摇瓶培养中粘度和氧传递速率的同步在线监测技术开发与应用

本研究针对摇瓶培养中粘度在线监测技术缺失的难题，开发了ViMOS（Viscosity Monitoring Online System）系统，实现了最高120 mPa·s粘度的八通道并行监测。通过结合RAMOS（Respiratory Activity Monitoring System）技术，首次在丝状真菌（Trichoderma reesei）和细菌（Paenibacillus polymyxa/Xanthomonas campestris）培养中同步获取氧传递动力学与流变学数据，为高粘度生物工艺的优化和放大提供了创新工具。

　　

在微生物发酵领域，摇瓶培养因其操作简便、成本低廉而成为早期工艺开发的主力军。然而，当遇到高粘度培养体系——比如生产生物聚合物的细菌或丝状真菌时，传统方法面临巨大挑战：粘度变化会显著影响混合效果和氧传递效率，但现有技术无法实现实时监测。研究人员不得不频繁取样进行离线检测，不仅效率低下，还可能因中断培养过程而影响实验结果。这种"盲人摸象"式的操作严重制约了生物工艺的开发效率。

针对这一瓶颈，来自德国亚琛工业大学的René Hanke、Michaela Sieben等研究者开发了ViMOS系统，其创新性在于通过光学方法捕捉摇瓶中液体前沿角θ的变化，建立与粘度的定量关系。这项发表于《Journal of Biological Engineering》的研究，首次实现了丝状真菌培养的在线粘度监测，将细菌胞外多糖生产的监测上限提升至120 mPa·s，为复杂生物体系的工艺优化提供了全新视角。

关键技术方法包括：1）基于近红外透射光检测的ViMOS系统，通过LED（950 nm）和红外探测器捕捉液体分布；2）RAMOS技术实时监测氧传递速率（OTR）；3）采用锥板流变仪进行离线粘度验证；4）通过相数（Ph）计算预测"失相"临界点；5）硝酸处理保证玻璃瓶亲水性。

在线粘度测量原理验证

研究团队通过PVP（聚乙烯吡咯烷酮）模型溶液验证了液体前沿角θ与粘度的定量关系。当摇瓶旋转时，液体因惯性滞后形成特征角度，高粘度溶液（如64.1 mPa·s PVP）的θ角比水（1.2 mPa·s）延迟达50°。通过建立η_app=?(θ-c)/a的校准模型，系统可覆盖0.9-200.6 mPa·s的粘度范围。

关键操作参数的优化

研究发现玻璃瓶的制造差异会导致θ角测量偏差达5°。通过20%硝酸煮沸处理45分钟，使瓶壁保持稳定亲水性，将高粘度（135.7 mPa·s）测量的重现性误差从15.3°降至2.2°。固定瓶体方位和采用八联平行检测装置进一步提高了数据可靠性。

微生物培养应用验证

在Xanthomonas campestris（野油菜黄单胞菌）培养中，ViMOS准确捕捉到黄原胶生产导致的粘度跃升（3→28 mPa·s），与离线流变数据误差<5%。当粘度达9 mPa·s时，OTR出现反常升高，证实了液体膜增厚对氧传递的暂时增强效应。

对Paenibacillus polymyxa（多粘类芽孢杆菌）的监测则揭示了氮限制触发胞外多糖降解的现象：粘度在12.5小时达176 mPa·s峰值后，因菌体利用多糖作为碳源而回落至88 mPa·s。虽然120 mPa·s以上数据与流变仪存在20%偏差，但成功预警了相数Ph<1.26的"失相"风险。

丝状真菌监测突破

首次应用于Trichoderma reesei（里氏木霉）培养时，系统清晰记录了菌丝生长导致的粘度变化（0.9→6.0 mPa·s），与菌体生长期OTR曲线高度吻合。尽管丝状体系无法用传统流变仪验证，但Ph>1.26的数据证实全程保持"同相"状态。

这项研究的意义在于：1）建立了首个适用于丝状微生物的在线粘度监测方案；2）通过双参数（OTR+η_app）关联揭示了高粘度培养的传质特性；3）为生物聚合物生产和真菌形态调控提供了新研究工具。未来通过CFD（计算流体力学）建模优化校准算法，有望将监测范围扩展至更高粘度体系。正如作者指出，这种"不干扰培养过程"的监测理念，或将重塑微生物工艺开发的基础研究范式。