生物發(fā)酵過程控制與檢測(cè)技術(shù)分析

王偉民

（武漢輕工大學(xué)，湖北 武漢 430000）

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)從了解不同類型微生物特點(diǎn)和構(gòu)造開始，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(lái)判斷，而應(yīng)測(cè)定發(fā)酵過程中的參數(shù)來(lái)分析生長(zhǎng)過程中環(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)酵工程是一類高度非線性、慢時(shí)變、重復(fù)性較差的復(fù)雜生化過程，我們?cè)谘芯繒r(shí)就不能只是從表面分析生物發(fā)酵過程，而是使用檢測(cè)的過程參數(shù)來(lái)詳細(xì)分析生物發(fā)酵過程。檢測(cè)過程中包含的參數(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)酵在線檢測(cè)、自動(dòng)化控制等。

2 生物發(fā)酵的在線檢測(cè)及控制

微生物發(fā)酵過程的實(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)酵過程溫度變化的因素主要有攪拌過程產(chǎn)熱、發(fā)酵過程產(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)酵過程中，控制酸堿度變化能保障其發(fā)酵過程產(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)及代謝過程，若菌液的pH 值過低，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)酵過程中供給空氣量；攪拌電機(jī)的轉(zhuǎn)速與槳葉大小?？赏ㄟ^采取一定措施來(lái)改變發(fā)酵過程中溶氧濃度效果，見表1。

表1 溶氧措施控制的比較

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(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(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，通過對(duì)生物反應(yīng)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(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，分析某過程變化對(duì)于最終結(jié)果的影響，解決發(fā)酵過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48 h 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3 h 記錄酵母菌溶液中pH 值、菌液濃度、吸光度等參數(shù)，結(jié)果見表2。

表2 擴(kuò)培過程各參數(shù)變化數(shù)值

在實(shí)驗(yàn)過程中，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。通過表2 可知，酵母菌在發(fā)酵過程經(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0~3 h，生長(zhǎng)期為3~24 h，平穩(wěn)期為24~40 h，死亡期為40~48 h。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)酵過程在線檢測(cè)的重要指標(biāo)

生物發(fā)酵過程是一項(xiàng)生物與化學(xué)結(jié)合的反應(yīng)過程，對(duì)該過程參數(shù)變化進(jìn)行檢測(cè)，并適當(dāng)控制數(shù)值變化使其滿足生長(zhǎng)條件，能夠?qū)Πl(fā)酵過程全面認(rèn)知，同時(shí)了解微生物的生長(zhǎng)與代謝過程。

生物發(fā)酵在線檢測(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)酵過程中的體積分?jǐn)?shù)變化能夠反應(yīng)整體發(fā)酵過程的穩(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)酵過程進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，搜集發(fā)酵過程中重要指標(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)酵過程中對(duì)參數(shù)進(jìn)行在線檢測(cè)的意義

對(duì)生物發(fā)酵過程進(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)酵過程中，在線檢測(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)過程控制在優(yōu)質(zhì)的操作環(huán)境中，并對(duì)發(fā)酵過程進(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)酵過程中可能存在的問題進(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)酵過程進(jìn)行長(zhǎng)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(guān)鍵因素，同時(shí)能對(duì)該過程進(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)酵過程，解決了生物發(fā)酵過程中的自動(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)于此類研究案例較少，缺乏系統(tǒng)的理論知識(shí)體系和專業(yè)的研究設(shè)計(jì)，仍依賴外國(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)酵過程的研究仍有待完善，對(duì)發(fā)酵過程進(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)立專項(xiàng)研究經(jīng)費(fèi)，使有關(guān)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(zhì)資源。