分析技术在生物发酵过程监测中的应用

过程分析是一个高维多元的动态体系,该体系的建立及其理论研究对生物过程的模拟,预测,优化和监控起着重要作用,中间产物的检测是过程分析的关键,它为发酵机理研究提供了必不可少的依据,有利于发酵操作条件有及时调控,在研究生化反应规律、优化生产过程和提高生化产品率方面是十分必要的。     

基于实数编码遗传算法的发酵过程优化控制

针对谷氨酸发酵过程的复杂性,利用人工神经元网络建立了谷氨酸发酵过程的动态数学模型,并利用实数制编码的遗传算法,采用过程整体优化的思路,以发酵过程中糖转化为谷氨酸的转化率为优化目标对发酵过程的多个操作变量同时进行优化,得到各个操作变量的最优控制轨迹.考虑到发酵过程中流加操作的重要性,将流加操作开始和结束的时间作为控制变量进行了优化.与产酸率为优化目标的仿真结果比较表明,该方法使发酵过程转化率有很大提高,且产酸率也接近于后者的最优产酸率.     

固态培养对产紫杉醇真菌小孢拟盘多毛孢次级代谢物生成影响

激活真菌基因组中沉默基因簇,可令其产生新的次生代谢产物,改变培养条件是有效的激活方法.本文研究了固态培养方法对一株产抗癌药物紫杉醇(Taxol)真菌——小孢拟盘多毛孢(Pestalotiopsis microspora)次级代谢产物生成的影响.实验发现固体发酵能够产生2种液体发酵中没有的产物,对其中一种产物进行了高效液相色谱(HPLC)分离纯化和定量分析.该物质的最高产量达到每克培养基质0.354mg,在HPLC谱上的保留时间和紫杉醇接近,值得进一步研究其结构和生物学活性.近年来,固体发酵技术以其独特性和环保优势,再次受到重视.本实验显示固态培养能够诱导该真菌产生2种稳定的次生代谢物,比单纯液体发酵更有优势.本研究还优化了固体发酵基质、发酵时间等条件,为进一步后续研究提供参考.     

用于生物反应器多尺度问题研究的数据采集系统

本文针对生物反应器中活体细胞大规模培养过程中多尺度问题，重点讨论了有关数据采集系统的研制，其中包括参数与传感器系统配置与要求，计算机软硬件配置与设计，以及过程数据远程通讯技术等。并根据以上原理设计制造了专门用于生物反应器中多尺度问题研究的实验室FUS—50L(A)新概念发酵罐，并研制了中试与生产规模数据采集系统。本装置用于不同发酵产品的过程优化时，发现了一些过去以单尺度观点研究时容易忽略的问题，改进后的系统使发酵水平大幅度提高。     

重组VEGF-A_189发酵、纯化及鉴定

为了获得大量重组血管内皮生长因子(VEGF-A_(189))蛋白的可溶性表达,对重组VEGF-A_(189)工程菌进行发酵条件的优化并开展发酵研究.通过摇瓶培养进行可溶性发酵条件优化,在5 L发酵罐中发酵重组VEGF-A_(189)工程菌,将发酵产物经镍离子柱亲和层析纯化,并对发酵产物进行SDS-PAGE,Western Blot和ELISA等分析鉴定.结果表明,重组VEGF-A_(189)工程菌可溶性发酵条件为:37℃培养重组VEGF-A_(189)工程菌4 h,加入0.3 mmol/L的异丙基-β-D-硫代半乳糖苷(IPTG)于28℃诱导表达4 h.在5 L发酵罐中按比例放大发酵,在补料发酵3.5 h后菌体密度(A_(600nm))达到8.0,调整发酵温度到28℃,IPTG诱导4 h后的菌体密度为13.72,菌体产量为40 g/L.镍离子柱亲合层析纯化后重组VEGF-A_(189)纯度达到90%以上,回收率大于80%,Western Blot、ELISA分析结果显示,重组VEGF-A_(189)蛋白和抗VEGF抗体有良好的结合活性.结果表明经过发酵条件优化后发酵可获得有免疫结合活性的可溶性重组VEGF-A_(189)蛋白.     

赖氨酸发酵过程关键变量多模型软测量建模及其在线监控系统设计

针对目前赖氨酸生产过程中发酵产物品质参量难以实时测量,现有软测量模型精度不高、鲁棒性差的问题,提出了一种基于ISCA-LSSVR的赖氨酸发酵过程多模型软测量方法.首先,利用改进的满意聚类算法(ISCA)将样本数据集划分为c个子集;其次,利用最小二乘支持向量回归机(LSSVR)对每个子集分别构建子模型;随后,利用粒子群优化算法和退火算法协同优化模型参数;然后,加权融合各子模型输出得到最终系统输出;最终,设计了由上位机数据处理模块和下位机数据采集模块共同组成的赖氨酸发酵过程关键变量的智能实时监控系统.试验仿真结果表明,相较于传统单一LSSVR预测模型,ISCA-LSSVR模型对产物、基质、菌体质量浓度的预测精度分别提高了5.01％、3.62％和6.78％,模型泛化能力得到了较大提高.     

五味子红色素在发酵食品加工中的稳定性

以五味子红色素为研究对象,分别采用乳酸发酵、酒精发酵、醋酸发酵和果酒酿造工艺进行五味子红色素分解试验,探讨五味子红色素在发酵食品加工中的稳定性.结果表明:五味子红色素在乳酸发酵、酒精发酵、醋酸发酵过程中,红色素的分解率分别为78.36%,41.10%,18.74%,其分解率与发酵产生的乳酸质量浓度、酒精体积分数、醋酸质量浓度正相关,相关系数R2分别为0.94,0.96,0.89,而在不同酸度的五味子果酒酿造过程中,其红色素的分解率为11.05%,明显低于红色素的酒精发酵过程,其分解率与酸度负相关(R2=0.97),因此证实适当提高酸度会增加五味子红色素的稳定性.五味子红色素在发酵食品加工中的稳定性研究对进一步优化五味子发酵食品工艺具有指导意义.     

《山东科学》2018生物传感器专栏发酵工程专题征稿简则

正工业发酵过程需要对发酵底物、重要中间代谢产物和目标产物进行快速、准确的检测,以便对发酵过程进行优化和控制。为了宣传和展示我国在生物传感器领域的最新成果,提升生物传感技术在发酵工业领域应用与市场开发,结合省重点研发计划(重大关键技术)"植酸酶工程菌高密度发酵智能控制关键技术"项目,推动我国相关科研工作者的信息交流和合作,在本刊特设的"生物传感器"专栏中增加植酸酶等生物发     

基于单菌多次级代谢产物策略的深海来源放线菌Streptomycessp.SCSIO 15079化学多样性研究

采用单菌多次级代谢产物(OSMAC)策略对1株深海放线菌Streptomyces sp.SCSIO 15079进行化学多样性研究。通过在不同盐度、pH值和发酵时长条件下对菌株进行培养调控并筛选出1种适宜发酵条件,分别进行摇床和发酵罐发酵。综合运用正相硅胶柱色谱、十八烷基硅烷(Octadecyl Silance, ODS)反相柱色谱、葡聚糖凝胶柱色谱(Sephadex LH-20)、半制备高效液相色谱(HPLC)等方法,对菌株摇床与发酵罐发酵产物中具有差异的化学成分进行导向分离与纯化,根据核磁数据和文献对比进行化合物结构鉴定。研究结果表明,将Streptomyces sp.SCSIO 15079菌种接种到不添加海盐、pH值为7.2的A培养基中,于28℃、180 r/min摇床发酵7 d,可获得更丰富的代谢产物;经分离鉴定,从摇床发酵产物中得到的9个与发酵罐发酵产物不一样的化合物且均为含氮类化合物,分别为吲哚甲醛(1)、3-羟基吲哚(2)、胸腺嘧啶(3)、尿嘧啶(4)、环-(脯氨酸-苯丙氨酸)二肽(5)、环-(亮氨酸-缬氨酸)二肽(6)、环-(丙氨酸-异亮氨酸)二肽(7)、环-(丙氨酸-缬...     

酵母发酵法提高黑木耳多糖溶出率的工艺优化

对酵母发酵法提高黑木耳多糖溶出率进行了研究。利用Design Expert 8.0.6.1软件建立多元回归模拟方程,对酵母添加量、发酵温度、发酵时间和pH这4个影响黑木耳多糖溶出率的因素进行响应面优化。结果表明,酵母发酵法提高黑木耳多糖溶出率的最佳工艺条件为:酵母添加量0.75 g/L、发酵温度30℃、发酵时间16 h、pH 6.5。在此条件下,黑木耳多糖溶出率为17.65%,与预测值(17.74%)接近,验证了该回归模型的准确性和可靠性。     

发酵过程中比生长率的在线估计

提出了一种基于在线可测的二氧化碳释放率的需氧发酵过程中比生长率的在线估计方法,并且采用优化的方法进行模型中重要参数的选择.由于二氧化碳释放率容易检测,所以这种估计方法非常容易实现.在诺西肽发酵过程的应用中,利用所提出的方法得到比生长率,进而计算生物量,得出的估计值与实验值吻合得很好,表明了该估计方法的可靠性与实用性.     

红霉素发酵过程前期参数相关分析及调控

对红霉素发酵过程前期调控策略进行了研究,从宏观代谢流的变化着手,对表征细胞代谢特征的参数进行了相关分析,对发酵前期的摄氧率(OUR)、二氧化碳释放率(CER)及呼吸商(RQ)相关变化及红霉素发酵前期CER与pH的变化进行了分析,确定了合适的调控方式,在工业规模发酵罐上通过控制发酵过程前期补糖速率等措施,使发酵平均水平从原来的4500u／mL提高到了6000u／mL。     

微生物发酵过程的细胞密度在线检测与底物浓度实时控制

在许多的微生物发酵和培养过程中,控制碳源(葡萄糖)是实现过程优化的关键.但是葡萄糖等碳源电极价格昂贵,且不能在线灭菌,限制了其应用范围.基于电容法测量细胞密度可以在线灭菌,与细胞干重、OD(光密度)值等生物指标有很好的对应关系,本文实现了基于动力学模型用细胞密度检测数据对发酵底物浓度的预测控制.用遗传算法建立的微生物反应过程动力学模型对分批发酵过程有较好的模拟效果.几次发酵结果对比表明,本文的方法可有效提高目的产物的产量,对制药、食品等工业发酵具有借鉴意义.     

香菇酸豆奶发酵工艺的优化及营养成分分析

以香菇发酵滤液、豆浆和脱脂奶为原料,探讨了香菇酸豆奶的优化配方和发酵工艺.根据单因素实验,选择香菇发酵液添加量、豆浆添加比例和明胶添加量作为优化因素,以感官评分和持水力为响应值,设计响应面分析试验,确定合理的配方和生产工艺,并对产品的营养成分进行分析.结果表明,香菇酸豆奶的优化工艺参数:香菇发酵液添加量为20.15%(体积比),豆浆添加比例为3/11(体积比),脱脂奶添加比例为8/11(体积比),明胶添加量为0.17%(质量比),蔗糖添加量为6%(质量比),发酵剂添加量0.1%(质量比),42℃发酵5 h,产品酸甜爽口、营养丰富.香菇酸豆奶中的乳酸菌含量较高,持水力略高于对照酸豆奶,稳定性较好;产品中蛋白降解更充分,氨基酸含量较高,乙醛和丁二酮含量略高于对照组.     

改进差分进化算法及其在发酵优化中的应用

针对发酵过程的补料优化问题,提出一种改进的差分进化算法.为了克服基本差分进化算法在全局最优点附近搜索速度较慢、精度较低的缺点,引入单纯形加速算子以提高算法收敛速度,而针对算法易过早收敛的缺点引入混沌迁移算子,以提高算法种群多样度,增强算法跳出局部最优解的能力.对于有约束优化问题,利用3个准则进行选择操作,使求得的最优解满足约束条件.将改进的算法用于某一类补料分批发酵过程,提高了发酵最终产物产量,表明了该算法的有效性.     

放线菌降解麦糟释放阿魏酸的发酵培养条件优化

应用均匀设计法设计和二次多项式逐步回归分析,对一株放线菌降解麦糟释放反式阿魏酸的发酵培养条件进行优化.由实验得出最优发酵培养条件:发酵时间为120 h,温度为28℃,摇瓶转速为220 r.min-1,装液量为30 mL,接种量为1 mL,初始pH值为8.0.然后,优化发酵培养基的碳源和氮源配方:麦糟质量浓度为120 g.L-1,麦糟粒径为0.054 mm.在此基础上,反式阿魏酸的最高释放率为25.38%,比发酵培养工艺优化前提高152.0%,而重要的是,放线菌利用麦糟释放阿魏酸的发酵培养基中不需要另外加入酵母粉.     

基于响应曲面的低碳制造铣削工艺参数优化

为了对低碳制造铣削工艺的加工参数进行优化,降低碳排放量的同时有效保障产品质量,选取主轴转速、进给速度、铣削深度和铣削宽度作为优化变量,碳排放量、材料去除率和表面粗糙度作为响应性能指标,通过设计中心复合实验,利用Design-Expert软件建立相对应的响应分析模型,并对所建模型进行可靠性验证,研究了工艺参数间的交互作用。结果表明:在主轴转速为999. 98 r/min,进给速度为490. 51 mm/min,铣削深度为0. 30 mm,铣削宽度为49. 99 mm时,响应最优,可见对低碳制造铣削工艺的优化具有一定的参考价值。     

水稻恶苗病菌发酵赤霉素的研究

以水稻恶苗病菌（Ｇｉｂｂｅｒｅｌｌａ ｆｕｊｉｋｕｒｏｉ）“８７６３”作为出发菌株，经菌种分离纯化及发酵培养基的优化后发酵 ９ｄ，赤霉素的效价达到 ２．１９０ｇ／Ｌ，比原出发菌株提高了４．３％，获得了赤霉素的结晶。还研究了影响赤霉素发酵的多种因素，包括发酵培养基中主要原料的最佳用量，初始ｐＨ；通气量，以及添加氨基酸对产品效价的影响，对赤霉素发酵全过程的生化曲线分析表明；赤霉素合成过程中．经历了两次大量合成阶段，碳源是决定赤霉素效价高低的主要因素。     

壳聚糖酶高产菌株发酵条件的优化

优化了一株壳聚糖酶高产菌株的碳源、氮源、装瓶量、接种量和初始pH值等产酶发酵条件,并进行了正交实验。实验结果表明,最佳发酵条件为:几丁质2.5%,(NH4)2SO40.4%,酵母粉0.7%,pH值为5.5。优化后酶活由原来的454.03 U/mL提高至604.60 U/mL,提高量为优化前的33.16%。