微生物发酵过程是细胞新陈代谢进行物质转化的过程,为了提高目标产物的转化率,需要对微生物发酵动态特性进行实时分析,以便实时优化发酵过程。许多发酵过程伴随产生大量尾气,尾气组分、体积、产生速率等数据在宏观上反映了微生物内部物质转化规律。本文以丙酮-丁醇-乙醇(ABE)发酵过程为研究对象,设计了针对厌氧发酵过程的尾气在线监测系统,该系统能够在线分析微生物发酵过程中产生的气体组分,并实时显示和记录监测数据。通过对ABE发酵机理研究可知,发酵过程分为产酸期和产溶剂期。在发酵初期,产生乙酸和丁酸等酸性物质,发酵液pH值迅速下降,同时产生CO2和H2。进入产溶剂期后,丙酮丁醇梭菌消耗乙酸和丁酸,生成丙酮、丁醇和乙醇,同时产生CO2和H2。由此可见,细胞进行微观的物质转化,会通过宏观的发酵液成分以及尾气组分的变化反映出来。由于ABE发酵过程需要严格厌氧环境,如何在对发酵过程进行在线监测时保证发酵环境不受干扰是首要解决的问题。通过测试厌氧发酵罐与气体分析仪不同的连接方式,本文提出一种全封闭测试方法,即使用锥形瓶对发酵罐与外界气体进行隔离,锥形瓶与气体分析仪组成循环测量回路。这种方法能够有效地保证发酵环境不受外界干扰,并且有效地监测发酵过程中产生气体组分的实时变化。针对多组分气体分析仪受电磁干扰、传感器老化、环境变化等影响产生的测量偏差,提出了一种基于最小二乘法回归模型的自校正方法,通过利用标准气体罐进行标定和校验,建立拟合多项式标定模型和最佳校正公式,实验结果表明,这种方法可以有效地减小测量误差。通过将本文设计的尾气在线监测系统应用于不同条件下的发酵实验,实时分析发酵气体数据,结合离线采样数据和发酵机理,验证了得出的气体组分、气体产生速率等数据与离线采样数据反映的发酵过程基本吻合,尾气数据能够准确分辨出发酵各个阶段以及不同阶段之间转换的时间点。因此,可以为实现发酵过程优化和发酵过程自动控制提供重要的参考依据。