微生物发酵过程是细胞代谢的过程,长期以来对发酵过程的优化研究局限于微生物反应动力学(往往注重操作参数如温度、pH、溶解氧、培养基配方的最佳化)、化学计量学(将微生物细胞活动用化学元素的平衡式来表示)和热力学(强调系统的起始态和终止态,给出反应可能进行到的最大程度)等研究。所有上述研究,均未将细胞的生理代谢特性在线检测作为主要入手点,有很大的缺陷。本论文围绕好氧发酵过程的氧的消耗和发酵尾气中其他气体的在线检测,获得了与细胞代谢特性相关的各类参数,并实现了多尺度参数相关分析,实现过程的优化与控制研究。本文以发酵过程中尾气检测作为研究的切入点,在以下几个方面展开研究：1.研究了尾气检测设备的原理及重要生理参数获得的方法,以及不同方法之间的比较。发现对于大部分生物发酵过程,采用拟稳态法计算OUR.CER、RQ和kLa操作更加简便,结果更加可靠。动态法测量局限性较大,并且会干扰发酵过程使最终测得数据并非正常发酵过程的真实体现。2.利用过程质谱仪,可获得与细胞宏观代谢特性相关的重要在线参数,通过对多类发酵过程进行研究,总结不同种类微生物发酵过程OUR和RQ,可以为反应器设计和发酵过程控制提供一定的参考。通过对过程质谱仪获得的数据进行进一步挖掘,并结合微生物生理代谢相关原理以及多尺度相关分析原理,对发酵尾气数据与微生物生理状态相关进行原理性开发。3.本研究重点以利福霉素、甲醇诱导型毕赤酵母、红霉素等三类典型的发酵过程为研究对象,通过过程质谱仪和电子鼻两台仪器以及多参数采集系统发酵过程进行研究。在利福霉素发酵过程中,通过尾气数据获取的微生物生理代谢参数,对发酵过程进行了工艺优化和放大；在甲醇诱导型毕赤酵母发酵过程中,通过尾气数据监控菌体的生理代谢强度以及甲醇的残留量,从而实现了更加精确的控制补料速率；在红霉素的发酵过程中,探究了发酵液中能引起电子鼻响应的物质,并且建立了模型准确的估计发酵液中正丙醇残留量,从而为准确补料打下基础。