工业发酵研究和开发的主要目标之一是建立一套可行的工艺过程，达到提高产量和降低成本的目的，也就是发酵过程的优化。任何微生物发酵都是在一定条件下进行的，其代谢变化是通过各种检测参数反映出来的。发酵过程的好坏完全取决于能够维持一个可以调控的有利于生产的良好环境，达到此目的最直接和有效的方法是通过直接测量发酵的变量来调节生物过程，而在线测量是高效过程运行的先决条件。
发酵过程要控制的参数包括状态参数和间接参数，状态参数是指能反映过程中菌体的生理代谢状况的参数，可以通过传感器等测量仪器直接测得，所以又称为直接参数，包括物理参数和化学参数，如pH、溶氧、溶解CO2、尾气O2、尾气CO2、黏度、菌体浓度等。间接参数是指那些不能直接测量得到，需根据基本参数通过计算求得的参数，如摄氧量（OUR）、CO2释放速率（CRR）、体积溶氧系数kLa、呼吸商（RQ）等。
一、物理参数检测
①温度：是指发酵的整个过程或不同的发酵阶段所维持的温度。发酵过程中温度的检测是非常重要的，温度的高低与发酵中的酶反应速率、氧在培养液中的溶解度和传递速率、菌体生长速率和产物合成速率等方面有密切关系。温度测量可以选用的温度传感器有热电阻、热电耦、双金属片等，其中以热电阻检测器的使用最为普遍。常用的热电阻有铂电阻和铜电阻，特点是精度高、线性较好，能满足发酵温度监测和控制的要求。
②压力：是指发酵过程中发酵容器维持的压力。反应器内压力发生变化，将引起通风量、溶氧速率、泡沫及其他条件的连锁波动，容器内维持正压可以防止外界空气中的杂菌侵入而避免污染，以保证发酵的安全性。发酵罐内压力一般维持在0.2～0.5×105Pa。罐压传感器采用隔膜式元件较好，可以避免积存凝结水，不存在因凝结水回流造成杂菌污染的可能性。如需自动调节罐压，调节阀应装在排气管上。
③空气流量：是指每分钟单位体积发酵液通入空气的体积，也叫通风比，是需氧发酵的控制参数。它的大小与氧的传递和其他控制参数有关，一般控制在0.5～1.0L/（L？min）。气体流量多用转子流量计测量，转子位置随气体流量的变化而升降，造成电容量的变化，由此所发出的电信号输入调节器，与给定值比较后发出指令，以调节管线上调节阀的工作。
④搅拌转速：搅拌转速是指搅拌器在发酵过程中的转动速度，通常以每分钟的转数来表示。它的大小与氧在发酵液中的传递速率和发酵液的均匀性有关。对好氧发酵，在发酵的不同阶段控制不同的转速，以调节培养基中的溶氧水平。
⑤黏度：黏度可以被用来作为细胞生长或细胞形态的标志，也能反映发酵罐中菌丝分裂的情况，通常用表观黏度表示。它的大小可改变氧传递的阻力，又可表示相对菌体浓度。目前还缺乏在反应器内监测黏度的有效系统。
⑥浊度：浊度是能及时反映单细胞生长状况的参数，对氨基酸、核苷酸等产品的生产极其重要，它是跟踪细胞生长的一种快速方法。目前浊度测定还只限于取样测定，因而如何取得代表性样品就成为很大的问题。样品取得后即可用浊度计或分光光度计测其浊度。
⑦料液流量：料液流量在补料发酵中是控制流体进料的参数。大量液体流量的测量可选用电磁流量计。
⑧产物浓度：这是决定发酵产物产量高低或判断合成代谢正常与否的重要参数，也是决定发酵周期长短的依据。
二、化学参数检测
（一）pH
在发酵生产过程中，由于酸性或碱性物质的生成，如发酵液的缓冲能力不强，pH将发生明显变化，这种变化如不及时调节，往往使预期的代谢过程受到阻碍。发酵液的pH变化是发酵过程中各种生化反应的综合结果，它是发酵工艺控制的重要参数之一，pH的高低与菌体生长和产物合成有着重要的关系。
在常温常压下测量液体pH，指示电极和参比电极是常用仪表，但要把它装在反应器上使用，则存在不耐温、不耐压和电极表面污染等严重问题。目前已制成能耐蒸汽灭菌的玻璃电极和参比电极，可用于发酵工业中连续测定pH。质量好的耐热玻璃电极至少应能在120蒸汽下灭菌20次。
当pH指示电极与参比电极插入被测液体时，就形成了玻璃电极与参比电极系统。发酵过程中使用的pH电极要求结构紧凑，通常是把指示电极和参比电极合为一体，制成复合型pH玻璃电极。发酵用的复合pH电极必须满足以下要求：能耐高温消毒（不超过120）。过高的消毒温度将对玻璃膜材质和参比电极性质产生影响，并造成不可逆转的破坏，因此有时可采用罐外消毒，避免高温，以延长电极使用寿命；具有长时间稳定性；结构紧凑、便于安装和耐受压力。
（二）溶解氧浓度
溶解氧是发酵过程中的一个重要参数。利用溶解氧浓度的变化，可了解生产菌对氧利用的规律，反映发酵的异常情况，也可作为发酵中间控制的参数及设备供氧能力的指标。溶氧浓度可用绝对含量（mg/L）表示，也可以用在相同条件下氧在培养液中饱和度的质量分数（%）来表示。
近年来广泛采用溶氧电极测定溶解氧浓度。溶氧电极可分为两大类，即电解型电极和原电池型电极。电解型电极系统中所用参比电极的电位比阴极高或相等，需要外加电压，使之维持在-0.6～-0.8V的氧极谱电压内。原电池电极是在电池系统中，选用的参比电极比阴极电位低，氧能在阴极自发地被还原，产生电动势，不需要外加任何电压就有电流产生。
发酵过程中以原电池型溶氧电极的应用最为普遍。其结构，主要由半渗透膜和电极两部分组成。所用薄膜要求能透过氧分子，但不能透过电解质和水，同时要能耐灭菌时的蒸汽温度。一般使用聚四氟乙烯、氟化乙烯-丙烯共聚物或聚丙烯薄膜，也可用硅橡胶膜，薄膜可用O型圈或其他方式紧固在探头上，使电极内部的电解质与外界被测液体相互隔开。电极部分包括阳极、阴极和电解质溶液，其中阴极为贵重金属，可用铂、金、银等制成，用于还原氧分子，实质上是一个氧电极，贵重金属仅起传递电子的作用。阳极的电极电位较阴极金属低，可用铝、锌、镉、铅、锡等制成。常用的电解质溶液有KCl溶液、KOH溶液、KHCO3溶液等。
将电极插入待测的液体中，在两极间接一个电流表，待测液体中的溶氧透过膜而进入电池，立即在紧贴于膜上的阴极上被还原，而产生相应的电流，在电流表上指示出来。由于氧一进入膜内就立即被还原，实际上电池内部溶液的氧浓度为零。因此氧的透过速率与待测液体中氧的分压成正比，而氧的分压正比于待测液体中溶解氧的浓度，于是电流表上读数的大小就表征了待测液体中溶解氧的浓度。
（三）氧化还原电位
培养基的氧化还原电位是影响微生物生长及其生化活性的因素之一。对各种微生物而言，培养基最适宜的与所允许的最大电位值，应与微生物本身的种类和生理状态有关。氧化还原电位常作为控制发酵过程的参数之一，特别是某些氨基酸发酵是在限氧条件下进行的，用溶氧参数已不能精确控制，这时用氧化还原电位作为控制参数较为理想。
发酵中使用的氧化还原电位测量系统由指示电极、参比电极和测量仪表构成。
从化学观点看，氧化是物质释放出电子的过程，而还原是物质接受电子的过程。若将一惰性电极与一参比电极连接后，置于一具有氧化-还原系统的溶液中，氧化型物质由于需接受电子进行还原，它与电极间形成一种“电子引力”，并使电极电位向正的方向变化；而还原型物质由于需释放出电子进行氧化，它与电极间产生一种“电子斥力”，并使电极电位向负的方向变化。系统中的氧化还原电位与系统中的氧化型及还原型物质的比例有关。
氧化-还原电位受pH和溶液中溶氧水平的影响，在好氧发酵过程中，溶解氧及pH有较大的变化，影响着氧化-还原电位不断变化，所以在发酵过程中很少对此参数进行测定。
（四）排气中的氧和二氧化碳
测量反应器排出气体中氧的含量，是稳态法测量溶氧系数及菌体呼吸耗氧速率的基本数据。耗氧速率是好氧代谢的一个重要指标。
测量空气中氧含量的方法主要有磁氧分析法、固体电解质法、极谱电位法和质谱法。如今普遍使用的是磁氧分析仪，其精度高而且具有相当好的稳定性和线性响应。近年来工业质谱仪的使用已引起人们的注意。
大多数气体具有抗磁性，在磁氧分析法中，氧是顺磁性的，由于它的磁化率较大，在所有气体中占有重要位置。
在好气性发酵中，CO2的产生与O2的消耗是一起进行的。因此CO2的生成速率也是发酵液中耗氧代谢过程的一个指标。用来测定排出气体中CO2含量的方法很多，如热导法、气相色谱法、CO2电极法、红外线气体分析仪和质谱法，较为常用的是红外线气体分析仪和电极法。
气体中的N2、O2、CO2及其他可能有的组分，各自对红外线的某一波长的光谱具有选择吸收的特点。因此，预先将CO2不能吸收的红外线波段除去，当气体通过样品室时，空气只是因为其中含有的CO2吸收了红外线的能量而受热，气体的温度和压力相应升高，其升高值与CO2组分的浓度具有一定的函数关系，CO2的浓度可以从二次仪表上读出。
（五）溶解二氧化碳
发酵过程中有大量的CO2产生，其中一部分溶解于发酵液中，溶解CO2一般对菌的生长不利，因此有必要加以测定和控制。
发酵液中实际的CO2分压（pCO2）可用著名的Sevezinghaus电极进行测定。如果CO2扩散在水或碳酸氢钠的水溶液中，溶液的pH会依据下列的式子而变化：
在碳酸氢钠溶液中：
pH=常数-lgpCO2
在碳酸氢钠溶液中测量能方便地确定pH和pCO2之间的对应关系。使用特殊的气体渗透膜，能够使CO2扩散到碳酸氢钠溶液中去。溶液中的pH变化就是CO2实际压力的测量值。因此，可用复合pH电极精确测量溶液中的这种pH的细微变化。
（六）发酵产品与基质浓度的在线检测
在发酵过程中，基质（以糖为主）被逐渐消耗而转变为细胞或非细胞产品。这些变量能否实现在线的自动检测，是实现计算机在线运行、完成过程最优化控制的关键之一。美国、日本等国生产的比色式自动分析仪，可以在线自动分析部分发酵产品的浓度，如多种氨基酸、还原糖、细胞浓度和青霉素效价等。
1.还原糖浓度
在有CN-存在下，黄色的铁氰化钾溶液被还原成无色的亚铁氰化钾。利用颜色的变化可用比色法定量测定还原糖。
比色法一般只适用于没有残渣及其他色素干扰的情况，但发酵液中往往兼有以上两种干扰因素。采用连续透析过滤方法可以消除这种干扰，但连续透析过滤器不能长时间连续运转。最简单的办法是将发酵液准确稀释很高的倍数（150～200倍），然后按比例加入浓KCN溶液与之混合，加入铁氰化钾溶液，加热显色，420nm比色，整个过程可自动化。
2.L-谷氨酸浓度
L-谷氨酸在30下受脱羧酶催化，产生CO2及γ-氨基丁酸。将产生的CO2与液体分离后导入预先加入了酚酞的紫色碳酸盐重碳酸盐缓冲液中，CO2被吸收，溶液紫色根据吸收CO2的浓度相应减退。根据此原理用比色法（550nm）可定量测定L-谷氨酸。
3.细胞浓度
微生物进行生理活动时，总是伴随着增殖和增长。细胞浓度的测量可以采用称重法、浊度法、细胞蛋白质测定法、核酸测定法、平板培养法等直接测量方法，但这些方法一般只适用于离线取样测定，在工业在线测量中具有较大的局限性。
如果发酵培养液中是没有残渣的澄清液体，则细胞浓度液可以使用自动连续比色的方法测定，但这往往是做不到的。
上述检测方法在发酵生产中都难以实现在线连续自动检测，而生物传感器的应用使这一问题得到了解决。
