在線近紅外
監(jiān)測生物發(fā)酵過程
近紅外應用
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簡介
合成生物學作為一門新興的前沿科學，正在不斷推動傳統(tǒng)工業(yè)和生物技術(shù)的邊界。特別是在發(fā)酵工程領域，合成生物學不僅為我們提供了改造微生物的新工具，還深刻影響了我們對生物生產(chǎn)過程的理解和控制。
合成生物學通過設計和構(gòu)建新的生物系統(tǒng)和生物部件，為微生物的改造和優(yōu)化提供了強有力的工具。這些優(yōu)化的微生物可以更高效地轉(zhuǎn)化原料，提高特定目標產(chǎn)物的產(chǎn)率，從而在工業(yè)上具有巨大的應用潛力。
基因編輯技術(shù)：
利用 CRISPR-Cas9 等基因編輯技術(shù)，科學家們可以精確調(diào)控微生物中的特定基因，增強或抑制某些代謝途徑，從而提高特定產(chǎn)品的產(chǎn)量，或是降低有害副產(chǎn)物的生成。
代謝工程：
通過代謝工程，可以重新設計微生物的代謝路徑，使其能夠高效利用各種原料并產(chǎn)生所需的代謝產(chǎn)物。這種方法不僅提高了生產(chǎn)效率，還可以幫助開發(fā)新的生物制品。
微生物共培養(yǎng)系統(tǒng)：
合成生物學還可以用來構(gòu)建微生物共培養(yǎng)系統(tǒng)，其中不同的微生物株可以相互補充，優(yōu)化整個發(fā)酵過程的效率和產(chǎn)物的質(zhì)量。
無論是傳統(tǒng)發(fā)酵工程還是借助合成生物學開展的新型發(fā)酵，其本質(zhì)都是使用微生物來生產(chǎn)有用的化學品，如藥物、食品添加劑和能源等。在這一過程中，監(jiān)測各種關(guān)鍵參數(shù)，如有機酸的產(chǎn)生、葡萄糖的消耗，以及細胞的生長狀態(tài)是至關(guān)重要的。經(jīng)典的高效液相色譜等精密儀器在分析代謝產(chǎn)物方面顯示出非常高的準確性。但受制于檢測速度，無法及時掌握發(fā)酵過程中微生物的狀態(tài)。因此利用生物傳感器實時監(jiān)測關(guān)鍵代謝物的濃度，可以實時調(diào)整培養(yǎng)條件，優(yōu)化生產(chǎn)過程。在線近紅外利用反應中有機物與近紅外光的相互作用，實現(xiàn)對多個指標的同時監(jiān)測。
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相關(guān)儀器
▲ BUCHI 在線近紅外主機
BUCHI NIR-Online® 在線近紅外光譜儀主機探頭為固定光柵結(jié)構(gòu)，內(nèi)部無可移動部件，檢測速度快，適用于各種工業(yè)現(xiàn)場在線監(jiān)測。通過法蘭將其固定在發(fā)酵罐上，實現(xiàn)對發(fā)酵過程的實時監(jiān)控。
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實驗內(nèi)容
收集兩批生物發(fā)酵反應時樣品中的多種有機酸、葡萄糖、pH 及 OD 值含量，每批實驗在固定時間間隔取樣測量，結(jié)合取樣時的近紅外光譜建立相應模型，其化學值與近紅外預測值的分布圖如下：
▲ 甲酸參考值與預測值分布圖
▲ 丁二酸參考值與預測值分布圖
▲ 乙酸參考值與預測值分布圖
▲ 葡萄糖參考值與預測值分布圖
▲ 乳酸參考值與預測值分布圖
▲ pH 參考值與預測值分布圖
▲ OD 參考值與預測值分布圖
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結(jié)論
通過以上模型效果圖不難發(fā)現(xiàn)，在線近紅外對于發(fā)酵過程中的多種有機酸以及葡萄糖、pH 和能夠反應微生物密度的 OD 值等多個指標都有較好的線性關(guān)系，說明 BUCHI 在線近紅外能夠在生物發(fā)酵過程中實時反映多種指標的結(jié)果，從而幫助企業(yè)及時調(diào)整工藝參數(shù)，優(yōu)化發(fā)酵過程。
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