生物传感器在线分析系统的实用报告 周万里毕春元李大海刘仲汇朱思荣冯德荣 山东省科学院生物研究所,济南,250014,电话0531-2605395) 张淑虹林国健 (菱花集团济宁味精厂二分厂,济宁) SBA-60生物传感在线分析系统是"国家九五攻关″科技项目,2002年被评为国家级新产品。它适用于生物发酵和其 它生物培养过程中生化物质的在线检测和控制。对使用先进生物、信息技术改造传统发酵工业,实现低投入、高产出 的具有我国自主知识产权的发酵控制信息化工程具有重要的意义。生物传感在线分析系统通过引流采样系统实现直接 从发酵罐内取样,由分析杋器人执行发酵样品的自动稀释和自动分析操作,可以冋时实现发酵液中的谷氨酸、葡萄糖 乳酸等多种参数的测定,还可定时测定发酵液的光密度、pH等指标,整机用计算机执行结果显示、数据贮存,并具打 印功能,具有稳定性好、结果准确、可靠等优点。而且该系统的费用只有利用红外检测原理的进口在线分析系统的十 分之 本项目可用于谷氨酸发酵和其它生物技术行业。特别适用于改善目前发酵行业在自动控制方面远远落后于其它流 程工业的状况,逐步有效地过渡到计算机对生产的自动控制。因此具有很好的应用前景 用生物传感在线分析系统实现了谷氨酸200吨发酵罐的在线检测,现将结果报告如下: 蒸气 发 1、发酵样品的采集: 酵取样阀H 罐 谷氨酸的发酵液可直接从传统的取样口采 集。图1是所设计的安全采样的装置。系统工作 前,取样阀门关闭,用蒸气对整个管路系统灭菌。 电磁阀 工作时,取样阀门常开,电磁阀由SBA-60型主 接在线分析 机定时控制开闭。在电磁阀开启(几秒钟)内,发 酵罐内的发酵液依靠罐压自动压入电磁阀下面 的管路,通过U型管保留在线系统所需要发酵液 样品,在线系统开始引流采样时,电磁阀则处在 关闭状态。 通过对200吨发酵罐连续6批样品(每批操 作周期为36小时)的工作证明,此采样装置安全 操作前:取样阀关 可靠,不会发生罐内发酵液被污染现象。所设计 电磁阀开,对管路 的U型管保留的发酵液(约15毫升)足够满足 SBA-60型采样分析的需要,由于电磁阀是关闭 进行灭菌 的,罐内的发酵液既不会溢出,也不会被污染。 工作时:取样阀常开,电磁阀 而且所采的发酵液也少于常规化验所需要的样 自动运行 图1,SBA-60型在线分析系统的采样装置 2、SBA-60型在线分析系统实际测量的数据与工厂化验室结果的比较
生物传感器在线分析系统的实用报告 周万里 毕春元 李大海 刘仲汇 朱思荣 冯德荣 (山东省科学院生物研究所，济南，250014, 电话 0531-2605395) 张淑虹 林国健 (菱花集团济宁味精厂二分厂，济宁) SBA-60 生物传感在线分析系统是"国家九五攻关"科技项目，2002 年被评为国家级新产品。它适用于生物发酵和其 它生物培养过程中生化物质的在线检测和控制。对使用先进生物、信息技术改造传统发酵工业，实现低投入、高产出 的具有我国自主知识产权的发酵控制信息化工程具有重要的意义。生物传感在线分析系统通过引流采样系统实现直接 从发酵罐内取样，由分析机器人执行发酵样品的自动稀释和自动分析操作，可以同时实现发酵液中的谷氨酸、葡萄糖、 乳酸等多种参数的测定，还可定时测定发酵液的光密度、pH 等指标，整机用计算机执行结果显示、数据贮存，并具打 印功能，具有稳定性好、结果准确、可靠等优点。而且该系统的费用只有利用红外检测原理的进口在线分析系统的十 分之一。 本项目可用于谷氨酸发酵和其它生物技术行业。 特别适用于改善目前发酵行业在自动控制方面远远落后于其它流 程工业的状况，逐步有效地过渡到计算机对生产的自动控制。因此具有很好的应用前景。 用生物传感在线分析系统实现了谷氨酸 200 吨发酵罐的在线检测，现将结果报告如下： 1、发酵样品的采集： 谷氨酸的发酵液可直接从传统的取样口采 集。图 1 是所设计的安全采样的装置。系统工作 前，取样阀门关闭，用蒸气对整个管路系统灭菌。 工作时，取样阀门常开，电磁阀由 SBA-60 型主 机定时控制开闭。在电磁阀开启(几秒钟)内，发 酵罐内的发酵液依靠罐压自动压入电磁阀下面 的管路，通过 U 型管保留在线系统所需要发酵液 样品，在线系统开始引流采样时，电磁阀则处在 关闭状态。 通过对200 吨发酵罐连续6 批样品 (每批操 作周期为 36 小时)的工作证明，此采样装置安全 可靠，不会发生罐内发酵液被污染现象。所设计 的 U 型管保留的发酵液(约 15 毫升)足够满足 SBA-60 型采样分析的需要，由于电磁阀是关闭 的，罐内的发酵液既不会溢出，也不会被污染。 而且所采的发酵液也少于常规化验所需要的样 品。 图 1，SBA-60 型在线分析系统的采样装置 2、SBA-60 型在线分析系统实际测量的数据与工厂化验室结果的比较
设定在线分析系统为每小时采样一次。自动记录的参数包括谷氨酸、葡萄糖、乳酸、光密度(OD和p。用工厂化 验室的数据作对照,参数与在线分析系统基本相同。其中谷氨酸、乳酸用工厂化验室的SBA-40型分析仪来分析,都使 用山东省生物研究所的研制的酶膜。工厂还原糖测定采用传统的费林氏滴定法。有关的比较数据见表 葡萄糖指标是发酵控制的最重要的指标。涉及上一工段送来糖液的计量,菌体生长情况的分析、补糖效果的控制 和放罐控制。工厂化验室对发酵糖的化验次数较多,由于发酵初期(前六小时)糖的消耗较慢,因此,在第一次化验后 直到第6小时开始化验,间隔2小时分析一次。12小时后,开始补料,每隔一小时化验一次,直到最后放罐。SBA-60 型在线系统采用葡萄糖氧化酶法分析葡萄糖的含量。它的测定值一般低于还原糖测定值,其差别反映了发酵液中糖液 的质量。从表一的数据表明几个生化参数的测量值的差别不大。用SBA-60型在线分析系统获得的完整发酵过程图见图 时间(小时) 一一葡萄糖〓一谷氨酸一一乳酸光密度米 图2,在线分析系统获得的发酵图 工厂化验室OD(光密度)测定采用581光度计,与在线分析系统在测定光源和比色皿厚度上有一定差别(在线分 析系统以绿LED作光源),所以测得的数据绝对值也不一致,按表中数据,计算二者的相关系数,得r=0.9697,表示 二者数据具有显著的相关关系。由于工厂化验室用pH试纸进行测定记录,记录的数据靠人眼来比较,二者的数据不太 具有可比性。应当说在线分析系统记录的数据应是可信的。 结论:通过实际联机在线测试,证明了SBA-60型生物传感在线分析控制系统取样方案可靠,自动测定数据准确, 能准确地记录发酵过程的数据变化,对过程的控制具有指导意义。 表一、SBA60型在线自动分析控制系统2000年10月2号在工厂27#罐测的数据
设定在线分析系统为每小时采样一次。自动记录的参数包括谷氨酸、葡萄糖、乳酸、光密度(OD)和 pH。用工厂化 验室的数据作对照，参数与在线分析系统基本相同。其中谷氨酸、乳酸用工厂化验室的 SBA-40 型分析仪来分析，都使 用山东省生物研究所的研制的酶膜。工厂还原糖测定采用传统的费林氏滴定法。有关的比较数据见表一。 葡萄糖指标是发酵控制的最重要的指标。涉及上一工段送来糖液的计量，菌体生长情况的分析、补糖效果的控制 和放罐控制。工厂化验室对发酵糖的化验次数较多，由于发酵初期(前六小时)糖的消耗较慢，因此，在第一次化验后， 直到第 6 小时开始化验，间隔 2 小时分析一次。12 小时后，开始补料，每隔一小时化验一次，直到最后放罐。SBA-60 型在线系统采用葡萄糖氧化酶法分析葡萄糖的含量。它的测定值一般低于还原糖测定值，其差别反映了发酵液中糖液 的质量。从表一的数据表明几个生化参数的测量值的差别不大。用 SBA-60 型在线分析系统获得的完整发酵过程图见图 2。 图 2，在线分析系统获得的发酵图 工厂化验室 OD（光密度）测定采用 581 光度计，与在线分析系统在测定光源和比色皿厚度上有一定差别（在线分 析系统以绿 LED 作光源），所以测得的数据绝对值也不一致，按表中数据，计算二者的相关系数，得 r= 0.9697，表示 二者数据具有显著的相关关系。由于工厂化验室用 pH 试纸进行测定记录，记录的数据靠人眼来比较，二者的数据不太 具有可比性。应当说在线分析系统记录的数据应是可信的。 结论：通过实际联机在线测试，证明了 SBA-60 型生物传感在线分析控制系统取样方案可靠，自动测定数据准确， 能准确地记录发酵过程的数据变化，对过程的控制具有指导意义。 表一、SBA60 型在线自动分析控制系统 2000 年 10 月 2 号在工厂 27#罐测的数据
发酵 测定项目 时间[谷氨酸 乳酸 葡萄糖 p OD (h)「在线「工 在线工「 在线工 在线工「 在线工 系统化验系统化验系统化验系统化验系统化验 0.1 0.1 14715.07.70700.130.34 0.1 0.1 14.9 7647.00.160.45 0123456789 0.1 0.1 14.8 7.527.10.220.58 0.2 0.2 14.5 7197.10.310.67 0.1 0.0 14.3 694710.350.80 0.1 0.0 13.7 7.23 0.450.87 0.6 0.0 13014.07.187.20.66095 0.8 0.0 12.7 7.09720.691.00 1.2 1.70.0 0 11912.46977.20 1.00 0.0 1027187.20.761.03 10 233.00.0 3510.26.72720771.05 0.1 720.8 124.2440.10.16.57.67.147.20.831.05 13 4.8 0.1 5.3 647.607,20.851.10 14 5.4 0.0 4.6 720.851.08 15 5.7 0.0 3:8497.33720.861.07 16 6.2 6 0.0 0 3.44.77.28720.851.06 6.6 0.0 40742720841 18 7.0 0.0 9732720.84106 19 0.0 2.63.9741720.831.08 207978000.1263.773672083108 21 79 0.1 2.33.37.617.20.83108 8.2 01 317.63720.821.08 0.1 1.9 574672079103 24879.0010.1141.9737710.801.08 .4 0.1 0.5 7387.10.7 9.7 0.1 0209741700.79108 2710.010.2 010.27.69680.801.081 参考文献 1. Feng Derong, Biosensors and their application in the People' s republic of China. Advances In Biosensors, Vol 4. JAI Press INC, 1999. 289-313 2.冯德荣,朱思荣等SBA-60型四电极生物传感分析系统的研制山东科学,1998,11(2):45~49
参 考 文 献 1. Feng Derong, Biosensors and their application in the People's Republic of China. Advances In Biosensors, Vol 4.JAI Press INC., 1999.289～313 2. 冯德荣，朱思荣等 SBA-60 型四电极生物传感分析系统的研制山东科学，1998，11（2）：45～49