Enhancing and monitoring spore production in Clostridium butyricum using pH‐based regulation strategy and a robust soft sensor based on back‐propagation neural networks

丁酸梭菌 发酵 孢子 软传感器 化学 生物系统 生物化学 生物 微生物学 过程(计算) 计算机科学 操作系统
作者
Feng Xu,Wenxiao Zhang,Yonghong Wang,Xiwei Tian,Ju Chu
出处
期刊:Biotechnology and Bioengineering [Wiley]
卷期号:121 (2): 551-565 被引量:5
标识
DOI:10.1002/bit.28597
摘要

Abstract Clostridium butyricum is a probiotic that forms anaerobic spores and plays a crucial role in regulating gut microbiota. However, the total viable cell count and spore yield of C. butyricum in industrial production are comparatively low. To this end, we investigated the metabolic characteristics of the strain and proposed three distinct pH regulation strategies for enhancing spore production. In addition, precise measurement of fermentation parameters such as substrate concentration, total viable cell count, and spore concentration is crucial for successful industrial probiotics production. Nevertheless, online measurement of these intricate parameters in the fermentation of C. butyricum poses a considerable challenge owing to the complex, nonlinear, multivariate, and strongly coupled characteristics of the production process. Therefore, we analyzed the capacitance and conductivity acquired from a viable cell sensor as the core parameters for the fermentation process. Subsequently, a robust soft sensor was developed using a seven‐input back‐propagation neural network model with input variables of fermentation time, capacitance, conductivity, pH, initial total sugar concentration, ammonium ion concentration, and calcium ion concentration. The model enables the online monitoring of total viable biomass count, substrate concentrations, and spore yield, and can be extended to similar fermentation processes with pH changes as a characteristic feature.
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