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在線近紅外分析儀在線檢測發(fā)酵液成分含量

發(fā)布時間:2024/6/30 21:39:53

1 發(fā)酵過程工藝優(yōu)化控制

   發(fā)酵過程中,微生物細胞內(nèi)的代謝反應(yīng),會受到其所在環(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)酵過程的工藝優(yōu)化,指通過對微生物所處環(huán)境的控制,來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。要實現(xiàn)對菌體生產(chǎn)條件的優(yōu)化,高效、準(zhǔn)確的采集能夠反映菌體生長情況的參數(shù)并實施控制是十分必要的。

   隨著計算機技術(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)酵過程的狀態(tài)及微生物的生理特性變化,是進行過程分析和調(diào)控的基礎(chǔ)。

 對于發(fā)酵過程來講,僅僅依靠在線監(jiān)測發(fā)酵罐中的物理參數(shù)、化學(xué)參數(shù)和生物學(xué)參數(shù),還遠遠無法實現(xiàn)發(fā)酵過程的自動化控制。以維生素B12三級發(fā)酵罐為例,實際發(fā)酵過程中需要每間隔3-6h進行人工取樣,檢測發(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)稱之為成分參數(shù)。檢測這些成分參數(shù)耗時費力,且檢測頻率低,無法及時進行手動或自動調(diào)控,如及時補料以保證微生物正常代謝合成目標(biāo)產(chǎn)物。針對成分參數(shù)的在線檢測,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,在線實時準(zhǔn)確檢測,檢測結(jié)果可與工廠系統(tǒng)集成。儀器垂直照射傳送帶,進行非接觸檢測。光源照射樣品上,樣品反射光進入儀器分光系統(tǒng),固定光柵光譜儀立即得到各個波長吸收對應(yīng)的電信號(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、震動等。大于40次/秒的高速全光譜數(shù)據(jù)采集,測量速度快,靈敏度高。此外,光斑面積大(直徑100mm),適合不均勻樣品的檢測。

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,如氨基酸發(fā)酵產(chǎn)品(賴氨酸、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。可以在線實時檢測二級、三級發(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;還可以在線檢測提取車間的中間產(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;以及檢測烘干或結(jié)晶成品的水分。

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2.1.1 安裝位置

   在線近紅外分析儀DA200與在線PH計、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)部無加熱盤管,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,需要在罐體開孔,焊接罐體法蘭,并安裝石英視鏡。儀器廠家提供專業(yè)的無菌罐體法蘭和石英視鏡。罐體法蘭采用316L不銹鋼,經(jīng)過電解拋光,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)生級設(shè)計,無菌衛(wèi)生。

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

2.1.3 儀器安裝

在線近紅外儀DA200通過安裝支架固定于發(fā)酵罐上,透過發(fā)酵罐上的石英視鏡,非接觸式檢測發(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采用漫反射測定原理,對發(fā)酵液成分參數(shù)進行在線檢測。在線近紅外儀非接觸式、大光斑檢測發(fā)酵液成分參數(shù)有以下優(yōu)點:

1)傳感器安裝、拆卸、維護簡便:在實際使用過程中,若儀器出現(xiàn)故障,可以隨時將傳感器拆卸下來,進行維修或者更換,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:對于有氧發(fā)酵,發(fā)酵液中持續(xù)通入的氧氣會形成大量的氣泡,這些氣泡會影響在線近紅外儀對發(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嚴重影響發(fā)酵液的近紅外吸收光譜,導(dǎo)致在線近紅外儀檢測發(fā)酵液的結(jié)果波動很大,無法實現(xiàn)穩(wěn)定、準(zhǔn)確的在線檢測。

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)的針對液體成分在線分析場景的近紅外光譜儀。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)過出射光纖進入光纖探頭,照射被測樣品后經(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的光經(jīng)過光柵掃描分光后進入檢測器得到近紅外光譜,將得到的光譜數(shù)據(jù)帶入模型計算,得到待測樣品指標(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。

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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主機固定在發(fā)酵罐周邊,通過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,檢測發(fā)酵液成分參數(shù)。

3 發(fā)酵液成分在線檢測成熟應(yīng)用

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

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