十一 · 五“863工业生物技术”  专题系列报道（5）
发酵过程新一代传感和软测量、在线控制技术及其应用研究
华东理工大学  黄明志
　　在发酵过程中，为了实现产品高效、稳定地生产，需要对过程参数进行检测和控制，以保证细胞拥有合适的生
理代谢特性。为此，上海国强生化工程装备有限公司和华东理工大学合作，在国家“十一五”863项目计划的资助
下，根据采集细胞生理代谢特性参数的需要，结合传感和控制技术的最新发展，选择该优化理论与方法所必须并具
有推广意义参数的传感和软测量技术为研究重点，开发了新型的生物反应器系统，完善了代谢流检测与控制方法，
为更好地实现大规模发酵过程优化提供了支撑技术和平台。
一、    项目目标及完成情况
　　项目目标：①掌握智能化高精度补料技术；②掌握细胞形态自动分析技术，设计相应的软件包；③可利用质谱
仪来分析发酵罐尾气成分，掌握相关应用技术；④掌握活菌浓度在线测量应用技术，可在线测量各种类型细胞的活
菌浓度，研制出相关装置；⑤掌握厌氧发酵过程氧化还原电位测量的应用技术；⑥研制出低价位的尾气二氧化碳测
量装置；⑦获得新型的具有自主知识产权的用于发酵过程数据采集、分析和控制的专用软件包。
　　完成情况：①开发了称量式的智能化高精度补料装置，形成了系列化产品并已在国内发酵车间推广应用；②掌
握了细胞形态的离线和在线分析技术，研制出了相应的软件和硬件装置；③解决了在发酵过程中应用在线质谱仪分
析尾气成分的样气预处理和数据集成问题，掌握了好氧和厌氧等不同类型发酵过程尾气的高精度，宽量程的长时间
连续测量方法；④验证了活菌浓度在线测量技术在发酵过程应用的可行性，并研制出了相关装置；⑤在酒精、乳酸
等产品发酵上实现了氧化还原电位与其他参数的关联分析，设计出了氧化还原电位反馈控制系统；⑥基于不分光红
外原理研制了相关装置；⑦自主研发出了基于网络技术的能实现发酵过程代谢流分析和控制的专业软件包Biosoft。
　　二、关键技术及主要成果
    1. 发酵过程智能化高精度补料技术研究
　　补料操作是生物反应过程中过程优化调控的关键操作，对补料过程尤其是补料量的精确计量和控制是发酵过程
实时代谢流研究的重要内容。根据长期以来的理论实践，本课题组结合连续式计量和离散式计量的特点，设计并制
造出了具有自主知识产权的基于称量式的补料装置。该装置具有控制精度高、使用灵活方便、自动过滤噪音、自动
报警、模块式结构、价格合理等优点，形成了系列化产品并已在国内多家发酵车间成功推广应用。
    2. 细胞形态定量分析技术的研究
　　课题组根据发酵过程中细胞形态变化的特点，开发出了能自动提取菌丝长度、菌球大小等定量形态参数的软件，
研究了头孢菌素C、青霉素、链霉素等多个发酵过程细胞形态变化的规律。
　　为了能更好地实时了解到发酵过程中细胞形态的变化，课题组研制了基于暗视野的在线细胞显微观察仪，该装
置由光学系统、CCD摄像机和数据处理软件包组成，可直接插入到发酵罐接口中，从而实现在线监控发酵过程中细
胞的数量变化和形态变化等。通过数字化的显微图像经计算机相应的图像处理算法可以得到有关细胞大小分布、细
胞浓度、细胞形态和细胞成活率等信息，所有这些信息组成了发酵过程实时代谢流检测的重要组成部分。
    3. 发酵过程尾气质谱仪分析技术及应用
　　本课题组与国内外生产过程质谱仪的厂家合作，根据发酵过程的特点，着重解决了在发酵过程中应用过程质谱
仪分析尾气成分的样气预处理和数据集成问题，掌握了好氧和厌氧等不同类型发酵过程尾气的高精度，宽量程的长
时间连续测量方法，形成了一套由样气前处理、质谱分析和数据集成等三部分组成的高精度尾气在线快速分析系统。
目前该系统已成功应用到维生素B12、谷氨酸、生物乙醇、生物制氢和湖泊生命观察系统等多个场合，实现了对尾
气中 O2、常规CO2、同位素标记CO2、Ar、N2、H2、甲醇和乙醇等多种组分的高精度、宽量程的长时间连续测量。
    4. 发酵过程活菌浓度在线测量技术及应用
　　大量细胞的存在是发酵过程得以持续进行的前提条件，但目前常用的基于比浊法的细胞浓度传感器存在诸多不
足之处，如无法克服培养基中固体成分的干扰，无法区分死细胞和活细胞，容易受细胞大小影响等，在实际应用中
存在较大误差。
　　基于原生质电容测定原理的细胞浓度在线测量技术能有效克服比浊法的若干不足，该系统根据活细胞具有密闭
的细胞膜系统，在交变电场条件下能使活细胞内带电细胞质迁移，使活细胞成为极化细胞，从而形成电容，根据测
得的电容大小表征细胞量的浓度。本课题组从国外引进了在线活细胞传感器，研究了重组毕赤酵母高密度发酵的过
程中活细胞浓度的变化情况，在线计算出发酵过程中活细胞呼吸强度，及时了解发酵过程细胞生理状态，为发酵过
程控制提供了高效的分析手段。同时，本课题组消化吸收了活菌浓度在线测量的相关技术，利用自制的模拟器和探
头进行了原理论证，已研制出了原型机装置，现正与国内厂家合作进行该装置的产业化工作。
    5. 厌氧发酵过程在线测定技术与应用研究
　　本课题组将氧化还原电位传感器应用在乙醇发酵过程的研究中，通过研究氧化还原电位与乙醇的产率、细胞活
性、副产物等的关系，对厌氧代谢的实时代谢流变化有了更深的了解。同时，课题组将氧化还原电位和尾气质谱仪
分析技术相结合，设计了氧化还原电位反馈控制系统，通过控制氧化还原电位在不同水平，利用质谱仪检测尾气中
组分的含量(CO2、O2、N2、乙醇)，研究了碳源代谢情况，使乙醇发酵产率大大提升。
　　另外，基于不分光红外原理，本课题组为厌氧发酵研制了可靠实用的CO2测量装置，该装置已形成商品并在多
个项目上成功应用。
    6. 发酵过程专业软件包Biosoft
　　为了能从全局和全过程的角度出发，系统、全面地考察发酵过程中细胞基因特性和培养环境的相互作用和共同
影响，使其遗传特性和环境条件能够相互优化、相互协调，从而有效实现发酵过程的优化和控制，本课题组自主设
计了发酵过程专业软件包BioSoft。该软件包有如下特点：①各种装置和软件包通过互联网络连接，方便了数据的
交换和设备的管理；②和发酵过程有关的各种数据统一储存在专门设计的数据库，为发酵过程的分析、优化和高级
控制奠定了基础；③按照分散和分级控制的原则设计的控制系统，具有可靠性高和扩展能力强等特点，可按不同发
酵过程的需要灵活配置。
三、    技术推广及应用前景
　　发酵过程专业软件包Biosoft已作为核心技术在数个发酵车间应用，如浙江海正药业的多个中试发酵车间的58
台发酵罐、湖北宜都的东阳光实业有限公司8台工业规模发酵罐、山西威奇达的5台工业规模发酵罐等；智能化高
精度补料装置已在山东恩贝、山东凯赛、武汉新华阳等生产车间实际应用；尾气二氧化碳测量仪已成功在一些发酵
车间，如上海江桥、华联药厂、黑龙江华润等得到应用；氧化还原电位技术在黑龙江华润酒精玉米秸秆500t中试实
验装置上应用。
　　采用以微生物为代表的细胞大规模培养技术进行产品生产是生物技术产品生产的最重要方式，本课题组的技术
成果为实现发酵过程优化和放大研究提供了装备技术手段，适用于不同规模的研究，既可用于实验室的优化研究，
也可用于工业生产规模的放大研究。
　　本课题组所形成的技术成果除各个技术本身可形成商品化的传感和控制器产品外，还可以促进我国新一代生物
反应器技术的设计和开发，形成生物反应器的装备支撑产业。同时对我国生物医药、轻工业、食品工业、环境治理、
生物质高效利用和新能源等行业的技术进步也产生了一定的促进作用。