过程质谱仪在发酵行业中的应用

过程质谱仪在发酵行业中的应用

白松春，刘鹏，黎路

上海舜宇恒平科学仪器有限公司

发酵与人类的生活息息相关，例如在制药生产过程中，借助生物发酵技术生产、研发出药物。还有很多食品如酒、酱油、面包等也都由微生物发酵制得。在发酵过程中不同种类的微生物利用碳水化合物、蛋白质等原料，采用不同的代谢途径产生各种代谢产物[1]。在发酵过程中，尾气组分浓度的变化反映了整个发酵

过程物质的变化情况，尤其是尾气中CO

2和O

2

的变化，可以反应出发酵状态及菌

体微观生长情况[2]。为了能够有效地控制发酵，就需要获得发酵过程尾气中CO

2

和O

2

的变化信息，过程质谱仪不仅能够实时在线分析发酵过程中尾气的变化，对其偏差早期预警，还可以结合其他的在线、离线数据对发酵全过程进行更加全面的分析。因此过程质谱仪受到了国内外学者和发酵生产厂家越来越多的关注和研究，拥有广泛的发展前景。SHP8400PMS过程质谱仪不但可对发酵产生的气体进行定性定量的分析，还拥有稳定性好、准确度高和多通道等众多优点。

1 SHP8400PMS过程质谱仪的原理

SHP8400PMS过程质谱仪的基本原理是样品由进样系统进入离子源，并在离子源中被电子轰击电离成分子离子和碎片离子，即形成不同质荷比（m/z）的离子。离子束被电场引入到质量分析器，不同质荷比的离子在质量分析器中的运动轨迹不同而将离子分开，依次抵达检测器，检测系统接收离子信号并记录获得质谱图。

图 1 SHP8400PMS过程质谱仪外观图

2过程质谱仪在发酵中的优势

过程质谱仪具有定量定性能力强、灵敏度高、分析精度高、检测速度快的优势。

(1)通用型气体分析仪器，除了检测常规的O

2、CO

2

外，还能对N

2

、Ar、NH

3

、乙

醇以及其他挥发性气体进行全组分高精度的检测；

(2)不仅能够定量检测一些已知的气体，还能对未知的化合物进行全扫描，进行初步定性分析；

(3)采用多通道同时检测技术，可以同时在线检测十几路发酵罐，非常合适研究和工业生产的需要；

(4)检测灵敏度高，ppm级浓度的气体便可检出；

(5)长期稳定性好，满足发酵应用连续长时间不停机的监测需求。

3过程质谱仪在发酵中的应用

发酵过程包括大量复杂的生化反应和迁移现象。发酵过程中底物浓度、菌体浓度、产物浓度随时间变化，发酵液物料的性质，如密度、黏度、流变学特性、表面张力、氧及其他性质如扩散系数、氧饱和浓度也随时间变化。由于一系列分解代谢和合成代谢的结果，引起了温度、pH、溶解氧、氧化还原电位、排气二氧化碳和排气氧的变化。为了能够有效地控制发酵，就需要获得发酵过程变量的变化信息，对发酵过程参数的变化进行检测[3]。

发酵尾气是重要的发酵过程中间接的变量，气体在线分析获得的耗氧率和CO

2

释放率（CER）是目前最有效的生物代谢指标[4]。SHP8400 PMS过程质谱仪

可以在线的监控发酵过程尾气中的O

2和CO

2

浓度，可以获取发酵过程重要的呼吸

代谢参数，如CO

2

释放速率（CER）、摄氧率（OUR）和呼吸商（RQ）等；还可以结合其他的在线、离线数据对发酵全过程进行更加全面的分析。

近年来，尾气分析在发酵中的应用研究越来越广泛深入，这些对于深入研究发酵过程机理，摸索优化发酵工艺全面控制发酵过程具有重大意义，尤其在生物制药领域能够大大加快新品研发及产业化稳定生产提高产率[4]。例如某单位在研究恩拉霉素项目时，采用SHP8400PMS过程气体质谱仪，通过连续几批对尾气中二氧化碳、氧气的监测，对菌体的OUR、CER、RQ、菌浓以及效价和残糖的综合分析，解决了研究中的问题，最终产品效价提高了50%以上，葡萄糖的转化率由最初的6.25%，提高到了8.5%，综合成本降低了30%。

流加补料在发酵过程中可以解除底物的抑制、产物的反馈抑制和分解代谢物阻遏作用，可进一步提高发酵产量。例如某单位在研究毕赤酵母发酵工艺优化时，采用SHP8400PMS过程气体质谱仪对发酵罐尾气进行实时监测尾气中的二氧化碳和氧气，通过CER、OUR、RQ并结合发酵过程其他参数对发酵过程进行全方位分析，得出了毕赤酵母在底糖消耗阶段的最佳通气量、补料阶段极限氧以及最佳补料速率、诱导阶段极限氧以及甲醇流加速率，并且将此结果反馈到生产基地，生产基地车间针对此结果对发酵工艺进行相应调整，取得了良好的效果，提高发酵罐产能，并降低能耗。

3 结论

利用SHP 8400 PMS过程质谱仪在线的监控发酵过程尾气中的O

2和CO

2

浓度，

具有分辨率高、灵敏度好、定性定量能力强、快速等优点，目前已成为发酵实验室分析的主导方法。尾气分析技术在发酵领域应用取得了显著效果，相信随着SHP8400PMS过程质谱仪的普及，对于发酵应用的研究会更加深入并进一步推动生物产业发展。

参考文献：

[1] 梁华正，张燮，饶军，陈焕文。微生物挥发性代谢产物的产生途径及其质谱检测技术。

中国生物工程杂志，2008，28（1）：124-133。

[2] 刘仲汇，孟秀梅，朱思荣，杨艳，史建国，张绵松。尾气在线检测在海带下脚料发酵中

的应用尝试。粮食与食品工业。2009，16（6）：53-57。

[3] 高畅，高树贤，李华，沈忠勋。发酵过程检测技术。中外葡萄与葡萄酒。2002，5：56-58。

[4] 刘仲汇，史建国，朱思荣，扬艳，高广恒，李雪梅。尾气在线检测分析在发酵中的应用。

发酵科技通讯。2012， 41（4）：32-35。