平行生物反應器助力里氏木霉發(fā)酵工藝優(yōu)化、產(chǎn)量提升及泡沫異常處理

摘要
里氏木霉在進行高密度發(fā)酵培養(yǎng)時，常出現(xiàn)泡沫異常甚至溢液的情況。為解決這一問題，同時提升酶活力和產(chǎn)物量，實驗人員從培養(yǎng)基成分、補料策略等方向?qū)ζ浒l(fā)酵工藝進行優(yōu)化。

通過使用粗小麥麩皮以及對補料策略進行調(diào)整，解決了泡沫異常問題的同時保持菌體的快速生長繁殖。實驗同時驗證了不同種子來源對于結(jié)果的影響。

最終，添加粗小麥麩皮、搖瓶來源種子、采用UDF用戶自定義功能補料的組合促進了微生物生長，在 145 h時達到最大生物量（442.9 g/L）。而添加粗小麥麩皮、搖瓶來源種子、采用時間序列補料策略的組合促進了纖維素酶的積累。在145h時，酶活力達到60.096 U/mL。

圖1 優(yōu)化里氏木霉發(fā)酵工藝實驗實拍圖

實驗方法及結(jié)果
首先在Intelli-Ferm mini 5L平行生物反應器進行預實驗，并根據(jù)結(jié)果調(diào)整補料策略和培養(yǎng)基配方。之后在4聯(lián)CloudReady 1.5L云平臺生物反應器進行兩批次正式實驗（圖2）。

表1 CloudReady兩批次工藝控制條件

圖2 兩批次結(jié)果數(shù)據(jù)圖

結(jié)果顯示，調(diào)控補料速度及使用粗小麥麩皮，均可以降低里氏木霉表達蛋白時的起泡量，防止泡沫異常、溢液現(xiàn)象產(chǎn)生。同時，發(fā)酵過程補料智能控制對活力和生物量的提升均有幫助。

補料策略的設計和選擇
本次工藝優(yōu)化的關(guān)鍵在于補料策略的設計和選擇
補料策略觸發(fā)條件的設置
使用D2MS Pro軟件的高級過程控制（Advanced process control，APC），對本次實驗的補料策略的觸發(fā)進行設置。

補料觸發(fā)條件為：
DO先下降至35%，后回升至40%，或者，pH回升至4.7。

執(zhí)行的控制器：
DO設定值改為20%、開啟補料、pH值關(guān)聯(lián)酸泵。

不同補料策略的設計和選擇
本次共設計三種補料策略（圖3、圖4），分別是時間序列（圖3 BC）、關(guān)聯(lián)DO PV值（圖3 D）和通過用戶自定義功能（UDF，User-Defined Functions）（圖4）對補料速度進行調(diào)控。

圖3 補料策略設置（A：預實驗Intelli-Ferm mini 5L罐的時間序列補料；B：正式實驗CloudReady 1.5L罐的時間序列1補料；C：CloudReady 1.5L罐的時間序列2補料；D：正式實驗CloudReady 1.5L罐關(guān)聯(lián)DO PV值補料）

圖4 UDF設計補料策略

數(shù)據(jù)驅(qū)動的發(fā)酵工藝優(yōu)化
本次實驗使用D2MS Pro設備和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，通過軟件內(nèi)置高級過程控制（Advanced process control，APC）和用戶自定義功能（UDF，User-Defined Functions），實現(xiàn)自動化智能補料。

APC是一種采用先進控制策略和技術(shù)對生物工藝過程進行優(yōu)化和改進的控制方法。通過實時監(jiān)測和分析工藝過程的關(guān)鍵參數(shù)，預測未來過程變量的發(fā)展趨勢，并基于此提供精確的控制策略。這種動態(tài)控制方法能夠根據(jù)實際情況自動調(diào)整控制策略，顯著提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)量。

UDF允許用戶設置自己的控制邏輯，通過設定條件與計時器，實現(xiàn)更精細的生物過程控制。這種靈活性使得UDF能夠滿足特定工藝的獨特需求。UDF可以用于實現(xiàn)創(chuàng)新的補料控制策略，如基于代謝速率動態(tài)調(diào)整補料速率，或根據(jù)多個參數(shù)的綜合反饋進行智能補料決策。

未來，數(shù)據(jù)驅(qū)動將成為生物制造領(lǐng)域 “降本增效、突破產(chǎn)業(yè)化瓶頸” 的核心競爭力，推動更多生物產(chǎn)品從實驗室走向市場。迪必爾也將為用戶帶來更多自動化智能化的工藝解決方案。

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原文已發(fā)表在中國生物制品學雜志，原文鏈接https://doi.org/10.13200/j.cnki.cjb.004512
原文作者：應用技術(shù)與工程研究中心 管志欣