(jìn)行測(cè)試；第二，空氣流量，測(cè)試發(fā)酵過(guò)程中空氣流量，可明確微生物生長(zhǎng)中所需氧氣和排泄廢氣的數(shù)值，可采用渦流流量計(jì)進(jìn)行數(shù)值測(cè)定；第三，發(fā)酵時(shí)罐壓大小，罐壓可以增加微生物發(fā)酵時(shí)溶氧的質(zhì)量，或避免外部空氣進(jìn)入，可采用壓力表進(jìn)行測(cè)定；第四，pH值，用于滿(mǎn)足微生物生長(zhǎng)的適宜條件，同時(shí)反應(yīng)微生物的代謝規(guī)律，使用pH玻璃電極傳感器進(jìn)行測(cè)定；第五，體積，微生物發(fā)酵過(guò)程中的體積分?jǐn)?shù)變化能夠反應(yīng)整體發(fā)酵過(guò)程的穩(wěn)定性，可采用差壓變送器測(cè)定；第六，溶氧，反應(yīng)微生物發(fā)酵過(guò)程中對(duì)氧氣的需求度和實(shí)際供氧量，使用溶氧電極測(cè)定。對(duì)微生物發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，搜集發(fā)酵過(guò)程中重要指標(biāo)的數(shù)值變化，將傳感器放置于發(fā)酵重要環(huán)節(jié)并及時(shí)反應(yīng)信息，為發(fā)酵測(cè)定工作提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)分析。微生物培養(yǎng)過(guò)程需保證在無(wú)菌環(huán)境下進(jìn)行，因此在接種、分離純化、培養(yǎng)等階段都應(yīng)在無(wú)菌條件下操作，檢測(cè)環(huán)境的傳感器應(yīng)滿(mǎn)足以下條件：若傳感器需插入發(fā)酵罐內(nèi)部，應(yīng)保持自身不攜帶外來(lái)菌種且耐高溫滅菌；傳感器對(duì)數(shù)值測(cè)試穩(wěn)定準(zhǔn)確，自身性能良好，受外界因素影響較??；傳感器結(jié)構(gòu)不可留有滅菌不到位的死角，防止因滅菌不徹底導(dǎo)致被污染；對(duì)數(shù)值變化敏感性較高。

4發(fā)酵過(guò)程中對(duì)參數(shù)進(jìn)行在線(xiàn)檢測(cè)的意義

對(duì)生物發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行檢測(cè)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(zhì)的反應(yīng)產(chǎn)物。在生物發(fā)酵過(guò)程中，在線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)和控制技術(shù)的水平高低會(huì)直接影響發(fā)酵結(jié)果，此外，若控制不到位會(huì)使得菌種的生產(chǎn)能力受到一定影響，使后續(xù)工作開(kāi)展難度較大。生物反應(yīng)與物理化學(xué)反應(yīng)不同，物理化學(xué)反應(yīng)速率較快且反應(yīng)結(jié)果較直觀，有時(shí)僅憑肉眼即可進(jìn)行判斷，除此之外，化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)轉(zhuǎn)化率較高，新物質(zhì)產(chǎn)出量較高。而生物反應(yīng)需要較長(zhǎng)的反應(yīng)過(guò)程，且對(duì)反應(yīng)環(huán)境條件要求嚴(yán)格，最終產(chǎn)出物質(zhì)質(zhì)量較少，即轉(zhuǎn)化率較低。為了解決生物反應(yīng)速率較慢、產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率較低的問(wèn)題，應(yīng)從以下兩方面進(jìn)行改善：第一，為生物反應(yīng)選擇適宜的培育菌種，在滿(mǎn)足菌種生長(zhǎng)環(huán)境后進(jìn)行條件控制，或改良菌種品質(zhì)，使菌種的生產(chǎn)能力提升，最終轉(zhuǎn)化率相應(yīng)提升。第二，合理控制培養(yǎng)條件。在生物發(fā)酵過(guò)程中，應(yīng)對(duì)菌種的基本特性了解充分，掌握適宜其生長(zhǎng)的有關(guān)條件，如光照強(qiáng)度、pH值等，嚴(yán)格控制生物培養(yǎng)條件，使最終培養(yǎng)產(chǎn)物更加優(yōu)質(zhì)。從最終的產(chǎn)出結(jié)果和產(chǎn)出物性質(zhì)來(lái)看，控制發(fā)酵過(guò)程中的反應(yīng)速度和生物生長(zhǎng)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(kāi)展，能夠有效促進(jìn)生物反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率提升和菌種生產(chǎn)能力的提升。因此在生物發(fā)酵過(guò)程中，研究人員需采取相應(yīng)的檢測(cè)技術(shù)和控制技術(shù)，將整個(gè)過(guò)程控制在優(yōu)質(zhì)的操作環(huán)境中，并對(duì)發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，提升生物發(fā)酵水平。

5結(jié)束語(yǔ)

為了提高我國(guó)生物工程研究水平，針對(duì)微生物發(fā)酵過(guò)程中可能存在的問(wèn)題進(jìn)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(shù)的提升而不斷優(yōu)化。生物發(fā)酵控制器是針對(duì)微生物發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行長(zhǎng)期控制，能夠控制培養(yǎng)過(guò)程中的溫度變化、pH值變化等影響生物發(fā)酵的關(guān)鍵因素，同時(shí)能對(duì)該過(guò)程進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析，能夠?qū)?shù)進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，通過(guò)對(duì)傳感器發(fā)送指令，在接受到命令后執(zhí)行操作并將對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)中，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的調(diào)控。在該過(guò)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(nèi)部?jī)?chǔ)存器，通過(guò)執(zhí)行數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、數(shù)據(jù)運(yùn)算等操作命令，由數(shù)字形式的輸出模式來(lái)把控微生物的發(fā)酵過(guò)程。PLC廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和機(jī)械設(shè)備制造，在1960年后首次被應(yīng)用于生物發(fā)酵過(guò)程，解決了生物發(fā)酵過(guò)程中的自動(dòng)控制難題，目前該控制手段仍然在不斷使用；其二為PC計(jì)算機(jī)，該控制形式晚于PLC控制器，但在該形式的計(jì)算機(jī)誕生后立即應(yīng)用于生物發(fā)酵控制系統(tǒng)；其三為單片機(jī)，是通過(guò)大規(guī)模集成電路將內(nèi)存存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)讀取、計(jì)數(shù)或定時(shí)等功能集中到一塊硅片上的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，能夠?qū)ι锇l(fā)酵過(guò)程中的干擾因素進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)分析，并使其恢復(fù)正常數(shù)值。我國(guó)對(duì)于生物反應(yīng)器研究起步較晚，作為生物工程研究的核心反應(yīng)系統(tǒng)，生物反應(yīng)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(mǎn)金屬離子的水溶液或由同一結(jié)構(gòu)、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(jù)研究調(diào)查表明，生物反應(yīng)器能夠?qū)⑽廴疚镞M(jìn)行快速降解，在此過(guò)程中生物反應(yīng)控制系統(tǒng)的流程設(shè)計(jì)主要依靠研究經(jīng)驗(yàn)，目前我國(guó)對(duì)于此類(lèi)研究案例較少，缺乏系統(tǒng)的理論知識(shí)體系和專(zhuān)業(yè)的研究設(shè)計(jì)，仍依賴(lài)外國(guó)公司進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。由此，我國(guó)應(yīng)不斷加強(qiáng)對(duì)生物發(fā)酵技術(shù)的研究和對(duì)發(fā)酵過(guò)程中控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，能夠完善我國(guó)生物工程理論體系，提高我國(guó)生物技術(shù)的研究水平，同時(shí)提升相關(guān)企業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。對(duì)于生物發(fā)酵過(guò)程的研究仍有待完善，對(duì)發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行正確分析、解析，詳細(xì)記錄當(dāng)中的數(shù)據(jù)變化和整體過(guò)程細(xì)節(jié)，為今后的研究提供案例參考，加大對(duì)生物發(fā)酵技術(shù)研究的資金扶持，設(shè)立專(zhuān)項(xiàng)研究經(jīng)費(fèi)，使有關(guān)研究順利開(kāi)展，通過(guò)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(zhì)資源。

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作者:王偉民 單位:武漢輕工大學(xué)