数据创新丨里氏木霉发酵工艺优化-产量提升及泡沫异常处理
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作者:T&J
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发布时间: 2025-09-09
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里氏木霉在进行高密度发酵培养时，常出现泡沫异常甚至溢液的情况。为解决这一问题，同时提升酶活力和产物量，实验人员从培养基成分、补料策略等方向对其发酵工艺进行优化。
通过使用粗小麦麸皮以及对补料策略进行调整，解决了泡沫异常问题的同时保持菌体的快速生长繁殖。实验同时验证了不同种子来源对于结果的影响。
最终，添加粗小麦麸皮、摇瓶来源种子、采用UDF用户自定义功能补料的组合促进了微生物生长，在 145 h时达到最大生物量（442.9 g/L）。而添加粗小麦麸皮、摇瓶来源种子、采用时间序列补料策略的组合促进了纤维素酶的积累。在145h时，酶活力达到60.096 U/mL。
里氏木霉在进行高密度发酵培养时，常出现泡沫异常甚至溢液的情况。为解决这一问题，同时提升酶活力和产物量，实验人员从培养基成分、补料策略等方向对其发酵工艺进行优化。
通过使用粗小麦麸皮以及对补料策略进行调整，解决了泡沫异常问题的同时保持菌体的快速生长繁殖。实验同时验证了不同种子来源对于结果的影响。
最终，添加粗小麦麸皮、摇瓶来源种子、采用UDF用户自定义功能补料的组合促进了微生物生长，在 145 h时达到最大生物量（442.9 g/L）。而添加粗小麦麸皮、摇瓶来源种子、采用时间序列补料策略的组合促进了纤维素酶的积累。在145h时，酶活力达到60.096 U/mL。
首先在Intelli-Ferm mini 5L平行生物反应器进行预实验，并根据结果调整补料策略和培养基配方。之后在4联CloudReady 1.5L云平台生物反应器进行两批次正式实验（图2）。
表1 CloudReady两批次工艺控制条件
结果显示，调控补料速度及使用粗小麦麸皮，均可以降低里氏木霉表达蛋白时的起泡量，防止泡沫异常、溢液现象产生。同时，发酵过程补料智能控制对活力和生物量的提升均有帮助。
本次工艺优化的关键在于补料策略的设计和选择
补料策略触发条件的设置
使用D2MS Pro软件的高级过程控制（Advanced process control，APC），对本次实验的补料策略的触发进行设置。
补料触发条件为：
DO先下降至35%，后回升至40%，或者，pH回升至4.7。
执行的控制器：
DO设定值改为20%、开启补料、pH值关联酸泵。
不同补料策略的设计和选择
本次共设计三种补料策略（图3、图4），分别是时间序列（图3 BC）、关联DO PV值（图3 D）和通过用户自定义功能（UDF，User-Defined Functions）（图4）对补料速度进行调控。
图3 补料策略设置（A：预实验Intelli-Ferm mini 5L罐的时间序列补料；B：正式实验CloudReady 1.5L罐的时间序列1补料；C：CloudReady 1.5L罐的时间序列2补料；D：正式实验CloudReady 1.5L罐关联DO PV值补料）
本次实验使用D2MS Pro设备和数据管理系统，通过软件内置高级过程控制（Advanced process control，APC）和用户自定义功能（UDF，User-Defined Functions），实现自动化智能补料。
APC是一种采用先进控制策略和技术对生物工艺过程进行优化和改进的控制方法。通过实时监测和分析工艺过程的关键参数，预测未来过程变量的发展趋势，并基于此提供精确的控制策略。这种动态控制方法能够根据实际情况自动调整控制策略，显著提高生产效率和产量。
UDF允许用户设置自己的控制逻辑，通过设定条件与计时器，实现更精细的生物过程控制。这种灵活性使得UDF能够满足特定工艺的独特需求。UDF可以用于实现创新的补料控制策略，如基于代谢速率动态调整补料速率，或根据多个参数的综合反馈进行智能补料决策。
未来，数据驱动将成为生物制造领域 “降本增效、突破产业化瓶颈” 的核心竞争力，推动更多生物产品从实验室走向市场。迪必尔也将为用户带来更多自动化智能化的工艺解决方案。
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原文已发表在中国生物制品学杂志，原文链接
https://doi.org/10.13200/j.cnki.cjb.004512
原文作者：应用技术与工程研究中心 管志欣
