近红外光谱结合多元统计分析实现2,3-丁二醇发酵过程的实时监测与优化

本研究针对2,3-丁二醇（2,3-BDO）发酵过程中传统离线检测耗时、无法实时调控的问题，开发了基于近红外光谱（NIRS）和偏最小二乘回归（PLS）的快速监测方法。通过对比实验室级与低成本光谱仪的性能，验证了NIRS在葡萄糖、木糖、2,3-BDO、乙偶姻和甘油多组分同步监测中的可行性，为微生物发酵的实时控制提供了高效解决方案，发表于《Biotechnology for Biofuels and Bioproducts》。

　　

微生物发酵生产高附加值化学品是生物制造的核心领域，但过程监控的滞后性长期制约效率提升。以2,3-丁二醇（2,3-BDO）为例，这种平台化学品可通过Zymomonas mobilis发酵糖类合成，但其代谢路径复杂：溶解氧（DO）轻微波动就会引发副产物（甘油或乙偶姻）积累，传统高效液相色谱（HPLC）检测需30分钟/样本，严重延误工艺调控。如何实现多组分实时监测成为行业痛点。

美国国家可再生能源实验室团队在《Biotechnology for Biofuels and Bioproducts》发表研究，系统评估了近红外光谱（NIRS）结合偏最小二乘回归（PLS）的解决方案。研究人员采用实验室级傅里叶变换光谱仪（Thermo Antaris II）和低成本微机电光谱仪（NIRONE S2.5），分别建立离线（过滤样本）和在线（光纤探头浸入发酵罐）监测模型，覆盖500 mL至10 L不同规模发酵体系。通过标准品验证各组分特征光谱后，利用194次发酵实验的1332组样本构建预测模型，并与HPLC数据比对验证准确性。

主要技术方法
研究分三阶段推进：① 可行性验证阶段：采集40组人工配制样本的NIRS数据，建立初始PLS模型；② 离线模型优化：对700组发酵样本进行光谱采集，采用标准正态变换（SNV）和Savitzky-Golay滤波预处理数据；③ 在线监测验证：通过光纤探头实时获取500 mL和10 L发酵罐光谱，评估模型跨规模适用性。所有数据均通过留一法交叉验证和独立验证集测试。

研究结果

Feasibility test results
纯组分光谱分析显示，2,3-BDO在组合频段（4800-4000 cm^-1
）信号强度比葡萄糖高10倍，初始PLS模型对5组分的预测误差（RMSECV）仅0.87-1.78 g/L，证实多组分同步监测可行性。

Primary analytical data distributions
发酵数据呈现典型偏态分布：2,3-BDO浓度因工艺优化呈现右偏（最高达120 g/L），而副产物甘油因早期终止实验集中低值区。葡萄糖与木糖的代谢差异导致前者浓度分布更陡峭。

At-line model predictions
实验室级光谱仪的离线模型表现最优，独立验证集预测误差（RMSEP）<4 g/L。低成本仪器因信噪比低（水光谱噪声达4.8倍）性能下降，但2,3-BDO预测仍满足趋势监控需求。值得注意的是，截取组合频段数据反而提升2,3-BDO预测精度，表明该区域包含关键特征信号。

On-line model predictions
在线监测虽受悬浮菌体干扰，但成功捕捉到10 L发酵罐的异常事件：34小时进料中断时，模型实时显示木糖主导代谢导致的乙偶姻激增，指导操作员恢复条件后2,3-BDO产量回升。跨规模验证误差增大主因是探头几何尺寸差异导致的光程变化。

结论与意义
该研究首次将NIRS-PLS技术应用于2,3-BDO发酵全过程监控，突破性地实现五组分同步测定。实验室级仪器离线模型精度接近HPLC，而低成本设备可作为经济型替代方案。在线监测虽需应对更复杂基质，但能实时预警代谢路径偏移，为自动化控制奠定基础。作者提出的"可行性验证-离线建模-在线部署"框架，为生物过程分析技术（PAT）开发提供了普适性方法论。未来通过集成更多规模数据与先进算法，有望建立适应工业级反应器的智能监控系统。