基于近紅外光譜檢測的微生物發(fā)酵監(jiān)測與建模.pdf

1、發(fā)酵工程在各個領域中的應用越來越廣泛，對發(fā)酵過程控制與優(yōu)化的研究也越來越受到人們的關注。對發(fā)酵過程重要參數(shù)的實時在線監(jiān)測是實現(xiàn)發(fā)酵過程控制與優(yōu)化的重要前提，但目前在發(fā)酵過程中只有溫度和pH等少數(shù)參數(shù)可以實現(xiàn)在線監(jiān)測，對于生物量變化，底物濃度等發(fā)酵過程的關鍵參數(shù)主要還是通過離線方法進行分析，這嚴重限制了發(fā)酵過程控制與優(yōu)化水平的提高。近紅外光譜技術以其分析速度快，測量方式多樣化，無需樣品預處理等優(yōu)點在發(fā)酵過程重要參數(shù)的在線監(jiān)測中具有很大的應

2、用潛力。為解決發(fā)酵過程關鍵參數(shù)監(jiān)測中離線檢測方法費時、費力并可能具有較大人工檢測誤差等缺陷，本文對兩種發(fā)酵體系進行了基于近紅外光譜技術的過程關鍵參數(shù)的在線監(jiān)測研究。
　　本研究針對1,3-丙二醇發(fā)酵體系，對其底物甘油和目標產物1,3-丙二醇的單組份溶液進行了近紅外光譜分析與定量模型的建立。針對該發(fā)酵過程的特性，設計并搭建了基于近紅外光譜技術的在線監(jiān)測實驗平臺并進行發(fā)酵實驗。對采集到的光譜數(shù)據(jù)使用多種光譜預處理方法進行分析處理，并應

3、用偏最小二乘算法建立并優(yōu)化了1,3-丙二醇發(fā)酵過程生物量在線監(jiān)測模型和底物甘油濃度在線監(jiān)測模型。通過實驗驗證，所建立的生物量在線監(jiān)測模型和底物甘油濃度在線監(jiān)測模型的預測均方根誤差分別為0.3416(OD)和2.3334g/L，證明了所建立的模型可以用于實際1,3-丙二醇發(fā)酵過程生物量和底物甘油濃度的實時在線監(jiān)測。針對乙醇發(fā)酵體系，使用近紅外光譜技術對其底物葡萄糖和主產物乙醇的單組份溶液進行了光譜分析與定量模型的建立。根據(jù)乙醇發(fā)酵體系的代

4、謝特性，設計并搭建了基于近紅外光譜技術的發(fā)酵過程在線監(jiān)測實驗平臺，展開實驗并在線測量發(fā)酵過程近紅外光譜數(shù)據(jù)。在應用近紅外光譜技術對1，3-丙二醇發(fā)酵過程進行在線監(jiān)測的研究基礎上，通過對乙醇發(fā)酵過程近紅外光譜數(shù)據(jù)的分析與處理，并結合偏最小二乘算法建立了基于近紅外光譜技術的乙醇發(fā)酵過程生物量在線監(jiān)測模型、目標產物乙醇濃度在線監(jiān)測模型和底物葡萄糖濃度在線監(jiān)測模型。對所建立的模型進行實驗驗證，生物量模型、乙醇濃度模型和葡萄糖濃度模型的預測均方根