[发明专利]一种在线监测及优化黑曲霉发酵生产葡萄糖酸钠的方法

说明书

本发明涉及一种在线监测及优化黑曲霉发酵生产葡萄糖酸钠的方法。为了实时、高效地了解黑曲霉发酵过程中原料及产物的变化动态，本发明人将中红外光谱仪应用于进行实时检测，通过优化建模，分析发酵液中葡萄糖以及葡萄糖酸钠含量。并且，基于实时检测结果，本发明人还优化了葡萄糖酸钠的生产过程。

技术领域

本发明属于生物反应过程监测及优化领域，更具体地，本发明涉及一种在线监测及优化黑曲霉发酵生产葡萄糖酸钠的方法。

背景技术

葡萄糖酸钠是一种稳定性好、无毒、无腐蚀性的有机酸盐，广泛应用于医药、食品、化工、轻工业等。葡萄糖酸钠在工业上主要由黑曲霉发酵获得。黑曲霉将底物葡萄糖通过葡萄糖氧化酶(GOD)转化为葡萄糖酸-δ-内酯，进而水解为葡萄糖酸，再与中和剂NaOH反应，生成葡萄糖酸钠。黑曲霉合成GOD并成为其载体，且该反应具有酶高效催化反应的特点。因而发酵过程中底物葡萄糖及产物葡萄糖酸钠的浓度变化迅速，现有的离线测量方法耗时费力，不能实时观察其变化，影响对发酵过程的判断。快速、实时在线监控底物与产物浓度变化成为提高反应速率进而提高得率的关键。

中红外(Mid-Infrared，MIR)光谱法是一种新型快速、无污染、无破坏、无需样品预处理的绿色分析技术。其图谱的区域(4000-400cm^-1)，特别是在指纹区域，物质分子的官能团会产生特有的吸收峰，不仅可以鉴别物质的复杂结构，还可以对物质进行定量分析。衰减全反射(Attenuated Total Reflection，ATR)探头的使用，可以抵消掉MIR对水的强吸收，并解决其穿透力较弱的问题。为了从图谱中获取更多有用信息，MIR的定量应用需要借助化学计量学方法，最常用的化学计量学方法是偏最小二乘法(Partial Least Squares，PLS)。利用化学计量学的方法建立定量模型，并对发酵液中的底物与产物进行预测。而现阶段主要是离线取样监测，且模型预测的准确性也阻碍了MIR技术的发展。本发明对建模方法进行优化，提高了模型预测的准确性，并实现了MIR在线、原位监测发酵过程。结合在线MIR，指导并优化黑曲霉产葡萄糖酸钠的发酵过程。但是，现MIR的使用基本上在于离线对某些物质进行定量或定性，未广泛应用于发酵过程的监控。而对于发酵过程的监控，较多为离线取样进行测量，在线MIR较少，且应用于酵母或大肠杆菌体系。本发明为首次使用在线MIR监测黑曲霉产葡萄糖酸钠发酵过程中的葡萄糖和葡萄糖酸钠。其主要困难点是预测准确性的问题，因此需要摸索合适的方法来实现在线、原位检测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在线监测及优化黑曲霉发酵生产葡萄糖酸钠的方法。

在本发明的第一方面，提供一种在线监测黑曲霉发酵生产葡萄糖酸钠的发酵过程的方法，所述方法包括：在线采集发酵液，利用中红外光谱仪获得发酵液图谱，分析发酵液中葡萄糖以及葡萄糖酸钠含量。

在一个优选例中，通过将在线采集发酵液图谱导入到优化设计的PLS模型中，分析发酵液中葡萄糖以及葡萄糖酸钠含量。

在另一优选例中，所述的优化设计的PLS模型如下建立：

(1) 梯度设计葡萄糖和葡萄糖酸钠的标准液，经全因子设计获得校正集葡萄糖、葡萄糖酸钠二元-培养基标准液和验证集葡萄糖、葡萄糖酸钠二元-培养基标准液；校正集和验证集的图谱导入光谱分析软件中，通过改变建模参数(包括建模方法、建模区域、预处理方法)，获得相对而言性能指标最高的模型；所述的标准液中，以去除葡萄糖的培养基为背景；

(2) 在(1)的模型基础上，在校正集中加入在线采集的发酵液图谱进行模型的优化，获得优化设计的PLS模型。

在另一优选例中，步骤(2)中，还包括：对于在线采集的发酵液，利用化学方法检测，获得发酵液样品中葡萄糖和葡萄糖酸钠的含量数据；将采集到的图谱与化学方法检测数据相关联，利用多元回归分析方法分析模型，从而获得相对而言性能指标最高的模型。

在另一优选例中，所述的光谱分析软件是TQ Analyst软件。