发布日期：2026-06-03 09:36:54 生物发酵作为生物医药、食品化工、精细原料制造领域的核心生产工艺，微生物代谢全程伴随底物消耗、中间产物生成与目标产物累积，产物浓度变化直接关联菌种生长周期、工艺稳定性与成品品质管控。微生物生长分为调整期、对数期、稳定期、衰亡期四个阶段，稳定期是产物集中富集的关键周期，浓度监测滞后、数据偏差极易造成发酵周期失控、原料损耗等生产问题。
传统检测手段受取样流程、检测时效、操作条件约束，难以适配规模化连续生产需求，各类快速无损检测技术逐步成为行业主流发展方向。本文系统梳理当下主流发酵产物浓度快速检测路径，区分液相发酵液检测、气相尾气组分检测、前端原辅料筛查三类应用场景，拆解各类技术原理、设备架构、运行特点与适用边界，完整呈现发酵产物浓度快速检测技术体系。
传统检测以离线实验室分析为核心逻辑，依托人工取样、样品前处理、实验室仪器定量三步走完成产物浓度测定，在早期中小型间歇发酵生产中发挥基础质控作用，但伴随发酵产能扩容与精细化工艺落地，原有检测模式短板持续凸显。
1. 人工取样环节
操作人员按照既定时间节点打开发酵罐取样口，抽取定量发酵原液，取样操作需要暂停罐体密闭运行，单次取样前后需要对取样管路做灭菌消杀处理，避免外源杂菌进入发酵体系。
2. 样品前处理环节
采集后的发酵液需经过离心分离、过滤除渣、溶剂稀释、衍生化等多步预处理，去除菌体、大分子杂质、悬浮颗粒物，规避杂质干扰后续仪器读数，整套预处理工序耗时占单次检测大半周期。
3. 实验室仪器定量环节
预处理完成的样品送入理化实验室，依托高效液相色谱、气相色谱、化学滴定、酶联生化检测等设备测定目标产物浓度，单批次样品从取样到出具完整数据需要经历较长时间跨度。
1. 检测时效滞后，无法实时指导工艺调控
整套离线检测流程链路冗长，数据生成存在明显时间差，操作人员拿到浓度数据时，罐内微生物代谢状态已发生改变，无法根据实时产物浓度及时开展补料、温控、pH调节等操作，极易错过稳定期调控窗口期。
2. 取样带来体系污染与物料损耗风险
每次取样都会破坏发酵罐密闭无菌环境，取样口灭菌不到位便会引入杂菌，造成整罐发酵液染菌报废；同时取样直接消耗发酵原液，高附加值发酵产物生产场景下，持续取样会形成固定物料损耗。
3. 单批次检测参数有限，多组分监测成本偏高
多数传统检测设备单次仅能测定单一或少数几种目标产物，若需要同步监测底物、中间产物、菌体密度、副产物多项指标，需要分多次取样、搭配多种检测仪器，人力、试剂、设备运维成本同步抬升。
4. 难以实现连续全周期数据追踪
离线检测只能选取离散时间点取样，得到碎片化浓度数据，无法完整绘制产物浓度随发酵时长变化的连续曲线，不利于后续工艺迭代优化与生产数据复盘。
依托拉曼散射光谱原理搭建的原位在线检测系统，是当前发酵液产物浓度快速检测的主流方案，可直接在发酵罐内部完成多组分实时定量，规避离线取样全流程弊端，适配从实验室小试、中试到工业化量产全阶段发酵场景。
北京鉴知RS2100在线拉曼分析仪用于生物过程中多种生化参数的原位、实时、连续监测。在生物制药领域，已应用于多种生物过程分析现场，包括生物发酵、肽类药物合成、酶催化反应等。尤其在生物发酵领域，该仪器已应用于抗生素、虾青素、氨基酸等多品种的生产过程，为工艺优化以及生产调控提供智慧之眼，可与DCS联调实现自动反馈调节。
1. 拉曼散射分子识别逻辑
特定波长激光照射发酵液内各类分子时，大部分入射光子发生无频率偏移的瑞利弹性散射，少部分光子与分子化学键发生能量交换，出现频率偏移的非弹性拉曼散射。不同化学结构、官能团对应的分子具备专属拉曼位移峰位，形成独一无二的分子光谱指纹，依靠特征峰位置与峰值强度，完成物质定性与浓度定量换算。
2. 水相发酵体系天然适配优势
水分子拉曼散射信号强度极低，不会对发酵液内糖类、醇类、有机酸、氨基酸、生物色素等目标物质特征峰形成遮挡干扰，完美匹配发酵液以水溶液为基础介质的体系特点，这也是拉曼光谱相较于其他光学检测技术在含水发酵体系中落地的关键优势。
整套原位检测硬件由主机、光纤传输链路、浸入式检测探头三大部分构成，各模块协同完成激光发射、信号采集、光谱回传全流程。
1. 光谱分析主机
主机内置稳定激光器、高精度光谱检测器、信号处理模组，按照通道数量分为单通道机型与多通道切换机型，多通道机型可通过程序切换实现多台发酵罐轮换监测，优化设备投入利用率。主机设置标准化通讯接口与电源模块，可适配车间通用供电环境与工业通讯协议，设备常规运行环境温湿度区间宽泛，日常开机预热耗时短，能够快速进入稳定检测状态。
2. 光纤传输组件
特种耐损耗光纤负责将主机发射的激发激光传导至罐内探头，同时把探头采集到的散射光谱信号反向传回主机，光纤隔绝发酵罐内高温、高湿、酸碱腐蚀环境，实现主机与罐体分离布设，降低主机受生产环境侵蚀概率。
3. 浸入式光学探头
探头按照发酵罐灭菌规范做耐高温高压结构设计，可随罐体同步完成高温蒸汽灭菌，通过发酵罐预留标准法兰口插入发酵液内部，直接接触待测原液，无样品隔离、无试剂添加，实现原位无损采集光谱数据。不同规格探头可适配5L实验室小发酵罐至百立方米工业级发酵罐全品类设备。
硬件采集的原始光谱数据依托配套专业分析软件完成降噪、基线校正、寻峰、差谱预处理，软件是实现浓度快速换算与过程管控的核心载体。
1. 光谱预处理模块
自动对原始光谱做平滑去噪、剔除杂峰干扰、基线修正，消除发酵液内菌体悬浮、微小气泡、环境温变带来的光谱噪声，提升后续浓度换算准确度。
2. 定量建模模块
采用化学计量学算法搭建定量预测模型，使用已知真实浓度的梯度标准样品数据集完成离线建模，也可依托发酵全过程实时采集数据实现全自动在线自优化建模。模型建立完成后，后续采集的任意光谱可在短时间内自动换算为对应组分浓度数值。
3. 在线数据管控模块
软件实时展示葡萄糖、乳糖、乙醇、甘油、各类有机酸、菌体OD值、细胞湿重、产物效价等多指标实时浓度与变化趋势曲线；数据可通过通用工业通讯协议向外传输，对接车间DCS、PLC中控系统，为自动化补料、参数联动调控提供数据支撑；光谱原始文件、浓度结果可存储为多种通用格式，便于后续归档与工艺复盘。
1. 全流程无需取样与耗材投入
检测全程探头直接浸入原液，不用抽取发酵液、不用各类化学试剂、不用消耗一次性耗材，从源头消除取样染菌风险与试剂采购成本。
2. 单次检测速度快，多组分同步出数
单次光谱采集与多组分浓度换算可在短时间内完成，同一组光谱数据能够一次性解析底物、目标产物、副产物、生物量数十项参数，避免多仪器分次检测的繁琐操作。
3. 连续不间断监测，实现闭环工艺调控
设备可24小时不间断在线采集数据，连续生成全周期浓度变化曲线，一旦产物、底物浓度偏离工艺设定阈值，系统输出数据信号联动自控系统自动补料、调节通气量，推动发酵长期稳定在产物高产的稳定期区间。
微生物发酵消耗原料气、代谢产生二氧化碳、氢气、各类挥发性有机气体，发酵尾气组分变化是罐内菌体代谢活跃度、产物生成速率的间接表征指标，依托专用气体拉曼分析仪搭建尾气在线监测体系，同步完成原料进气与发酵尾气双向快速检测，形成气液联动的完整浓度监测网络。
鉴知RS2600气体分析仪基于激光拉曼光谱原理，可同时检测除单原子惰性气体外的所有气体，除可提供N2、O2、CO2、CH4等常规气体的监测结果，也能实现乙醇、甲醇等有机挥发性气体的实时分析，并可区分各类同位素气体，可用于监测同位素标记的代谢情况。
延续拉曼散射分子指纹识别核心机理，气态分子受激光照射后产生专属拉曼特征峰，依靠特征峰参数判定气体种类与浓度；气体检测不受样品相态限制，无需对采集气体做冷凝、除水、过滤等复杂前处理，气体样品直接通入仪器检测腔体即可完成多组分同步定量，定量量程覆盖从ppm微量级别至100%全浓度区间。
1. 气体分析主机
主机搭载大功率稳定激光器、密闭气体检测腔体、工业触控显示终端，设备整体按照工业防爆、耐温湿标准设计，配备多路标准化气路接头，可灵活对接不同管径原料气进气管道与尾气排放管路；主机集成多类型通讯接口，兼顾本地数据查看与远程中控数据传输。
2. 气路配套辅件
原料气、发酵尾气管路加装小型精密过滤器，拦截管路内微量粉尘、冷凝液，避免杂质进入仪器检测腔体损伤光学元件；气路设计管路切换阀门，依靠阀门启闭完成原料进气、发酵尾气两路样品轮换检测，实现进气杂质监测与尾气代谢组分监测同步落地。
3. 配套软件系统
软件实时展示各路气体单组分瞬时浓度、多组分小时/单日变化趋势，自动记录气体组分异常波动节点，软件内置数据存储、导出、异常预警逻辑，当气体组分变化幅度超出工艺正常区间时，系统生成提醒信息，辅助操作人员排查罐内发酵异常问题。
1. 辅助预判发酵反应终点
目标产物生成速率变化会同步体现在尾气组分波动上，通过连续监测CO₂、H₂、挥发性碳氢气体浓度变化趋势，提前预判产物富集完成节点，精准锁定放罐时间，避免提前放罐产物含量不足或延后放罐菌体自溶损耗成品。
2. 原料气品质在线筛查
原料进气实时监测可快速检出进气内微量杂质气体，不合格原料气及时切断供气，规避有害气体进入发酵罐抑制菌种活性，从进气源头保障发酵体系稳定。
3. 厌氧发酵场景专属适配
厌氧发酵无氧气持续通入，依靠氮气等惰性气体维持罐内压力，气体分析仪可全天候监测N₂、CH₄、CO、CO₂、H₂等关键气体动态变化，精准把控厌氧环境下微生物代谢节奏，补齐厌氧发酵液相检测之外的气相数据短板。
发酵产物品质高度依赖原料、药用辅料、包装物料的原料纯度，不合格原辅料入罐会造成菌种代谢紊乱、产物转化率下降，手持便携拉曼设备用于入厂物料现场快速鉴别，实现物料入库前快速放行管控，从源头降低发酵异常概率，属于发酵全链条前端浓度管控配套快速检测手段。
整机采用小型化集成设计，主机、激发光源、信号采集模组整合为单手可握持设备，选用适配多品类物料检测的激发波长，设备内置海量标准物质光谱数据库与机器学习识别算法，待测物料特征光谱采集完成后，设备自动比对数据库完成定性鉴别，短时间出具物料真伪判定结果。
设备无需拆开物料外包装，激光可穿透编织袋、塑料包装袋、玻璃瓶、塑料桶等常见包装容器直接检测内部物料，物料全程保持原有封装状态，不用取样拆包，避免拆封后物料受潮、污染、变质，同时省去取样留样的繁琐流程，仓库、备料间、生产投料车间均可现场移动检测。
1. 化学与生化原料药
各类有机酸、氨基酸、维生素、药用化学原料、酶制剂、辅酶原料等发酵常用起始物料，均可通过光谱特征完成真伪与纯度筛查。
2. 药用辅料品类
糖类、醇类、酯类、无机盐、微晶纤维素、各类高分子辅料、天然色素等发酵配方配套辅料，实现入库逐批次快速核验。
3. 包装辅材
发酵原料储运所用聚乙烯、聚丙烯类塑料包装、树脂类包材，可同步筛查材质合规性，避免包装析出杂质污染原料。
整套检测方法可匹配多国药典与数据完整性相关规范要求，设备落地阶段可配套方法学建立、专属性验证、设备验证全流程技术支撑，满足制药类发酵企业合规验收需求，适配医药发酵严苛的质量管控体系。
单独液相或气相检测仅能获取单维度发酵数据，气液一体化整合拉曼检测方案，串联原料筛查、液相原位监测、尾气在线监测三大模块，构建从原料入库到发酵放罐全流程闭环快速检测体系，是现代化发酵工厂主流建设方向。
1. 硬件组网
液相在线分析仪、气相气体分析仪、手持鉴别设备通过车间局域网完成组网，所有设备采集的原料筛查数据、发酵液产物浓度数据、尾气组分数据统一汇总至车间中控服务器，打破不同检测设备数据孤岛。
2. 软件数据互通
中控平台汇总全链条检测数据，依托多维度数据建立发酵全流程数据库，系统结合液相产物浓度变化与气相尾气波动规律，构建工艺关联模型，实现多参数联动分析，深度挖掘底物消耗、产物生成、菌体代谢、尾气排放之间的内在关联。
根据企业发酵品类、罐体规格、车间布局差异，可灵活调整设备通道数量、探头规格、气路布设方案，硬件与配套定量软件按照企业专属发酵工艺做定制优化，适配抗生素发酵、氨基酸发酵、天然活性产物发酵、酵母发酵等不同细分生产场景。
检测系统落地后，配套持续的建模优化与技术服务，伴随企业工艺迭代、菌种改良、配方调整，定期优化定量预测模型参数，保障长期检测稳定性；设备日常运维、故障排查、年度校准形成标准化服务流程，降低设备运维门槛。
