2023第11届生物发酵产品与技术装备展览会(济南)
2023年3月30-4月1日 山东国际会展中心

【生物发酵展资讯】在线近红外分析能否承担发酵工艺自动化的重任?

温度、溶解氧和pH这3个在线参数已经成为发酵过程不可缺少的参数,主要是因为它们与这些参数的控制器形成了闭环控制,为发酵工艺自动控制打下了非常好的基础。 然后,工艺调控在解决了温度、溶解氧和pH闭环控制之后,甚至之前,最关键的调控方法是对补料的控制,包括碳源、氮源、诱导物、激活剂、前体物等。当营养介质的补加没有直接检测参数参考时,对补料的控制当前采取什么方案,以及对这些控制方案如何评价,以及有没有更好的方案?本文将进一步讨论:

营养介质的补加方案

当营养介质的补加没有直接检测参数参考时,如何控制?以下是目前几种常用的办法:

1、与生物量绑定进行补料;

2、依照时间进行补料;

3、依照pH、溶解氧的变化,特别是“反弹”,进行补料;

4、依照对OUR、CER和RQ值进行补料;

5、依照经验公式进行补料;

6、依照某些参数的预测值进行补料;

7、依照由经验规则构成的专家系统的提示进行补料。

 对以上自动补料策略进行排序的话,我本人会优选专家系统,次优选参考多个间接参数的反馈补料,其次是依照经验公式的补料,再次就是依据时间进行的补料,再次固定流速补料,最后就是依据某一个间接参数的补料。

之所以将依据某一个间接参数的补料排在最后,是因为某一个间接参数与补料没有直接的关系,一旦这一参数发生异常,将会出现不可预知的后果;

当然从工艺安全角度考虑,可以使用一些技巧进行弥补,比如一旦补料速率超过某一数据时,控制系统启用固定速率补料,还可以给补料量一个较窄的范围,但是,真不知道这个补料方式与固定流速的补料效果有多大差别?

无论哪种,当某个底物浓度可准确在线测量的时候,针对这一底物的营养介质的补料策略都会让路给反馈补料的方法。形成一个如pH、DO或温度一样值得信赖的控制方案。

近红外为什么发展快?

近红外检测仪,是近几年国内才引入发酵过程检测的一种工具,但是其发展却十分迅速,原因就在于,近红外分析方法一进入发酵,就直奔发酵目前最难控制,却也是最重要的补料工艺,希望通过提供直接参数,而使发酵工艺更容易实现自动化。

那么,近红外PAT技术能不能承担起这个重担,是否能解决补料工艺反馈控制呢?

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近红外讨论

近红外与中红外

近红外和中红外主要的区别在波段范围和光谱携带信息,这导致两者在采样方式及应用上有所区别。波段范围,按照波长的大小,红外波段可以分为三个不同的区域:近红外区(0.75~2.5μm)、中红外区(2.5~25μm)和远红外区(25~1000μm)。近红外是由分子的倍频、合频产生的;中红外属于分子的基频振动光谱;远红外属于分子的转动光谱和某些基团的振动光谱。根据波长与能量的关系,E近红外>E中红外>E远红外。

 

      近红外主要是分子的倍频、合频信息,即有机物中O-H、N-H、C-H等含氢基团的信息。其他结构信息在该波段范围内一般无特征表现。而中红外为基频信号,基本所有的有机物都会在该区域内出峰,其谱峰信息较为丰富。通过以上的描述大体可以推测:

1、  近红外区的信息量较少,但是干扰也少,信息相对容易处理,而且结果可靠性更高;中红外信息量大,与近红外相比,应用面更广;

2、近红外穿透力强,所以更适合于透反射式的检测,比如通过发酵罐的视窗来检测发酵液的成分。

但是,无论是中红外还是近红外,光谱信号与目标值之间存在复杂的非线性关系,对任何一种物质的检测,都不是一件容易的事情,这一点与溶解氧电极输出线性关系完全不同,对开发者是一个挑战,如果在技术服务跟不上时,对于使用者更是挑战,所以中红外和近红外哪个在发酵过程应用更好,受多种因素影响。

 一提到“影响”,就本能的想到人、机、料、法、环;个人觉得最大的影响因素是PAT厂家有没有完整的产品数据库、有没有强大的数学建模能力;

产品数据库存在检测指标的特征信息,如果数据库丰富,用户可以通过少量的验证便获得较小的检测误差,而且数据库可为用户提供更多的底物信息,起到事半功倍的效果;如果没有数据库,则任一个检测项目,都要经过如下的建模过程。

 

PAT公司只有具有强大的数据建模能力才可以协助用户开发新的检测指标,才可以为用户调整旧的模型,以适应菌种开发、培养基优化、发酵过程工艺优化带来的模型偏差。

//近红外分析仪是否可以给我们如pH传感器一样的信赖?

 近红外能不能提高发酵控制水平?

通过搜索期刊数据库,不难发现近红外检测仪已经在非常多的生产企业和研究机构应用,而且获得了非常好的检测精度。

而且近红外光谱分析方法具有如下优点:

1) 分析速度快。

2) 对样品无化学污染。

3) 仪器操作简单,对操作员的素质水平要求较低。

4) 测量准确度高。

5) 分析成本低。

BIO CHINA2023济南生物发酵展,将于3月30-4月1号山东国际会展中心盛大召开,目前已成为生物发酵产业一年一度行业盛会,展会将围绕,生物工程、发酵工程、细胞工程、蛋白工程、生物医药(抗生素、疫苗等)、生物饲料、生物农药、生物肥料、生物化工、食品发酵、发酵产品(氨基酸及有机酸、淀粉及淀粉糖、酵母及衍生物、酶制剂、发酵功能制品)等产业化中的新产品、新技术、新装备、新工艺为主要展示内容。

文章来源:发酵人社区微信公众号,生物发酵展周彬整理发布

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2023第十届上海国际生物发酵产品与技术装备展览会

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