刘仲汇1 周万里1 毕春元1 冯德荣 1 徐英普2 霍新国2
1山东省科学院生物研究所, 生物传感器重点实验室（济南 250014）
2 山东百奥生物有限公司 （山东平原 253100）
摘要: 本文介绍了SBA-P1发酵在线pH温度智能控制系统及其在工业发酵生产中的应用，并着重介绍利用pH曲线控制发酵终点，及时发现异常发酵，以及通过温度自动控制缩短发酵周期等应用成果。
关键词: 发酵工业，pH，温度，自动控制
一、概述
发酵工程是生物技术的重要组成部分，是有效利用我国丰富生物资源、促进行业进步、提高我国产业竞争力的关键技术。发酵工程技术的应用遍及轻工、食品、化工、能源、环保、农业、医药等国民经济诸多领域。
在发酵过程中发酵环境对微生物生长繁殖的影响是非常显著的。因此在发酵过程中必须对环境条件进行控制。在诸多环境条件中，温度是其中首要的环境因子。温度主要是通过影响微生物细胞的流动性和生物大分子的活性来影响微生物菌种的生命活动。一方面，随着温度升高，细胞内酶反应速度加快，代谢和生长也相应加快，另一方面，随着温度升高，生物活性物质（如蛋白质，核酸等）发生变性，细胞功能下降，甚至死亡。所以，各种微生物菌种都有一个最适合的生长温度，对特定的某种微生物，只能在一定温度范围内正常生长，超出这个范围就会停止生长，甚至死亡。发酵液（培养基）的pH是影响微生物菌种生长的另一个重要的环境因子。环境中pH对微生物的生长影响很大，主要效应是引起细胞膜电荷变化以及影响营养物离子化程度，从而影响微生物菌种对营养物的吸收，pH也会影响生物活性物质如酶的活性。每种微生物都有一个适合生长的pH范围。同一种微生物在不同的生长阶段和不同生化过程中，对环境pH值也有不同的要求，同一种微生物，由于pH值不同，可能积累不同的代谢产物。在发酵过程中，大多数微生物能分解糖，产生酸性物质，造成环境的pH值下降，少数微生物能分解尿素成氨，使环境pH升高。因此，微生物的代谢会改变环境的pH值从而影响其生存。[1]故在许多发酵生产中，需要对pH进行调控。尽管还有一些影响微生物发酵的环境因素，但毫无疑问，温度和pH是两个至关重要的环境因素，应该在发酵过程中对其进行严格控制。
我国是发酵工业大国,发酵工业已经成为国民经济的支柱产业。但目前的发酵工业仍多为劳动密集型产业,自动化程度较低，[2]大部分仍处于手工操作。如何解决好发酵过程中pH、温度的自动控制，一直是发酵工业非常关注的问题。然而由于发酵过程是一个非线性、多变量、大滞后和随机性的动态过程 ,发酵体系是一个非常复杂的被控对象，以及工业发酵的复杂环境，都使得这一问题至今仍没有得到很好解决。
二、系统简介
笔者研制的SBA-P1发酵在线pH温度智能控制系统就是针对上述问题而设计的工业发酵自动控制系统。该系统由传感器、执行器、发酵在线pH温度智能控制仪、工业计算机等部分组成。pH传感器采用金属电极对发酵液的pH进行在线检测，能够耐受130℃的高温灭菌，抗干扰能力强，使用寿命长，易于维护； pH温度智能控制仪采用ATMEL高性能单片机AT89S8252做主控制器，对发酵过程的pH、温度这两个关键的环境参数进行实时在线检测及自动控制；采用人工智能控制策略，有效地克服工业发酵大罐pH、温度变化的严重非线性和大滞后的影响，从而保证发酵过程中pH、温度的平稳，为微生物的生长代谢提供稳定适宜的生长环境。该系统可以按照工艺要求自动分阶段进行控制，最多可达10段。每段pH控制可选择加酸、加碱、酸碱均控；温度控制也可选择冷却、加热、冷热均控。联机的计算机监控管理系统，可以完成对pH、温度、发酵时间等数据的实时显示、存储记录、报表曲线查询、历史数据浏览、报警监视等功能。
三、应用试验结果
2003年11月，该系统在山东百奥生物有限公司投入试运行。山东百奥生物有限公司是专业生产生物肥的企业，其生产过程为典型好氧液体分批发酵，因此发酵过程需严格控制温度和pH。原发酵罐上装有指针式温度检测仪表，pH检测采用定时取样分析测定，全部控制采用人工调节。以往情况检测误差大，调控水平低，人为干扰因素多，因而造成生产波动大、效率低，质量不稳定，迫切需要解决自动控制问题。该系统安装于发酵车间，经过连续四个多月的连续运行，共进行了18个批次的发酵试验，证明该系统检测准确，控制平稳，运行可靠，并且产生了明显的经济效益。回顾总结试验过程，取得如下成果。
（一） 利用该系统在线实时监测pH的功能，通过连续记录pH的变化曲线，可以了解生产菌生长繁殖的变化规律，用于指导生产。
1、通过分析pH的变化曲线，找到最佳发酵终点时间，控制发酵周期。以往该公司生产上控制发酵终点一般是采用取样分析，镜检观察来确定是否结束发酵。由于顾及染菌及菌液损失等因素，不可能频繁取样。因而发酵终点的控制比较粗略，一般在25~30小时之间，并且经常出现生产菌老化的情况。安装该系统后，经几批试验记录pH的变化曲线，基本摸清了生产菌发酵过程中pH的变化规律。发现按以往经验结束发酵之前pH曲线出现一个由低到高的变化拐点，这意味着生产菌已经进入衰减期，不再消耗底物，pH开始上升，此时生长已经停止,并且随着时间推移开始死亡。[3]因此应该将发酵终点时间控制在变化拐点之前。通过镜检也证明，在pH值由低到高变化之前结束发酵，生产菌的数量及生长情况都大大优于在变化拐点之后结束发酵，能够达到最佳效果，从而找到一种控制发酵终点简便有效的方法。
2、根据记录的pH变化曲线及发酵规律及时处理异常发酵。在2004年2月28日进行的第15批发酵中，发现接种后pH比正常情况偏高，便密切注意情况变化，很快发现这次pH的变化规律一反常态，该升时降，该降时反而升。通过分析查找原因，发现是磷酸二氢钾原料有问题，并及时采取补救措施，才使发酵正常进行。正常发酵pH曲线见图1,异常发酵pH曲线见图2（图中上面一条红色为温度曲线，下面一条蓝色为pH曲线）
图1、正常发酵pH曲线
图2、异常发酵pH曲线
3、通过实时在线监测发酵液的pH变化情况，可以减少生产过程中的取样次数，这样即减少染菌机会，又减少菌液的损失，还减少了分析人员的工作量。
（二）、该系统对发酵过程的温度实现自动控制，控制精度可达0.5℃，为生产菌的生长繁殖提供了稳定适宜的生长环境，大大提高了生产菌的生长繁殖速度，从而缩短了发酵周期。
通过对2003年11月至2004年3月期间采用温度自动控制的4号发酵罐的发酵周期与没有采用温度自动控制的1号、3号发酵罐的发酵周期进行对比，在菌种、接种量、培养条件完全相同的情况下，前者比后者缩短4小时，缩短发酵周期11%,对比数据见附表1。发酵周期的缩短，提高了设备利用率，这在生产旺季会有更加显著的效果，可以节能降耗，减少生产成本，提高经济效益。
附表1:百奥公司发酵周期统计数据表：
| 序号 | 1号罐（没有安装自控系统） | 3号罐（没有安装自控系统） | 4号罐（安装自控系统） | |||
| 发酵开始日期 | 发酵周期（小时） | 发酵开始日期 | 发酵周期（小时） | 发酵开始日期 | 发酵周期（小时） | |
| 1 | 2003-12-17 | 26 | 2003-11-13 | 34 | 2003-12-12 | 25 |
| 2 | 2003-12-21 | 24.5 | 2003-11-24 | 29 | 2003-12-15 | 24 |
| 3 | 2003-12-27 | 24 | 2003-11-12 | 24 | 2003-12-20 | 23.5 |
| 4 | 2003-12-29 | 26 | 2003-11-18 | 25 | 2003-12-23 | 26 |
| 5 | 2004-2-10 | 26.5 | 2003-11-22 | 27 | 2003-12-27 | 24 |
| 6 | 2004-2-15 | 37 | 2003-11-25 | 26.5 | 2004-2-12 | 21.5 |
| 7 | 2004-2-21 | 25 | 2004-2-10 | 27.5 | 2004-2-18 | 22 |
| 8 | 2004-2-29 | 27 | 2004-2-17 | 26.5 | 2004-2-24 | 22 |
| 9 | 2004-3-6 | 25.5 | 2004-2-26 | 25 | 2004-3-5 | 21.5 |
| 10 | 2004-3-12 | 25 | 2004-3-7 | 24.5 | 2004-3-9 | 21.5 |
| 11 | 2004-3-14 | 25 | 2004-3-11 | 25 | 2004-3-19 | 21 |
| 统计 | 平均发酵周期（小时） | 26.5 | 平均发酵周期（小时） | 26.7 | 平均发酵周期（小时） | 22.9 |
四、结束语
经过工业现场实际运行证明，SBA-P1发酵在线pH温度智能控制系统运行稳定可靠，操作简单，使用方便；特别是抓住了发酵生产中pH和温度这两个关键的环境因素进行控制，系统不致过于复杂庞大，效果显著，投资小，见效快，实用性强，非常适合在我国发酵工业中推广应用。
参考文献
[1] 岑沛霖，蔡谨，《工业微生物学》，北京：化学工业出版社，2001：219-223
[2] 王亚林，王曼丽，工业发酵过程最优化控制的难点与对策，武汉工业学院学报，2002（3）：6-8
[3] 南忠良，严新忠，董惠钧等，发酵过程实时监测与控制系统的研究,测控技术2003（7）：18-20
转自生物传感器应用网http://www.biosensor.org.cn
