整合质谱仪助力高效优化毕赤酵母发酵工艺_abio生物试剂品牌网

abiopp8个月前 (08-01)未命名131

甲醇在毕赤酵母发酵过程中的双面角色
毕赤酵母在疫苗、酶制剂及医药蛋白生产中的高效表达能力与后修饰优势，使其成为工业微生物工程研究的重点对象。

然而，甲醇在其发酵过程中兼具碳源与诱导剂双重角色，补料量控制直接影响蛋白表达效率和细胞生长状态。过量甲醇会造成毒性累积，抑制生长；而不足则会导致诱导不充分。

传统发酵监控方式中，甲醇补料往往依据溶氧（DO）变化趋势判断，或设定定时定量补料方案。此类方式存在较大滞后性与人工依赖性，难以实现对甲醇动态浓度的精细控制。

在线监测甲醇浓度，实现自动化反馈控制
迪必尔研发人员在工艺平台引入在线气体质谱分析系统，结合四联平行反应器系统与UDF（用户自定义功能）算法控制逻辑，构建了一套高通量、在线监测、高频反馈、自动补料的智能工艺平台。实现对发酵尾气中甲醇浓度的智能检测和精确反馈控制（图1）。

实验验证了该系统在发酵调控精度、蛋白表达效率及人力、时间成本控制方面具有较大优势。

实验设备及软件系统：
发酵罐：CloudReady 4联（迪必尔生物）
质谱仪：DECRA （Hiden Analytical）
多通道尾气切换装置：Xgas（迪必尔生物）
多通道尾气分析仪：Xgas（迪必尔生物）
软件系统：D2MS设备和数据管理系统（迪必尔生物）
控制算法程序载体：UDF用户自定义控制（D2MS内置）

图1 智能尾气分析及反馈控制系统

系统集成途径：
基于D2MS接入多种设备，在HMI界面实现数据可视化。可实时查看发酵参数与尾气参数，支持多通道尾气切换装置时间设定、发酵罐自由组合及当前采样通道状态指示等功能，为多通道数据采集与控制操作提供一体化管理支持（图2）。

图2 整合多设备参数控制的D2MS HMI界面

通过D2MS内置UDF模块开发浓度梯度模型，可实现甲醇浓度（0-40 ppm）与补料速率（1.5-15 mL/h）之间的智能关联调节（图3）。

图3 D2MS UDF反馈控制算法控制逻辑

实验过程及结果分析

1、冷模实验建模：
建立液-气关系模型，为液相甲醇浓度与尾气甲醇质谱的响应提供依据（图4）。

图4 甲醇液-气冷模测试结果模型

2、质谱仪检测对比经验判断实验
如图5，单通道检测模式下，在92h之前，实验组（仪器检测）和对照组（经验判断）生物量均增长，但实验组较低。到116h时，实验组反超对照组，最终在166h时，实验组OD₆₀₀nm值提高60.1%，湿重提高41.8%，表现出明显的增长优势。

结果表明仪器检测相较经验判断，能显著提升发酵液的生物量。

图5 单通道模式上罐结果对比

3、质谱仪多通道检测实验（仪器检测手动调控）：
图6为通过人工调整补料速率实现过程控制。四个发酵罐最终总蛋白产量分别为 9360.82、8479.99、8607.31 和9167.33 mg，差异较小。四组平均产量为 8903.86 mg（RSD=4.79%），均高于单通道模式下的8000.26 mg（图5），最高增幅达16.99%。

结果表明，该策略在提升蛋白表达效率和系统可靠性的同时，也验证了多通道转换器在发酵过程中的实用性与有效性，但手动调控在高通量发酵的平行性上还有提升空间。

图6 MFC限流下多通道尾气分析上罐结果

4、质谱仪多通道检测实验（智能调控自动补料）：
如图7，智能控制下四罐总蛋白产量在188 h分别达16843.80、17479.99、17952.49、17054.86 mg，四组平均产量为17332.79 mg（RSD=2.83%），较手动调控模式（均值约8903 mg）提升约94.7%，较单通道对照组（7955.41 mg）提升约117.9%。

结果表明，智能调控模式相比手动调控能更能有效提升蛋白表达量，并且在长周期运行中能保持稳定性与精确性。同时高通量发酵中的平行性更好（蛋白产量 RSD 由4.79%进一步降至 2.83%，较手动模式RSD降低 40.8%），具备良好的可重复性。

图7 三通道分流下多通道尾气分析上罐结果