一、发酵过程参数控制的必要性
发酵工艺过程不仅涉及生物细胞的生长、生理和繁殖等生命过程，而且还涉及微生物细胞分泌的各种酶所催化的生化反应，这些反应及过程都受到环境条件的影响。在发酵过程中，为了充分表达生物细胞的生产能力，就要了解其生长、发育和代谢等生物过程，以及各种生物、理化等环境条件对这些过程的影响。
在发酵中微生物的数量不断增加，发酵的营养物质不断减少，发酵产物增加，这些环境因素的变化，影响正常发酵的进行。通过对发酵条件的检测与调控，维持特定的发酵环境条件，可以保证生产的正常进行。例如：pH的控制，随着发酵的进行，营养物质浓度下降，代谢产物增加，发酵液的pH上升或下降，我们可以测定其变化，通过流加酸或碱来维持特定pH。又如发酵过程中，随着微生物代谢的增强，耗氧速率上升，溶氧速率下降，使发酵液中溶氧浓度下降，造成微生物生长与代谢速率下降，通过加大通风量或提高搅拌转速来提高供氧速率，维持一定溶氧水平。
微生物发酵的生产水平不仅取决于生产菌种本身的生产性能，而且要在合适的环境条件中才能使它的生产能力充分表达出来。发酵生产受到许多因素的影响和工艺条件的制约，即使同一种生产菌种在不同的生产地点，由于设备、原材料来源等的差别，菌种的生产能力也不尽相同。为此，必须通过各种方法了解有关生产菌种对环境条件的要求，如培养基、pH、氧的需求等等，并深入地了解生产菌在合成产物过程中的代谢调控机制以及可能的代谢途径，为设计合理的生产工艺提供理论基础。为了掌握菌种在发酵过程中的代谢变化规律，可以通过各种检测手段以及采用传感器测定随时间变化的菌体浓度、糖和氮的消耗、产物浓度、培养温度、pH、溶解氧等参数的情况，并予以有效的控制，使生产菌种处于产物合成的优化环境之中。
发酵是有微生物参与的复杂的生化过程，发酵工业生产过程的控制比较困难，目前有许多重要的物性参数因为没有合适的传感器而不能在线测量。一般来说，菌种的生产性能越高，表达它应有的生产潜力所需要的环境条件就越难满足，控制要求越严。高产菌种比低产菌种对环境条件的波动更为敏感，控制要求更严。因此，如果缺乏有关发酵调控方面的基本知识，是很难保证生产的稳定和向前发展的。
研究过程参数的意义在于了解发酵过程的变化，简化发酵模型，使发酵容易控制。
二、人工控制与自动控制
在发酵控制中，主要有人工控制和自动控制。人工控制分为直接观测和取样分析，直接观测虽然直接便捷，但存在较大的误差；取样分析准确性高，但必须离线测定，存在一定的滞后性。自动控制通过各种传感元件或传感仪，将各种参数转变为电信号传输给控制器或计算机，进行常规控制或计算机控制。自动控制可以使发酵参数得以及时调节，生产稳定性高自动控制不仅可以增加产量，提高产品质量，而且可以提高劳动生产率及改善生产的安全性。
三、传感器
在发酵生产中，实现自动化控制的主要关键是测量各种环境参数的传感器。只有准确和及时地测定发酵过程中的各项工艺参数，才有可能实现环境参数的自动控制与调节。
发酵过程检测是为了取得所给定发酵过程及其菌株的生理生化特征数据，以便对过程实施有效的控制。为了适应自控的需要，发酵过程变量变化的信息，应尽可能通过安装在发酵罐内的传感器检知，然后由变送器把非电信号转换成标准电信号，让仪表显示、记录或传送给电子计算机处理。
传感器的性能指标：
①可靠性：这是传感器最重要的特征，发酵控制中所使用的传感器应具有较高的可靠性，能在发酵条件下连续测定，稳定性好。传感器发生故障的方式有急剧故障及慢性或断续性故障两种。前者包括传感器破损、线路断开等；后者如传感器中电解液的消耗、膜上培养基或细胞的附着等。一般来说，前者比后者更容易发现，造成的损失可能更小。
②准确性：测量值与已知值或实际值之差称为误差，一般以一段时间内测量指示值的平均值与已知值之差或测量指示值与已知值之间的标准差表示。为了提高测量的准确性，传感器必须定期进行校正。
③精确度：测量精确度是重复测量的概率，它受测量方法、所用仪器、操作人员的业务素质、实验室条件等因素的影响，一般以实际值不发生变化的某一段时间内测量指示值的标准差来表示。
④响应时间：在测量位点有指示值与真值之间的时间滞后，它由反应滞后与传递滞后所造成。响应时间一般以达到真值的95%或99%所需的时间表示。
⑤分辨能力：又称识别能力，是指测量中所能分辨的最小变化值。对于模拟量，它主要是一个刻度的观察问题；对于数字量，是有意义的最小数字的变化单位。
⑥灵敏度：对灵敏度有各种各样的描述方式，一般指的是传感器所能反映的最小测量单位。
⑦量程：是传感器所能感受的最大值与最小值之差。但在实际应用中一般只取其一部分，称为设计跨度。如电阻温度计测量范围是-200～+850，但一般在发酵工业中的设计跨度为0～150或0～50.
⑧特异性：是传感器只与被测变量反应而不受过程中其他变量和周围环境条件变化影响的能力。影响特异性的因素除了传感器本身的性能以外，还与传感器使用的环境条件有关，可以通过保持环境条件稳定、使用时满足其设计要求等措施减小对传感器信号的干扰。
传感器一般与发酵液直接接触，为了保证发酵的安全，必须保证传感器的无菌。大部分物理和物理化学传感器都可以与发酵液一起进行高温灭菌。但有的传感器，如pH或溶氧传感器，灭菌后需要重新校正。有些不能耐受高温的传感器须在罐外用其他方法灭菌后再装入。
根据发酵过程中环境参数的性质，发酵设备的传感器可分为两大类，即测定物理参数的传感器和测定化学参数的传感器。
目前物理参数的测定基本上都已经具备了相应的传感器，只有黏度参数还没有相应的传感器，只能取样进行离线测量。用于化学参数测定的传感器较少，除了测量氧和二氧化碳含量的传感器已经广泛用于发酵生产外，许多化学参数仍需采用离线测量的方法进行测定。随着科学技术的发展，会有更多的传感器应用于生产。
