在線近紅外分析(xi)儀在線檢(jian)測(ce)發(fa)酵(jiao)液(ye)成分含量(liang)

1 發(fa)酵(jiao)過(guo)程工(gong)藝優(you)化控(kong)制(zhi)

   發(fa)酵(jiao)過(guo)程中，微生(sheng)物(wu)細(xi)胞(bao)內的(de)代謝反應(ying)，會(hui)受到其(qi)所(suo)在環境(jing)的(de)重大(da)影(ying)響(xiang)，比如培養(yang)基(ji)的(de)組(zu)成(cheng)、PH、溫(wen)度和供(gong)氧(yang)能力等。發(fa)酵(jiao)過(guo)程的(de)工(gong)藝優(you)化，指(zhi)通(tong)過(guo)對微生(sheng)物(wu)所(suo)處環境(jing)的(de)控(kong)制，來影(ying)響(xiang)其(qi)代謝從(cong)而和成更(geng)多(duo)的(de)目(mu)標產物(wu)。

   發(fa)酵(jiao)工(gong)藝控制(zhi)技(ji)術(shu)是(shi)工(gong)業生(sheng)產過(guo)程中的(de)重要(yao)部分，工(gong)藝條件(jian)的(de)控(kong)制是(shi)以菌體(ti)的(de)生(sheng)理(li)代謝特(te)性為基礎(chu)，通(tong)過(guo)調節(jie)物(wu)理(li)量參數和化學參數等環境(jing)條(tiao)件(jian)，研究(jiu)微生(sheng)物(wu)的(de)代謝情(qing)況，從(cong)而找(zhao)到最(zui)適宜(yi)菌體(ti)發(fa)揮(hui)其(qi)生(sheng)產能(neng)力的(de)條(tiao)件(jian)。要實現對菌體(ti)生(sheng)產條(tiao)件(jian)的(de)優(you)化，高(gao)效(xiao)、準(zhun)確(que)的(de)采(cai)集能(neng)夠反映菌體(ti)生(sheng)長情況的(de)參數並(bing)實(shi)施控制是(shi)十分必要的(de)。

   隨著計算機技(ji)術(shu)及(ji)傳(chuan)感(gan)器(qi)技(ji)術(shu)的(de)快(kuai)速發(fa)展(zhan)，各種有關(guan)生(sheng)物(wu)反應(ying)過(guo)程(cheng)的(de)狀(zhuang)態(tai)參數能(neng)夠被采(cai)集，這(zhe)些參數包(bao)括(kuo)：1）物理(li)參數：溫(wen)度、壓力、體(ti)積(ji)、空(kong)氣流量和攪拌(ban)轉(zhuan)速等；2）化學參數：PH、溶氧(yang)（DO）、氧化(hua)還(hai)原(yuan)電(dian)位（ORP）、發(fa)酵(jiao)液(ye)中溶解(jie)CO₂、發(fa)酵(jiao)尾(wei)氣中(zhong)O₂和CO₂組(zu)分等；3）生(sheng)物(wu)學參數：活(huo)細(xi)胞濃度、菌體(ti)形(xing)態(tai)、氧(yang)消(xiao)耗(hao)速率（OUR）和CO₂釋(shi)放速率（CER）等。這些參數能(neng)夠反映發(fa)酵(jiao)過(guo)程的(de)狀(zhuang)態(tai)及(ji)微生(sheng)物(wu)的(de)生(sheng)理(li)特性(xing)變化(hua)，是(shi)進(jin)行過程(cheng)分析(xi)和調控(kong)的(de)基(ji)礎(chu)。

 對(dui)於(yu)發(fa)酵(jiao)過(guo)程來講，僅僅依(yi)靠在線監(jian)測(ce)發(fa)酵(jiao)罐(guan)中的(de)物(wu)理(li)參數、化(hua)學參數和生(sheng)物(wu)學參數，還(hai)遠(yuan)遠(yuan)無(wu)法(fa)實(shi)現發(fa)酵(jiao)過(guo)程的(de)自(zi)動化控(kong)制(zhi)。以維(wei)生(sheng)素B₁₂三(san)級(ji)發(fa)酵(jiao)罐(guan)為例，實(shi)際發(fa)酵(jiao)過(guo)程中需要(yao)每間隔(ge)3-6h進(jin)行人工(gong)取(qu)樣(yang)，檢(jian)測(ce)發(fa)酵(jiao)液(ye)中的(de)AN（氨(an)氮）含量(liang)、總糖(tang)、甜(tian)菜堿(jian)、單(dan)位（微生(sheng)物(wu)B₁₂含量(liang)），我(wo)們將(jiang)這些參數稱之為成分參數。檢(jian)測(ce)這些成分參數耗(hao)時(shi)費力，且檢(jian)測(ce)頻率低(di)，無法(fa)及(ji)時(shi)進(jin)行手動或(huo)自(zi)動調控(kong)，如及(ji)時(shi)補料(liao)以保證微生(sheng)物(wu)正(zheng)常代謝合(he)成(cheng)目(mu)標(biao)產物(wu)。針對(dui)成(cheng)分參數的(de)在線檢(jian)測(ce)，目前(qian)可行且應(ying)用(yong)成(cheng)熟(shu)的(de)技(ji)術(shu)為近紅外光(guang)譜(pu)分析(xi)技(ji)術(shu)。

2 安(an)裝技(ji)術(shu)方(fang)案

2.1 在線近紅外分析(xi)儀DA200（非(fei)接觸(chu)）

DA200在線近紅外分析(xi)儀是天(tian)津(jin)九光(guang)科技(ji)發(fa)展(zhan)有(you)限責任(ren)公司(si)獨(du)立(li)研發(fa)制(zhi)造的(de)二(er)極(ji)管(guan)陣(zhen)列在線近紅外分析(xi)儀，采用(yong)銦鎵(jia)砷二(er)極(ji)管(guan)陣(zhen)列技(ji)術(shu)，連續光(guang)柵(zha)全(quan)光譜(pu)掃(sao)描，並(bing)行處理(li)所(suo)有光(guang)譜(pu)信息，在線實(shi)時準(zhun)確(que)檢(jian)測(ce)，檢(jian)測(ce)結果(guo)可與工(gong)廠(chang)系(xi)統集成。儀器垂直(zhi)照射(she)傳(chuan)送帶，進行非(fei)接觸(chu)檢(jian)測(ce)。光源照射(she)樣(yang)品上(shang)，樣(yang)品反射(she)光(guang)進(jin)入(ru)儀器分光系(xi)統，固定(ding)光柵(zha)光(guang)譜(pu)儀立即(ji)得到(dao)各個(ge)波(bo)長吸(xi)收對(dui)應(ying)的(de)電(dian)信號(hao)（即(ji)光(guang)譜(pu)），將(jiang)光譜(pu)傳輸給(gei)電(dian)腦(nao)。

DA200具(ju)有穩(wen)定(ding)的(de)光(guang)學系(xi)統，適合(he)惡(e)劣(lie)、復雜的(de)生(sheng)產環境(jing)如粉(fen)塵、震(zhen)動等。大於40次(ci)/秒的(de)高(gao)速全(quan)光譜(pu)數據采集(ji)，測(ce)量速度快(kuai)，靈敏度(du)高(gao)。此外(wai)，光斑(ban)面(mian)積(ji)大(da)（直(zhi)徑(jing)100mm），適合(he)不(bu)均(jun)勻(yun)樣(yang)品的(de)檢(jian)測(ce)。

DA200在線近紅外分析(xi)儀可以用(yong)於(yu)各種生(sheng)物(wu)發(fa)酵(jiao)產品的(de)在線成(cheng)分檢(jian)測(ce)，如氨(an)基(ji)酸發(fa)酵(jiao)產品（賴(lai)氨(an)酸、蘇(su)氨(an)酸、色(se)氨(an)酸等）、維(wei)生(sheng)素發(fa)酵(jiao)（VC、VB2、VB12）；抗(kang)生(sheng)素發(fa)酵(jiao)（丁(ding)酸、抗(kang)菌肽等）、酵(jiao)母菌、乳酸發(fa)酵(jiao)等。可以在線實(shi)時檢(jian)測(ce)二級(ji)、三級發(fa)酵(jiao)罐(guan)中的(de)AN、OD、總糖(tang)/還(hai)原(yuan)糖(tang)、前(qian)體(ti)物(wu)質(zhi)、發(fa)酵(jiao)產物(wu)濃度等；還(hai)可以在線檢(jian)測(ce)提(ti)取(qu)車(che)間(jian)的(de)中(zhong)間產物(wu)如膜(mo)後(hou)清液(ye)、菌渣中的(de)發(fa)酵(jiao)產物(wu)含量(liang)和幹物(wu)質(zhi)含量(liang)；以及(ji)檢(jian)測(ce)烘幹(gan)或結晶成品的(de)水(shui)分。

2.1.1 安(an)裝位置(zhi)

   在線近紅外分析(xi)儀DA200與在線PH計(ji)、在線溶氧(yang)傳感(gan)器(qi)相(xiang)同(tong)的(de)安(an)裝位置(zhi)高(gao)度。該(gai)位置(zhi)高(gao)度，發(fa)酵(jiao)罐(guan)內部無(wu)加(jia)熱(re)盤管(guan)，且能保證有物料(liao)。

2.1.2罐(guan)體(ti)法(fa)蘭(lan)安(an)裝

   確(que)定(ding)好(hao)安(an)裝位置(zhi)高(gao)度後(hou)，需要(yao)在罐(guan)體(ti)開(kai)孔，焊接罐(guan)體(ti)法(fa)蘭(lan)，並(bing)安(an)裝石英視(shi)鏡(jing)。儀器廠(chang)家提(ti)供(gong)專(zhuan)業的(de)無(wu)菌罐(guan)體(ti)法(fa)蘭(lan)和石英視(shi)鏡(jing)。罐(guan)體(ti)法(fa)蘭(lan)采(cai)用(yong)316L不(bu)銹(xiu)鋼(gang)，經過電(dian)解(jie)拋光(guang)，石英視(shi)鏡(jing)為15mm厚(hou)度，可以承受10公斤的(de)壓(ya)力，石英視(shi)鏡(jing)和墊圈均(jun)為衛生(sheng)級(ji)設(she)計(ji)，無(wu)菌衛生(sheng)。

   儀器廠(chang)家提(ti)供(gong)專(zhuan)業的(de)無(wu)菌衛生(sheng)罐(guan)體(ti)法(fa)蘭(lan)和石英視(shi)鏡(jing)後(hou)，罐(guan)體(ti)法(fa)蘭(lan)的(de)焊(han)接由(you)發(fa)酵(jiao)罐(guan)廠家來完成，並安(an)裝石英視(shi)鏡(jing)，交付(fu)使(shi)用之(zhi)前進行耐壓(ya)和密封測(ce)試(shi)。

2.1.3 儀器安(an)裝

在線近紅外儀DA200通(tong)過(guo)安(an)裝支架固定(ding)於發(fa)酵(jiao)罐(guan)上(shang)，透(tou)過發(fa)酵(jiao)罐(guan)上(shang)的(de)石英視(shi)鏡(jing)，非(fei)接觸(chu)式檢(jian)測(ce)發(fa)酵(jiao)罐(guan)內的(de)發(fa)酵(jiao)液(ye)成分參數，如AN、還(hai)原(yuan)糖(tang)/總糖(tang)、OD、目(mu)標(biao)產物(wu)濃度等。在線近紅外分析(xi)儀DA200采用(yong)漫反射(she)測(ce)定原(yuan)理(li)，對發(fa)酵(jiao)液(ye)成分參數進(jin)行在線檢(jian)測(ce)。在線近紅外儀非(fei)接觸(chu)式、大光斑(ban)檢(jian)測(ce)發(fa)酵(jiao)液(ye)成分參數有(you)以下優(you)點：

1)傳(chuan)感(gan)器(qi)安(an)裝、拆卸(xie)、維(wei)護(hu)簡(jian)便(bian)：在實際(ji)使(shi)用過(guo)程中，若(ruo)儀器出(chu)現故障(zhang)，可以隨時將(jiang)傳感(gan)器(qi)拆(chai)卸(xie)下來，進行維(wei)修或(huo)者(zhe)更(geng)換(huan)，不(bu)影(ying)響(xiang)正(zheng)常發(fa)酵(jiao)生(sheng)產。

2)大(da)光(guang)斑(ban)照射(she)，可以不(bu)受發(fa)酵(jiao)液(ye)中氣泡(pao)的(de)影(ying)響(xiang)：對(dui)於(yu)有氧(yang)發(fa)酵(jiao)，發(fa)酵(jiao)液(ye)中持(chi)續通(tong)入(ru)的(de)氧(yang)氣會(hui)形(xing)成(cheng)大(da)量(liang)的(de)氣泡(pao)，這些氣泡(pao)會影(ying)響(xiang)在線近紅外儀對發(fa)酵(jiao)液(ye)的(de)光(guang)譜(pu)吸(xi)收。若(ruo)在線近紅外分析(xi)儀為小光(guang)斑(ban)照射(she)（如激光(guang)大(da)小的(de)光(guang)斑(ban)），發(fa)酵(jiao)液(ye)中的(de)大(da)量氣泡(pao)會嚴重影(ying)響(xiang)發(fa)酵(jiao)液(ye)的(de)近紅外吸(xi)收光(guang)譜(pu)，導(dao)致(zhi)在線近紅外儀檢(jian)測(ce)發(fa)酵(jiao)液(ye)的(de)結(jie)果波(bo)動很大，無法(fa)實(shi)現穩定、準(zhun)確(que)的(de)在線檢(jian)測(ce)。

2.2 在線近紅外分析(xi)儀DA3000（光纖(xian)插(cha)入(ru)式）

DA3000在線近紅外分析(xi)儀是天(tian)津(jin)九光(guang)科技(ji)發(fa)展(zhan)有(you)限責任(ren)公司(si)自(zi)主研發(fa)的(de)針對(dui)液(ye)體(ti)成(cheng)分在線分析(xi)場(chang)景(jing)的(de)近紅外光(guang)譜(pu)儀。發(fa)酵(jiao)液(ye)多(duo)為固態(tai)、液(ye)態(tai)混(hun)合(he)的(de)懸(xuan)濁(zhuo)體(ti)系(xi)，壹(yi)般采(cai)用漫(man)反射(she)光(guang)纖(xian)探(tan)頭或者透(tou)反射(she)光(guang)纖(xian)探(tan)頭。工(gong)作原(yuan)理(li)：在線近紅外光(guang)譜(pu)儀光源發(fa)出(chu)的(de)光(guang)經過出(chu)射(she)光(guang)纖(xian)進(jin)入(ru)光纖(xian)探(tan)頭，照射(she)被測(ce)樣(yang)品後(hou)經入(ru)射(she)光(guang)纖(xian)返(fan)回(hui)到光(guang)譜(pu)儀分光系(xi)統，漫反射(she)或(huo)者(zhe)透(tou)反射(she)回(hui)來的(de)光(guang)經過光(guang)柵(zha)掃(sao)描分光後(hou)進入(ru)檢(jian)測(ce)器得(de)到近紅外光(guang)譜(pu)，將(jiang)得到(dao)的(de)光(guang)譜(pu)數據帶入(ru)模(mo)型(xing)計算，得(de)到待測(ce)樣(yang)品指(zhi)標連續輸(shu)出(chu)顯示在儀器配(pei)套(tao)的(de)數(shu)據分析(xi)軟件(jian)界(jie)面(mian)上(shang)。

2.2.1 安(an)裝位置(zhi)

       在線近紅外分析(xi)儀DA3000發(fa)酵(jiao)罐(guan)配(pei)套(tao)用(yong)的(de)光(guang)纖(xian)探(tan)頭，與發(fa)酵(jiao)罐(guan)的(de)常規在線PH探(tan)頭或者OD探(tan)頭直(zhi)徑(jing)尺寸相同，安(an)裝方(fang)式相(xiang)同，可以直(zhi)接用(yong)發(fa)酵(jiao)罐(guan)預留(liu)的(de)PH安(an)裝口(kou)，直(zhi)接安(an)裝在線近紅外分析(xi)儀DA3000配(pei)套(tao)光(guang)纖(xian)探(tan)頭。

2.2.2 安(an)裝方(fang)案

       在線近紅外分析(xi)儀DA3000主(zhu)機(ji)固定(ding)在發(fa)酵(jiao)罐(guan)周邊，通(tong)過(guo)5m-10m的(de)光(guang)纖(xian)線(xian)纜(lan)與光(guang)纖(xian)探(tan)頭連接，光(guang)纖(xian)探(tan)頭直(zhi)接插(cha)入(ru)發(fa)酵(jiao)罐(guan)中，檢(jian)測(ce)發(fa)酵(jiao)液(ye)成分參數。

3 發(fa)酵(jiao)液(ye)成分在線檢(jian)測(ce)成熟(shu)應(ying)用(yong)

  天(tian)津(jin)九光(guang)科技(ji)發(fa)展(zhan)有(you)限責任(ren)公司(si)在發(fa)酵(jiao)液(ye)成分檢(jian)測(ce)方(fang)便，積(ji)累了(le)很多(duo)應(ying)用(yong)經驗，如下表所(suo)示：