于颖 张小惠

    (中国药科大学，江苏 南京 210009)

    发酵技术(广义上称生物反应技术)是一种和我们的生活息息相关的技术，人们日常生活中的酵母、啤酒、味精，以及各种抗生素药物、氨基酸等都离不开发酵。近年来，随着生物科学技术的迅速发展，发酵工业越来越多的引起人们的重视。生化反应器的体积从几m3，直至几百m3。二次代谢产物的生产(抗生素的生产)、通过微生物的培养来获得有机物质的转化(如：类固醇)、工业污水处理以及酶制剂、实用蛋白、饲料添加剂等生产，发展迅速。面对生物反应工程的发展，生物反应过程的参数测量、自动控制、优化操作与控制、在线监控成为生物反应工业工程发展中面临的重要问题。另一方面，计算机技术的飞速发展为测量、分析、反馈控制、在线监测生化工程提供了先进的自动化工具。与国际先进的生物反应工程的在线检测及控制技术相比，我国生物反应工程技术无论是发酵工艺，还是自动化控制及在线监测方法，仍然处于一个较低的水平，传统的操作方式是开环的，尽管对环境参数，如：pH值、发酵温度、溶氧浓度等都可以控制得很好，但由于微生物生长过程，一些关键变量还是不可在线测量，使发酵过程控制问题依然很复杂，并且控制效果不理想，发酵工业的闭环控制滞后于一般的工业生产过程控制。因此，在加强对发酵工艺研究的同时，提高发酵自动化控制技术及在线监控技术已成为一个刻不容缓的课题。

    1 基本概念

    1.1 发酵罐

    发酵罐是一种最为常见的生物反应器，它由圆柱形罐体和各种检测传感器组成。发酵罐的罐体一般为玻璃或钢结构，实验用发酵罐以玻璃结构较多，而且容积一般都小于10L。发酵罐有很多类型，如：鼓泡式、气升式、机械搅拌式、喷射自吸式等。其中，机械搅拌式在实验室和生产中应用最为广泛，其利用机械搅拌器的作用，使气和发酵液充分混合，提高发酵液的溶解氧，供给微生物生长繁殖代谢所需的氧气。在发酵罐上装配有搅拌电机和进行温度调节的加热和冷却装置，配有温度、溶氧、pH值等检测传感器及HPLC在线分析仪等可以对发酵参数进行在线检测，并根据发酵各参数的变化情况进行反馈控制，实现在线监控功能。

    1.2 生物反应工程概念

    现代意义上的生物反应工程是指在一定条件下(合适的培养基、温度、pH值、通气量、搅拌等)进行培养发酵，利用微生物的某种特定功能，通过现代工程技术方法生产对人类有用的物质或直接把微生物应用于工业化生产的技术体系，其主要内容包括：工业生产菌株的选育、最佳发酵条件的选择和各测量参数的在线检测、控制与优化、生化反应器(发酵罐)的设计和产品的分离、提取和精制等过程 ......