一种利用在线近红外进行丁酸发酵控制的方法与流程

本发明属于近红外光谱技术领域，具体涉及一种利用在线近红外进行丁酸发酵控制的方法。

背景技术：

生物发酵行业是我国的支柱行业之一。但是目前行业发展存在着诸多问题，如发酵过程参数检测水平低下，自动化程度不普及等。尤其在发酵过程中检测各种指标时，需要根据不同的指标使用不同的仪器进行检测，如检测ph值需要ph测定仪、检测菌浓需要分光光度计、检测葡萄糖含量需要葡萄糖测定仪、检测产酸量需要相应化学反应等，这些检测方法处理繁琐，耗费大量人力、物力和时间。

随着科技的进步和检测设备的发展，未来发酵过程分析强调实时自动监测各项关键工艺参数，统计分析数据结果并反馈控制工艺过程。

近红外光(nir)是介于紫外可见光和中红外光之间电磁波，其波长范围为780～2526nm。nir区域主要反映了中红外区域含h基团的倍频和组合频吸收。因此，这一波段非常适合有机化合物的理化参数测定。另外，nir光谱富含物质的结构信息和组成信息，所以可以用来进行定性定量分析。目前，已有文献报道近红外技术在中药、饲料、粮油、食品等行业得以应用，但其尚未在丁酸发酵中应用。

中国专利cn102023140a就公开了一种nir技术测定1-2丙二醇含量的方法，其运用近红外光谱技术测定1-2丙二醇，但测定物质不涉及生物发酵过程变化，测定成分较少；另外中国专利cn105548064a公开了一种nir技术测定抗生素发酵过程中各种营养成分和抗生素效价的方法，但该专利的方法是离线测定相关物质指标，有一定的滞后性，仍需要人工操作，不能实现发酵过程实时监测与自动化控制。

由于生物过程的复杂性、非线性和时变性，基于物理和化学传感器建立的过程检测与控制系统已不能满足实际生产的需要，很多优化模型及自动控制系统在实际生产中并没有很好地实现。原因之一就是生产过程最直接的控制参数-生物(生化)参数(包括底物、重要中间代谢物和目标产物等)快速检测或在线检测技术的缺乏，这也是整个行业面临的瓶颈技术。

随着现代工业的迅速发展，发酵行业所需要的生产设备和规模不断扩大。智能化、自动化的的生产厂家，对自动控制技术的要求越来越迫切，发酵工业质量控制强调的是对生产过程中与质量相关因素如发酵过程ph、菌液浓度、葡萄糖含量、产物浓度及其他监测参数的在线监测。因此，更加迫切需要一种更新更便捷的在线测定方法来应用到发酵行业中。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种利用在线近红外进行丁酸发酵控制的方法，利用在线近红外光谱技术，对丁酸厌氧发酵过程参数进行实时自动监测、统计与反馈，实现丁酸发酵过程的自动化控制，降低劳力成本，减少人为误差，确保批间工艺一致，产品质量可靠。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种利用在线近红外进行丁酸发酵控制的方法，包括以下步骤：(1)在微生物发酵产丁酸过程中进行连续在线检测，在检测时采用铟镓砷二极管阵列的方式，通过连续光栅全波长扫描，获取每个样品的近红外光谱，同时每4h取样并用标准方法测定每个样品的过程参数指标，获得检测数据；所述过程参数指标包括葡萄糖含量、生物量、丁酸含量；

(2)将采集得到的发酵液的光谱数据，利用计算机软件和化学计量学方法对采集到的近红外光谱数据进行多元散射校正预处理、一级导数预处理、平滑预处理或矢量归一预处理，并结合主成分分析法和偏最小二乘法计算得到近红外光谱数据与理化检测数据的拟合方程，即建立发酵液模型；利用所述模型检测所述微生物发酵过程中的参数含量和变化趋势。

优选的，步骤(1)所述微生物为丁酸梭菌；所述发酵为厌氧发酵。

优选的，步骤(1)所述近红外光谱波长范围选自950～1650nm；其光斑直径为100mm。

优选的，在步骤(2)建立所述发酵液模型后，还包括通过交叉验证相关系数、交叉验证标准方差两个指标的评价，选择交叉验证相关系数相对最大、交叉验证标准方差相对最小的模型确定为最终丁酸发酵液模型。

优选的，利用所述最终丁酸发酵液模型实现丁酸梭菌厌氧发酵产丁酸过程中代谢参数的在线测定，并根据参数变化调整补料速率，实现在线控制。

本发明提供了一种利用在线近红外进行丁酸发酵控制的方法，通过对数据的在线检测，结合实际的生产工艺状况，对生产活动进行反馈式调节，以提高底物的转化率和目标产物的含量，降低原料消耗，增加企业的经济效益。本发明利用在线近红外光谱技术，对丁酸厌氧发酵过程参数(od、葡糖糖含量、产酸量等)进行实时自动监测、统计与反馈，具有检测速度快、无损测定的优点，釆用光学检测无污染并无异物引入、不影响发酵过程，可同时测定多个理化参数等，而且其检测到的数据可以无延迟的反馈到控制系统中，可以监控整个生产过程，起到全方位的质量监控，实现丁酸发酵过程的自动化控制，同时降低劳力成本，减少人为误差，确保批间工艺一致，产品质量可靠。利用本发明所述方法，对丁酸梭菌不同发酵周期代谢指标进行检测，与品管人工检测得到的数据相当一致，可以替代人工检测。利用本发明方法，实现了丁酸梭菌厌氧发酵产丁酸过程参数的在线连续监测与调控，使丁酸产量达到50g/l以上。

附图说明

图1为品管人工检测方法和在线近红外模型预测方法对丁酸发酵过程中葡萄糖含量的检测数据；

图2为品管人工检测方法和在线近红外模型预测方法对丁酸发酵过程中丁酸含量的检测数据；

图3为品管人工检测方法和在线近红外模型预测方法对丁酸发酵过程中生物量的检测数据。

具体实施方式

本发明提供了一种利用在线近红外进行丁酸发酵控制的方法，包括以下步骤：(1)在微生物发酵产丁酸过程中进行连续在线检测；在检测时采用铟镓砷二极管阵列的方式，通过连续光栅全波长扫描，获取每个样品的近红外光谱，同时每4h取样并用标准方法测定每个样品的过程参数指标，获得检测数据；所述过程参数指标包括葡萄糖含量、生物量、丁酸含量；

(2)将采集得到的发酵液的光谱数据，利用计算机软件和化学计量学方法对采集到的近红外光谱数据进行多元散射校正预处理、一级导数预处理、平滑预处理或矢量归一预处理，并结合主成分分析法和偏最小二乘法计算得到近红外光谱数据与理化检测数据的拟合方程，即建立发酵液模型；利用所述模型检测所述微生物发酵过程中的参数含量和变化趋势。

本发明在微生物发酵产丁酸过程中进行连续在线检测，在检测时采用铟镓砷二极管阵列的方式，通过连续光栅全波长扫描，获取每个样品的近红外光谱，同时每4h取样并用标准方法测定每个样品的过程参数指标，获得检测数据；所述过程参数指标包括葡萄糖含量、生物量、丁酸含量。本发明所述微生物优选为丁酸梭菌；所述发酵优选为厌氧发酵。本发明优选对丁酸梭菌的厌氧发酵生产丁酸的过程进行连续在线检测，所述检测的指标包括生物量、葡萄糖含量、丁酸含量。

本发明优选利用波通公司da7440型在线近红外分析仪采用连续光栅全波长扫描。本发明所述近红外光谱波长范围优选选自950～1650nm；其光斑直径优选为100mm。

本发明将采集得到的发酵液的光谱数据，利用计算机软件和化学计量学方法对采集到的近红外光谱数据进行多元散射校正预处理、一级导数预处理、平滑预处理或矢量归一预处理，并结合主成分分析法和偏最小二乘法计算得到近红外光谱数据与理化检测数据的拟合方程，即建立发酵液模型；利用所述模型检测所述微生物发酵过程中的参数含量和变化趋势。本发明采集发酵液的光谱数据，优选通过化学计量学软件将光谱数据和化学分析检测数据进行回归计算，确定函数关系，然后建立近红外模型；在测定丁酸梭菌发酵过程参数时，对发酵液进行连续在线扫描，根据不同时间点发酵液的光谱数据，利用建立的近红外模型，可以计算出丁酸梭菌整个发酵过程中的参数含量及变化趋势。本发明在建立所述发酵液模型后，优选还包括通过交叉验证相关系数、交叉验证标准方差两个指标的评价，选择交叉验证相关系数相对最大、交叉验证标准方差相对最小的模型确定为最终丁酸发酵液模型。本发明利用所述最终丁酸发酵液模型实现丁酸梭菌厌氧发酵产丁酸过程中代谢参数的在线测定，并根据参数变化调整补料速率，实现在线控制。在本发明中，利用采用铟镓砷二极管阵列技术，连续光栅全波长扫描，并处理全部光谱信息，实现丁酸梭菌厌氧发酵产丁酸过程参数的在线连续监测与调控，使丁酸产量达到50g/l以上。

下面结合实施例对本发明提供的利用在线近红外进行丁酸发酵控制的方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

1)对丁酸梭菌厌氧发酵产丁酸过程中的代谢参数进行检测；

2)利用波通公司da7440型在线近红外分析仪采用连续光栅全波长扫描，在线获取每个样品的近红外光谱，并处理全部光谱信息，同时每4h取样通过本公司品管部(qc)用标准方法人工测定每个样品的过程参数指标，获得检测数据。所述过程参数指标包括生物量、葡萄糖含量、丁酸含量。近红外光谱的波长范围选自950～1650nm。

3)品管部人工检测丁酸梭菌发酵过程的参数方法如下：

生物量测定：采用分光光度计测定od600。

葡萄糖含量测定：采用葡萄糖测定仪进行测定。

丁酸含量测定：采用高效液相色谱进行测定。

4)建立近红外发酵液检测模型：具体为：利用计算机软件和化学计量学方法对采集到的近红外光谱数据进行多元散射校正预处理、一级导数预处理、平滑预处理或矢量归一预处理，并结合主成分分析法和偏最小二乘法计算得到近红外光谱数据与理化检测数据的拟合方程，即建立发酵液模型；然后，通过交叉验证相关系数、交叉验证标准方差两个指标的评价，选择交叉验证相关系数相对较大、交叉验证标准方差相对较小的模型确定为最终丁酸发酵液模型。利用该最终丁酸发酵液模型实现丁酸梭菌厌氧发酵产丁酸过程中代谢参数的在线测定，并根据参数变化调整补料速率，实现在线控制。建模数据如表1所示：

表1丁酸梭菌发酵液样品建模数据情况

(:5)采用最终丁酸发酵液模型实现丁酸梭菌厌氧发酵产丁酸过程中代谢参数的在线测定，并和品管部理化检测数据的对比验证，结果如图1～3所示，无论是丁酸含量还是葡萄糖含量和生物量，品管人工检测方法和在线近红外模型预测方法获得的数据一致，可以替代人工检测，且丁酸产量达到50g/l以上。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。