生物发酵工程是指利用微生物或细胞的特定功能结合现代工程技术，为人类生产特定目标产品的一种新技术。生物发酵技术与日常生活紧密相关，比如我们常见的酒精和面包就是生物发酵的产物。随着生物技术的快速发展，现代生物发酵技术越来越多的应用于生物医药行业，比如在胰岛素、干扰素、疫苗多种生物医药产品生产中起着关键作用。根据发酵条件不同，生物发酵可分为好氧发酵和厌氧发酵。好氧发酵主要分为液体表面培养发酵、多孔或颗粒固体培养基表面上发酵和通氧深层发酵几种方法。厌氧发酵采用不通氧的深层发酵。生物发酵根据其操作方式和工艺流程也可以分为分批式发酵、流加式发酵、半连续发酵、灌流式发酵和连续发酵等几种方法。生物发酵是指用来进行生物发酵的容器在生物发酵工艺中，生物发酵罐作为关键设备，控制生物发酵中关键参数，确保生物发酵可以得到优质、高产、低耗的产品。

生物发酵过程中pH值对发酵目标物的生产起着至关重要的作用。各种微生物生长都需要合适pH值。超过适宜的pH值范围，微生物的生长会受到抑制甚至死亡，导致生物发酵失败。同时，在不同pH条件下，发酵过程中酶的活性也会不同，影响微生物生物代谢的速率。有些微生物在不同pH条件下，代谢产物种类和质量也不一样。所以对于生物发酵过程中pH值的有效测量和实时监控是十分重要的。

生物发酵罐一般都配有pH探头，实时监测发酵液的pH值。由于生物发酵罐在发酵前后都要进行高温蒸汽灭菌，而常用的生物发酵温度通常只有(25～35)℃,所以选用的pH电极在常温范围需要有较高的灵敏度，同时需要可以耐受至少125℃,30min的灭菌温度要求。通常生物发酵罐使用耐受温度的原位pH电极。为了确保pH电极测量的准确性，在使用过程中需要定期对使用的pH电极进行校准和维护。校准可以使用市面上购买的pH标准物质，注意校准时需要将温度调整至标称温度(通常为25℃)。日常使用过程中，应定期对pH探头进行清洗，并且添加电极缓冲液(通常为(3～5)mol/L的氯化钾溶液)。

微生物在其最适的温度范围内，生长速度会随着温度升高而增加，所以在最适温度范围内，发酵温度越高，生长周期就会缩短。但是温度过高反而会抑制微生物的生长。许多产物的行程速度对于温度也有一定的要求，比如金色链丝菌在低于30℃时，合成金霉素的能力较强，然而在大于35℃的条件下，金霉素的合成停止，转而合成四环素。所以对于生物发酵过程中温度控制及发酵结果样品产率有着至关重要的影响。

生物发酵过程中，温度控制主要从菌种的生长阶段及生产情况进行选择。在培养过程中，微生物会分解氧化培养基中的营养物质，散发一部分热量造成体系温度升高。同时，机械搅拌也会造成热量增加，所以罐体需要根据温度探头的测量值进行温度控制。而大部分生物发酵罐都带有原位灭菌功能，因此在灭菌过程中温度控制也十分重要。如果灭菌温度达不到预设温度，就会直接导致生物发酵过程污染，从而导致生物发酵失败。

生物发酵罐的温度探头一般选择PT100探头，探头长度根据罐体大小有所区别。温度探头稳定性相较于pH探头更加稳定，但是也需要定期进行校准和标定，保证温度探头准确。

大部分微生物和细胞的生长都需要适宜的氧气浓度，所以溶氧是需氧发酵控制中最重要的参数之一。培养液中溶氧的多少会对发酵产物的形成及产量产生不同影响。同时对于溶氧的实时监控可以有效控制生物发酵的实时状态。生物发酵过程中溶氧值异常偏高，说明培养基中含有的目标菌体较少，已经死亡，培养基中的氧气无法得到有效利用，需及时查找原因。发酵过程中溶氧异常偏低，一般说明培养基可能受到污染，导致杂菌生长，消耗了大量的氧气。

溶解氧电极需要经常进行维护。在储存一段时间之后，建议使用前和使用一段时间后更换电解液，且在使用前须通电极化。溶氧电极在使用前都要进行标定，通常生物发酵的溶氧探头都是采用百分比显示模式。通过对0%和100%的情况进行标定。校准介质可以是空气或者饱和介质。如果是在空气中进行校准，需要将探头擦干，待读数稳定后开始校准；如果使用饱和介质为校准介质，一般是将发酵罐搅拌开至最大，同时通气大量饱和空气一定时间后进行校准。0%的数值点可以配置容解氧零氧标定溶液进行校准。

生物发酵过程中需要不停的搅拌，使罐内各个区域达到气液分散、固液悬浮、混匀、传热等要求。一般的生物发酵过程包括气液固三相，即空气、CO2等气体产物、液态培养基和生物细胞及载体颗粒。气液固三相通过搅拌装置进行混匀，达到稳态。生物发酵的搅拌过程需要注意：大多数生物颗粒对剪切力较为敏感，剪切作用可能影响细胞的生成速率和组成比例。所以如果搅拌速度过快会直接破坏生物细胞，无法得到预期的发酵效果；搅拌速度过慢又会导致混匀不充分，可能会造成部分微生物缺氧，影响发酵效率。

生物发酵罐通常采用机械式搅拌的模式，在发酵罐的顶部通常设有搅拌电机，通过带动搅拌轴达到对生物发酵罐中搅拌混匀的作用。生物发酵罐的搅拌转速可以直接通过光电转速表进行测量和质量控制。部分发酵罐只给出了电机的功率值，需要定期进行测量，以保证搅伴转速的稳定。

生物发酵过程的流量控制也十分关键。生物发酵罐通常通过各种流量计调控反应中的补料、通气、排气、调节pH等多项参数。生物发酵过程中需要控制的流量主要包括液体流量和气体流量两种。气体流量主要是控制生物发酵中必要的气体，如空气、CO2等，一般与溶氧测量和压力测量相关联。而控制生物发酵罐中的液体流量，主要是控制各种物质补料速度，从而达到对培养基各种理化性能的调控。同时，液体流量还要控制夹套水流量，用来控制发酵罐的温度。

生物发酵过程中的液体流量一般是通过液体流量计进行控制。根据发酵罐体的大小，液体流量计的量程不同。流量计可以拆卸进行送检质量控制，或是通过串联标准液体流量计进行校准。气体流量控制通常使用浮子流量计、质量流量计等，也可以通过拆卸的方式定期进行计量溯源。

培养基的灭菌和发酵过程都需要检测压力的变化，罐压的保持是为了防止外界空气进入造成杂菌污染。因此，必须使发酵系统压力保持高于外界大气压，同时罐压可以直接影响二氧化碳和氧气的溶解度。但是过高的压力会影响微生物DNA复制，降低生产率。

生物发酵罐压力测量一般是通过压力表测量罐体内压力，可以直接对压力表进行检定，确保罐内的压力准确，或者通过无线压力传感器在罐体内实时测量罐内压力。

除了上文总结的生物发酵常用关键控制参数以外，生物发酵罐还有其他参数需要控制。如消泡电极控制、尾气检测、称重检测等多项参数都对生物发酵的产率有着至关重要的影响。生物发酵过程是一个综合多学科的生物反应过程，科学地对生物发酵罐的各项参数进行有效地计量检测和溯源，可以有效保证生物发酵目标物的产率，提高经济效益。