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微生物的生長代謝過程是動態變化的，細胞不停地在于外界環境進行著物質交換。發酵參數可以正確地反映發酵條件和微生物代謝的變化。根據參數的性質特點，可分為三類，即物理參數、化學參數及生物學參數。

一、物理參數

1、溫度

   對于所有生物細胞的生物反應，溫度都是很重要的影響因素。不同生物細胞、不同發酵階段、不同產物，所需的溫度范圍并不一致，將溫度控制在其理想范圍內，有利于生物細胞的生長繁殖和產物合成。除此之外，溫度還與溶解氧濃度密切相關。溫度檢測儀表有熱電阻檢測器、半導體熱敏電阻、熱電偶和玻璃溫度計等。保興賽斯發酵罐使用進口Pt100電極檢測溫度。

圖1 溫度電極

2、壓力

發酵過程中維持罐內正壓，是防止雜菌污染的重要措施。同時罐壓與培養液中O₂和CO₂的溶解度有關，間接影響菌體的生長代謝。常用的壓強檢測儀是壓力表，一般安裝在發酵罐或空氣過濾器頂部，通過手動調節進氣和出氣閥門改變罐內壓力。為便于觀測和控制，保興賽斯配有罐壓自控系統的設備，可將壓力信號轉換成電信號與儀表聯接，再反饋控制閥門開關，自動調節壓力。

圖2 保興賽斯發酵設備壓力表應用示例

3、通氣流量

對于好氧生物發酵，必須向發酵罐內通入無菌空氣，一是供應生物細胞生長代謝所必須的氧，二是增加培養液的混合與傳質，三是維持罐內正壓環境。通氣量的大小直接影響發酵液中氧的傳遞。

測量氣體流量的裝置分為體積流量型和質量流量型。體積流量型氣體流量計包括轉子流量計和同心孔板壓差式流量計，實驗室小試和中試發酵系統常應用轉子流量計，同心孔板壓差式流量計一般用于工業生產的大罐。質量流量計測量精度比轉子流量計更高。保興賽斯發酵罐配有空氣流量自動控制系統，帶質量流量計，可與溶氧進行關聯控制。

圖3 保興賽斯發酵設備質量流量計應用實例

4、攪拌轉速

攪拌轉速對發酵液的混合狀態、溶解速率、物質傳遞等有重要影響，同時影響生物細胞的生長、產物合成、攪拌功率消耗等。當通氣量一定時，攪拌轉速升高，其溶氧速率增大，消耗的攪拌功率也越大。攪拌轉速的檢測常用方法有磁感應式、光感應式和測速發電機等三種。

5、液位

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

6、泡沫

   發酵液面上的泡沫層，如果控制不好，會降低發酵罐裝液系數，減少設備利用率，甚至出現“逃液”現象，造成浪費和污染。保興賽斯發酵設備配消泡電極，自動檢測泡沫，控制界面選擇設定蠕動泵功能，可按照時間比例自動添加消泡劑。

圖4 保興賽斯發酵設備消泡電極應用實例

7、黏度

培養基的黏度主要受培養液的成分及濃度、細胞濃度、溫度、代謝產物等影響。而發酵液的黏度（或表觀黏度）對溶液的攪拌與混合、溶氧速率、物質傳遞等有重要影響，同時對攪拌功率消耗及發酵產物的分離純化均起著重要作用。發酵工業上常用的黏度測定儀有振動式黏度傳感儀、毛細管黏度計、回轉式黏度計和渦輪旋轉粘度計等。

二、化學參數

1、pH

   發酵液的pH是發酵過程中各種生化反應的綜合結果，是細胞生長和產物生成的重要指示。通常用的pH測定儀是pH玻璃電極，其結構緊湊、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。此外，發酵過程溶解氧還可以作為判斷發酵是否有雜菌或噬菌體污染的間接參數，若溶氧濃度變化異常，則提示發酵系統出現雜菌污染或其他問題。故對培養液中的溶氧濃度必須測定和控制。

在發酵過程中，常用的溶氧電極有極譜溶氧電極和光學溶氧電極兩種。但在某些限氧條件下進行的發酵反應，如厭氧發酵，溶氧電極無法精確測定溶氧值，檢測氧化還原電位參數更為理想。

圖6 DO電極

3、溶解CO₂濃度

通氣發酵過程中，由于生物細胞的呼吸和生物合成，培養液中的氧會被部分消耗，而CO₂的含量會升高。對大部分的好氧發酵，當發酵液中溶解CO₂濃度增至某值時，就會使細胞生長和產物合成速率下降。溶解CO₂濃度可用CO₂電極測定。

圖7 CO₂電極

4、尾氣

   通過發酵尾氣中CO_2、O₂在線檢測分析和裝液量、進氣量等數據，可以計算獲取發酵過程重要的呼吸代謝參數，如CO₂釋放速率（CER）、攝氧率（OUR）、呼吸商（RQ）等。這些參數反映了微生物的代謝狀況，尤其能提供從生長向生產過渡或主要基質間的代謝過渡指標。尾氣的檢測可直接使用尾氣分析儀，在線監測尾氣中CO₂和O₂氣體濃度。

圖8 保興賽斯尾氣分析儀應用實例

5、產物濃度

檢測產物濃度可以了解發酵的進程以及決定發酵是否正常或是否結束發酵。生物傳感器是由固定化的生物材料和適當的信號轉換器相結合而成的檢測器件，目前已有用于葡萄糖檢測的葡萄糖酶電極傳感器和用于酒精、乳酸等測定的微生物傳感器。但仍有一些其他物質缺乏相應的傳感器，需要采用離線檢測。保興賽斯發酵設備可選配在線生化分析儀和生化分析儀兩種。

     
圖9a 自動取樣器                                                                                        圖9b 保興賽斯自動取樣器應用實例                                                                                                 圖9c 在線生化分析儀

三、生物學參數

1、菌體形態

觀察種子階段菌體的生長情況，可選擇種齡最合適的種子。在發酵過程中，定時鏡檢，有利于發現生長異常的菌體或雜菌污染，及時采取措施控制情況。

2、菌體濃度

在發酵過程中，生物細胞濃度是發酵生產速率和效率關鍵的影響因素。生物細胞濃度的測定有全細胞濃度和活細胞濃度之分。全細胞濃度測定方法分為濕重法、干重法、濁度法、濕細胞體積等。其中，流通式濁度計可在線檢測全細胞濃度。活細胞濃度的測定原理是利用活細胞催化的反應或活細胞本身有的物質如ATP，使用生物發光或化學發光法測定。

參考資料：

[1]朱明軍.生物工程設備[M].北京：中國輕工業出版社,2021.12