基于SERS在线检测技术的CPC发酵生产过程监测及反馈控制优化研究

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项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    21878339
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    66.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    B0805.过程强化与化工装备
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2022-12-31

项目摘要

Optimization of operational conditions and parameters is the most straightforward pathway to improve the efficiency of fermentation process. Compared to the optimization process based on the modeling and prediction of macroscopic environment conditions and kinetic parameters of fermentation, real-time online detection of intermediates, by-products and product along with concurrently monitoring the fermentation at molecular level in chemical reaction usually provides the superior accuracy. Therefore, in this proposal, a molecular spectroscopy technology – surface enhanced Raman spectroscopy (SERS) is introduced to detect the components in fermentation liquor. An online detection platform will be developed for continuous and real-time SERS data collection from the fermentation liquor of cephalosporin C (CPC) produced by Cephalosporins acremonium. Moreover, based on the obtained SERS data, a prediction model will be built for predicting the concentrations of intermediates, by-products and product in fermentation liquor, and thus realizing continuous online detection of the components concentrations during fermentation process. The optimized fermentation conditions and parameters at different physiological stages of Cephalosporins acremonium will be generalized and rationalized based on the real-time detection data of the concentrations of target components. It will serve as accurate references for regulating operational conditions and parameters, and the fermentation productivity of CPC can be significantly improved at low costs. With the real-time and online detection of intermediates, by-products and product in fermentation liquor, mass equilibrium algebraic equation and metabolic network model of CPC production by Cephalosporins acremonium will be formulated, and the inherent mechanism and characteristics will be studied. The whole research work would provide a new perspective and technology for the on-line detection and feedback-control in biochemical engineering, which could promote and facilitate the studies on biochemical engineering and related subjects.
发酵过程操作条件及参数优化是提高发酵生产效率最直接的途径。相比基于宏观环境条件和动力学参数建模预测及寻优的优化方法,基于中间体、副产物及产物浓度实时在线检测、从化学分子反应水平对发酵过程进行监控,从而实现操作条件及参数优化的方法具有更高的准确性。基于此,本项目将分子光谱测试技术-表面拉曼增强(SERS)引入至发酵液的检测中,构建顶头孢霉菌发酵生产头孢菌素C(CPC)发酵液实时、连续、在线SERS数据采集平台,建立基于SERS数据预测发酵中间体、副产物及产物浓度的化学计量学模型,实现发酵液成分浓度的连续在线检测;归纳最优发酵操作条件及宏观环境参数,提供反馈补料及参数优化控制,以提高发酵生产效率;并依此构建发酵生产CPC的物料平衡代数方程及代谢网络模型,把握发酵生产CPC过程的内在本质和特征。本项目的完成将为生物化工过程在线检测与反馈控制提供新思路与新技术,促进生化工程及相关学科的发展。

结项摘要

发酵过程操作条件控制及参数优化是提高发酵生产效率最直接的途径。相比基于宏观环境条件和动力学参数建模预测及寻优的过程控制优化方法,基于中间体、副产物及产物浓度实时在线检测,从生物化学分子反应水平对发酵过程进行监控,从而实现操作条件及参数优化的方法具有更高的准确性。因此,本项目提出了基于表面增强拉曼光谱(SERS)在线检测技术的发酵生产过程监测及反馈控制优化策略。以自过滤复合SERS基底构建连续在线SERS检测系统,将SERS检测结果与化学计量学建模预测耦合,实现发酵液的实时在线检测方法;基于此,项目首先设计制备了“石榴状”等离子体纳米反应器、等离子体胶体金超颗粒、接枝三种“捕获器”的等离激元超表面等新型功能化SERS基底,并以此构建了复杂体系中多组分痕量物质的检测平台;同时结合高效液相色谱和高速逆流色谱等分离分析技术,建立了筛选和分离复杂发酵液样本中微量成分的实时在线联用技术;利用SERS检测平台建立光谱数据集,建立了基于机器学习算法的发酵液成分识别与定量预测模型,反馈最优操作条件及发酵参数。上述研究结果为多功能SERS基底的制备、实时在线联用检测技术的建立及其应用于发酵生产过程监测与反馈控制优化提供了有益的参考,促进了化工分离分析及SERS实时在线联用新技术的探索与发展。依托于项目主体研究内容,项目还发展了复杂天然产物组分分离纯化技术和复杂生物体系中生物小分子及环境样本中有害物质的荧光、电化学、可视化快速检测方面的研究工作,促进了分析化学、制药工程等相关学科的发展。项目实施期间总计在Anal. Chem., Chem. Commun. 和Chem. Eng. J.等期刊上发表SCI论文33篇(均已标注资助),获得2020年湖南省自然科学二等奖,培养博士生5名、硕士生9名。

项目成果

期刊论文数量(33)
专著数量(0)
科研奖励数量(1)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Isotope-coding derivatization for quantitative profiling of reactive α-dicarbonyl species in processed botanicals by liquid chromatography-tandem mass spectrometry
通过液相色谱-串联质谱法对加工植物中的活性α-二羰基物质进行同位素编码衍生定量分析
  • DOI:
    10.1021/acs.jafc.1c04122
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    Journal of Agricultural and Food Chemistry
  • 影响因子:
    6.1
  • 作者:
    Meiling Wang;Yaxuan Liu;Bin Guo;Fan Zhang;Fang Chou;Ming Ma;Libin Huang;Ziwei Luo;Bo Chen;Xiaoqing Chen
  • 通讯作者:
    Xiaoqing Chen
Facile construction of a reusable multi-enzyme cascade bioreactor for effective fluorescence discrimination and quantitation of amino acid enantiomers
轻松构建可重复使用的多酶级联生物反应器,用于有效荧光区分和氨基酸对映体定量
  • DOI:
    10.1016/j.cej.2021.131975
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    Chemical Engineering Journal
  • 影响因子:
    15.1
  • 作者:
    Guangjuan Liu;Lumin Wang;Fawei Zhu;Qi Liu;Yinghui Feng;Xinyi Zhao;Miao Chen;Xiaoqing Chen
  • 通讯作者:
    Xiaoqing Chen
Single-atom Rh nanozyme: An efficient catalyst for highly sensitive colorimetric detection of acetylcholinesterase activity and adrenaline
单原子Rh纳米酶:用于高灵敏比色检测乙酰胆碱酯酶活性和肾上腺素的高效催化剂
  • DOI:
    10.1016/j.snb.2022.132972
  • 发表时间:
    2023
  • 期刊:
    Sensors and Actuators B: Chemical
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Jianping Guan;Meng Wang;Runze Ma;Qi Liu;Xiaotong Sun;Yu Xiong;Xiaoqing Chen
  • 通讯作者:
    Xiaoqing Chen
Large-scale separation of acetylcholinesterase inhibitors from Zanthoxylum nitidum by pH-zone-refining counter-current chromatography target-guided by ultrafiltration high-performance liquid chromatography with ultraviolet and mass spectrometry screening
pH区精制逆流色谱目标引导超滤高效液相色谱紫外质谱筛选从两面针中大规模分离乙酰胆碱酯酶抑制剂
  • DOI:
    10.1002/jssc.201801238
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    Journal of Separation Science
  • 影响因子:
    3.1
  • 作者:
    Liu Minzhuo;Liu Qi;Chen Miao;Huang Xueqian;Chen Xiaoqing
  • 通讯作者:
    Chen Xiaoqing
AIE-active metal-organic frameworks: facile preparation, tunable light emission, ultrasensitive sensing of copper(ii) and visual fluorescence detection of glucose
AIE 活性金属有机框架:易于制备、可调谐光发射、铜 (ii) 的超灵敏传感和葡萄糖的视觉荧光检测
  • DOI:
    10.1039/d0tc00106f
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    Journal of Materials Chemistry C
  • 影响因子:
    6.4
  • 作者:
    Xie Siqi;Liu Qi;Zhu Fawei;Chen Miao;Wang Lumin;Xiong Yu;Zhu Yuqiu;Zheng Yu;Chen Xiaoqing
  • 通讯作者:
    Chen Xiaoqing

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    2018
  • 期刊:
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  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    陈晓青;张有忱;何雪涛;李好义;魏彬;杨卫民
  • 通讯作者:
    杨卫民

其他文献

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AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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