發酵監測技術是利用各種檢測手段對發酵過程進行連續或半連續檢測，并根據檢測結果對發酵過程進行優化控制的核心技術。隨著生物制造產業的快速發展，發酵監測已成為提升產品質量、提高生產效率、降低生產成本的關鍵環節。

發酵過程監測主要包括物理參數、化學參數和生物參數三大類。

物理參數主要包括溫度、壓力、攪拌轉速、空氣流量、罐壓、液位等。溫度是最基本的監測參數，通常采用熱電偶或鉑電阻測量，精度可達±0.1℃；攪拌轉速和通氣量直接影響氧傳遞效率和混合均勻性，與溶解氧濃度密切相關。

化學參數是發酵監測的核心，包括pH值、溶解氧（DO）、溶解CO?、氧化還原電位（rH）、尾氣中的O?和CO?含量等。其中，pH值通過玻璃電極監測，需定期校準以保證準確性；溶解氧則使用電極式或光學式傳感器，這對好氧發酵尤為重要。

生物參數包括菌體濃度、基質濃度、代謝產物濃度、前體或中間體濃度等。這些參數能夠直接反映微生物的生長狀態和代謝活性，是優化發酵工藝的重要依據。

現代發酵監測技術已形成完整的在線監測體系，主要包括：

pH監測系統采用滅菌級pH電極，通過發酵罐側壁插入。工業級電極采用特殊材料和結構，耐高溫高壓滅菌，壽命長，需定期校準確保準確性。

溶解氧監測系統常用極譜式或光學式溶氧電極。極譜式基于電化學原理，光學式利用熒光猝滅效應，不消耗氧氣，更適合長時間監測。不同微生物生長及代謝產物生成需要發酵液維持一定濃度的溶解氧水平，通常微生物需氧量約為20~50 mmol/L·h。

尾氣分析系統通過紅外傳感器或質譜儀實時監測尾氣中O?和CO?含量。呼吸商（RQ值）是CO?釋放率與攝氧率的比值，可以反映菌體的代謝情況。例如，在酵母培養過程中，RQ=1表示糖代謝進行有氧分解代謝；若RQ>1.1，表示糖代謝進行無氧代謝，生產乙醇。

近紅外光譜技術（NIRS）近年來在生物發酵過程的實時監測中得到廣泛應用。該技術通過檢測樣品中分子振動（C-H、O-H、N-H等化學鍵）的諧波和組合頻吸收光譜，結合化學計量學模型，可同時監測葡萄糖、乳酸、乙醇、菌體生物量等多個參數，具有非侵入性、高效性和多組分分析的優勢。

通過直接參數可以計算得到一系列重要的間接參數，這些參數更能反映發酵過程的整體狀況：

比生長速率（μ）表示單位時間內菌體濃度的增加量，是反映微生物生長狀態的關鍵指標。

攝氧率（OUR）表示單位時間、單位發酵液體積內菌體消耗的氧氣量，反映微生物的呼吸代謝強度。

CO?釋放率（CER）表示單位時間、單位發酵液體積內菌體釋放的二氧化碳量，與碳源消耗密切相關。

呼吸商（RQ）是CER與OUR的比值，可以反映菌體的代謝路徑和能量代謝狀態。菌體在利用不同基質時，其RQ值是不同的，例如大腸桿菌以葡萄糖為基質培養時RQ值為1，以甘油為基質時RQ值為0.8。

氧體積傳質速率（KLa）是評價發酵罐供氧能力的重要參數，決定了氧從氣相傳遞到液相的效率，直接影響好氧發酵的產量。

現代發酵監測系統正朝著智能化、網絡化方向快速發展。基于STM32單片機的嵌入式控制系統能夠集成溫濕度傳感器、壓力傳感器及超聲波傳感器，通過多模態傳感融合技術實現發酵狀態的三維監測。

無線監測技術的應用解決了傳統監測系統數據采集工作量大、現場供電布線復雜的問題。基于LoRa無線通訊的多點式監測系統可以實現窖池固態發酵全程溫度監測，溫度測量誤差可控制在±0.2℃以內，具有自由組網、功耗低、通訊距離長等優勢。

智能檢測單元融合了過程對象的先驗知識，通過對發酵對象的分析，進一步獲取各種參數信息。基于OPC協議的以太網標準接口實現了控制層與用戶操作層的數據交換，用戶可以通過電腦、手機等終端遠程監控發酵過程。

發酵監測技術在多個領域得到廣泛應用：

生物制藥領域，發酵監測對于抗生素、疫苗、酶制劑等生物制品的生產至關重要。通過實時監測發酵過程中的關鍵參數，可以優化發酵工藝，提高產品產量和質量。

食品飲料行業，發酵監測對于啤酒、葡萄酒、酸奶、醬油等產品的生產具有重要意義。通過監測乳酸菌、酵母菌的生長狀態和代謝產物的動態變化，可以確保產品的口感和品質。

生物燃料領域，發酵監測用于纖維素乙醇發酵的底物利用效率優化，提高能源生產效率和穩定性。

環保領域，發酵監測用于污水處理等環保工程的實時監測和控制，為環保事業的發展提供技術支持。