生物發(fā)酵過程的在線檢測(cè)及控制

徐光曙，趙爽，杜佳

沈陽娃哈哈食品有限公司

1.發(fā)酵技術(shù)

發(fā)酵技術(shù)是最貼近人們生活的技術(shù)之一，因?yàn)槲覀兤綍r(shí)所用到的酵母以及所飲用的啤酒等等都是和發(fā)酵離不開的，而隨著生物科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，使得發(fā)酵工業(yè)逐漸的被人們重視起來。對(duì)于發(fā)酵工業(yè)來說，我們大致將其分為五個(gè)階段，第一個(gè)階段是在19世紀(jì)之前，當(dāng)時(shí)的發(fā)酵工業(yè)還比較淺顯，只是用于含有酒精的飲料和醋的生產(chǎn)。第二個(gè)階段是在1900年到1940年這一時(shí)間段內(nèi)，這個(gè)時(shí)候就出現(xiàn)了分批補(bǔ)料的技術(shù)，這一階段主要是生產(chǎn)酵母、檸檬酸、乳酸。第三個(gè)階段我們是按照低二次世界大戰(zhàn)的時(shí)間而定的，因?yàn)檫@一階段發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展是根據(jù)第二次世界大戰(zhàn)的需求，逐漸培育出來的以深層培養(yǎng)生產(chǎn)的青霉素，也是在這一階段發(fā)酵工業(yè)有了巨大的變化，其中就包括其他不同抗生素、氨基酸的轉(zhuǎn)化。第四個(gè)階段是在20世紀(jì)60年代初期，這一時(shí)期的發(fā)酵工業(yè)普遍采用了分批培養(yǎng)技術(shù)和分批補(bǔ)料培養(yǎng)法。而最后一個(gè)階段是以基因工程為基礎(chǔ)開始的，也是從這個(gè)時(shí)候開始形成了一個(gè)新的發(fā)酵過程，比如說胰島素的生產(chǎn)。從我國(guó)目前的發(fā)酵水平來看，我國(guó)的生物發(fā)酵技術(shù)不管是從工藝上，還是從自動(dòng)化控制技術(shù)方面，都和其他發(fā)達(dá)國(guó)家的發(fā)酵技術(shù)有很大的差距。所以我們?cè)趯?duì)發(fā)酵工藝進(jìn)行相關(guān)研究的同時(shí)，還要不斷的提高發(fā)酵自動(dòng)化控制技術(shù)。

2.發(fā)酵過程控制

生物的發(fā)酵過程是指在合適的培養(yǎng)基、溫度等條件下進(jìn)行的培養(yǎng)發(fā)酵，它會(huì)利用微生物的某種功能，運(yùn)用現(xiàn)代的工程技術(shù)手段產(chǎn)生對(duì)人類有益的物質(zhì)，有時(shí)會(huì)直接把微生物運(yùn)用到工業(yè)化的生產(chǎn)技術(shù)體系之中。生物發(fā)酵的主要內(nèi)容包括工業(yè)生產(chǎn)菌株的選擇培育、發(fā)酵最佳條件的選擇和控制、發(fā)酵罐的設(shè)計(jì)以及產(chǎn)品的分離等過程。

如果想要真正的去控制生物的發(fā)酵過程，就要先了解其特性，現(xiàn)階段對(duì)微生物的認(rèn)知已經(jīng)逐漸進(jìn)入到了分子生物學(xué)方面的研究階段，而生物的細(xì)胞是非常復(fù)雜的，但是現(xiàn)在的生物技術(shù)已經(jīng)將這種復(fù)雜的生物細(xì)胞變得規(guī)矩，這也是就是所說的對(duì)發(fā)酵的控制，我們?cè)捎每刂瓢l(fā)酵技術(shù)的氨基酸、核酸發(fā)酵的出現(xiàn)就是最好的體現(xiàn)。而我們的生物工程工作者現(xiàn)階段的主要任務(wù)就是怎樣更好的去調(diào)節(jié)控制發(fā)酵技術(shù)，按照經(jīng)濟(jì)援助將實(shí)驗(yàn)室當(dāng)中的結(jié)果逐漸的擴(kuò)大到生產(chǎn)規(guī)模當(dāng)中，這也就是發(fā)酵工程控制的出現(xiàn)。

發(fā)酵工程控制主要包含了兩方面的內(nèi)容，一是怎樣改變細(xì)胞的遺傳組成以及細(xì)胞的代謝生理特征，也就是細(xì)胞的內(nèi)部控制。二是包括了營(yíng)養(yǎng)成分、細(xì)胞體以及代謝產(chǎn)物在內(nèi)的細(xì)胞生長(zhǎng)的物理方面、化學(xué)方面的環(huán)境控制。

3.發(fā)酵工程當(dāng)中的環(huán)境控制

我們都知道微生物的發(fā)酵其實(shí)是一個(gè)非常復(fù)雜的生化反應(yīng)過程，為了提高最終的效率，我們一定要保證在整個(gè)操作的過程當(dāng)中始終處于一個(gè)適合微生物生長(zhǎng)代謝的環(huán)境中，在這種環(huán)境的基礎(chǔ)上對(duì)發(fā)酵過程的控制在進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化，從而提高發(fā)酵產(chǎn)品的得率，所以說生物發(fā)酵的環(huán)境是非常重要的，我們一般情況下根據(jù)發(fā)酵罐會(huì)進(jìn)行一些發(fā)酵狀態(tài)的控制。

3.1發(fā)酵的溫度控制

微生物的發(fā)酵是需要一個(gè)非常適宜的溫度才能夠生長(zhǎng)的，在生物酶動(dòng)力學(xué)方面入手的話，就會(huì)知道酶的最佳活力是有一個(gè)特定的溫度的，所以說微生物發(fā)酵過程的發(fā)酵溫度控制方面是一個(gè)非常重要的微生物生長(zhǎng)參數(shù)，一定進(jìn)行嚴(yán)格的控制才可以，目前已知的影響發(fā)酵溫度的因素主要有電機(jī)攪拌熱、微生物發(fā)酵熱、冷卻水本身的溫度變化等等，一些較小型的發(fā)酵罐溫度控制系統(tǒng)是以發(fā)酵溫度本省為控制參數(shù)的，冷卻水流量為控制參數(shù)的簡(jiǎn)單回路控制方案，而對(duì)于一些較大型的發(fā)酵罐系統(tǒng)，一般采用的是發(fā)酵溫度作為主回路，以冷卻時(shí)系統(tǒng)作為主回路的附屬路徑的串級(jí)控制放案。

3.2發(fā)酵過程當(dāng)中pH控制

pH值時(shí)微生物生長(zhǎng)的一個(gè)環(huán)境參數(shù)，因此在發(fā)酵的過程當(dāng)中要對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格的控制，不然很有可能會(huì)嚴(yán)重的影響到微生物道謝的進(jìn)行以及代謝產(chǎn)物的合成。我們?cè)诠I(yè)的生產(chǎn)中，如果發(fā)酵液的pH值較低的話，一般我們會(huì)采用加氨水的方法使pH值回升；如果偏高的話，就會(huì)在發(fā)酵之前先適當(dāng)?shù)奶砑右恍┨莵磉M(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，這是目前已知的方法。所以說在pH值控制的范圍內(nèi)，一定要控制好氨水的加入量，千萬不要有過量的情況出現(xiàn)，我們也是為了避免一般的調(diào)節(jié)閘有泄漏的缺陷，因?yàn)橹熬统霈F(xiàn)過調(diào)節(jié)閘泄漏，所以在pH值控制當(dāng)中所使用的閘門是開關(guān)閘，所以在控制裝置方面使用的是蠕動(dòng)泵來加入適當(dāng)?shù)闹泻鸵?，蠕?dòng)泵是一種體積很小的微量計(jì)，液體的流量就可以通過調(diào)節(jié)蠕動(dòng)泵的轉(zhuǎn)動(dòng)速度來進(jìn)行相應(yīng)的控制。

3.3溶解氧濃度的控制

微生物的發(fā)酵還有一個(gè)重要的原料，就是氧氣，這一原料的用途主要體現(xiàn)在耗氧型發(fā)酵道德過程當(dāng)中，氧是微生物生長(zhǎng)所必須的原料之一，如果供氧不足的話，會(huì)抑制微生物的生長(zhǎng)和代謝，所以我們?cè)诎l(fā)酵的過程當(dāng)中一定要確保穩(wěn)定的溶解氧濃度，目前已知的影響溶解氧濃度的主要因素有三個(gè)方面，一是供給的空氣量多少，二是攪拌槳的轉(zhuǎn)速，三是發(fā)酵罐自身的壓力。

3.4消泡控制

在發(fā)酵之前，微生物的生長(zhǎng)是非常快的，當(dāng)加入液料之后，攪拌馬達(dá)會(huì)開啟，這時(shí)的空氣流入量是最大的，也是在這個(gè)時(shí)候，發(fā)酵液的上浮情況是很嚴(yán)重的，如果不小心就會(huì)出現(xiàn)逃液的情況，在這種情況下，一定要及時(shí)的加入消泡劑，消泡劑的作用是減少泡沫的出現(xiàn)，防止發(fā)酵液上浮的。我們通常會(huì)采取雙位式的控制方法，所謂的雙位式，就是當(dāng)發(fā)酵液的液面高度超過規(guī)定的高度時(shí)，會(huì)自動(dòng)打開消泡劑的閥門，當(dāng)發(fā)酵液的液面高度低于規(guī)定高度時(shí)，會(huì)自動(dòng)關(guān)閉消泡劑閥門。目前這一方法是最為有效的。

[1]張嗣良，儲(chǔ)炬．多尺度微生物過程優(yōu)化．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003．

[2]王樹青、元英進(jìn)，生化過程自動(dòng)化技術(shù)，化學(xué)工業(yè)出版社，1999。

[3]張亞剛發(fā)酵過程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，天津輕工業(yè)學(xué)院碩士學(xué)位論文.2001