在(zai)線近(jin)紅(hong)外分(fen)析儀在(zai)線檢(jian)測發(fa)酵(jiao)液(ye)成分(fen)含(han)量

1 發(fa)酵(jiao)過(guo)程工(gong)藝(yi)優化控制

   發(fa)酵(jiao)過(guo)程中(zhong)，微(wei)生(sheng)物(wu)細(xi)胞(bao)內(nei)的(de)代(dai)謝反應，會(hui)受(shou)到其所(suo)在(zai)環境的(de)重(zhong)大影響(xiang)，比如(ru)培(pei)養(yang)基的(de)組(zu)成(cheng)、PH、溫度和(he)供(gong)氧(yang)能(neng)力等。發(fa)酵(jiao)過(guo)程的(de)工(gong)藝(yi)優化，指(zhi)通(tong)過對微(wei)生(sheng)物(wu)所(suo)處環境的(de)控制，來(lai)影響(xiang)其代(dai)謝從而和(he)成(cheng)更多的(de)目(mu)標產物(wu)。

   發(fa)酵(jiao)工(gong)藝(yi)控制技術(shu)是工(gong)業(ye)生(sheng)產過程(cheng)中(zhong)的(de)重(zhong)要部(bu)分(fen)，工(gong)藝(yi)條(tiao)件的(de)控制是以菌(jun)體(ti)的(de)生(sheng)理代謝特(te)性(xing)為(wei)基(ji)礎，通(tong)過調節(jie)物(wu)理量參數(shu)和(he)化(hua)學參數(shu)等環境條(tiao)件，研究(jiu)微(wei)生(sheng)物(wu)的(de)代(dai)謝情況，從而找(zhao)到最適(shi)宜(yi)菌(jun)體(ti)發(fa)揮(hui)其(qi)生產能(neng)力的(de)條(tiao)件。要實(shi)現(xian)對菌(jun)體(ti)生產條件的(de)優化，高效、準確(que)的(de)采集能(neng)夠反(fan)映菌(jun)體(ti)生長(chang)情況的(de)參數(shu)並實施(shi)控制是十分(fen)必要的(de)。

   隨著計算(suan)機技(ji)術(shu)及傳(chuan)感(gan)器技術(shu)的(de)快(kuai)速(su)發(fa)展(zhan)，各(ge)種有(you)關生物(wu)反(fan)應過(guo)程(cheng)的(de)狀(zhuang)態參數(shu)能(neng)夠被(bei)采集，這(zhe)些(xie)參數(shu)包(bao)括：1）物(wu)理參數(shu)：溫度、壓力、體(ti)積、空(kong)氣流量和(he)攪拌轉速等；2）化學參數(shu)：PH、溶(rong)氧(yang)（DO）、氧(yang)化還原(yuan)電位(wei)（ORP）、發(fa)酵(jiao)液(ye)中(zhong)溶(rong)解CO₂、發(fa)酵(jiao)尾(wei)氣中(zhong)O₂和(he)CO₂組(zu)分(fen)等；3）生物(wu)學參數(shu)：活(huo)細(xi)胞(bao)濃(nong)度(du)、菌(jun)體(ti)形態、氧(yang)消耗(hao)速率（OUR）和(he)CO₂釋(shi)放(fang)速(su)率（CER）等。這(zhe)些(xie)參數(shu)能(neng)夠反(fan)映發(fa)酵(jiao)過(guo)程的(de)狀(zhuang)態及微(wei)生(sheng)物(wu)的(de)生(sheng)理特性變(bian)化(hua)，是(shi)進行過程(cheng)分(fen)析和(he)調(tiao)控的(de)基(ji)礎。

 對於(yu)發(fa)酵(jiao)過(guo)程來(lai)講(jiang)，僅僅依(yi)靠在(zai)線監測(ce)發(fa)酵(jiao)罐(guan)中(zhong)的(de)物(wu)理參數(shu)、化(hua)學參數(shu)和(he)生(sheng)物(wu)學參數(shu)，還遠遠無法(fa)實(shi)現(xian)發(fa)酵(jiao)過(guo)程的(de)自動化(hua)控制。以維(wei)生素(su)B₁₂三(san)級發(fa)酵(jiao)罐(guan)為例，實(shi)際發(fa)酵(jiao)過(guo)程中(zhong)需要每間隔3-6h進行人工(gong)取(qu)樣(yang)，檢(jian)測發(fa)酵(jiao)液(ye)中(zhong)的(de)AN（氨(an)氮）含(han)量、總糖、甜菜堿、單(dan)位(wei)（微(wei)生(sheng)物(wu)B₁₂含(han)量），我(wo)們(men)將這(zhe)些(xie)參數(shu)稱之(zhi)為成分(fen)參數(shu)。檢(jian)測這(zhe)些(xie)成分(fen)參數(shu)耗(hao)時(shi)費力(li)，且(qie)檢(jian)測頻(pin)率低(di)，無法(fa)及時(shi)進行手動(dong)或(huo)自動調(tiao)控，如(ru)及時(shi)補料(liao)以保(bao)證微(wei)生(sheng)物(wu)正常(chang)代謝合成(cheng)目標(biao)產物(wu)。針(zhen)對(dui)成(cheng)分(fen)參數(shu)的(de)在(zai)線檢(jian)測，目(mu)前(qian)可(ke)行且應用(yong)成(cheng)熟的(de)技(ji)術(shu)為近(jin)紅(hong)外光(guang)譜(pu)分(fen)析技術(shu)。

2 安裝技(ji)術(shu)方案

2.1 在(zai)線近(jin)紅(hong)外分(fen)析儀DA200（非接(jie)觸(chu)）

DA200在(zai)線近(jin)紅(hong)外分(fen)析儀是天津九(jiu)光(guang)科(ke)技發(fa)展(zhan)有(you)限(xian)責(ze)任公司獨(du)立研發(fa)制造的(de)二(er)極(ji)管(guan)陣列在(zai)線近(jin)紅(hong)外分(fen)析儀，采用(yong)銦鎵砷二(er)極(ji)管(guan)陣列技術(shu)，連(lian)續光柵全光(guang)譜(pu)掃描(miao)，並行處理所(suo)有(you)光(guang)譜(pu)信(xin)息(xi)，在(zai)線實時(shi)準確(que)檢(jian)測，檢(jian)測結(jie)果可與工(gong)廠(chang)系(xi)統集成。儀器垂直(zhi)照(zhao)射傳(chuan)送(song)帶(dai)，進行非接(jie)觸(chu)檢(jian)測。光(guang)源照射(she)樣(yang)品上(shang)，樣(yang)品反(fan)射(she)光進入(ru)儀器分(fen)光系(xi)統，固定(ding)光柵光譜(pu)儀立即(ji)得到各個(ge)波(bo)長(chang)吸(xi)收(shou)對(dui)應的(de)電(dian)信號(hao)（即(ji)光(guang)譜），將(jiang)光譜傳輸(shu)給(gei)電(dian)腦(nao)。

DA200具有(you)穩(wen)定(ding)的(de)光(guang)學系統，適合(he)惡劣(lie)、復雜(za)的(de)生(sheng)產環境如(ru)粉(fen)塵、震(zhen)動(dong)等。大於(yu)40次/秒(miao)的(de)高速(su)全光譜數(shu)據(ju)采集，測量(liang)速度(du)快(kuai)，靈(ling)敏度高。此外，光(guang)斑面(mian)積(ji)大（直徑100mm），適合不(bu)均勻(yun)樣(yang)品的(de)檢(jian)測。

DA200在(zai)線近(jin)紅(hong)外分(fen)析儀可以用(yong)於(yu)各種生(sheng)物(wu)發(fa)酵(jiao)產品的(de)在(zai)線成分(fen)檢(jian)測，如(ru)氨(an)基(ji)酸(suan)發(fa)酵(jiao)產品（賴(lai)氨(an)酸、蘇(su)氨酸(suan)、色氨(an)酸(suan)等）、維(wei)生素(su)發(fa)酵(jiao)（VC、VB2、VB12）；抗生(sheng)素(su)發(fa)酵(jiao)（丁(ding)酸、抗菌(jun)肽等）、酵(jiao)母(mu)菌(jun)、乳酸發(fa)酵(jiao)等。可以(yi)在(zai)線實時(shi)檢(jian)測二(er)級、三級發(fa)酵(jiao)罐(guan)中(zhong)的(de)AN、OD、總糖/還原(yuan)糖、前體(ti)物(wu)質(zhi)、發(fa)酵(jiao)產物(wu)濃(nong)度(du)等；還可以(yi)在(zai)線檢(jian)測提(ti)取(qu)車(che)間的(de)中(zhong)間產物(wu)如(ru)膜(mo)後清(qing)液(ye)、菌(jun)渣中(zhong)的(de)發(fa)酵(jiao)產物(wu)含(han)量和(he)幹(gan)物(wu)質(zhi)含(han)量；以(yi)及檢(jian)測烘(hong)幹(gan)或(huo)結(jie)晶成品(pin)的(de)水分(fen)。

2.1.1 安裝位(wei)置(zhi)

   在(zai)線近(jin)紅(hong)外分(fen)析儀DA200與在(zai)線PH計、在(zai)線溶(rong)氧(yang)傳感器相同(tong)的(de)安裝位(wei)置(zhi)高度(du)。該位(wei)置(zhi)高度(du)，發(fa)酵(jiao)罐(guan)內(nei)部(bu)無(wu)加(jia)熱盤(pan)管(guan)，且(qie)能(neng)保證(zheng)有(you)物(wu)料(liao)。

2.1.2罐(guan)體(ti)法(fa)蘭(lan)安裝

   確(que)定好安裝位(wei)置(zhi)高度(du)後，需要在(zai)罐(guan)體(ti)開孔，焊接(jie)罐(guan)體(ti)法(fa)蘭(lan)，並安裝石(shi)英(ying)視(shi)鏡(jing)。儀器廠(chang)家(jia)提(ti)供(gong)專(zhuan)業(ye)的(de)無(wu)菌(jun)罐(guan)體(ti)法(fa)蘭(lan)和(he)石(shi)英(ying)視(shi)鏡(jing)。罐(guan)體(ti)法(fa)蘭(lan)采用(yong)316L不(bu)銹鋼，經過(guo)電解拋(pao)光，石(shi)英(ying)視(shi)鏡(jing)為(wei)15mm厚(hou)度，可以承受10公斤(jin)的(de)壓(ya)力，石英(ying)視(shi)鏡(jing)和(he)墊(dian)圈均為衛(wei)生(sheng)級設計(ji)，無菌(jun)衛生(sheng)。

   儀器廠(chang)家(jia)提(ti)供(gong)專(zhuan)業(ye)的(de)無(wu)菌(jun)衛生(sheng)罐(guan)體(ti)法(fa)蘭(lan)和(he)石(shi)英(ying)視(shi)鏡(jing)後(hou)，罐(guan)體(ti)法(fa)蘭(lan)的(de)焊(han)接(jie)由發(fa)酵(jiao)罐(guan)廠(chang)家(jia)來(lai)完成，並安裝石(shi)英(ying)視(shi)鏡(jing)，交(jiao)付使(shi)用之(zhi)前(qian)進行耐壓(ya)和(he)密封測(ce)試(shi)。

2.1.3 儀器安裝

在(zai)線近(jin)紅(hong)外儀DA200通(tong)過安裝支(zhi)架(jia)固(gu)定於(yu)發(fa)酵(jiao)罐(guan)上(shang)，透(tou)過(guo)發(fa)酵(jiao)罐(guan)上(shang)的(de)石(shi)英(ying)視(shi)鏡(jing)，非(fei)接(jie)觸(chu)式檢(jian)測發(fa)酵(jiao)罐(guan)內(nei)的(de)發(fa)酵(jiao)液(ye)成分(fen)參數(shu)，如(ru)AN、還原(yuan)糖/總糖、OD、目標(biao)產物(wu)濃(nong)度(du)等。在(zai)線近(jin)紅(hong)外分(fen)析儀DA200采用(yong)漫反射(she)測定(ding)原(yuan)理，對發(fa)酵(jiao)液(ye)成分(fen)參數(shu)進行在(zai)線檢(jian)測。在(zai)線近(jin)紅(hong)外儀非接(jie)觸(chu)式、大(da)光斑檢(jian)測發(fa)酵(jiao)液(ye)成分(fen)參數(shu)有(you)以(yi)下(xia)優點：

1)傳感(gan)器安裝、拆(chai)卸(xie)、維(wei)護簡(jian)便(bian)：在(zai)實(shi)際使(shi)用過(guo)程(cheng)中(zhong)，若儀器出現(xian)故障(zhang)，可(ke)以隨時(shi)將傳(chuan)感(gan)器(qi)拆(chai)卸(xie)下(xia)來(lai)，進行維(wei)修(xiu)或(huo)者更換(huan)，不(bu)影響(xiang)正常(chang)發(fa)酵(jiao)生(sheng)產。

2)大光(guang)斑照(zhao)射(she)，可以不受發(fa)酵(jiao)液(ye)中(zhong)氣泡(pao)的(de)影(ying)響(xiang)：對於(yu)有(you)氧(yang)發(fa)酵(jiao)，發(fa)酵(jiao)液(ye)中(zhong)持(chi)續通(tong)入(ru)的(de)氧(yang)氣會(hui)形成大(da)量的(de)氣泡(pao)，這(zhe)些(xie)氣泡(pao)會(hui)影(ying)響(xiang)在(zai)線近(jin)紅(hong)外儀對發(fa)酵(jiao)液(ye)的(de)光(guang)譜吸(xi)收(shou)。若在(zai)線近(jin)紅(hong)外分(fen)析儀為小光(guang)斑照(zhao)射(she)（如(ru)激光(guang)大(da)小的(de)光(guang)斑），發(fa)酵(jiao)液(ye)中(zhong)的(de)大(da)量氣泡(pao)會(hui)嚴(yan)重(zhong)影(ying)響(xiang)發(fa)酵(jiao)液(ye)的(de)近(jin)紅(hong)外吸(xi)收(shou)光(guang)譜(pu)，導(dao)致在(zai)線近(jin)紅(hong)外儀檢(jian)測發(fa)酵(jiao)液(ye)的(de)結(jie)果波動(dong)很(hen)大(da)，無法(fa)實(shi)現(xian)穩定(ding)、準(zhun)確(que)的(de)在(zai)線檢(jian)測。

2.2 在(zai)線近(jin)紅(hong)外分(fen)析儀DA3000（光纖插(cha)入(ru)式）

DA3000在(zai)線近(jin)紅(hong)外分(fen)析儀是天津九(jiu)光(guang)科(ke)技發(fa)展(zhan)有(you)限(xian)責(ze)任公司自主(zhu)研發(fa)的(de)針(zhen)對液(ye)體(ti)成分(fen)在(zai)線分(fen)析場(chang)景(jing)的(de)近(jin)紅(hong)外光(guang)譜(pu)儀。發(fa)酵(jiao)液(ye)多為固態、液(ye)態混合的(de)懸(xuan)濁(zhuo)體(ti)系，壹(yi)般(ban)采用(yong)漫反射(she)光纖探頭或(huo)者透(tou)反(fan)射光纖探頭。工(gong)作(zuo)原(yuan)理：在(zai)線近(jin)紅(hong)外光(guang)譜(pu)儀光源發(fa)出(chu)的(de)光(guang)經過(guo)出射光纖進入(ru)光纖探頭，照(zhao)射(she)被測樣(yang)品後(hou)經入(ru)射光(guang)纖返回到光譜(pu)儀分(fen)光系(xi)統，漫反射(she)或(huo)者透(tou)反(fan)射回來(lai)的(de)光(guang)經過(guo)光柵掃描(miao)分(fen)光後(hou)進入(ru)檢(jian)測器(qi)得到近(jin)紅(hong)外光(guang)譜(pu)，將得到的(de)光(guang)譜數(shu)據(ju)帶(dai)入(ru)模型(xing)計算(suan)，得到待測(ce)樣(yang)品指(zhi)標(biao)連(lian)續輸(shu)出(chu)顯示(shi)在(zai)儀器配套的(de)數(shu)據(ju)分(fen)析軟件界面(mian)上(shang)。

2.2.1 安裝位(wei)置(zhi)

       在(zai)線近(jin)紅(hong)外分(fen)析儀DA3000發(fa)酵(jiao)罐(guan)配套用的(de)光(guang)纖探頭，與發(fa)酵(jiao)罐(guan)的(de)常(chang)規在(zai)線PH探頭或(huo)者OD探頭直(zhi)徑(jing)尺寸相同(tong)，安裝方(fang)式相同(tong)，可(ke)以(yi)直接(jie)用(yong)發(fa)酵(jiao)罐(guan)預留的(de)PH安裝口(kou)，直(zhi)接(jie)安裝在(zai)線近(jin)紅(hong)外分(fen)析儀DA3000配套光纖探頭。

2.2.2 安裝方(fang)案

       在(zai)線近(jin)紅(hong)外分(fen)析儀DA3000主(zhu)機固(gu)定在(zai)發(fa)酵(jiao)罐(guan)周邊(bian)，通(tong)過5m-10m的(de)光(guang)纖線纜與光纖探頭連(lian)接(jie)，光(guang)纖探頭直(zhi)接(jie)插(cha)入(ru)發(fa)酵(jiao)罐(guan)中(zhong)，檢(jian)測發(fa)酵(jiao)液(ye)成分(fen)參數(shu)。

3 發(fa)酵(jiao)液(ye)成分(fen)在(zai)線檢(jian)測成(cheng)熟應用(yong)

  天津九(jiu)光(guang)科(ke)技發(fa)展(zhan)有(you)限(xian)責(ze)任公司在(zai)發(fa)酵(jiao)液(ye)成分(fen)檢(jian)測方(fang)便(bian)，積(ji)累(lei)了(le)很(hen)多應用(yong)經驗(yan)，如(ru)下(xia)表所(suo)示(shi)：