微生物的生长代谢过程是动态变化的，细胞不停地在于外界环境进行着物质交换。发酵参数可以正确地反映发酵条件和微生物代谢的变化。根据参数的性质特点，可分为三类，即物理参数、化学参数及生物学参数。

一、物理参数

1、温度

   对于所有生物细胞的生物反应，温度都是很重要的影响因素。不同生物细胞、不同发酵阶段、不同产物，所需的温度范围并不一致，将温度控制在其理想范围内，有利于生物细胞的生长繁殖和产物合成。除此之外，温度还与溶解氧浓度密切相关。温度检测仪表有热电阻检测器、半导体热敏电阻、热电偶和玻璃温度计等。保兴赛斯发酵罐使用进口Pt100电极检测温度。

图1 温度电极

2、压力

发酵过程中维持罐内正压，是防止杂菌污染的重要措施。同时罐压与培养液中O₂和CO₂的溶解度有关，间接影响菌体的生长代谢。常用的压强检测仪是压力表，一般安装在发酵罐或空气过滤器顶部，通过手动调节进气和出气阀门改变罐内压力。为便于观测和控制，保兴赛斯配有罐压自控系统的设备，可将压力信号转换成电信号与仪表联接，再反馈控制阀门开关，自动调节压力。

图2 保兴赛斯发酵设备压力表应用示例

3、通气流量

对于好氧生物发酵，必须向发酵罐内通入无菌空气，一是供应生物细胞生长代谢所必须的氧，二是增加培养液的混合与传质，三是维持罐内正压环境。通气量的大小直接影响发酵液中氧的传递。

测量气体流量的装置分为体积流量型和质量流量型。体积流量型气体流量计包括转子流量计和同心孔板压差式流量计，实验室小试和中试发酵系统常应用转子流量计，同心孔板压差式流量计一般用于工业生产的大罐。质量流量计测量精度比转子流量计更高。保兴赛斯发酵罐配有空气流量自动控制系统，带质量流量计，可与溶氧进行关联控制。

图3 保兴赛斯发酵设备质量流量计应用实例

4、搅拌转速

搅拌转速对发酵液的混合状态、溶解速率、物质传递等有重要影响，同时影响生物细胞的生长、产物合成、搅拌功率消耗等。当通气量一定时，搅拌转速升高，其溶氧速率增大，消耗的搅拌功率也越大。搅拌转速的检测常用方法有磁感应式、光感应式和测速发电机等三种。

5、液位

液位检测的主要方法有压差法、电容法、电导法等。压差法是利用发酵罐内上下两点或三点间的不同压强，计算料液量和液面高度。除此之外，保兴赛斯发酵罐带有大视镜，直接观察液位和发酵状态，还可选配罐体称重系统，直接测量装液量，大罐（≥500L）可选配压差液位计检测装液量。

6、泡沫

   发酵液面上的泡沫层，如果控制不好，会降低发酵罐装液系数，减少设备利用率，甚至出现“逃液”现象，造成浪费和污染。保兴赛斯发酵设备配消泡电极，自动检测泡沫，控制界面选择设定蠕动泵功能，可按照时间比例自动添加消泡剂。

图4 保兴赛斯发酵设备消泡电极应用实例

7、黏度

培养基的黏度主要受培养液的成分及浓度、细胞浓度、温度、代谢产物等影响。而发酵液的黏度（或表观黏度）对溶液的搅拌与混合、溶氧速率、物质传递等有重要影响，同时对搅拌功率消耗及发酵产物的分离纯化均起着重要作用。发酵工业上常用的黏度测定仪有振动式黏度传感仪、毛细管黏度计、回转式黏度计和涡轮旋转粘度计等。

二、化学参数

1、pH

   发酵液的pH是发酵过程中各种生化反应的综合结果，是细胞生长和产物生成的重要指示。通常用的pH测定仪是pH玻璃电极，其结构紧凑、可高温灭菌。

图5 pH电极

2、DO

溶解氧浓度直接影响微生物的代谢，它的大小与氧的传递速率、微生物的摄氧率等有关。此外，发酵过程溶解氧还可以作为判断发酵是否有杂菌或噬菌体污染的间接参数，若溶氧浓度变化异常，则提示发酵系统出现杂菌污染或其他问题。故对培养液中的溶氧浓度必须测定和控制。

在发酵过程中，常用的溶氧电极有极谱溶氧电极和光学溶氧电极两种。但在某些限氧条件下进行的发酵反应，如厌氧发酵，溶氧电极无法精确测定溶氧值，检测氧化还原电位参数更为理想。

图6 DO电极

3、溶解CO₂浓度

通气发酵过程中，由于生物细胞的呼吸和生物合成，培养液中的氧会被部分消耗，而CO₂的含量会升高。对大部分的好氧发酵，当发酵液中溶解CO₂浓度增至某值时，就会使细胞生长和产物合成速率下降。溶解CO₂浓度可用CO₂电极测定。

图7 CO₂电极

4、尾气

   通过发酵尾气中CO_2、O₂在线检测分析和装液量、进气量等数据，可以计算获取发酵过程重要的呼吸代谢参数，如CO₂释放速率（CER）、摄氧率（OUR）、呼吸商（RQ）等。这些参数反映了微生物的代谢状况，尤其能提供从生长向生产过渡或主要基质间的代谢过渡指标。尾气的检测可直接使用尾气分析仪，在线监测尾气中CO₂和O₂气体浓度。

图8 保兴赛斯尾气分析仪应用实例

5、产物浓度

检测产物浓度可以了解发酵的进程以及决定发酵是否正常或是否结束发酵。生物传感器是由固定化的生物材料和适当的信号转换器相结合而成的检测器件，目前已有用于葡萄糖检测的葡萄糖酶电极传感器和用于酒精、乳酸等测定的微生物传感器。但仍有一些其他物质缺乏相应的传感器，需要采用离线检测。保兴赛斯发酵设备可选配在线生化分析仪和生化分析仪两种。

     
图9a 自动取样器                                                                                        图9b 保兴赛斯自动取样器应用实例                                                                                                 图9c 在线生化分析仪

三、生物学参数

1、菌体形态

观察种子阶段菌体的生长情况，可选择种龄最合适的种子。在发酵过程中，定时镜检，有利于发现生长异常的菌体或杂菌污染，及时采取措施控制情况。

2、菌体浓度

在发酵过程中，生物细胞浓度是发酵生产速率和效率关键的影响因素。生物细胞浓度的测定有全细胞浓度和活细胞浓度之分。全细胞浓度测定方法分为湿重法、干重法、浊度法、湿细胞体积等。其中，流通式浊度计可在线检测全细胞浓度。活细胞浓度的测定原理是利用活细胞催化的反应或活细胞本身有的物质如ATP，使用生物发光或化学发光法测定。

参考资料：

[1]朱明军.生物工程设备[M].北京：中国轻工业出版社,2021.12