生物發(fā)酵工程是指利用微生物或細(xì)胞的特定功能結(jié)合現(xiàn)代工程技術(shù)，為人類生產(chǎn)特定目標(biāo)產(chǎn)品的一種新技術(shù)。生物發(fā)酵技術(shù)與日常生活緊密相關(guān)，比如我們常見的酒精和面包就是生物發(fā)酵的產(chǎn)物。隨著生物技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)代生物發(fā)酵技術(shù)越來越多的應(yīng)用于生物醫(yī)藥行業(yè)，比如在胰島素、干擾素、疫苗多種生物醫(yī)藥產(chǎn)品生產(chǎn)中起著關(guān)鍵作用。根據(jù)發(fā)酵條件不同，生物發(fā)酵可分為好氧發(fā)酵和厭氧發(fā)酵。好氧發(fā)酵主要分為液體表面培養(yǎng)發(fā)酵、多孔或顆粒固體培養(yǎng)基表面上發(fā)酵和通氧深層發(fā)酵幾種方法。厭氧發(fā)酵采用不通氧的深層發(fā)酵。生物發(fā)酵根據(jù)其操作方式和工藝流程也可以分為分批式發(fā)酵、流加式發(fā)酵、半連續(xù)發(fā)酵、灌流式發(fā)酵和連續(xù)發(fā)酵等幾種方法。生物發(fā)酵是指用來進(jìn)行生物發(fā)酵的容器在生物發(fā)酵工藝中，生物發(fā)酵罐作為關(guān)鍵設(shè)備，控制生物發(fā)酵中關(guān)鍵參數(shù)，確保生物發(fā)酵可以得到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗的產(chǎn)品。
生物發(fā)酵過程中pH值對發(fā)酵目標(biāo)物的生產(chǎn)起著至關(guān)重要的作用。各種微生物生長都需要合適pH值。超過適宜的pH值范圍，微生物的生長會受到抑制甚至死亡，導(dǎo)致生物發(fā)酵失敗。同時，在不同pH條件下，發(fā)酵過程中酶的活性也會不同，影響微生物生物代謝的速率。有些微生物在不同pH條件下，代謝產(chǎn)物種類和質(zhì)量也不一樣。所以對于生物發(fā)酵過程中pH值的有效測量和實時監(jiān)控是十分重要的。
生物發(fā)酵罐一般都配有pH探頭，實時監(jiān)測發(fā)酵液的pH值。由于生物發(fā)酵罐在發(fā)酵前后都要進(jìn)行高溫蒸汽滅菌，而常用的生物發(fā)酵溫度通常只有(25～35)℃,所以選用的pH電極在常溫范圍需要有較高的靈敏度，同時需要可以耐受至少125℃,30min的滅菌溫度要求。通常生物發(fā)酵罐使用耐受溫度的原位pH電極。為了確保pH電極測量的準(zhǔn)確性，在使用過程中需要定期對使用的pH電極進(jìn)行校準(zhǔn)和維護(hù)。校準(zhǔn)可以使用市面上購買的pH標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，注意校準(zhǔn)時需要將溫度調(diào)整至標(biāo)稱溫度(通常為25℃)。日常使用過程中，應(yīng)定期對pH探頭進(jìn)行清洗，并且添加電極緩沖液(通常為(3～5)mol/L的氯化鉀溶液)。
微生物在其最適的溫度范圍內(nèi)，生長速度會隨著溫度升高而增加，所以在最適溫度范圍內(nèi)，發(fā)酵溫度越高，生長周期就會縮短。但是溫度過高反而會抑制微生物的生長。許多產(chǎn)物的行程速度對于溫度也有一定的要求，比如金色鏈絲菌在低于30℃時，合成金霉素的能力較強(qiáng)，然而在大于35℃的條件下，金霉素的合成停止，轉(zhuǎn)而合成四環(huán)素。所以對于生物發(fā)酵過程中溫度控制及發(fā)酵結(jié)果樣品產(chǎn)率有著至關(guān)重要的影響。
生物發(fā)酵過程中，溫度控制主要從菌種的生長階段及生產(chǎn)情況進(jìn)行選擇。在培養(yǎng)過程中，微生物會分解氧化培養(yǎng)基中的營養(yǎng)物質(zhì)，散發(fā)一部分熱量造成體系溫度升高。同時，機(jī)械攪拌也會造成熱量增加，所以罐體需要根據(jù)溫度探頭的測量值進(jìn)行溫度控制。而大部分生物發(fā)酵罐都帶有原位滅菌功能，因此在滅菌過程中溫度控制也十分重要。如果滅菌溫度達(dá)不到預(yù)設(shè)溫度，就會直接導(dǎo)致生物發(fā)酵過程污染，從而導(dǎo)致生物發(fā)酵失敗。
生物發(fā)酵罐的溫度探頭一般選擇PT100探頭，探頭長度根據(jù)罐體大小有所區(qū)別。溫度探頭穩(wěn)定性相較于pH探頭更加穩(wěn)定，但是也需要定期進(jìn)行校準(zhǔn)和標(biāo)定，保證溫度探頭準(zhǔn)確。
大部分微生物和細(xì)胞的生長都需要適宜的氧氣濃度，所以溶氧是需氧發(fā)酵控制中最重要的參數(shù)之一。培養(yǎng)液中溶氧的多少會對發(fā)酵產(chǎn)物的形成及產(chǎn)量產(chǎn)生不同影響。同時對于溶氧的實時監(jiān)控可以有效控制生物發(fā)酵的實時狀態(tài)。生物發(fā)酵過程中溶氧值異常偏高，說明培養(yǎng)基中含有的目標(biāo)菌體較少，已經(jīng)死亡，培養(yǎng)基中的氧氣無法得到有效利用，需及時查找原因。發(fā)酵過程中溶氧異常偏低，一般說明培養(yǎng)基可能受到污染，導(dǎo)致雜菌生長，消耗了大量的氧氣。
溶解氧電極需要經(jīng)常進(jìn)行維護(hù)。在儲存一段時間之后，建議使用前和使用一段時間后更換電解液，且在使用前須通電極化。溶氧電極在使用前都要進(jìn)行標(biāo)定，通常生物發(fā)酵的溶氧探頭都是采用百分比顯示模式。通過對0%和100%的情況進(jìn)行標(biāo)定。校準(zhǔn)介質(zhì)可以是空氣或者飽和介質(zhì)。如果是在空氣中進(jìn)行校準(zhǔn)，需要將探頭擦干，待讀數(shù)穩(wěn)定后開始校準(zhǔn)；如果使用飽和介質(zhì)為校準(zhǔn)介質(zhì)，一般是將發(fā)酵罐攪拌開至最大，同時通氣大量飽和空氣一定時間后進(jìn)行校準(zhǔn)。0%的數(shù)值點可以配置容解氧零氧標(biāo)定溶液進(jìn)行校準(zhǔn)。
生物發(fā)酵過程中需要不停的攪拌，使罐內(nèi)各個區(qū)域達(dá)到氣液分散、固液懸浮、混勻、傳熱等要求。一般的生物發(fā)酵過程包括氣液固三相，即空氣、CO2等氣體產(chǎn)物、液態(tài)培養(yǎng)基和生物細(xì)胞及載體顆粒。氣液固三相通過攪拌裝置進(jìn)行混勻，達(dá)到穩(wěn)態(tài)。生物發(fā)酵的攪拌過程需要注意：大多數(shù)生物顆粒對剪切力較為敏感，剪切作用可能影響細(xì)胞的生成速率和組成比例。所以如果攪拌速度過快會直接破壞生物細(xì)胞，無法得到預(yù)期的發(fā)酵效果；攪拌速度過慢又會導(dǎo)致混勻不充分，可能會造成部分微生物缺氧，影響發(fā)酵效率。
生物發(fā)酵罐通常采用機(jī)械式攪拌的模式，在發(fā)酵罐的頂部通常設(shè)有攪拌電機(jī)，通過帶動攪拌軸達(dá)到對生物發(fā)酵罐中攪拌混勻的作用。生物發(fā)酵罐的攪拌轉(zhuǎn)速可以直接通過光電轉(zhuǎn)速表進(jìn)行測量和質(zhì)量控制。部分發(fā)酵罐只給出了電機(jī)的功率值，需要定期進(jìn)行測量，以保證攪伴轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定。
生物發(fā)酵過程的流量控制也十分關(guān)鍵。生物發(fā)酵罐通常通過各種流量計調(diào)控反應(yīng)中的補(bǔ)料、通氣、排氣、調(diào)節(jié)pH等多項參數(shù)。生物發(fā)酵過程中需要控制的流量主要包括液體流量和氣體流量兩種。氣體流量主要是控制生物發(fā)酵中必要的氣體，如空氣、CO2等，一般與溶氧測量和壓力測量相關(guān)聯(lián)。而控制生物發(fā)酵罐中的液體流量，主要是控制各種物質(zhì)補(bǔ)料速度，從而達(dá)到對培養(yǎng)基各種理化性能的調(diào)控。同時，液體流量還要控制夾套水流量，用來控制發(fā)酵罐的溫度。
生物發(fā)酵過程中的液體流量一般是通過液體流量計進(jìn)行控制。根據(jù)發(fā)酵罐體的大小，液體流量計的量程不同。流量計可以拆卸進(jìn)行送檢質(zhì)量控制，或是通過串聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)液體流量計進(jìn)行校準(zhǔn)。氣體流量控制通常使用浮子流量計、質(zhì)量流量計等，也可以通過拆卸的方式定期進(jìn)行計量溯源。
培養(yǎng)基的滅菌和發(fā)酵過程都需要檢測壓力的變化，罐壓的保持是為了防止外界空氣進(jìn)入造成雜菌污染。因此，必須使發(fā)酵系統(tǒng)壓力保持高于外界大氣壓，同時罐壓可以直接影響二氧化碳和氧氣的溶解度。但是過高的壓力會影響微生物DNA復(fù)制，降低生產(chǎn)率。
生物發(fā)酵罐壓力測量一般是通過壓力表測量罐體內(nèi)壓力，可以直接對壓力表進(jìn)行檢定，確保罐內(nèi)的壓力準(zhǔn)確，或者通過無線壓力傳感器在罐體內(nèi)實時測量罐內(nèi)壓力。
除了上文總結(jié)的生物發(fā)酵常用關(guān)鍵控制參數(shù)以外，生物發(fā)酵罐還有其他參數(shù)需要控制。如消泡電極控制、尾氣檢測、稱重檢測等多項參數(shù)都對生物發(fā)酵的產(chǎn)率有著至關(guān)重要的影響。生物發(fā)酵過程是一個綜合多學(xué)科的生物反應(yīng)過程，科學(xué)地對生物發(fā)酵罐的各項參數(shù)進(jìn)行有效地計量檢測和溯源，可以有效保證生物發(fā)酵目標(biāo)物的產(chǎn)率，提高經(jīng)濟(jì)效益。
