生物发酵工程是生物工程的一个重要组成部分，微生物利用碳水化合物发酵生产各种工业溶剂和化工原料。乙醇、丙酮-丁醇、丁醇-异丙醇、丙酮-乙醇、2,3-丁二醇和甘油发酵是微生物进行溶剂发酵的几种形式。
生物发酵在任何发酵过程中，监视微生物的培养状态是非常关键的，因为该状态影响着营养物质转化率、副产物的生成，甚至有毒物质的产生。
发酵与人类的生活息息相关，例如在制药生产过程中，借助生物发酵技术生产、研发出药物。还有很多食品如酒、酱油、面包等也都由微生物发酵制得。
在发酵过程中不同种类的微生物利用碳水化合物、蛋白质等原料，采用不同的代谢途径产生各种代谢产物。在发酵过程中，尾气组分浓度的变化反映了整个发酵过程物质的变化情况，尤其是尾气中CO2和O2的变化，可以反应出发酵状态及菌体微观生长情况。
因此过程质谱仪受到了发酵生产厂家越来越多的应用， ProC-TOF在线质谱仪不但可对发酵产生的气体进行定性定量的分析，拥有稳定性好、准确度高和多通道等众多优点。
质谱仪主要监测的物质：N2、O2、CO2、甲醇、乙醇、甲烷、氨气、乙酸和芳香族化合物
在线质谱仪在发酵过程分析和控制的优势
过程质谱仪具有定量定性能力强、灵敏度高、分析精度高、检测速度快的优势。
(1)通用型气体分析仪器，除了检测常规的O2、CO2外，还能对N2、Ar、NH3、乙醇以及其他挥发性气体进行全组分高精度的检测;
(2)不仅能够定量检测一些已知的气体，还能对未知的化合物进行全扫描，进行初步定性分析;
(3)采用多通道同时检测技术，可以同时在线检测十几路发酵罐，非常合适研究和工业生产的需要;
(4)检测灵敏度高，ppb级浓度的气体便可检出;
(5)长期稳定性好，满足发酵应用连续长时间不停机的监测需求。
过程质谱仪在发酵中的应用
发酵过程包括大量复杂的生化反应和迁移现象。发酵过程中底物浓度、菌体浓度、产物浓度随时间变化，发酵液物料的性质，如密度、黏度、流变学特性、表面张力、氧及其他性质如扩散系数、氧饱和浓度也随时间变化。
由于一系列分解代谢和合成代谢的结果，引起了温度、pH、溶解氧、氧化还原电位、排气二氧化碳和排气氧的变化。为了能够有效地控制发酵，就需要获得发酵过程变量的变化信息，对发酵过程参数的变化进行检测。
发酵尾气是重要的发酵过程中间接的变量，气体在线分析获得的耗氧率和CO2释放率(CER)是目前最有效的生物代谢指标。
ProC-TOF在线质谱仪可以在线的监控发酵过程尾气中的O2和CO2浓度，可以获取发酵过程重要的呼吸代谢参数，如CO2释放速率(CER)、摄氧率(OUR)和呼吸商(RQ)等;还可以结合其他的在线、离线数据对发酵全过程进行更加全面的分析。
近年来，尾气分析在发酵中的应用研究越来越广泛深入，这些对于深入研究发酵过程机理，摸索优化发酵工艺全面控制发酵过程具有重大意义，尤其在生物制药领域能够大大加快新品研发及产业化稳定生产提高产率。
利用ProC-TOF在线质谱仪在线的监控发酵过程尾气中的O2和CO2浓度，具有分辨率高、灵敏度好、定性定量能力强、快速等优点，目前已成为发酵实验室分析的重要工具和方法。尾气分析技术在发酵领域应用取得了显著效果，相信随着ProC-TOF在线质谱仪的普及，对于发酵应用的研究会更加深入并进一步推动生物产业发展。
发醇中的一些名词解释
二氧化碳释放速率CER
在微生物的代谢过程中二氧化碳释放速率CER是一个重要的参数，能够反映菌体的代谢状况。表达式如下：
其中QCO2为C02释放速率，单位为molCO2/(g·h)X为菌体干重，单位为g/l;Fin为进气流量，单位为mol;V为发酵液体积，单位为LCinertiain为进气中惰性气体的浓度，单位为%(体积分数)：CO20ut、CCO2out分别为尾气中氧及二氧化碳的浓度，单位为%(体积分数)：Pin为进气绝对压强，单位为Pa;缸为进气温度，单位为℃;h为进气相对湿度，单位为%。
摄氧速率OUR
OUR反映菌体代谢的活性，菌体活力越强、菌量越大，OUR值就越大。它的计算方法如下：
其中CO2in为进气中O2的浓度，单位%(体积分数)。其他参数参见CER中的介绍。
呼吸商RQ
RQ是发酵的一个重要参数，为CER与OUR的比值，大小可以判断菌体在代谢中利用的碳源情况以及代谢状态。
过程质谱仪在生物发酵在线监测中的应用领域
其他一些发醇方式，同样有在线质谱仪的参与，可以研究发酵过程机理，摸索优化发酵工艺全面控制发酵过程起到重要作用
抗生素类生产
自1928年弗莱明发现青霉素后，抗生素得到了广泛的认识和发展。近年来，抗生素在中国医院各大科室中已多年连续销售总额**，为人类的健康事业做出了巨大的贡献。抗生素除用作人类药物之外，还大量应用于兽药和农药等领域。抗生素主要来自微生物的代谢，通过发酵制得。整个发酵过程中排放出来的尾气成分可以通过过程质谱仪来检测，包括O2、CO2、N2等常规气体，并且有些代谢过程中产生的挥发性气体比如甲醇、乙醇等，随尾气吹出，此时也可通过ProC-TOF在线质谱仪进行检测。
人用药发酵生产
人用抗生素分为四环素类、B-内酰胺类、氨基糖甙类、大环内酯类等，以头孢菌素C为例进行讨论。
头孢菌素C，它的发酵是通过流加豆油作为前体物质促进产素，**补油的速率和补油时机是非常重要的。流加大豆油会造成OUR、CER趋势的扰动，一般有两种原因：
**，补油作为消泡剂，打碎发酵液中的泡沫，放出CO2，造成尾气中CO2上升，O2下降：
第二是流加前，碳源处于限制性浓度下。借助过程质谱对其尾气进行检测，将发酵尾气中的数据计算得到OUR、CER和RQ并结合其他的在线离线数据进一步分析得：当起消泡作用时，DO、KLa和RQ等参数波动范围比较大;在限制性碳源浓度下，这些参数的波动不显著。两种情况下的特征区别明显。一般产素期控制碳源在限制性浓度下，可判断**的补油时机和补油速率，确保发酵能够高产。
发酵过程往往会遇到溶氧下降太快，控制不住甚至跌零的情况，过程质谱可以精确的检测计算发酵尾气中的OUR。由于OUR与溶氧(Do)的同步规律性，对于溶氧下降很快的情况下，结合在线的溶氧电极检测溶氧数据和OUR数据，及时的调节代谢来控制溶氧。另外，过程质谱的数据连续性非常好，保证了微小时间段内发生的微小变化都能够被捕捉，做到提前预警，调节DO在合适的浓度。ProC-TOF在线质谱仪对于研发和生产都有很好的开发潜力。
兽药发酵生产
生物兽药是具有安全、无残留、无污染等特点的绿色环保药物，在畜牧业发展中发挥重要作用，在防止球虫感染和提高反刍动物饲料转换率上取得了显著的经济效益，世界上有40多个国家和地区已大规模使用，使用量逐年上升，对人类的健康发挥着不可估量的作用。盐霉素是较为常用的兽药之一，在发酵过程中需要补加豆油作为前体骨架用作抗生素的形成。适量的补加速率和时机是工艺优化成功与否的关键。
因为该产品豆油的成本比较高，过量的油不仅成本加大，而且还会增加发酵液的粘度，影响氧的传递，并且过多的油粘附在菌丝上，严重影响呼吸作用，所以要用最少的油生产出最多的产品。可借助ProC-TOF在线质谱仪检测的在线尾气数据(OUR、CER等)进行优化摸索。
农药抗生素发酵生产
一些抗生素能够杀死昆虫和螨类，被作为生物农药使用。其中阿维菌素因其对昆虫和螨类的触杀作用以及在织物表面残留少的优点，是当前生物农药市场中最受欢迎和最具竞争性的产品之一。
阿维菌素的工艺优化主要以优化碳源的补加为主。ProC-TOF在线质谱仪对发酵尾气就行了分析，通过限制空气流量，限制初级代谢，OUR下降，使原料更多的流向次级代谢，增加了产素。
氨基酸食品类的生产
氨基酸作为人体生长的重要营养物质，不仅具有特殊的生理作用，而且在食品工业中具有独特的功能。谷氨酸的发酵就是最典型的例子。谷氨酸钠俗称味精，是重要的鲜味剂，对香味具有增强作用。谷氨酸钠广泛用于食品调味剂，既可单独使用，又能与其它氨基酸并用。
在菌种一定的情况下，谷氨酸发酵过程中流加糖工艺的最优化是至关重要的。开始流加的时机、流加速率和流加期间残糖的含量等关系着工艺优化的成败。过多的糖会导致分解代谢产物阻遏，糖含量过低会影响代谢，使得氨基酸的产生受限。
ProC-TOF在线质谱仪整合了各方面的技术优势，能够准确的检测发酵过程的OUR、CER和RQ。通过RQ的变化可准确实时的了解发酵的状态，保证了流加糖的时机，同时控制糖在限制性浓度下。对发酵过程中出现的问题做到及时的发现并解决。
酶制剂的生产
酶制剂具有高效性、专一性和作用条件温和等优点，广泛用于食品加工等行业，随着新技术的不断涌现，酶制剂将在食品业中有着更为广泛的应用前景。以植酸酶为例，利用重组毕赤酵母发酵生产植酸酶是其中之一。毕赤酵母的发酵过程需要利用甲醇诱导外源蛋白的表达，而甲醇会随尾气挥发带出，过程质谱可以通过对尾气中带出的甲醇含量进行检测，从侧面在线反映出发酵液中甲醇的含量。
该质谱仪不仅对生物发酵应用进行了针对性设计，其自带的前处理能很好地解决发酵尾气中带有的泡沫、颗粒状杂物、水滴等干扰，使得尾气在进入质谱前接近于标准气体，保障了质谱长期稳定的运行。目前，ProC-TOF在线质谱仪在生物发酵行业已有较多的典型客户。
结论
ProC-TOF在线质谱仪在生物发酵行业有着广泛的应用前景，在线的数据为发酵过程控制与优化提供了重要的数据支持。在线的OUR、CER和RQ作为重要的生理参数：在线的甲醇、乙醇等数据可作为代谢流计算的参考。他们对发酵的生产和放大都有着较高的参考价值。