在线近红外分析仪在线检测发酵液成分含量

1 发酵过程工艺优化控制

   发酵过程中，微生物细胞内的代谢反应，会受到其所在环境的重大影响，比如培养基的组成、PH、温度和供氧能力等。发酵过程的工艺优化，指通过对微生物所处环境的控制，来影响其代谢从而和成更多的目标产物。

   发酵工艺控制技术是工业生产过程中的重要部分，工艺条件的控制是以菌体的生理代谢特性为基础，通过调节物理量参数和化学参数等环境条件，研究微生物的代谢情况，从而找到最适宜菌体发挥其生产能力的条件。要实现对菌体生产条件的优化，高效、准确的采集能够反映菌体生长情况的参数并实施控制是十分必要的。

   随着计算机技术及传感器技术的快速发展，各种有关生物反应过程的状态参数能够被采集，这些参数包括：1）物理参数：温度、压力、体积、空气流量和搅拌转速等；2）化学参数：PH、溶氧（DO）、氧化还原电位（ORP）、发酵液中溶解CO₂、发酵尾气中O₂和CO₂组分等；3）生物学参数：活细胞浓度、菌体形态、氧消耗速率（OUR）和CO₂释放速率（CER）等。这些参数能够反映发酵过程的状态及微生物的生理特性变化，是进行过程分析和调控的基础。

 对于发酵过程来讲，仅仅依靠在线监测发酵罐中的物理参数、化学参数和生物学参数，还远远无法实现发酵过程的自动化控制。以维生素B₁₂三级发酵罐为例，实际发酵过程中需要每间隔3-6h进行人工取样，检测发酵液中的AN（氨氮）含量、总糖、甜菜碱、单位（微生物B₁₂含量），我们将这些参数称之为成分参数。检测这些成分参数耗时费力，且检测频率低，无法及时进行手动或自动调控，如及时补料以保证微生物正常代谢合成目标产物。针对成分参数的在线检测，目前可行且应用成熟的技术为近红外光谱分析技术。

2 安装技术方案

2.1 在线近红外分析仪DA200（非接触）

DA200在线近红外分析仪是天津九光科技发展有限责任公司独立研发制造的二极管阵列在线近红外分析仪，采用铟镓砷二极管阵列技术，连续光栅全光谱扫描，并行处理所有光谱信息，在线实时准确检测，检测结果可与工厂系统集成。仪器垂直照射传送带，进行非接触检测。光源照射样品上，样品反射光进入仪器分光系统，固定光栅光谱仪立即得到各个波长吸收对应的电信号（即光谱），将光谱传输给电脑。

DA200具有稳定的光学系统，适合恶劣、复杂的生产环境如粉尘、震动等。大于40次/秒的高速全光谱数据采集，测量速度快，灵敏度高。此外，光斑面积大（直径100mm），适合不均匀样品的检测。

DA200在线近红外分析仪可以用于各种生物发酵产品的在线成分检测，如氨基酸发酵产品（赖氨酸、苏氨酸、色氨酸等）、维生素发酵（VC、VB2、VB12）；抗生素发酵（丁酸、抗菌肽等）、酵母菌、乳酸发酵等。可以在线实时检测二级、三级发酵罐中的AN、OD、总糖/还原糖、前体物质、发酵产物浓度等；还可以在线检测提取车间的中间产物如膜后清液、菌渣中的发酵产物含量和干物质含量；以及检测烘干或结晶成品的水分。

2.1.1 安装位置

   在线近红外分析仪DA200与在线PH计、在线溶氧传感器相同的安装位置高度。该位置高度，发酵罐内部无加热盘管，且能保证有物料。

2.1.2罐体法兰安装

   确定好安装位置高度后，需要在罐体开孔，焊接罐体法兰，并安装石英视镜。仪器厂家提供专业的无菌罐体法兰和石英视镜。罐体法兰采用316L不锈钢，经过电解抛光，石英视镜为15mm厚度，可以承受10公斤的压力，石英视镜和垫圈均为卫生级设计，无菌卫生。

   仪器厂家提供专业的无菌卫生罐体法兰和石英视镜后，罐体法兰的焊接由发酵罐厂家来完成，并安装石英视镜，交付使用之前进行耐压和密封测试。

2.1.3 仪器安装

在线近红外仪DA200通过安装支架固定于发酵罐上，透过发酵罐上的石英视镜，非接触式检测发酵罐内的发酵液成分参数，如AN、还原糖/总糖、OD、目标产物浓度等。在线近红外分析仪DA200采用漫反射测定原理，对发酵液成分参数进行在线检测。在线近红外仪非接触式、大光斑检测发酵液成分参数有以下优点：

1)传感器安装、拆卸、维护简便：在实际使用过程中，若仪器出现故障，可以随时将传感器拆卸下来，进行维修或者更换，不影响正常发酵生产。

2)大光斑照射，可以不受发酵液中气泡的影响：对于有氧发酵，发酵液中持续通入的氧气会形成大量的气泡，这些气泡会影响在线近红外仪对发酵液的光谱吸收。若在线近红外分析仪为小光斑照射（如激光大小的光斑），发酵液中的大量气泡会严重影响发酵液的近红外吸收光谱，导致在线近红外仪检测发酵液的结果波动很大，无法实现稳定、准确的在线检测。

2.2 在线近红外分析仪DA3000（光纤插入式）

DA3000在线近红外分析仪是天津九光科技发展有限责任公司自主研发的针对液体成分在线分析场景的近红外光谱仪。发酵液多为固态、液态混合的悬浊体系，一般采用漫反射光纤探头或者透反射光纤探头。工作原理：在线近红外光谱仪光源发出的光经过出射光纤进入光纤探头，照射被测样品后经入射光纤返回到光谱仪分光系统，漫反射或者透反射回来的光经过光栅扫描分光后进入检测器得到近红外光谱，将得到的光谱数据带入模型计算，得到待测样品指标连续输出显示在仪器配套的数据分析软件界面上。

2.2.1 安装位置

       在线近红外分析仪DA3000发酵罐配套用的光纤探头，与发酵罐的常规在线PH探头或者OD探头直径尺寸相同，安装方式相同，可以直接用发酵罐预留的PH安装口，直接安装在线近红外分析仪DA3000配套光纤探头。

2.2.2 安装方案

       在线近红外分析仪DA3000主机固定在发酵罐周边，通过5m-10m的光纤线缆与光纤探头连接，光纤探头直接插入发酵罐中，检测发酵液成分参数。

3 发酵液成分在线检测成熟应用

  天津九光科技发展有限责任公司在发酵液成分检测方便，积累了很多应用经验，如下表所示：