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淺析生物發(fā)酵過(guò)程的在線(xiàn)檢測及控制
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，因為我們平時(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(kāi)的，而隨著(zhù)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(lái)。對于發(fā)酵工業(yè)來(lái)說(shuō)，我們大致將其分為五個(gè)階段，第一個(gè)階段是在19世紀之前，當時(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，這個(gè)時(shí)候就出現了分批補料的技術(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的時(shí)間而定的，因為這一階段發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展是根據第二次世界大戰的需求，逐漸培育出來(lái)的以深層培養生產(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、氨基酸的轉化。第四個(gè)階段是在20世紀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技術(shù)和分批補料培養法。而最后一個(gè)階段是以基因工程為基礎開(kāi)始的，也是從這個(gè)時(shí)候開(kāi)始形成了一個(gè)新的發(fā)酵過(guò)程，比如說(shuō)胰島素的生產(chǎn)。從我國目前的發(fā)酵水平來(lái)看，我國的生物發(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)達國家的發(fā)酵技術(shù)有很大的差距。所以我們在對發(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(guò)程控制
生物的發(fā)酵過(guò)程是指在合適的培養基、溫度等條件下進(jìn)行的培養發(fā)酵，它會(huì )利用微生物的某種功能，運用現代的工程技術(shù)手段產(chǎn)生對人類(lèi)有益的物質(zhì)，有時(shí)會(huì )直接把微生物運用到工業(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)酵罐的設計以及產(chǎn)品的分離等過(guò)程。
如果想要真正的去控制生物的發(fā)酵過(guò)程，就要先了解其特性，現階段對微生物的認知已經(jīng)逐漸進(jìn)入到了分子生物學(xué)方面的研究階段，而生物的細胞是非常復雜的，但是現在的生物技術(shù)已經(jīng)將這種復雜的生物細胞變得規矩，這也是就是所說(shuō)的對發(fā)酵的控制，我們曾采用控制發(fā)酵技術(shù)的氨基酸、核酸發(fā)酵的出現就是最好的體現。而我們的生物工程工作者現階段的主要任務(wù)就是怎樣更好的去調節控制發(fā)酵技術(shù)，按照經(jīng)濟援助將實(shí)驗室當中的結果逐漸的擴大到生產(chǎn)規模當中，這也就是發(fā)酵工程控制的出現。
發(fā)酵工程控制主要包含了兩方面的內容，一是怎樣改變細胞的遺傳組成以及細胞的代謝生理特征，也就是細胞的內部控制。二是包括了營(yíng)養成分、細胞體以及代謝產(chǎn)物在內的細胞生長(cháng)的物理方面、化學(xué)方面的環(huán)境控制。
3.發(fā)酵工程當中的環(huán)境控制
我們都知道微生物的發(fā)酵其實(shí)是一個(gè)非常復雜的生化反應過(guò)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(guò)程當中始終處于一個(gè)適合微生物生長(cháng)代謝的環(huán)境中，在這種環(huán)境的基礎上對發(fā)酵過(guò)程的控制在進(jìn)行相應的優(yōu)化，從而提高發(fā)酵產(chǎn)品的得率，所以說(shuō)生物發(fā)酵的環(huán)境是非常重要的，我們一般情況下根據發(fā)酵罐會(huì )進(jìn)行一些發(fā)酵狀態(tài)的控制。
(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(cháng)的，在生物酶動(dòng)力學(xué)方面入手的話(huà)，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(shuō)微生物發(fā)酵過(guò)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(cháng)參數，一定進(jìn)行嚴格的控制才可以，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)酵罐溫度控制系統是以發(fā)酵溫度本省為控制參數的，冷卻水流量為控制參數的簡(jiǎn)單回路控制方案，而對于一些較大型的發(fā)酵罐系統，一般采用的是發(fā)酵溫度作為主回路，以冷卻時(shí)系統作為主回路的附屬路徑的串級控制放案。
(2)發(fā)酵過(guò)程當中pH控制
pH值時(shí)微生物生長(cháng)的一個(gè)環(huán)境參數，因此在發(fā)酵的過(guò)程當中要對其進(jìn)行嚴格的控制，不然很有可能會(huì )嚴重的影響到微生物道謝的進(jìn)行以及代謝產(chǎn)物的合成。我們在工業(yè)的生產(chǎn)中，如果發(fā)酵液的pH值較低的話(huà)，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(huà)，就會(huì )在發(fā)酵之前先適當的添加一些糖來(lái)進(jìn)行相應的調整，這是目前已知的方法。所以說(shuō)在pH值控制的范圍內，一定要控制好氨水的加入量，千萬(wàn)不要有過(guò)量的情況出現，我們也是為了避免一般的調節閘有泄漏的缺陷，因為之前就出現過(guò)調節閘泄漏，所以在pH值控制當中所使用的閘門(mén)是開(kāi)關(guān)閘，所以在控制裝置方面使用的是蠕動(dòng)泵來(lái)加入適當的中和液，蠕動(dòng)泵是一種體積很小的微量計，液體的流量就可以通過(guò)調節蠕動(dòng)泵的轉動(dòng)速度來(lái)進(jìn)行相應的控制。
(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在耗氧型發(fā)酵道德過(guò)程當中，氧是微生物生長(cháng)所必須的原料之一，如果供氧不足的話(huà)，會(huì )抑制微生物的生長(cháng)和代謝，所以我們在發(fā)酵的過(guò)程當中一定要確保穩定的溶解氧濃度，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，二是攪拌槳的轉速，三是發(fā)酵罐自身的壓力。
(4)消泡控制
在發(fā)酵之前，微生物的生長(cháng)是非�？斓�，當加入液料之后，攪拌馬達會(huì )開(kāi)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?chē)乐氐�，如果不小心就�?huì )出現逃液的情況，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，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，就是當發(fā)酵液的液面高度超過(guò)規定的高度時(shí)，會(huì )自動(dòng)打開(kāi)消泡劑的閥門(mén)，當發(fā)酵液的液面高度低于規定高度時(shí)，會(huì )自動(dòng)關(guān)閉消泡劑閥門(mén)。目前這一方法是最為有效的。
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