发酵监测技术是利用各种检测手段对发酵过程进行连续或半连续检测，并根据检测结果对发酵过程进行优化控制的核心技术。随着生物制造产业的快速发展，发酵监测已成为提升产品质量、提高生产效率、降低生产成本的关键环节。

发酵过程监测主要包括物理参数、化学参数和生物参数三大类。

物理参数主要包括温度、压力、搅拌转速、空气流量、罐压、液位等。温度是最基本的监测参数，通常采用热电偶或铂电阻测量，精度可达±0.1℃；搅拌转速和通气量直接影响氧传递效率和混合均匀性，与溶解氧浓度密切相关。

化学参数是发酵监测的核心，包括pH值、溶解氧（DO）、溶解CO₂、氧化还原电位（rH）、尾气中的O₂和CO₂含量等。其中，pH值通过玻璃电极监测，需定期校准以保证准确性；溶解氧则使用电极式或光学式传感器，这对好氧发酵尤为重要。

生物参数包括菌体浓度、基质浓度、代谢产物浓度、前体或中间体浓度等。这些参数能够直接反映微生物的生长状态和代谢活性，是优化发酵工艺的重要依据。

现代发酵监测技术已形成完整的在线监测体系，主要包括：

pH监测系统采用灭菌级pH电极，通过发酵罐侧壁插入。工业级电极采用特殊材料和结构，耐高温高压灭菌，寿命长，需定期校准确保准确性。

溶解氧监测系统常用极谱式或光学式溶氧电极。极谱式基于电化学原理，光学式利用荧光猝灭效应，不消耗氧气，更适合长时间监测。不同微生物生长及代谢产物生成需要发酵液维持一定浓度的溶解氧水平，通常微生物需氧量约为20~50 mmol/L·h。

尾气分析系统通过红外传感器或质谱仪实时监测尾气中O₂和CO₂含量。呼吸商（RQ值）是CO₂释放率与摄氧率的比值，可以反映菌体的代谢情况。例如，在酵母培养过程中，RQ=1表示糖代谢进行有氧分解代谢；若RQ>1.1，表示糖代谢进行无氧代谢，生产乙醇。

近红外光谱技术（NIRS）近年来在生物发酵过程的实时监测中得到广泛应用。该技术通过检测样品中分子振动（C-H、O-H、N-H等化学键）的谐波和组合频吸收光谱，结合化学计量学模型，可同时监测葡萄糖、乳酸、乙醇、菌体生物量等多个参数，具有非侵入性、高效性和多组分分析的优势。

通过直接参数可以计算得到一系列重要的间接参数，这些参数更能反映发酵过程的整体状况：

比生长速率（μ）表示单位时间内菌体浓度的增加量，是反映微生物生长状态的关键指标。

摄氧率（OUR）表示单位时间、单位发酵液体积内菌体消耗的氧气量，反映微生物的呼吸代谢强度。

CO₂释放率（CER）表示单位时间、单位发酵液体积内菌体释放的二氧化碳量，与碳源消耗密切相关。

呼吸商（RQ）是CER与OUR的比值，可以反映菌体的代谢路径和能量代谢状态。菌体在利用不同基质时，其RQ值是不同的，例如大肠杆菌以葡萄糖为基质培养时RQ值为1，以甘油为基质时RQ值为0.8。

氧体积传质速率（KLa）是评价发酵罐供氧能力的重要参数，决定了氧从气相传递到液相的效率，直接影响好氧发酵的产量。

现代发酵监测系统正朝着智能化、网络化方向快速发展。基于STM32单片机的嵌入式控制系统能够集成温湿度传感器、压力传感器及超声波传感器，通过多模态传感融合技术实现发酵状态的三维监测。

无线监测技术的应用解决了传统监测系统数据采集工作量大、现场供电布线复杂的问题。基于LoRa无线通讯的多点式监测系统可以实现窖池固态发酵全程温度监测，温度测量误差可控制在±0.2℃以内，具有自由组网、功耗低、通讯距离长等优势。

智能检测单元融合了过程对象的先验知识，通过对发酵对象的分析，进一步获取各种参数信息。基于OPC协议的以太网标准接口实现了控制层与用户操作层的数据交换，用户可以通过电脑、手机等终端远程监控发酵过程。

发酵监测技术在多个领域得到广泛应用：

生物制药领域，发酵监测对于抗生素、疫苗、酶制剂等生物制品的生产至关重要。通过实时监测发酵过程中的关键参数，可以优化发酵工艺，提高产品产量和质量。

食品饮料行业，发酵监测对于啤酒、葡萄酒、酸奶、酱油等产品的生产具有重要意义。通过监测乳酸菌、酵母菌的生长状态和代谢产物的动态变化，可以确保产品的口感和品质。

生物燃料领域，发酵监测用于纤维素乙醇发酵的底物利用效率优化，提高能源生产效率和稳定性。

环保领域，发酵监测用于污水处理等环保工程的实时监测和控制，为环保事业的发展提供技术支持。