平行生物反應器助力里氏木霉發酵工藝優化、產量提升及泡沫異常處理

摘要
里氏木霉在進行高密度發酵培養時，常出現泡沫異常甚至溢液的情況。為解決這一問題，同時提升酶活力和產物量，實驗人員從培養基成分、補料策略等方向對其發酵工藝進行優化。

通過使用粗小麥麩皮以及對補料策略進行調整，解決了泡沫異常問題的同時保持菌體的快速生長繁殖。實驗同時驗證了不同種子來源對于結果的影響。

最終，添加粗小麥麩皮、搖瓶來源種子、采用UDF用戶自定義功能補料的組合促進了微生物生長，在 145 h時達到最大生物量（442.9 g/L）。而添加粗小麥麩皮、搖瓶來源種子、采用時間序列補料策略的組合促進了纖維素酶的積累。在145h時，酶活力達到60.096 U/mL。

圖1 優化里氏木霉發酵工藝實驗實拍圖

實驗方法及結果
首先在Intelli-Ferm mini 5L平行生物反應器進行預實驗，并根據結果調整補料策略和培養基配方。之后在4聯CloudReady 1.5L云平臺生物反應器進行兩批次正式實驗（圖2）。

表1 CloudReady兩批次工藝控制條件

圖2 兩批次結果數據圖

結果顯示，調控補料速度及使用粗小麥麩皮，均可以降低里氏木霉表達蛋白時的起泡量，防止泡沫異常、溢液現象產生。同時，發酵過程補料智能控制對活力和生物量的提升均有幫助。

補料策略的設計和選擇
本次工藝優化的關鍵在于補料策略的設計和選擇
補料策略觸發條件的設置
使用D2MS Pro軟件的高級過程控制（Advanced process control，APC），對本次實驗的補料策略的觸發進行設置。

補料觸發條件為：
DO先下降至35%，后回升至40%，或者，pH回升至4.7。

執行的控制器：
DO設定值改為20%、開啟補料、pH值關聯酸泵。

不同補料策略的設計和選擇
本次共設計三種補料策略（圖3、圖4），分別是時間序列（圖3 BC）、關聯DO PV值（圖3 D）和通過用戶自定義功能（UDF，User-Defined Functions）（圖4）對補料速度進行調控。

圖3 補料策略設置（A：預實驗Intelli-Ferm mini 5L罐的時間序列補料；B：正式實驗CloudReady 1.5L罐的時間序列1補料；C：CloudReady 1.5L罐的時間序列2補料；D：正式實驗CloudReady 1.5L罐關聯DO PV值補料）

圖4 UDF設計補料策略

數據驅動的發酵工藝優化
本次實驗使用D2MS Pro設備和數據管理系統，通過軟件內置高級過程控制（Advanced process control，APC）和用戶自定義功能（UDF，User-Defined Functions），實現自動化智能補料。

APC是一種采用先進控制策略和技術對生物工藝過程進行優化和改進的控制方法。通過實時監測和分析工藝過程的關鍵參數，預測未來過程變量的發展趨勢，并基于此提供精確的控制策略。這種動態控制方法能夠根據實際情況自動調整控制策略，顯著提高生產效率和產量。

UDF允許用戶設置自己的控制邏輯，通過設定條件與計時器，實現更精細的生物過程控制。這種靈活性使得UDF能夠滿足特定工藝的獨特需求。UDF可以用于實現創新的補料控制策略，如基于代謝速率動態調整補料速率，或根據多個參數的綜合反饋進行智能補料決策。

未來，數據驅動將成為生物制造領域 “降本增效、突破產業化瓶頸” 的核心競爭力，推動更多生物產品從實驗室走向市場。迪必爾也將為用戶帶來更多自動化智能化的工藝解決方案。

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原文已發表在中國生物制品學雜志，原文鏈接https://doi.org/10.13200/j.cnki.cjb.004512
原文作者：應用技術與工程研究中心 管志欣