在工业生物技术领域，发酵过程是实现微生物细胞工厂高效合成目标产物的核心环节。该过程的精确调控依赖于对关键参数的实时监测与控制，这些参数共同构成了发酵过程的决策基础。本文将系统阐述发酵过程中主要参数的类型、监测方法及其生理与工程意义。
发酵过程优化
一、物理参数体系
1、温度
温度是影响酶活性和细胞代谢速率的核心因素。每一株菌种均存在最适生长温度与最适产物合成温度区间。温度偏离临界范围将导致酶变性、膜流动性变化及代谢途径失衡。工业上通常采用夹套或盘管进行热交换，通过PID算法实现±0.5℃的精确控制。
2、压力
发酵罐压维持正压（通常0.03-0.05MPa）具有三重作用：增加溶氧推动力、维持无菌环境防止染菌、抑制泡沫生成。超压可能抑制细胞生长，低压则增加染菌风险。
3、搅拌速率与功率输入
搅拌速率直接影响氧传递系数（KLa）和混合效率。高转速改善气液传质，但可能产生剪切力损伤菌体。功率输入通常控制在2-5 kW/m³范围，需根据发酵阶段动态调整。
发酵流程
二、化学参数体系
1、pH值
微生物生长和产物合成均需特定pH环境。pH偏移会影响：①膜通透性及营养吸收；②酶空间构象；③代谢途径流向。工业发酵采用酸碱自动流加系统，控制精度可达±0.1pH单位。
2、溶氧浓度（DO）
好氧发酵中，溶氧是最关键的限速因素之一。维持DO在临界浓度以上（通常为饱和浓度的20-30%）是保证氧化代谢的前提。DO异常降低往往提示供氧不足或菌体异常增殖。
3、尾气成分
在线质谱分析尾气中O2与CO2含量，可实时计算摄氧率（OUR）和二氧化碳释放率（CER）。二者的变化趋势反映菌体代谢状态转变，是判断发酵阶段转换的重要依据。
4、底物浓度
葡萄糖等碳源浓度需维持在最适范围。浓度过高引起Crabtree效应或底物抑制，浓度过低导致生长受限。目前先进发酵罐采用在线传感器或软测量技术实现底物浓度实时推定。
发酵
三、生物参数体系
1、菌体浓度
通常通过光密度（OD值）或细胞干重（DCW）表征。基于菌体浓度的比生长速率（μ）是发酵动力学核心参数，其控制精度直接影响产物得率。
2、代谢副产物
乙酸等抑制性副产物的积累是高密度发酵的主要瓶颈。在线HPLC或FTIR技术可实现代谢物动态监测，为补料策略调整提供依据。
四、参数联动控制策略
现代发酵过程强调多参数协同调控：
- 通过DO-stat法联动控制搅拌转速与通气量
- 基于CER曲线动态优化补料速率
- 利用代谢通量分析实现多参数闭环控制
发酵过程的优化本质上是多参数动态平衡的艺术。随着过程分析技术（PAT）和人工智能算法的应用，参数监测正从离线向在线、从单一向多维发展。构建完善的参数控制体系，是实现发酵过程从经验操作向理性设计跨越的关键所在。未来发酵工业的竞争，将在很大程度上体现为过程参数精细化调控能力的竞争。
【注：本文所述参数控制范围需根据具体菌种、产物及工艺阶段进行调整】
