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尾氣在線分析在發酵過程控制與優化中的應用研究——氧氣消耗速率、二氧化碳生成速率以及氧傳質系數的測量

生化過程監測一般可分為在線監測和離線測定,對在線監測進行細分可以分為直接測量參數,例如溫度、溶氧、pH等,和在線計算參數,例如OUR、CER和RQ等。在線計算參數是通過多個在線測量參數或者在線計算參數,通過一定的數學模型進行計算得到的。目前,對于OUR和CER的計算主要有兩種,動態法和擬穩態法。
1、動態法測量OUR和CER
動態法測量是通過周期性供氧,測量溶氧的變化,從而計算出OUR和kLa。目前主要用于OUR非常低水平和搖瓶等無法采集到尾氣的發酵過程監測。ACBiotec GmbH等人介紹了一種名為RAMOS的裝置,利用動態法可以測得搖瓶發酵過程中的OUR、CER和RQ。在整個發酵過程中,測量是周期性進行的。每一個測量周期都包含沖洗階段和測量階段,在測量開始前,RAMOS裝置的進口和出口閥門都是關閉的,微生物的呼吸作用會使得裝置內氧氣分壓降低,二氧化碳分壓升高。分壓變化可以被溶氧電極和壓差計捕捉到,于是,OUR、CER和RQ可以通過以下公式計算得到:



其中,ΔpO2、ΔpCO2為過程中氧分壓和二氧化碳分壓變化,Δt為整個過程用的時間,VG表示搖瓶體積,R為氣體常數,T為體系溫度,VL為搖瓶裝液量。

RAMOS裝置(a)和OUR動態測量示意圖(b)


每一次測量以后,RAMOS裝置的閥門會被重新打開,在下一次測量之前會都會用已知組分的氣體校準電極。
2、動態法測量kLa
S.J. Arjunwadkar等人提到了動態法測定kLa,其基本方法是首先通過通入氮氣或其他惰性氣體將發酵液中氧氣排出,當溶氧下降到零以后向發酵液中通入壓縮空氣,并開始記錄溶氧的變化。根據公式可以計算出kLa的值。

其中,C*是與氣相平衡的液相氧濃度;C為當前氧濃度。在試驗中,一般溶氧電極會有一定響應時間,應當采用響應時間的修正模型進行修正。一種比較簡單有效的方法是采用一級動力學方程:

其中,Cme是溶氧電極實測的溶氧濃度,CL是實際溶氧濃度, r是電極的95%響應時間。
3、擬穩態測量OUR和CER
擬穩態測量是我們實驗室目前正在采用的方法,其原理基于一個重要的假設:溶氧在較短短時間內沒有發生變化,并且忽略罐體上方氣體組分變化。
在一個密閉的容器里,我們對發酵液中溶解氧進行物質守恒計算:
其中為發酵液中溶氧濃度變化率。
根據我們開始的假設也就是OTR=OUR,即供氧就等于耗氧。OTR可以通過進氣和尾氣中氧分壓比和流量來進行計算:

其中, 表示Fin進氣流量,Fout表示尾氣流量,yo2,in表示進氣氧分壓比,yo2,out表示尾氣氧分壓比,V表示發酵液體積或質量。除了Fout,其他參數都可以分別由流量計、過程質譜儀和罐重傳感器獲得。Fout可以根據氮氣平衡進行計算:
我們可以得到OTR的計算公式:

同樣的方式可以得到CER的計算公式:

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