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01
发酵行业在线检测现状
在发酵工业中，发酵液的碳源（葡萄糖，甲醇、甘油等）浓度，氮源（硫酸胺、氨水等）浓度直接影响到发酵产物产率与质量，因此发酵液中实时在线检测还原糖、氨氮、总氮、甲醇、乙醇、甘油、乳酸、目标产物等是非常重要的。但是发酵设备需要承受高温高压，并要避免发酵液染菌，因此传统的生物传感器很难实现在线检测，但近年来近红外光谱无损检测给发酵在线检测带来了曙光。
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02
氨基酸发酵&在线检测监控补料
氨基酸作为人体所必需的物质之一，有其特定的生理功能与作用。广泛地应用于食品、医药与卫生等行业。目前为止，氨基酸的生产方法主要有微生物转化法、酶法和微生物发酵法。其中微生物发酵法由于具有材料来源广泛，价格低廉等优势而得到大规模的工业化应用。微生物发酵法的研究主要集中在菌种改造以及发酵过程控制优化方面。其中发酵过程控制又主要包括培养基的调整与过程的补料控制以及发酵工艺的优化。截至目前，通过菌种改造与发酵过程控制优化 等手段 ，L-色氨酸的产量可以达到54.5g/L。在发酵过程中，由于细胞的衰老与死亡以及细胞活力的下降，乙酸在发酵过程中不断地积累，乙酸的积累主要原因为发酵过程葡萄糖的流加过多、溶氧过低等原因造成，乙酸积累的过多抑制菌体生长和氨基酸的生成。为了最大效益的提高氨基酸的产量，减少乙酸的生成量可以采用在线检测监控补料发酵。控制合适的补糖速率进行发酵。
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在线近红外可以实时在线检测发酵液中的活细胞数和葡萄糖含量，氨基酸含量，发酵过程根据活细胞监测数据进行葡萄糖的流加， 控制补糖速率，维持溶氧在 20-30%，发酵中后期，根据活细胞数量严格限制糖的加入速率。实时检测发酵过程中的活细胞数量，控制糖的流加量。所得的菌体生物量浓度氨基酸的产量如图所示。氨基酸是细胞的初级代谢产物，其产量高低与菌体浓度有着密切关系。在发酵前期菌体处于代谢旺盛生长阶段， 细胞摄入的糖不仅用于增加细胞数量，而且用于细胞内部各种代谢的进行。伴随菌体生产比率，同时按照同比率提高补糖量，中后期严格依据相应的活细胞数据控制糖的加入速率，可以有效地提高菌体生物量浓度，进一步的提高 氨基酸的产量。如图所示，在发酵前 20h 采用在线监控补料发酵与常规发酵相比，菌体生物量与氨基酸的产量相差不大。但是随着发酵时间的延续，以及发酵罐中的代谢副产物和抑制性副产物的积累， 活细胞数量逐渐下降， 一部分细胞由于生长环境的不适逐渐的趋于衰老或死亡，PF 值在中后期 20h 后也逐渐的趋于下降。采用近红外监控补料发酵，在发酵中后期，根据发酵罐中的活细胞数量进行补料发酵，可以避免糖补加过多造成乙酸的大量积累。糖补加过多，会使细胞产生乙酸。发酵罐中乙酸的含量达到5g/L 会抑制细胞生长和生成目的产物。采用活细胞在线监控补料发酵，产酸量提高了 9.62%。
03
结论
在发酵过程中使用九光科技在线近红外检测活细胞的数量，葡萄糖含量等参数，进而确定适宜的补糖量。不仅避免了糖的加入量过多造成的能量过剩与乙酸积累的问题，而且避免了糖的加入量不足导致的产酸下降的问题，更加高效的提高了糖的利用率，糖酸转化率也得到一定的提高。
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