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自动生物反应取样器——提高微生物菌种鉴定效率的过程触发取样器

简介
美国能源生物科学研究所(EBI)的科学家们为生物能源的发展在多种领域进行了一系列的研究。EBI的工业酵母量化工程着重于全面、系统地理解并阐明细菌和酵母代谢、基因调控及应激反应等原则,帮助工程细菌和酵母菌提高来源于木质纤维素的生物燃料的生产效率[1]

 

为了实现这一目标,工业酵母量化工程的研究人员使用了一个能优化酵母菌株鉴定和筛选的平行生物反应系统和自动化生物反应取样系统的整合系统,实现了过程的自动化。

 

材料和方法
能显著减少项目时间,提高菌株鉴定和筛选效率的平行生物反应器系统与自动生物反应器取样技术的整合系统。

 

DASGIP 平行生物反应器系统
Eppendorf DASGIP 平行生物反应系统拥有先进的细菌、酵母和/或霉菌筛选功能。多台生物反应器或发酵罐的设计能满足为加快过程反应和提高产量的平行实验。多台生物反应发酵罐通过共享设备,由单独的电脑系统控制,能使实验者同时测试多个实验条件或通过仪器设备资源共享实现多个独立的实验同时进行。此外,DASGIP 平行生物反应系统的模块设计使得安装和维护更为简易,同时,还提供了与大规模生产设备相同的控制策略与精度,从而可实现过程的再生和放大(图1) [2]

 

 

DASGIP  Control*系统的软件和相关硬件具有高精度的监控能力,还具有专为小工作体积、高信息量输出、简单数据比较分析设计的控制单元。Eppendorf软件DASware® analyze利用独立平台的过程控制对象连接和嵌入(OPC)通信协议,可实现在DASGIP系统与第三方分析设备之间,包括自动生物反应器取样系统的双向整合。

 

Seg-Flow自动在线取样系统
Seg-Flow 4800自动在线取样系统(Seg-Flow系统)是一个流体及数据管理设备,其设计方案是从8个生物反应器中提取样本,并将它们输送到4个分析仪器和/或馏分收集器中。这个功能可以实现平行生物反应系统的样品收集以及实时数据分析。Seg-Flow系统中的专利技术——“分段在线取样”技术可获得广泛的样本体积容量并将其输送到距离7.6米(25英尺)以外的生物反应器中。

 

FlowWeb软件平台能控制Seg-Flow系统的各项功能,并可与各种第三方分析仪器无缝连接,因而可对重要培养过程参数(如营养、代谢产物和各种细胞测量)进行实时分析。分析完成后,Seg-Flow系统将获取并处理分析仪器的数据。FlowWeb OPC软件系统能将分析数据传输到任意一个支持OPC的数据采集与监控系统(SCADA)中,从而扩大了对生物过程培养物的实时监控能力。图2为在菌种鉴定评定过程中,EBI用于控制自动在线分段样品收集所用的Seg-Flow装置。

 

*DASGIP Control控制系统现为DASware control 5控制系统。请参考订购信息。

 


 

过程触发取样
对于计划内或计划外的过程事件,Seg-Flow系统均可响应外部SCADA或其他生物过程管理系统,如DASGIP Control/DASware软件平台,并可完成自动取样及分析。以上功能的实现需借助与OPC连接。

 

用于激活或触发Seg-Flow系统的过程事件可由用户自定义。生物过程事件包括pH、溶氧、培养诱导物、补料及其他过程控制量。用于触发Seg-Flow系统的过程事件需具备OPC数据标记装置,并需将其编程到主机SCADA或生物过程控制系统中。当过程事件被生物反应器工作站删除时,传输SCADA系统的触发数据将开始远程激活Seg-Flow系统(图3)。

 

一旦Seg-Flow系统被激活,用于样品收集或分析的样本将会自动从生物反应器中采集。当样品收集或分析完成后,数据将会通过实验室网络借助OPC传输到SCADA/生物反应管理系统中。当抽样函数以及数据传输完成后,Seg-Flow系统将恢复待机状态。从Seg-Flow系统中恢复的数据也可用于过程监测与控制。这项独特的远程控制技术可使研究人员对可能影响生产效率和/或产品质量的独特过程事件实行不间断的监控和取样。


 

结果与讨论
Seg-Flow与DASGIP平行生物反应器的整合系统
在Seg-Flow过程触发取样技术诞生之前,由于缺少能响应培养条件变化的自动触发取样技术,影响酵母应激反应及生物燃料产量的过程事件和环境状况不能被完全估计或描述。

 

通过利用OPC通信,与DASGIP并行生物反应器系统集合的Seg-Flow自动在线取样系统允许过程触发取样技术的应用(图4)。在过程触发取样中用于激活Seg-Flow系统的过程事件标记,需将其安装并编程到DASGIP Control 软件中。DASware analyze OPC客户端的建立,促进了FlowWeb OPC服务器与DASGIP Control系统的联通性。

 

过程触发取样
以连续培养的方式对两株酵母菌培养2.5天以上。利用在线光密度电极来测定生物量浓度,并以浊度仪控制回路来维持特定的生物量浓度。为响应光密度测定结果,DASGIP Control系统是否激活生物过程介质从培养罐中补料,以及用户自定义的补料体积,都是Seg-Flow取样系统的过程触发事件。


 
 
当达到设定的介质补料体积,过程触发开始的指令将通过OPC通信由DASGIP Control系统传输到Seg-Flow系统(图5)。Seg-Flow系统一旦被激活,它将从生物反应器的程控取样体积中推出,并将样本输送到FlowFraction 400 馏分收集器中。样本用离线的HPLC或其他分析仪分析之前,会一直以特定的温度保存在馏分收集器中。

 

特定发酵罐样本收集数据包括Seg-Flow样本收集开始和结束的阶段以及样品收集瓶的位置。FlowWeb软件中的所有数据都以日期和时间为标记,由FlowWEB OPC服务器传输并记录到DASGIP Control 软件中。样本收集时间与发酵生物过程信息一致,Seg-Flow激活时间(过程触发时间)与过程事件远程控制样本时间同步(图5)。并且, Seg-Flow和DASGIP系统的远程控制功能可免除夜班值守及手动取样的需要。

 

结论
DASGIP平行生物反应器整合Seg-Flow自动在线取样技术能使EBI能源生物科学研究所的研究人员实现远程控制以及酵母菌株鉴定的自动过程触发取样。将这项技术整合到高通量筛选和鉴别过程中,EBI的研究人员能更好快速地描述过程事件、参数以及反映酵母菌株基因调控的应激反应,最终提高生物燃料的生产效率。


 

 

订购信息
产品描述 产品编号
微生物适用的DASGIP平行生物反应器系统,最大气体量250 Sl/h  
Bioblock 4罐体系统 76DG04MBBB
Bioblock 8罐体系统 76DG08MBBB
Bioblock 16罐体系统 76DG16MBBB
4罐体系统,台式 76DG04MB
8罐体系统,台式 76DG08MB
16罐体系统,台式 76DG16MB
DASware control,包括电脑系统,操作软件及授权  
适用DASGIP 4罐体系统 76DGCS4
适用DASGIP  8罐体系统 76DGCS8
DASware  control专业版,包括电脑系统,操作软件及授权  
适用DASGIP 4罐体系统 76DGCSP4
适用DASGIP 8罐体系统 76DGCSP8
DASware analyze软件模块, OPC专业客户端,包括1x tunneller 授权
(如OPC DA为自动取样的分析仪)
 
适用于4罐体系统 76DWANA4P
适用于8罐体系统 76DWANA8P
适用于12罐体系统 76DWANA12P

 

Seg-Flow 4800自动在线取样系统的相关信息,FlowFraction 400分段收集器及FlowWeb软件平台的相关信息,详见http://www.flownamics.com