[发明专利]一种基于近红外实时检测发酵过程参数的方法

说明书

本发明公开了一种基于近红外实时检测发酵过程参数的方法，包括：在线采集菌种的发酵液，利用非接触式近红外光谱平台获得发酵液图谱，分析发酵液中各个组分的含量。本发明基于近红外光谱技术原位实时检测发酵过程参数，分别建立酵母、霉菌(黑曲霉)和细菌(拟干酪乳杆菌)三种不同微生物系统发酵过程参数的近红外光谱检测模型。通过验证发现，近红外光谱模型能够实现对发酵过程参数实现实时、快速在线检测，具有很好的预测精度与可靠性。近一步说明，近红外光谱在不同类型物质，不同发酵体系中具有良好的稳定性和可行性，以便于在后续发酵优化过程中实现在线实时控制。

技术领域

本发明属于发酵工程及代谢工程技术领域，具体涉及一种基于近红外实时检测发酵过程参数的方法。

背景技术

在工业微生物发酵中，发酵调控技术是重要的组成部分，通过调控胞外的理化参数等条件变化，从而深入了解微生物细胞的代谢状态，是后续发酵工艺的改良，提高微生物产量及得率的基础。微生物生理状态的变化是发酵过程多参数相关性分析的基础，从宏观代谢参数的变化可以反映细胞内基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学的变化，因此发酵过程参数检测是指导发酵优化调控的基础。发酵过程是动态变化的，及时获取发酵过程参数检测，有助于及时掌握菌株的生长代谢状态，因此实现实时在线传感设备具有重要的意义。

近红外光谱(Near-infrared Spectroscopy，NIR)属于分子振动光谱，是基频分子振动的倍频和组合频。主要含氢基团X-H键(X为C、O、N、S等)的特征信息。美国试验和材料协会(ASTM)规定近红外波长范围为700nm至 2500nm。近红外光谱技术具有对不同物质组分的敏感性良好、非侵入检测、快速准确、低成本等优点，近年来除了医药、食品、石化等行业，也越来越多地用于发酵过程参数的检测。近红外光谱技术主要包含近红外设备、化学计量软件和近红外模型三者的有机结合。近红外光谱技术是依据样品中化学成分产生的光谱吸收峰位置和强度而进行的定量分析，其中关键技术在于将光谱信息与样品组分两者之间建立一种定量的函数关系。而近红外光谱技术具有实时在线检测发酵过程参数，为发酵过程优化提供数据基础。

近红外在发酵检测中的应用较早，对近红外在生物过程中的检测应用，按照采样方式分为三种：离线(off-line)、近线(at-line)和在线(on-line)，其中在线还根据近红外探头是否与发酵液直接接触分为ex-sit(非原位)和in-situ (原位)。近年来近红外光谱在线分析并结合化学计量学建模的方法逐渐成为热点。相比之下，在线检测能够实现对发酵过程的实时监测，并且非原位检测对于近红外设备探头要求较低，不需要经过高温高压灭菌，对于发酵液对其影响较小。运用近红外光谱技术实时监测透明质酸发酵过程参数，利用偏最小二乘回归法建立定量分析模型，可以运用到其他重组菌株发酵生产透明质酸中。通过分析近红外在细胞生长和发酵过程中的应用，发现生物反应器中结构差异 (搅拌桨、挡板等)会引起发酵液中气泡大小及分布不均；而菌株的形态、底物和产物都会影响发酵液的流变特性(粘度、颜色等)，进而影响光谱吸收。

实时在线检测技术在发酵过程中具有重要的作用，发酵过程具有复杂性、不确定性等特点，对发酵调控作用有限，而发酵调控需要对发酵过程实时掌控。实时参数检测能够使发酵调控更加精确。而目前的传感器检测参数较为单一 (pH，DO等)，无法实现多参数同时检测，需要开发一种能够实现在线多参数实时检测的平台，为发酵调控提供数据支持。

发明内容

本发明的目的是实现实时在线检测发酵过程参数，简化数据检测过程，有利于加强发酵过程的调控，验证近红外光谱技术在复杂的发酵环境中能够得到使用，其具有良好的稳定性和适用性。