随着生物工程技术的发展,发酵工业的生产规模也在逐渐扩大,迫切需要对微生物发酵过程进行先进控制和优化调控,从而提高发酵工业水平。随着发酵工艺的不断进步,从培养基的配比和菌株的选取等方面进行发酵工艺的优化提高了发酵生产水平。分批补料发酵作为发酵行业应用最广泛的发酵形式,对于分批补料发酵制定合适的发酵过程控制补料策略是关键。目前,大多依据离线检测的生物量选择合适的发酵过程补料策略,这种补料方式具有一定的滞后性和不稳定性,难以满足发酵过程在线优化控制的要求,而且人工取样容易造成发酵系统菌体污染,影响发酵过程品质。因此,对于生物发酵过程合适的补料策略能够有效地调控微生物的中间代谢,使之朝着有利于菌体生长和产物合成的方向发展,所以及时且有效的发酵过程补料策略是实现发酵过程在线优化控制的关键。发酵过程在线补料控制实施的难题是无法实时获取到发酵过程的实时状态,所以迫切需要寻找能够反映发酵过程实时状态并可以进行在线检测的实时参量。而发酵过程代谢气体产物包含了重要的过程信息,发酵过程中的气体浓度变化能够直接反映发酵过程菌体的生长状态以及浓度变化。因此,研究基于气体浓度在线检测的发酵过程反馈控制补料方法及系统具有重要的工程应用价值。本文在分析发酵过程气体检测和在线反馈控制补料方法及其研究现状的基础上,提出了基于气体浓度在线检测的反馈控制补料方法,给出了发酵过程气体采集装置设计方法和发酵过程气体浓度在线检测方法,结合发酵过程先验知识,给出了一种利用发酵过程先验知识的发酵过程反馈控制补料方法,并针对具体的发酵对象给出了发酵过程的反馈控制补料算法实现。在该方法的基础之上给出一种基于虚拟仪器技术的发酵过程反馈控制补料系统,并给出了发酵过程反馈控制补料系统的总体设计方法。对发酵过程反馈控制补料系统软硬件进行了设计与实现,给出了硬件系统设计和系统硬件设备的选取;对数据通讯子系统、数据处理子系统、控制补料子系统、数据管理子系统、以及人机交互界面子系统进行设计。并通过发酵过程实验对传感器在线检测效果进行验证,对集成的发酵过程反馈控制补料系统各子系统模块进行测试,以谷胱甘肽、戊糖片球菌、富硒酵母三种发酵对象进行发酵过程的反馈控制补料方法的实验验证。实验研究表明,本文提出的基于气体浓度在线检测的反馈控制补料方法能够实现发酵过程代谢气体浓度的实时检测和发酵产物质量的提高;而且基于虚拟仪器技术进行集成的发酵过程反馈控制补料系统运行稳定,可靠性好,为发酵过程补料问题提供了一种切实可行的解决发酵过程在线控制补料难题的新途径。