1. 研究背景及意义

微生物发酵工程是生物工程和现代生物技术及其产业化的基础,随着生物工程技术的迅速发展,发酵工业的生产规模不断扩大,生产过程不断强化,对发酵过程测控系统的要求也越来越高,迫切要求对发酵过程进行先进的控制和优化。虽然现代生物技术通过一些方法，例如代谢工程、基因工程等，实现了有关高产菌株的获取，但是，通过发酵过程智能测控系统的优化控制来实现发酵产品最优化，即高品质、高产量、低成本，仍然是发酵工程领域的一大挑战。由此引发了人们对微生物发酵过程优化控制及智能测控系统研究的重视，政府对相关领域的研究的支持度也在逐年增加，给与一定的政策支持。

微生物发酵过程涉及生命体的生长繁殖过程，其机理十分复杂,具有非线性、时变性、滞后性以及不确定的多变量。因此，对发酵过程实施在线检测和优化调控难度很大。特别是其发酵组分参数难以在线测量的特征,直接影响着发酵过程控制和优化水平的提高。发酵过程中发酵组分参数的在线测量,为发酵过程的先进优化控制算法和策略得以工业实际应用提供了条件,进而可以提高发酵质量和产量。但受其测量水平的限制,导致发酵过程的先进优化控制算法和策略只能停留在理论探讨上,难以工业实际应用。尽管发酵过程优化已开始从基因分子遗传、细胞代谢调节和反应器工程特性等尺度上进行关联分析和过程优化,但必须依赖生物参量的准确测量才能实现。因此,为了实现生物发酵参数在线测量与优化调控,迫切需要能够实现发酵过程难测组分参数在线测量的发酵工程智能测控系统。随着计算机技术、测控技术的迅速发展,发酵测控系统在发酵工业生产中得到越来越广泛的应用。

而微生物发酵过程中，葡萄糖是常见的反应底物之一，是发酵过程中菌体生长和产物合成的主要碳源，必须控制其在发酵液中的浓度。在发酵前期，如果葡萄糖浓度过高，容易对菌体生长产生阻遏、抑制和限制作用;在发酵后期，如果葡萄糖浓度过低，则会限制菌体生长和产物合成。因此，葡萄糖浓度是发酵工艺中重要的控制指标之一。在现代发酵工业中，葡萄糖浓度的检测大多采用离线式生物传感器，通过定时人工取样，离线得到葡萄糖浓度。然后，依据葡萄糖浓度对发酵罐进行补糖控制。这种离线式的补糖方法由于其滞后特性，极易引起发酵罐内糖浓度的剧烈变化造成罐内环境的震荡，影响发酵产物的生产速率。因此，发酵罐内葡萄糖浓度的实时在线控制是发酵过程优化控制及智能测控系统需要重点实现的功能之一。

2. 葡萄糖浓度检测方法

根据葡萄糖本身的物理化学性质所提出的葡萄糖浓度检测方法中常用的有斐林滴定法^[1]、氧化酶-偶联比色法(GOD-POD)^[2]、气相色谱法^[3]、高效液相色谱法^[4]、气相色谱-质谱法^[5]，葡萄糖氧化酶-电极法^[6]等。

斐林滴定法:利用还原糖可将碱性溶液中二价铜离子还原为一价铜离子的特性，用硫代硫酸钠溶液分别滴定空白试剂与检测溶液，通过对比消耗的硫代硫酸钠溶液的差值计算溶液中的含糖量。这种方法需在沸热条件下进行，同时要进行空白试剂与检测试剂两项操作^[7]。操作复杂且消耗时间长，不易应用于发酵工业中进行在线检测。