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過程的理解和控制。
合成生物學通過設計和構建新的生物系統(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化原料，提高特定目標產物的產率，從而在工業(yè)上具有巨大的應用潛力。
基因編輯技術：
利用 CRISPR-Cas9 等基因編輯技術，科學家們可以精確調控微生物中的特定基因，增強或抑制某些代謝途徑，從而提高特定產品的產量，或是降低有害副產物的生成。
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生所需的代謝產物。這種方法不僅提高了生產效率，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)酵過程的效率和產物的質量。
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，其本質都是使用微生物來生產有用的化學品，如藥物、食品添加劑和能源等。在這一過程中，監(jiān)測各種關鍵參數，如有機酸的產生、葡萄糖的消耗，以及細胞的生長狀態(tài)是至關重要的。經典的高效液相色譜等精密儀器在分析代謝產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)測關鍵代謝物的濃度，可以實時調整培養(yǎng)條件，優(yōu)化生產過程。在線近紅外利用反應中有機物與近紅外光的相互作用，實現對多個指標的同時監(jiān)測。
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相關儀器
▲ 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構，內部無可移動部件，檢測速度快，適用于各種工業(yè)現場在線監(jiān)測。通過法蘭將其固定在發(fā)酵罐上，實現對發(fā)酵過程的實時監(jiān)控。
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實驗內容
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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結論
通過以上模型效果圖不難發(fā)現，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果，從而幫助企業(yè)及時調整工藝參數，優(yōu)化發(fā)酵過程。
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