平行生物反應(yīng)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(jìn)行高密度發(fā)酵培養(yǎng)時(shí)，常出現(xiàn)泡沫異常甚至溢液的情況。為解決這一問題，同時(shí)提升酶活力和產(chǎn)物量，實(shí)驗(yàn)人員從培養(yǎng)基成分、補(bǔ)料策略等方向?qū)ζ浒l(fā)酵工藝進(jìn)行優(yōu)化。

通過使用粗小麥麩皮以及對(duì)補(bǔ)料策略進(jìn)行調(diào)整，解決了泡沫異常問題的同時(shí)保持菌體的快速生長繁殖。實(shí)驗(yàn)同時(shí)驗(yàn)證了不同種子來源對(duì)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(bǔ)料的組合促進(jìn)了微生物生長，在 145 h時(shí)達(dá)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(shí)間序列補(bǔ)料策略的組合促進(jìn)了纖維素酶的積累。在145h時(shí)，酶活力達(dá)到60.096 U/mL。

圖1 優(yōu)化里氏木霉發(fā)酵工藝實(shí)驗(yàn)實(shí)拍圖

實(shí)驗(yàn)方法及結(jié)果
首先在Intelli-Ferm mini 5L平行生物反應(yīng)器進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)結(jié)果調(diào)整補(bǔ)料策略和培養(yǎng)基配方。之后在4聯(lián)CloudReady 1.5L云平臺(tái)生物反應(yīng)器進(jìn)行兩批次正式實(shí)驗(yàn)（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(bǔ)料速度及使用粗小麥麩皮，均可以降低里氏木霉表達(dá)蛋白時(shí)的起泡量，防止泡沫異常、溢液現(xiàn)象產(chǎn)生。同時(shí)，發(fā)酵過程補(bǔ)料智能控制對(duì)活力和生物量的提升均有幫助。

補(bǔ)料策略的設(shè)計(jì)和選擇
本次工藝優(yōu)化的關(guān)鍵在于補(bǔ)料策略的設(shè)計(jì)和選擇
補(bǔ)料策略觸發(fā)條件的設(shè)置
使用D2MS Pro軟件的高級(jí)過程控制（Advanced process control，APC），對(duì)本次實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)料策略的觸發(fā)進(jìn)行設(shè)置。

補(bǔ)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(shè)定值改為20%、開啟補(bǔ)料、pH值關(guān)聯(lián)酸泵。

不同補(bǔ)料策略的設(shè)計(jì)和選擇
本次共設(shè)計(jì)三種補(bǔ)料策略（圖3、圖4），分別是時(shí)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(duì)補(bǔ)料速度進(jìn)行調(diào)控。

圖3 補(bǔ)料策略設(shè)置（A：預(yù)實(shí)驗(yàn)Intelli-Ferm mini 5L罐的時(shí)間序列補(bǔ)料；B：正式實(shí)驗(yàn)CloudReady 1.5L罐的時(shí)間序列1補(bǔ)料；C：CloudReady 1.5L罐的時(shí)間序列2補(bǔ)料；D：正式實(shí)驗(yàn)CloudReady 1.5L罐關(guān)聯(lián)DO PV值補(bǔ)料）

圖4 UDF設(shè)計(jì)補(bǔ)料策略

數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的發(fā)酵工藝優(yōu)化
本次實(shí)驗(yàn)使用D2MS Pro設(shè)備和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，通過軟件內(nèi)置高級(jí)過程控制（Advanced process control，APC）和用戶自定義功能（UDF，User-Defined Functions），實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化智能補(bǔ)料。

APC是一種采用先進(jìn)控制策略和技術(shù)對(duì)生物工藝過程進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)的控制方法。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析工藝過程的關(guān)鍵參數(shù)，預(yù)測(cè)未來過程變量的發(fā)展趨勢(shì)，并基于此提供精確的控制策略。這種動(dòng)態(tài)控制方法能夠根據(jù)實(shí)際情況自動(dòng)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(shè)置自己的控制邏輯，通過設(shè)定條件與計(jì)時(shí)器，實(shí)現(xiàn)更精細(xì)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(dú)特需求。UDF可以用于實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新的補(bǔ)料控制策略，如基于代謝速率動(dòng)態(tài)調(diào)整補(bǔ)料速率，或根據(jù)多個(gè)參數(shù)的綜合反饋進(jìn)行智能補(bǔ)料決策。

未來，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)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(jìng)爭力，推動(dòng)更多生物產(chǎn)品從實(shí)驗(yàn)室走向市場(chǎng)。迪必爾也將為用戶帶來更多自動(dòng)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(xué)雜志，原文鏈接https://doi.org/10.13200/j.cnki.cjb.004512
原文作者：應(yīng)用技術(shù)與工程研究中心 管志欣