科普-华东理工-在线质谱仪在工业发酵过程优化与放大中的应用
1、引言
生物药物、食品等工业发酵过程中，尾气氧及尾气二氧化碳的测定对了解发酵过程的宏观生理代谢特性非常重要。通过对尾气氧和二氧化碳的测定，可在线计算出细胞重要生理代谢特征参数氧消耗速率(OUR)二氧化碳生产速率(CER)和呼吸商(RQ)，进而实现对发酵过程的有效调控。长期以来工业发酵过程中排气氧和二氧化碳测定是一直困扰发酵工艺研究的难题，尤其是发酵过程的氧浓度，其发酵进气与排气之间的浓度差较小(从 22%最多降低到 18%左右)，为此对检测设备的要求较高。另一方面，工业发酵过程往往历时 5~10 天时间周期长，因此对过程在线检测设备的连续漂移误差要求也较高。
在线质谱仪测量精度高、漂移小，可以同时测量多种发酵尾气组分，响应快且可以多尾气循环连续测量，是提供发酵尾气实时信息的理想工具。为此，我们使用上海舜宇恒平科学仪器有限公司的SHP8400PMS过程气体质谱分析仪实施发酵尾气连续检测，很好地解决了发酵过程尾气在线检测的问题，在工业生产中得以成功应用。
2、在线质谱仪的特点
质谱技术不仅具有较快的分析速度和广泛的通用性，还拥有强大的定性定量分析能力，将其应用于在线分析中，具有突出优势。
生物发酵生产过程，发酵的尾气化合物信息丰富，对尾气的及时分析和检测直接关系到发酵的进展和产成品质量状况。从理论上讲，先进的质谱技术可实现全组分气体分析，可对发酵尾气中 NCO和Ar等无机气体及多种有机气体的种类和浓度进行同时分析和测定，且分析速度快，精度高，稳定性好。
3、在线质谱仪在工业发酵过程优化与放大中的应用
工业发酵过程中的尾气往往湿度很大，而且常常携带有液滴、颗粒、泡沫等。同时，随着反应进程的变化，温度和压力也会存在一定波动。这样的气体如果直接送入质谱仪，将导致测量结果准确度差并有损坏设备的危险，因此用于尾气分析的在线质谱仪，在使用上就必须有针对性地增加气体预处理环节。SHP8400PMS 过程气体质谱分析仪随机配备了在线前处理系统，具有稳压、控温、防尘、除液除泡沫、自动排液、紧急关闭等功能，在我们的项目应用过程中，质谱分析数据稳定、可靠。
考虑到减小发酵生产过程成本、在线质谱仪快速分析性能和 SHP8400PMS 过程气体质谱分析仪具有的多通道连续监测功能，应用中我们将一台质谱仪与多台发薛罐在线连接进行循环分析，将分析结果直接输入数据分析软件或中心控制系统进行相关计算或实施连锁控制，以满足工业大规模生产的要求。图 1为多路发酵尾气在线检测系统示意图以下结合两个工业发酵过程优化与放大中的实际应用进行讨论。
3.1 发酵过程参数的准确性验证
在与西部某企业合作项目的用抗生素发酵过程中，发现该单位的 160 吨发酵罐产品发水平低于同类厂家，企业怀疑发酵罐供氧不足导致发酵水平低下，但与此同时，又观察到整个发酵过程中溶氧(DO)维持在较高的水平(60%以上)。
到底是设备供氧问题还是细胞代谢活性弱?为此我们在 50L小试发酵罐中进行了高、低 DO水平的实验，实验过程中使用SHP8400PMS 过程气体质谱分析仪对尾气进行检测，通过发酵过程数据处理专用软件 Bioradar 计算出OUR、CER 和 RQ 值，通过OURCER与 DO 的相关分析，并与160 工业发罐相关参数进行比较，证实160 吨发罐中 DO检测值是正确的，明确了发酵过程出现的问题并不是由设备供氧问题所引起的，为后续进一步工艺优化确定了基础。图 2 为该项目抗生素发酵过程曲线图。
3.2 补料发酵工艺的优化
在与浙江某企业合作项目另一兽用抗生素的发酵过程中采用棕榈油作为碳源，生产成本高，发酵周期长，放罐后残留在发酵液中的油又对后续提取工艺造成影响。为解决以上问题，企业尝试用廉价的碳源替代棕榈油。在 50L小试发酵罐研究过程中，用SHP8400PMS过程气体质谐分析仪对尾气氧和二氧化碳浓度等参数进行检测，通过 Boradar 软件计算出 OURCER 和 RQ值，通过以上参数的变化确定了替代碳源的补加时机]同时把 RQ值作为碳源补加的依据，通过补加速率的调整将 RQ 值控制在一定的范围。最终产品效价提高 10%以上，发酵周期缩短 20%，放罐发酵液的残油浓度也达到了要求的控制范围。图3为该项目抗生素发酵过程曲线图。
上述两个例子说明，利用在线质谱仪对发酵过程尾气氧和二氧化碳浓度的精确测定，对实现发酵过程有效调控起到了非常好的作用，应该在工业发酵过程中大力推广。在发酵过程中，单凭 DO 值不足以判断供氧的情况，而结合 OUR 的变化，可以反映菌体对氧的临界代谢特性，从而进行具体分析。另外，补料对于发酵产品的质量控制和成本控制，都起到重要的作用。补料前后引起的 CEROUR 与RQ 变化对实际发酵过程工艺控制具有重要的意。
4、结论
在线的 OUR，CER 和 RQ 对于发过程的优化具有很好的指导作用。在发酵放大过程中，参数之间的相关性分析更是离不开在线的尾气氧、尾气二氧化碳参数。在线质谱仪在工业发酵过程优化与放大中的应用，可实时在线监测发酵尾气化合物的丰富信息，检测灵敏度高，对尾气中多组分气体的同时检测可在秒级的时间内完成，即使对变化较为激烈的反应过程亦能提供准确的数据，实时反映动态过程。本文通过多地、多发酵生产线的实验，证实了在线质谱仪对实际工业发酵的作用，推广使用在线质谱仪，对工业发酵的过程控制有重要意义。
