在線近紅外分析儀在線檢測發(fā)酵液成分含量

1 發(fā)酵過程工藝優(yōu)化控制

   發(fā)酵過程中，微生物細胞內的代謝反應，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產物。

   發(fā)酵工藝控制技術是工業(yè)生產過程中的重要部分，工藝條件的控制是以菌體的生理代謝特性為基礎，通過調節(jié)物理量參數(shù)和化學參數(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)揮其生產能力的條件。要實現(xiàn)對菌體生產條件的優(yōu)化，高效、準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。

   隨著計算機技術及傳感器技術的快速發(fā)展，各種有關生物反應過程的狀態(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、空氣流量和攪拌轉速等；2）化學參數(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控的基礎。

 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)、化學參數(shù)和生物學參數(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控，如及時補料以保證微生物正常代謝合成目標產物。針對成分參數(shù)的在線檢測，目前可行且應用成熟的技術為近紅外光譜分析技術。

2 安裝技術方案

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，連續(xù)光柵全光譜掃描，并行處理所有光譜信息，在線實時準確檢測，檢測結果可與工廠系統(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的電信號（即光譜），將光譜傳輸給電腦。

DA200具有穩(wěn)定的光學系統(tǒng)，適合惡劣、復雜的生產環(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)酵產品的在線成分檢測，如氨基酸發(fā)酵產品（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、發(fā)酵產物濃度等；還可以在線檢測提取車間的中間產物如膜后清液、菌渣中的發(fā)酵產物含量和干物質含量；以及檢測烘干或結晶成品的水分。

2.1.1 安裝位置

   在線近紅外分析儀DA200與在線PH計、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)酵罐內的發(fā)酵液成分參數(shù)，如AN、還原糖/總糖、OD、目標產物濃度等。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。

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，導致在線近紅外儀檢測發(fā)酵液的結果波動很大，無法實現(xiàn)穩(wěn)定、準確的在線檢測。

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)出的光經過出射光纖進入光纖探頭，照射被測樣品后經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用

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