基于生物傳感器的發酵過程在線分析系統研制

朱思榮，周萬里，畢春元，張利群，楊艷，張金玲，趙曉華

(山東省科學院生物研究所，山東省生物傳感器重點實驗室，山東 濟南 250014)

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【生物傳感器】

基于生物傳感器的發酵過程在線分析系統研制

朱思榮，周萬里，畢春元，張利群，楊艷，張金玲，趙曉華

(山東省科學院生物研究所，山東省生物傳感器重點實驗室，山東 濟南 250014)

基于發酵過程自動優化控制的需求，研制了發酵過程生物傳感器在線自動取樣分析系統。給出了在線分析系統的分析原理及其結構組成，詳細介紹了自動取樣、樣品稀釋及生物傳感器信號處理的方法。系統可以實現對葡萄糖、乳酸和谷氨酸等重要生化參數的自動取樣分析，并把分析結果通過485接口或4～20 mA模擬接口發送到發酵控制器，為發酵控制提供生化分析數據。用葡萄糖標準樣品作為發酵液對實驗樣機進行了測試，結果表明在線分析系統具有較高的分析精度，可以滿足發酵過程分析的需求。

生物傳感器；自動分析儀；在線分析；葡萄糖分析；乳酸分析；發酵罐自動取樣

在微生物發酵工藝過程中，反應物質的濃度是發酵控制決策的重要依據[1]，要實現發酵過程自動優化控制必需對一些重要生化參數實現在線分析。多年來在生化參數的在線自動分析上已有不少研究[2-10]，但至今國內未見有成熟的產品。鑒于生化參數檢測對發酵控制的重要意義，國外的一些生化分析儀廠商為全自動生化分析儀提供了在線自動取樣模塊，用于發酵過程分析。如Nova的Bioprofile系列[11]、YSI的2700系列[12-13]生化分析儀均可配備在線取樣模塊，快速分析發酵過程生化參數。美國Flownamics公司研發了一款專用于發酵罐內取樣的自動取樣系統SEGFLOW 4800[14]，可以與YSI和Nova公司的生化分析儀及Waters Acquity超高效液相色譜聯機，從發酵罐內獲取樣品，經稀釋處理后提供給生化分析儀或高效色譜分析儀，并從后者獲得分析結果，系統可以與數款監控和數據采集平臺(SCADA)軟件實現數據通訊，從而獲得在線分析系統的效果。

基于國內發酵過程在線分析的現狀，我們將在線取樣控制、樣品的稀釋處理和生化參數分析系統進行整體設計，研制了基于生物傳感器的發酵過程在線自動分析系統。系統可以安裝3個酶電極生物傳感器，每次取樣最多可以測定3個生化指標，分析測定結果能夠以4～20 mA模擬量或串口數據方式發送到發酵控制系統，為發酵過程的優化控制提供生化參數數據。

1 分析原理

生化參數的檢測采用酶電極生物傳感器方法，酶電極是由過氧化氫電極表面緊貼安裝固定化酶膜組成。結構如圖1所示。

圖1 固定化酶膜剖面圖Fig.1 Sectional view of immobilized enzyme membrane

固定化酶膜是一個三層膜結構，粘接在一個支撐橡膠圈上。緊貼電極為內膜層，僅允許H2O2等小分子通過，用于排除一些分子量較大的氧化還原物質對電極信號的干擾。內膜之外為固定化酶層，是傳感器的信號源，由待測底物的氧化酶經戊二醛交聯固定制成。固定化酶膜的最外層為支撐膜，膜孔徑在10 μm以下，可以自由透過待測物。待測定底物在固定化酶層經底物氧化酶催化，產生過氧化氫。反應如下：

式中底物為待測定物，如底物為葡萄糖或L-乳酸，相應的底物氧化酶就是葡萄糖氧化酶或L-乳酸氧化酶，產物為葡萄糖酸或丙酮酸。

酶反應生成H2O2的速度與底物濃度符合酶反應的米氏公式，在一定的底物濃度內可以視為線性關系。在測定系統中，因為酶反應為電極表面的局部反應，生成的H2O2在電極表面還原，形成電極電流，反應池中H2O2濃度極低，所以可以在反應池中放置多個電極，同時測定多個生化參數而不會互相干擾。

H2O2電極把酶反應生成的H2O2轉換為電極電流，電極電流與H2O2的濃度成正比，而H2O2的濃度與酶反應的底物濃度成正比，所以電極電流與電極上的待測物濃度成正比關系。酶是一種有催化活性的蛋白質，酶的催化活性與本身結構、環境溫度和pH等因素有關，在環境不變的條件下，酶活在一定時間內可以看作穩定不變，用標準樣品對傳感器進行標定可以獲得待測物濃度與電極電流的比例關系，根據這個關系和測定時的響應電流即可計算出待測物的實際濃度。

2 分析系統設計

在線分析系統從發酵罐內采集發酵樣品，再把樣品進行稀釋處理，使樣品能在測定過程中獲得最佳分析精度，再根據測定結果和稀釋狀態計算出發酵原液中待測物含量，最終把分析結果通過數據接口輸出到發酵控制系統，為發酵控制器提供生化參數數據。整個系統的組成如圖2所示：

圖2 在線分析系統結構圖Fig.2 Structure diagram of online analysis system

2.1 在線自動取樣設計

由于發酵罐種類多，大小差異極大，對取樣系統也要求不一，小罐要求取樣量要少，大罐更強調取樣要安全可靠。為保證在線分析系統的通用性，本系統設計支持從發酵罐內直接取樣和先把樣品放到U型管內暫存，再從U型管內取樣兩種方式。前者取樣量少，適用于小型發酵罐；后者模擬手動取樣流程，取樣量較多，但安全性和可靠性均較高，適合大型發酵罐使用。因為分析系統與發酵罐之間有一定的距離，所以把取樣器分為罐旁控制裝置和儀器端控制裝置兩部分，在線分析系統通過連接電纜控制罐旁控制裝置上的泵和閥。圖3為罐內直接取樣示意圖，圖4是U形管間接取樣示意圖，中間虛線表示連接罐旁控制裝置和儀器端控制裝置的硅膠取樣軟管。

采用直接取樣方式，可以選用陶瓷膜過濾式取樣器[15]從發酵罐內取樣，也可以通過直管直接從發酵罐內取樣。前者因為陶瓷膜的孔徑能阻擋細菌通過，安全性高，但也容易因為過濾器阻塞導致取樣失敗；后者因為取樣管與發酵罐直接相通，對操作要求較高，取樣管在發酵前必需徹底滅菌，吹氣必須使用無菌空氣，對于長時間發酵最好定時對取樣管路進行化學滅菌處理。

圖3 發酵罐內直接取樣示意圖Fig.3 Illustration of direct sampling in fermentation tank

圖4 U型管間接取樣示意圖Fig.4 Illustration of indirect sampling with U-type tube

取樣時先開啟取樣泵、管路閥和取樣閥，樣品經取樣器，通過取樣閥和管路閥流向樣品池，當管路的液體傳感器檢測到樣品后，延時一定時間，控制取樣量，然后關閉取樣閥，開啟吹氣泵和吹氣閥，由無菌空氣推送管路內的樣品到達樣品池。當樣品池的液位傳感器檢測到樣品后關閉取樣泵，開啟廢液閥，把管路內多余樣品排放到廢液瓶內，完成一次取樣。樣品池樣品可以通過開啟廢液閥和反轉取樣泵排入廢液瓶。在線分析系統對樣品的需求量小于1 mL，在取樣周期較長時，為了去除上次取樣管壁殘留樣品對分析測定的影響，通常需要取樣2～3次。前幾次取樣用于清洗管路和樣品池，最后一次取樣用于分析測定。

圖3左側所示消毒清洗液接口，用于手動對取樣管路進行化學滅菌，取樣閥和吹氣閥都是帶常開和常閉的雙路壓管閥，在取樣閥吹氣閥均關閉時，手動開啟管路閥和取樣泵即可吸取消毒清洗液填充取樣管，對取樣管路進行化學滅菌處理。圖3右側的消毒清洗液用于封堵取樣管路，在直管直接罐內取樣狀態下，最后一次取樣完成后，開啟取樣泵和清洗液閥數秒，讓消毒清洗液進入管路內，可以防止環境雜菌通過樣品池污染取樣管。

間接取樣方式通過預取樣，先把樣品保存在一段U型管內，然后從U型管的底部取樣，后續取樣過程同直接取樣。在取樣完成后通過開啟蒸汽閥完成對U型管的排液和滅菌，取樣安全性高， 發酵樣品在U型管內，還能排除發酵液中的氣泡。這種方式一次取樣量大，通常為100 mL以上。

2.2 樣品稀釋方法

發酵樣品通常需要經過稀釋處理才能分析測定，對于高糖發酵，通常要有200倍以上的稀釋才能保證正常分析。樣品稀釋通過高精度注射泵配合二維移動的進樣針和樣品稀釋池實現，圖1結構圖中的樣品池、標樣池、稀釋池和生物傳感器反應池呈直線排列，二維定位取樣針能移動到這些液體池內吸取或釋放樣品。稀釋過程先在樣品池中吸取一定量的樣品，再在稀釋池中放出樣品和緩沖液。通過調整取樣量和放液總量來調整稀釋倍數，樣品注入反應池的測定過程也是一個稀釋過程，為簡化設計，我們把2倍和5倍稀釋放在反應池池內，通過控制進樣量為標準進樣量的1/2和1/5實現。在稀釋池內實現10倍、20倍和50倍稀釋。總稀釋最高可達250倍，可以滿足生物傳感器對高濃度樣品測定的需求。

本設計中注射泵總容量為1 mL，生物傳感器的進樣量40 μL左右，進樣過程實現5倍稀釋時進樣量僅為8 μL左右，為保證測定的重復性，注射泵每次取樣時定位在一個固定位置。由于進樣量少，注射泵的非線性、進樣針壁的殘液以及進樣針口的擴散等因素對稀釋有較大的影響。表1是按理論進樣量重復測定標準樣品的檢測結果，不稀釋進樣量為200步(0.208 333 微升/步)，2倍稀釋進樣量100步，5倍稀釋進樣量40步，5倍稀釋的測定結果顯著偏高。我們通過對3個稀釋比例的進樣量進行微調，降低了因注射泵非線性等因素帶來的誤差。表2是微調進樣量后的重復10次測定結果，不稀釋進樣量為218步，2倍稀釋進樣量108步，5倍稀釋進樣量40步。

表1 按理論進樣量測定葡萄糖標準樣品結果Table 1 Determination results of standard glucose based on theoretical sample volume

表2 按補償進樣量測定葡萄糖標準樣品結果Table 2 Determination results of standard glucose based on compensation sample volume

在稀釋池內稀釋的精度與高精度注射泵的取樣和放樣精度有關，也與樣品稀釋池的殘液有關，上一樣品測定完成，樣品池清洗后會留下一定量的殘液，最好的辦法是對稀釋池進行干燥處理，但這會增加系統的復雜程度，也要增加分析處理的時間，我們通過合理的設計，把稀釋誤差控制在允許的范圍內。首先把對稀釋池的清洗設置在每次稀釋之前，減少稀釋池殘留水份揮發不一造成的誤差；其次在稀釋池內涂疏水膜，盡量減少殘留水量；最后稀釋池的攪拌混勻采用空氣氣泡攪拌，去除攪拌捧對殘留水的影響。經以上處理，樣品稀釋具有較好的重復性，表3是濃度為10、20和50 g/L的標準葡萄糖樣品經10倍、20倍和50倍稀釋后的重復10次測定結果。

表3 稀釋池不同稀釋倍數測定結果Table 3 Determination results of different dilution in diluted pool

2.3 酶電極反應池

生物傳感器分析核心部件為安裝酶電極的反應池系統，基本結構如圖5所示。

圖5 酶電極反應池系統Fig. 5 Reaction cell system of enzyme electrode

為減少蠕動泵數量，反應池僅安裝排空泵，雙泵管結構，用于排除反池腔和溢流腔內的廢液，反應腔清洗過程緩沖液由注射泵通過進樣針注入。反應池溢流帽限制反應腔的容積為一固定的體積，清洗過程多余的緩沖液通過溢流帽排入溢流腔內，定量樣品注入反應腔內，稀釋倍數固定不變。反應腔內的攪拌子用于快速混勻分析樣品。每次測定后開啟排空泵，排除反應腔和溢流腔內的廢液，然后用新鮮緩沖液注滿反應腔，等待下次測定。在反應池側面可安裝1～3個酶電極生物傳感器，分別測定1～3個分析目標。

2.4 生物傳感器信號處理

生物傳感器的信號采樣方式采用二點法分析，在進樣前等待酶電極信號電流穩定，進樣時記錄電極的零點電流值，當達到設定的反應時間后記錄即時電極電流，二者的差值即為酶電極對測定樣品的響應電流。生物傳感器具有較快的樣品響應速度，通常20 s即可達到最大響應值的90%以上，采用二點法進行分析，因為測定結束時接近反應終點，可以獲得較高的測定精度。

酶生物傳感器分析測定是在酶催化活性穩定狀態下，通過對比待測樣品與標準樣品在同一電極上的響應電流實現。用標樣標定時根據標樣濃度和響應電流，計算出單位響應電流的樣品濃度，即標定系數，在測定樣品時，根據樣品的響應電流和標定系數，計算出樣品濃度。由于酶的催化活性會隨時間和環境溫度而改變，而發酵過程在線分析間隔時間需要根據發酵狀態和要求調整，通常為20～60 min，所以在每次分析前需先對酶催化活性用標準樣品進行標定，整個標定過程也是酶活性的穩定過程。

酶電極傳感器在使用一定時間后，對于底物的響應有可能偏離線性關系,對傳感器作線性校正可以延長傳感器的使用壽命。實測數據表明酶電極經標定后測得的底物濃度，其結果與底物實際濃度的關系基本符合酶反應的米氏方程：

3.3.1 積極營造適合中職生學習的課堂環境 良好的環境對心理調節和行為規范有積極作用，包括物質環境和心理環境。物質環境：主要是指教室布置。應按照專業特點合理規劃，設計與專業有關的內容，保持教室的整潔，從而增強學生的責任感。心理環境：和諧的課堂氛圍對于學生良好行為習慣的養成具有重要影響。課堂氣氛和諧融洽，教師講課心情愉悅，學生就容易受到感染，不僅課堂問題行為很少，還能促進其學習與交流。

Y=aX/(b+X) ，

(1)

式中,a和b為校正系數，X表示實際底物濃度，Y為測定底物濃度。在標樣濃度范圍內，1/2標樣濃度時具有最大偏差值。所以在設計中以2倍稀釋標樣對傳感器進行線性校正。根據(1)式，在定標點測定濃度與實際濃度一致，即X=Y=V(V為標樣濃度)，代入(1)得：

V=aV/(b+V) 。

(2)

在校線性點，X=0.5V，Y=VL(L為校線性點測定結果)，代入(1)得：

VL=0.5aV/(b+0.5V) 。

(3)

從式(2)和式(3)可求出線性校正系數a和b，完成線性校正。

從式(1)變換得：

X=bY/(a-Y) 。

(4)

在分析過程中，標定完成后再根據式(4)求出實際底物濃度。傳感器的線性變化緩慢，線性校正操作每隔1～2 d做一次即可。

2.5 在線分析自動稀釋處理

生物傳感器分析的樣品分析精度與樣品的濃度有關，當樣品濃度接近標準樣時具有最高的分析精度，過高濃度的樣品超出傳感器的檢測范圍，并可能影響傳感器的性能，而濃度太低會增加測定誤差，所以合適的樣品稀釋也是提高分析精度的重要手段。在某些發酵中，因為干擾物質的存在，必須對樣品進行一定的稀釋才能獲得較高的分析精度。為解決上述問題，本設計中加入了最低稀釋倍數限定和稀釋倍數自適應，當稀釋后測定結果超過標樣濃度1.5倍，則自動增加一級稀釋，重新測定，當測定結果低于標樣濃度的40%，如當前稀釋大于最低稀釋的限制，則減少一級稀釋，重新測定。如果有多個生物傳感器，稀釋以濃度最高的檢測對象作為自動調整的判斷基準。樣品測定完成后把結果乘以測定時的稀釋倍數，得到實際樣品濃度。

在線分析系統的目標是為發酵過程控制提供生化參數數據，便于發酵控制系統根據生化參數檢測結果對生物發酵過程進行調控。為適合不同控制系統的要求，在線分析系統在設計中使用3種接口方式：(1)通過485總線，以專用指令從系統的結果數據中直接讀數，這種方式不僅可以讀出數據，還能實現對分析系統的各種操作；(2) 通過485數據接口以文本方式直接發送分析結果；(3) 以3路4～20 mA模擬量形式輸出3個傳感器的結果數據，這種方式下，可以定義20 mA電流對應各個傳感器測定結果值。除了結果數據接口，儀器還提供電平控制接口和反饋輸出，電平控制可以使發酵控制器通過開關信號控制取樣測定，反饋輸出則可以使在線分析系統用于控制發酵生化指標。反饋輸出可以選用其中一個生物傳感器的分析結果，設定控制目標和控制方式，根據分析結果輸出反饋信號，反饋信號為周期和占空比可調節的開關信號。電平控制和反饋輸出信號均通過光電隔離。

3 實驗結果

3.1 10 g/L標準樣品測試

用測試樣機，對10 g/L葡萄糖標樣進行檢測實驗，實驗中用設定最低稀釋倍數的方法強制對標樣進行10倍、20倍和50倍稀釋。重復10次測試結果見表4。

表4 10 g/L標準葡萄糖不同稀釋實測結果比較Table 4 Practical results comparison of 10 g/L standard glucose with different dilution

由表4結果可見，當稀釋50倍時，結果誤差顯著增大，誤差增大的原因是測定濃度偏低。

3.2 模擬發酵測試

利用研制的測試樣機安裝葡萄糖酶電極，用1 L三角燒瓶作發酵罐模擬實驗。在三角燒瓶內注入蒸餾水400 mL，NaCl 0.5 g， 200 g/L葡萄糖樣品10 mL，在線分析系統設置最低稀釋為不稀釋，自動取樣周期為10 min，取樣重復次數為5次，開始自動取樣測定。為保持總體積基本不變，取樣測定完的樣品回排到三角燒瓶內。每測定完1個樣品，向瓶內補加200 g/L葡萄糖10 mL，并搖勻，20次自動取樣測定結果如表5所示。

表5 不斷添加葡萄糖的模擬發酵測試結果Table 5 Simulated fermentation test results of continuous addition of glucose

由表5結果可見，自動分析結果與理論計算值基本吻合，測定值誤差小于5%。

3.3 工程菌發酵實測

在工程菌發酵實驗中，用樣機連接發酵罐，自動取樣測定發酵液中葡萄糖、L-乳酸和L-谷氨酸含量，檢測結果如圖6所示。整個發酵過程中，谷氨酸含量一直維持在一個較低的水平，基本不變，波動應為測量誤差。葡萄糖初期下降較慢，約6 h后加快，至28 h基本耗盡，而乳酸含量則不斷上升，到葡萄糖耗盡后也不再變化。自動測定結果與發酵過程應有的反應吻合良好。

圖6 工程菌發酵過程在線檢測結果Fig. 6 Online detection results of engineering strain fermentation process

4 結語

基于生物傳感器的在線分析系統檢測速度快，從開始取樣到得出最終結果，分析時間通常在10 min以內，包括稀釋誤差和分析誤差，總誤差小于5%，基本能夠滿足發酵過程自動優化控制對生化參數檢測的要求。隨著我國發酵工業對自動、優化控制需求的持續增長，發酵在線分析系統具有較好的應用前景。從最后工程菌發酵實際測試數據看，在線分析系統還存在偶爾測定誤差偏大的情況，導致發酵曲線波動，尚需繼續研究，進一步提高稀釋和測定過程的穩定性，完善酶傳感器性能，降低測定誤差。

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Development of biosensors based online analysis system for fermentation process

ZHU Si-rong, ZHOU Wan-li, BI Chun-yuan, ZHANG Li-qun, YANG Yan,ZHANG Jin-ling, ZHAO Xiao-hua

(Shandong Provincial Key Laboratory of Biosensors, Institute of Biology, Shandong Academy of Sciences, Jinan 250014,China)

∶We developed a biosensors based online automatic sampling and analysis system in fermentation process for the requirements of automatic optimization control in fermentation process. We presented its analytical principle and structure components and detailed its automatic sampling, sample dilution and biosensor signal processing. It can automatically analyze such important biochemical parameters as glucose, lactic acid and glutamic acid, and send analytical results to fermentation controller through a 485 interface or a 4～20 mA analog interface. It can therefore provide biochemical analytical data for fermentation control. We further tested experiment prototype with glucose standard sample as fermentation broth. Results show that it has higher analytical accuracy and can satisfy the requirements of fermentation process analysis.

∶ biosensor; automatic analyzer; online analysis; glucose analysis; lactic acid analysis; automatic sampling from fermentation tank

10.3976/j.issn.1002-4026.2016.05.015

2016-07-29

國家高技術研究發展計劃(863計劃)(2015AA021005)

朱思榮(1963—)男，碩士，研究員，研究方向為生物傳感器研究和產品開發。Email:yanzhi@sdas.org

Q815； TP216

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