【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种基于近红外光谱的大肠杆菌发酵在线检测装置，属于大肠杆菌发酵过程实时在线检测。
技术介绍
1、大肠杆菌(escherichia coli)是一种革兰氏阴性的兼性厌氧菌，属于埃希氏均属(escherichia)。该细菌在肠道中广泛存在，在大多数情况下，这种细菌是无害的，它有助于消化食物，而某些大肠杆菌菌株会引起腹泻、胃痛、发烧等症状。它是一种结构简单的原核生物，生长代谢十分活跃，在不同的发酵条件下可以生产多种糖类、酸类。
2、虽然大肠杆菌的上述特性使得它成为基因工程和工业化生产中的重要菌株，但在它的发酵培养过程中，会有很大一部分碳源流向乙酸生成途径，当乙酸累积到一定浓度后，会大大降低菌体生长速率，对产物的合成及外源基因的表达造成影响。在影响大肠杆菌发酵过程中乙酸的生成和积累的所有因素中，补料速率和比生长速率直接影响着乙酸的生成速率和积累量，因为补料速率和生长速率影响到发酵液中的碳源浓度，因此合适的补料速率和比生长速率对控制大肠杆菌发酵有帮助。
3、发酵过程主要分析的参数可按照物理参数、化学参数以及生物参数进行划分，其中物理参数包括温度、搅拌转速、空气压力、空气流量等；化学参数包括基质浓度、ph、产物浓度等；生物参数包括菌体浓度、菌体比生长速率、基质消耗速率等。基质浓度和菌体浓度对于发酵过程控制来说是非常重要的分析参数。
4、在传统的检测手段中，检测上述分析参数往往需要对样品进行不可逆的破坏性处理，例如在ariane s s pinto等人的研究中需要取样后将发酵液过滤处理，以消除
技术实现思路
1、为了解决上述问题，本专利技术的第一目的是针对现有在线生物学参数检测装置存在的部分不足，提供一种基于近红外光谱的大肠杆菌发酵在线检测装置，用于检测大肠杆菌的发酵过程，所述大肠杆菌发酵在线检测装置包括：
2、发酵罐，存储有发酵液，所述发酵罐具有取样口和补料口且设有搅拌装置、do检测装置、ph检测装置和温度检测装置；以及
3、控制平台；以及
4、空气压缩机，与所述发酵罐连接；以及
5、蠕动泵，与所述发酵罐的取样口连接；以及
6、分析检测装置，包括与所述蠕动泵和所述补料口连接的流通池以及连接所述流通池的近红外光谱分析仪，所述流通池连接有至少一个透射式光源。
7、进一步地，所述蠕动泵与所述流通池之间设有三通管，所述三通管具有第一通口、第二通口和第三通口，所述第一通口、所述第二通口分别由管路连接所述蠕动泵、所述流通池，所述第三通口连接可调节的气体流量计，所述气体流量计能够使得发酵液内的气泡通过第三通口排出且发酵液不通过第三通口，具体地，通过调节气体流量计的阀门开度以改变第三通口的压力，使得发酵液无法通过第三通口的同时气泡也能够通过第三通口从气体流量计排出。
8、应当理解，所述蠕动泵和所述取样口之间、所述流通池和所述补料口之间均可以由管路连接。
9、进一步地，所述流通池具有玻璃视窗，所述透射式光源能够通过所述玻璃视窗形成光源透射；所述第三通口设置有无菌空气滤膜，避免发酵液与外界空气接触造成染菌。
10、在本专利技术的一种实施方式中，所述近红外光谱分析仪引出有穿入所述流通池的第一光纤探头和第二光纤探头，所述第一光纤探头连接并引出设置在所述近红外光谱分析仪的透射式光源，第二光纤探头用于检测透过发酵液后的光信号并传输至近红外光谱分析仪中；优选的，所述透射式光源是积分球卤钨灯光源。
11、本专利技术的第二目的是提供一种基于近红外光谱的大肠杆菌发酵在线检测方法，应用大肠杆菌发酵在线检测装置，所述方法包括如下步骤：
12、步骤一：通过蠕动泵将发酵罐内的发酵液泵入到流通池，发酵液经过流通池后再回流至发酵罐的补液口形成循环回路，过程中通过调节气体流量计的阀门开度以调整第三通口的压力，使得发酵液经过三通管时发酵液内的气泡能够通过第三通口排出；
13、步骤二：使用第一光纤探头通过玻璃视窗向所述流通池内的发酵液透射积分球卤钨灯光源，并通过第二光纤探头自动连续采集近红外光谱数据，近红外光谱数据是由于分子在吸收了近红外光之后发生的振动能级跃迁与转动能级跃迁之后测得的，它的横轴代表的是光波的波数，而纵轴代表的是吸光度；
14、步骤三：每隔固定时间对发酵罐内的发酵液进行取样，同时根据do、ph和温度监测发酵情况，并记录取样时间，用于对应近红外光谱数据；
15、步骤四：测定样品的理化指标，所述理化指标包括od600、乳糖浓度和甘油浓度，为od600模型、乳糖模型和甘油模型的建立提供参考值；
16、步骤五：通过马氏距离法计算并剔除异常样本；
17、步骤六：将采集的近红外光谱数据按比例分为校正集和验证集；
18、步骤七：使用一阶导数法对od600模型的近红外光谱数据进行预处理，使用移动平滑法对甘油模型的近红外光谱数据进行预处理；预处理的作用是消除环境中或仪器性能不同带来的噪声，并且通过对光谱数据的校正消除发酵液中不均匀颗粒导致的光谱差异，最直观的影响是对光谱数据进行适当预处理后建立的模型性能指标和预测准确性有所提升；
19、步骤八：结合主成分分析法和偏最小二乘法回归分析得到近红外光谱数据与理化检测数据的拟合方程，即完成od600模型、乳糖模型、甘油模型的建立；选择主成分分析法和偏最小二乘法的优势是能够在自变量存在严重多重相关性的条件下进行回归建模；
20、步骤九：利用步骤八中的所述模型检测发酵过程中的参数含量和变化趋势。
21、在本专利技术的一种实施方式中，所述步骤二中，近红外光谱波长范围选择900-1650nm，采集间隔为5min；所述步骤三中，每隔2h进行一次取样。
22、在本专利技术的一种实施方式中，所述步骤四中，od600通过分光光度法进行测量，乳糖浓度和甘油浓度通过高效液相色谱法进行测定；所述步骤七中，od600模型使用一阶导数法对近红外光谱数据预处理，甘油模型使用窗口宽度为13的移动平滑法对近红外光谱数据预处理，乳糖模型无需对光谱进行预处理。
23、优选地，所述步骤六中，校正集和验证集比例为4:1；所述步骤八中，od600模型和乳糖模型建模波段选择为1000-1410nm、1500-1600nm，甘油模型建模波段选择为1000-1600nm。
24、进一步地，所述步骤八中，采用ias cal-box建模软件及pls算法对近红外光谱谱段进行回归分析计算得到拟合方程。
25、在本专利技术中，所述“第一”、“第二”仅用于区分不同位置或不同特征的同类组件/部件。
26、本专利技术的有益效果：
27、本专利技术通过设置发酵罐与红外光谱分析仪的结合装置结构，实现了通过在线采集发酵本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于近红外光谱的大肠杆菌发酵在线检测装置，用于检测大肠杆菌的发酵过程，其特征在于，所述大肠杆菌发酵在线检测装置包括：
2.根据权利要求1所述的一种基于近红外光谱的大肠杆菌发酵在线检测装置，其特征在于，所述蠕动泵与所述流通池之间设有三通管，所述三通管具有第一通口、第二通口和第三通口，所述第一通口、所述第二通口分别由管路连接所述蠕动泵、所述流通池，所述第三通口连接可调节的气体流量计，所述气体流量计能够使得发酵液内的气泡通过第三通口排出且发酵液不通过第三通口。
3.根据权利要求2所述的一种基于近红外光谱的大肠杆菌发酵在线检测装置，其特征在于，所述流通池具有玻璃视窗，所述透射式光源能够通过所述玻璃视窗形成光源透射；
4.根据权利要求3所述的一种基于近红外光谱的大肠杆菌发酵在线检测装置，其特征在于，所述近红外光谱分析仪引出有穿入所述流通池的第一光纤探头和第二光纤探头，所述第一光纤探头连接并引出设置在所述近红外光谱分析仪的透射式光源。
5.根据权利要求4所述的一种基于近红外光谱的大肠杆菌发酵在线检测装置，其特征在于，所述透射式光源是积分
6.一种基于近红外光谱的大肠杆菌发酵在线检测方法，应用权利要求5所述的一种基于近红外光谱的大肠杆菌发酵在线检测装置，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
7.根据权利要求6所述的一种基于近红外光谱的大肠杆菌发酵在线检测方法，其特征在于，所述步骤二中，近红外光谱波长范围选择900-1650nm，采集间隔为5min；所述步骤三中，每隔2h进行一次取样。
8.根据权利要求7所述的一种基于近红外光谱的大肠杆菌发酵在线检测方法，其特征在于，所述步骤四中，OD600通过分光光度法进行测量，乳糖浓度和甘油浓度通过高效液相色谱法进行测定；所述步骤七中，OD600模型使用一阶导数法对近红外光谱数据预处理，甘油模型使用窗口宽度为13的移动平滑法对近红外光谱数据预处理，乳糖模型无需对光谱进行预处理。
9.根据权利要求8所述的一种基于近红外光谱的大肠杆菌发酵在线检测方法，其特征在于，所述步骤六中，校正集和验证集比例为4:1；所述步骤八中，OD600模型和乳糖模型建模波段选择为1000-1410nm、1500-1600nm，甘油模型建模波段选择为1000-1600
10.根据权利要求9所述的一种基于近红外光谱的大肠杆菌发酵在线检测方法，其特征在于，所述步骤八中，采用IAS Cal-Box建模软件及PLS算法对近红外光谱谱段进行计算得到拟合方程。
...【技术特征摘要】
1.一种基于近红外光谱的大肠杆菌发酵在线检测装置，用于检测大肠杆菌的发酵过程，其特征在于，所述大肠杆菌发酵在线检测装置包括：
2.根据权利要求1所述的一种基于近红外光谱的大肠杆菌发酵在线检测装置，其特征在于，所述蠕动泵与所述流通池之间设有三通管，所述三通管具有第一通口、第二通口和第三通口，所述第一通口、所述第二通口分别由管路连接所述蠕动泵、所述流通池，所述第三通口连接可调节的气体流量计，所述气体流量计能够使得发酵液内的气泡通过第三通口排出且发酵液不通过第三通口。
3.根据权利要求2所述的一种基于近红外光谱的大肠杆菌发酵在线检测装置，其特征在于，所述流通池具有玻璃视窗，所述透射式光源能够通过所述玻璃视窗形成光源透射；
4.根据权利要求3所述的一种基于近红外光谱的大肠杆菌发酵在线检测装置，其特征在于，所述近红外光谱分析仪引出有穿入所述流通池的第一光纤探头和第二光纤探头，所述第一光纤探头连接并引出设置在所述近红外光谱分析仪的透射式光源。
5.根据权利要求4所述的一种基于近红外光谱的大肠杆菌发酵在线检测装置，其特征在于，所述透射式光源是积分球卤钨灯光源。
6.一种基于近红外光谱的大肠杆菌发酵在线检测方法，应用权利要求5所述的一种基于近...
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