1 發(fā)酵過(guò)程工藝優(yōu)化控制

   發(fā)酵過(guò)程中，微生物細(xì)胞內(nèi)的代謝反應(yīng)，會(huì)受到其所在環(huán)境的重大影響，比如培養(yǎng)基的組成、PH、溫度和供氧能力等。發(fā)酵過(guò)程的工藝優(yōu)化，指通過(guò)對(duì)微生物所處環(huán)境的控制，來(lái)影響其代謝從而和成更多的目標(biāo)產(chǎn)物。

   發(fā)酵工藝控制技術(shù)是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的重要部分，工藝條件的控制是以菌體的生理代謝特性為基礎(chǔ)，通過(guò)調(diào)節(jié)物理量參數(shù)和化學(xué)參數(shù)等環(huán)境條件，研究微生物的代謝情況，從而找到最適宜菌體發(fā)揮其生產(chǎn)能力的條件。要實(shí)現(xiàn)對(duì)菌體生產(chǎn)條件的優(yōu)化，高效、準(zhǔn)確的采集能夠反映菌體生長(zhǎng)情況的參數(shù)并實(shí)施控制是十分必要的。

   隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，各種有關(guān)生物反應(yīng)過(guò)程的狀態(tài)參數(shù)能夠被采集，這些參數(shù)包括：1）物理參數(shù)：溫度、壓力、體積、空氣流量和攪拌轉(zhuǎn)速等；2）化學(xué)參數(shù)：PH、溶氧（DO）、氧化還原電位（ORP）、發(fā)酵液中溶解CO₂、發(fā)酵尾氣中O₂和CO₂組分等；3）生物學(xué)參數(shù)：活細(xì)胞濃度、菌體形態(tài)、氧消耗速率（OUR）和CO₂釋放速率（CER）等。這些參數(shù)能夠反映發(fā)酵過(guò)程的狀態(tài)及微生物的生理特性變化，是進(jìn)行過(guò)程分析和調(diào)控的基礎(chǔ)。

 對(duì)于發(fā)酵過(guò)程來(lái)講，僅僅依靠在線監(jiān)測(cè)發(fā)酵罐中的物理參數(shù)、化學(xué)參數(shù)和生物學(xué)參數(shù)，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)發(fā)酵過(guò)程的自動(dòng)化控制。以維生素B₁₂三級(jí)發(fā)酵罐為例，實(shí)際發(fā)酵過(guò)程中需要每間隔3-6h進(jìn)行人工取樣，檢測(cè)發(fā)酵液中的AN（氨氮）含量、總糖、甜菜堿、單位（微生物B₁₂含量），我們將這些參數(shù)稱(chēng)之為成分參數(shù)。檢測(cè)這些成分參數(shù)耗時(shí)費(fèi)力，且檢測(cè)頻率低，無(wú)法及時(shí)進(jìn)行手動(dòng)或自動(dòng)調(diào)控，如及時(shí)補(bǔ)料以保證微生物正常代謝合成目標(biāo)產(chǎn)物。針對(duì)成分參數(shù)的在線檢測(cè)，目前可行且應(yīng)用成熟的技術(shù)為近紅外光譜分析技術(shù)。

2 安裝技術(shù)方案

2.1 在線近紅外分析儀DA200（非接觸）

DA200在線近紅外分析儀是天津九光科技發(fā)展有限責(zé)任公司獨(dú)立研發(fā)制造的二極管陣列在線近紅外分析儀，采用銦鎵砷二極管陣列技術(shù)，連續(xù)光柵全光譜掃描，并行處理所有光譜信息，在線實(shí)時(shí)準(zhǔn)確檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果可與工廠系統(tǒng)集成。儀器垂直照射傳送帶，進(jìn)行非接觸檢測(cè)。光源照射樣品上，樣品反射光進(jìn)入儀器分光系統(tǒng)，固定光柵光譜儀立即得到各個(gè)波長(zhǎng)吸收對(duì)應(yīng)的電信號(hào)（即光譜），將光譜傳輸給電腦。

DA200具有穩(wěn)定的光學(xué)系統(tǒng)，適合惡劣、復(fù)雜的生產(chǎn)環(huán)境如粉塵、震動(dòng)等。大于40次/秒的高速全光譜數(shù)據(jù)采集，測(cè)量速度快，靈敏度高。此外，光斑面積大（直徑100mm），適合不均勻樣品的檢測(cè)。

DA200在線近紅外分析儀可以用于各種生物發(fā)酵產(chǎn)品的在線成分檢測(cè)，如氨基酸發(fā)酵產(chǎn)品（賴(lài)氨酸、蘇氨酸、色氨酸等）、維生素發(fā)酵（VC、VB2、VB12）；抗生素發(fā)酵（丁酸、抗菌肽等）、酵母菌、乳酸發(fā)酵等。可以在線實(shí)時(shí)檢測(cè)二級(jí)、三級(jí)發(fā)酵罐中的AN、OD、總糖/還原糖、前體物質(zhì)、發(fā)酵產(chǎn)物濃度等；還可以在線檢測(cè)提取車(chē)間的中間產(chǎn)物如膜后清液、菌渣中的發(fā)酵產(chǎn)物含量和干物質(zhì)含量；以及檢測(cè)烘干或結(jié)晶成品的水分。

2.1.1 安裝位置

   在線近紅外分析儀DA200與在線PH計(jì)、在線溶氧傳感器相同的安裝位置高度。該位置高度，發(fā)酵罐內(nèi)部無(wú)加熱盤(pán)管，且能保證有物料。

2.1.2罐體法蘭安裝

   確定好安裝位置高度后，需要在罐體開(kāi)孔，焊接罐體法蘭，并安裝石英視鏡。儀器廠家提供專(zhuān)業(yè)的無(wú)菌罐體法蘭和石英視鏡。罐體法蘭采用316L不銹鋼，經(jīng)過(guò)電解拋光，石英視鏡為15mm厚度，可以承受10公斤的壓力，石英視鏡和墊圈均為衛(wèi)生級(jí)設(shè)計(jì)，無(wú)菌衛(wèi)生。

   儀器廠家提供專(zhuān)業(yè)的無(wú)菌衛(wèi)生罐體法蘭和石英視鏡后，罐體法蘭的焊接由發(fā)酵罐廠家來(lái)完成，并安裝石英視鏡，交付使用之前進(jìn)行耐壓和密封測(cè)試。

2.1.3 儀器安裝

在線近紅外儀DA200通過(guò)安裝支架固定于發(fā)酵罐上，透過(guò)發(fā)酵罐上的石英視鏡，非接觸式檢測(cè)發(fā)酵罐內(nèi)的發(fā)酵液成分參數(shù)，如AN、還原糖/總糖、OD、目標(biāo)產(chǎn)物濃度等。在線近紅外分析儀DA200采用漫反射測(cè)定原理，對(duì)發(fā)酵液成分參數(shù)進(jìn)行在線檢測(cè)。在線近紅外儀非接觸式、大光斑檢測(cè)發(fā)酵液成分參數(shù)有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)傳感器安裝、拆卸、維護(hù)簡(jiǎn)便：在實(shí)際使用過(guò)程中，若儀器出現(xiàn)故障，可以隨時(shí)將傳感器拆卸下來(lái)，進(jìn)行維修或者更換，不影響正常發(fā)酵生產(chǎn)。

2)大光斑照射，可以不受發(fā)酵液中氣泡的影響：對(duì)于有氧發(fā)酵，發(fā)酵液中持續(xù)通入的氧氣會(huì)形成大量的氣泡，這些氣泡會(huì)影響在線近紅外儀對(duì)發(fā)酵液的光譜吸收。若在線近紅外分析儀為小光斑照射（如激光大小的光斑），發(fā)酵液中的大量氣泡會(huì)嚴(yán)重影響發(fā)酵液的近紅外吸收光譜，導(dǎo)致在線近紅外儀檢測(cè)發(fā)酵液的結(jié)果波動(dòng)很大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、準(zhǔn)確的在線檢測(cè)。

2.2 在線近紅外分析儀DA3000（光纖插入式）

DA3000在線近紅外分析儀是天津九光科技發(fā)展有限責(zé)任公司自主研發(fā)的針對(duì)液體成分在線分析場(chǎng)景的近紅外光譜儀。發(fā)酵液多為固態(tài)、液態(tài)混合的懸濁體系，一般采用漫反射光纖探頭或者透反射光纖探頭。工作原理：在線近紅外光譜儀光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)出射光纖進(jìn)入光纖探頭，照射被測(cè)樣品后經(jīng)入射光纖返回到光譜儀分光系統(tǒng)，漫反射或者透反射回來(lái)的光經(jīng)過(guò)光柵掃描分光后進(jìn)入檢測(cè)器得到近紅外光譜，將得到的光譜數(shù)據(jù)帶入模型計(jì)算，得到待測(cè)樣品指標(biāo)連續(xù)輸出顯示在儀器配套的數(shù)據(jù)分析軟件界面上。

2.2.1 安裝位置

       在線近紅外分析儀DA3000發(fā)酵罐配套用的光纖探頭，與發(fā)酵罐的常規(guī)在線PH探頭或者OD探頭直徑尺寸相同，安裝方式相同，可以直接用發(fā)酵罐預(yù)留的PH安裝口，直接安裝在線近紅外分析儀DA3000配套光纖探頭。

2.2.2 安裝方案

       在線近紅外分析儀DA3000主機(jī)固定在發(fā)酵罐周邊，通過(guò)5m-10m的光纖線纜與光纖探頭連接，光纖探頭直接插入發(fā)酵罐中，檢測(cè)發(fā)酵液成分參數(shù)。

3 發(fā)酵液成分在線檢測(cè)成熟應(yīng)用

  天津九光科技發(fā)展有限責(zé)任公司在發(fā)酵液成分檢測(cè)方便，積累了很多應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，如下表所示：