科普華東理工在線質譜儀在工業發酵過程優化與放大中的應用

1、引言

　　生物藥物、食品等工業發酵過程中，尾氣氧及尾氣二氧化碳的測定對了解發酵過程的宏觀生理代謝特性非常重要。通過對尾氣氧和二氧化碳的測定，可在線計算出細胞重要生理代謝特征參數氧消耗速率(OUR)二氧化碳生產速率(CER)和呼吸商(RQ)，進而實現對發酵過程的有效調控。長期以來工業發酵過程中排氣氧和二氧化碳測定是一直困擾發酵工藝研究的難題，尤其是發酵過程的氧濃度，其發酵進氣與排氣之間的濃度差較小(從 22%最多降低到 18%左右)，為此對檢測設備的要求較高。另一方面，工業發酵過程往往歷時 5~10 天時間周期長，因此對過程在線檢測設備的連續漂移誤差要求也較高。

　　在線質譜儀測量精度高、漂移小，可以同時測量多種發酵尾氣組分，響應快且可以多尾氣循環連續測量，是提供發酵尾氣實時信息的理想工具。為此，我們使用上海舜宇恒平科學儀器有限公司的SHP8400PMS過程氣體質譜分析儀實施發酵尾氣連續檢測，很好地解決了發酵過程尾氣在線檢測的問題，在工業生產中得以成功應用。

2、在線質譜儀的特點

　　質譜技術不僅具有較快的分析速度和廣泛的通用性，還擁有強大的定性定量分析能力，將其應用于在線分析中，具有突出優勢。

　　生物發酵生產過程，發酵的尾氣化合物信息豐富，對尾氣的及時分析和檢測直接關系到發酵的進展和產成品質量狀況。從理論上講，先進的質譜技術可實現全組分氣體分析，可對發酵尾氣中 NCO和Ar等無機氣體及多種有機氣體的種類和濃度進行同時分析和測定，且分析速度快，精度高，穩定性好。

3、在線質譜儀在工業發酵過程優化與放大中的應用

　　工業發酵過程中的尾氣往往濕度很大，而且常常攜帶有液滴、顆粒、泡沫等。同時，隨著反應進程的變化，溫度和壓力也會存在一定波動。這樣的氣體如果直接送入質譜儀，將導致測量結果準確度差并有損壞設備的危險，因此用于尾氣分析的在線質譜儀，在使用上就必須有針對性地增加氣體預處理環節。SHP8400PMS 過程氣體質譜分析儀隨機配備了在線前處理系統，具有穩壓、控溫、防塵、除液除泡沫、自動排液、緊急關閉等功能，在我們的項目應用過程中，質譜分析數據穩定、可靠。

考慮到減小發酵生產過程成本、在線質譜儀快速分析性能和 SHP8400PMS 過程氣體質譜分析儀具有的多通道連續監測功能，應用中我們將一臺質譜儀與多臺發薛罐在線連接進行循環分析，將分析結果直接輸入數據分析軟件或中心控制系統進行相關計算或實施連鎖控制，以滿足工業大規模生產的要求。圖 1為多路發酵尾氣在線檢測系統示意圖以下結合兩個工業發酵過程優化與放大中的實際應用進行討論。

　　3.1 發酵過程參數的準確性驗證

　　在與西部某企業合作項目的用抗生素發酵過程中，發現該單位的 160 噸發酵罐產品發水平低于同類廠家，企業懷疑發酵罐供氧不足導致發酵水平低下，但與此同時，又觀察到整個發酵過程中溶氧(DO)維持在較高的水平(60%以上)。

到底是設備供氧問題還是細胞代謝活性弱?為此我們在 50L小試發酵罐中進行了高、低 DO水平的實驗，實驗過程中使用SHP8400PMS 過程氣體質譜分析儀對尾氣進行檢測，通過發酵過程數據處理專用軟件 Bioradar 計算出OUR、CER 和 RQ 值，通過OURCER與 DO 的相關分析，并與160 工業發罐相關參數進行比較，證實160 噸發罐中 DO檢測值是正確的，明確了發酵過程出現的問題并不是由設備供氧問題所引起的，為后續進一步工藝優化確定了基礎。圖 2 為該項目抗生素發酵過程曲線圖。

　　3.2 補料發酵工藝的優化

　　在與浙江某企業合作項目另一獸用抗生素的發酵過程中采用棕櫚油作為碳源，生產成本高，發酵周期長，放罐后殘留在發酵液中的油又對后續提取工藝造成影響。為解決以上問題，企業嘗試用廉價的碳源替代棕櫚油。在 50L小試發酵罐研究過程中，用SHP8400PMS過程氣體質諧分析儀對尾氣氧和二氧化碳濃度等參數進行檢測，通過 Boradar 軟件計算出 OURCER 和 RQ值，通過以上參數的變化確定了替代碳源的補加時機]同時把 RQ值作為碳源補加的依據，通過補加速率的調整將 RQ 值控制在一定的范圍。最終產品效價提高 10%以上，發酵周期縮短 20%，放罐發酵液的殘油濃度也達到了要求的控制范圍。圖3為該項目抗生素發酵過程曲線圖。

　　上述兩個例子說明，利用在線質譜儀對發酵過程尾氣氧和二氧化碳濃度的精確測定，對實現發酵過程有效調控起到了非常好的作用，應該在工業發酵過程中大力推廣。在發酵過程中，單憑 DO 值不足以判斷供氧的情況，而結合 OUR 的變化，可以反映菌體對氧的臨界代謝特性，從而進行具體分析。另外，補料對于發酵產品的質量控制和成本控制，都起到重要的作用。補料前后引起的 CEROUR 與RQ 變化對實際發酵過程工藝控制具有重要的意。

4、結論

　　在線的 OUR，CER 和 RQ 對于發過程的優化具有很好的指導作用。在發酵放大過程中，參數之間的相關性分析更是離不開在線的尾氣氧、尾氣二氧化碳參數。在線質譜儀在工業發酵過程優化與放大中的應用，可實時在線監測發酵尾氣化合物的豐富信息，檢測靈敏度高，對尾氣中多組分氣體的同時檢測可在秒級的時間內完成，即使對變化較為激烈的反應過程亦能提供準確的數據，實時反映動態過程。本文通過多地、多發酵生產線的實驗，證實了在線質譜儀對實際工業發酵的作用，推廣使用在線質譜儀，對工業發酵的過程控制有重要意義。