发布日期：2026-06-04 10:51:43 生物发酵是生物制造产业的核心工艺，广泛应用于医药、食品、化工、农业等诸多领域。发酵过程中微生物的代谢状态、底物消耗、产物合成速率直接决定生产效率与产品质量，传统离线取样检测方式存在滞后性、操作繁琐、易污染体系等问题，难以适配现代化连续化发酵生产需求。
在线监测技术可实现发酵体系无间断、实时化、原位化检测，快速捕捉产物浓度动态变化，为发酵工艺参数精准调控提供数据支撑。现阶段多款成熟的在线监测技术已应用于发酵生产，其中在线拉曼技术凭借突出的检测优势，成为发酵产物浓度监测的主流技术之一。本文系统介绍各类发酵产物浓度在线监测技术，重点剖析在线拉曼技术的技术体系与应用价值。
生物发酵产物浓度在线监测，是依托过程分析技术，在不中断发酵生产流程、不破坏发酵体系完整性的前提下，实时采集发酵液中目标产物、底物及中间代谢产物的浓度数据，动态反馈发酵进程的检测技术体系。该技术打破了传统离线检测的时空限制，能够持续追踪微生物代谢变化，及时发现发酵过程中的异常波动，助力工艺优化、能耗控制与品质管控。
当前工业化发酵生产对在线监测技术提出多项核心要求，包括检测实时性、体系无损性、抗环境干扰性、多组分同步检测能力以及长期运行稳定性。发酵体系属于复杂水相体系，包含微生物菌体、各类营养底物、代谢产物、杂质颗粒等多种组分，温度、溶氧、pH值的动态波动也会对检测结果产生影响，这就要求在线监测技术具备良好的环境适应性与检测精准度。
目前常用的生物发酵产物浓度在线监测技术包含光谱类、电化学类、色谱类等多个技术品类，不同技术的检测原理、性能特点、适用场景存在明显差异。其中光谱类技术凭借无损检测、响应速度快、无需试剂辅助等优势，应用范围最为广泛，而在线拉曼光谱技术是光谱类在线监测技术中适配性极强的核心技术。
在线拉曼光谱技术是基于分子振动散射效应的原位光谱检测技术，依托独特的分子指纹识别特性，可实现生物发酵体系中多类产物、底物的实时在线定量检测，是当前生物发酵过程监测中综合性能优异的技术手段，适配绝大多数液态发酵体系的连续监测需求。
1、技术基本原理
在线拉曼技术的核心原理为拉曼散射效应，属于光与物质分子相互作用产生的非弹性散射现象。当特定波长的单色激光通过浸入发酵液的原位探针照射发酵体系时，大部分入射光子与发酵液分子发生弹性碰撞，产生波长无变化的瑞利散射，仅有小部分光子与分子的化学键发生能量交换，引发分子振动、转动能级跃迁，形成波长发生偏移的拉曼散射光。
不同物质分子的化学键结构、官能团组成存在固有差异，对应的拉曼散射光频率偏移量、光谱峰位、峰强均具备专属特征，形成独一无二的分子指纹光谱。通过实时采集发酵液的拉曼光谱信号，结合化学计量学算法建立定量模型，即可精准解析光谱数据对应的目标产物浓度数值，实现无间断在线检测。
该技术无需对发酵液进行取样、稀释、预处理，可直接通过原位探针完成实时检测，全程不破坏发酵体系的微生物生长环境与物料状态，完全适配连续化发酵生产的监测需求。
2、核心技术优势
第一，水体干扰极低，适配发酵水相体系。生物发酵体系以水溶液为主要介质，水分子的光谱干扰是多数光学检测技术的主要误差来源。拉曼光谱对水分子的信号响应极弱，几乎不受水体背景干扰，能够有效规避发酵液中水分带来的检测偏差，保障复杂水相体系中产物浓度检测的稳定性与准确性。
第二，多组分同步检测，检测效率较高。单次光谱采集可同时捕捉发酵液中多种底物、主产物、副产物的特征光谱信号，能够同步完成葡萄糖、氨基酸、有机酸、醇类、抗生素等多类物质的浓度检测，无需分批次检测，大幅提升发酵过程多参数监测效率，适配复杂代谢体系的动态监测。
第三，无损无耗材，运行成本可控。在线拉曼检测为纯光学物理检测方式，无需添加化学试剂、无需标记微生物与代谢产物，不存在试剂消耗与二次污染问题。原位探针可长期稳定运行，日常维护流程简单，长期连续运行的综合成本具备明显优势，适配工业化大规模发酵生产。
第四，响应速度快，实时反馈性强。光谱信号采集与数据解析流程耗时短，可实现秒级数据输出，能够实时捕捉发酵过程中微生物代谢速率波动、产物合成峰值、底物消耗拐点等关键变化，为发酵工艺参数的即时调控提供精准数据支撑，有效解决传统检测方式的滞后性问题。
第五，抗干扰能力突出。针对发酵液中菌体颗粒、微量杂质、轻微浊度变化等干扰因素，拉曼光谱可通过算法优化完成信号降噪处理，有效过滤无效干扰信号，在复杂浑浊的发酵体系中仍可保持稳定的检测性能。
3、技术应用要点
在线拉曼技术的检测精度依赖于定量模型的适配性，在正式投入生产监测前，需结合具体发酵体系的物料特性、浓度区间、环境参数，构建专属的化学计量学定量模型，并通过持续的数据校准优化模型精度，适配不同发酵工艺的检测需求。
原位检测探针的安装与维护直接影响检测稳定性，探针需适配发酵罐的无菌生产要求，安装过程严格遵循无菌操作规范，避免引入杂菌污染。长期运行过程中，需定期清洁探针光学端面，去除菌体附着、物料残留，保障激光发射与光谱采集的稳定性。
同时，需结合发酵过程的温度、搅拌速率、通气量等工艺参数波动，对光谱数据进行动态修正，抵消环境参数变化带来的微小信号偏差，保障全程检测数据的一致性与可靠性。该技术可广泛应用于微生物发酵、细胞培养、酶催化转化等各类生物制造过程的产物浓度监测。
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。
在线近红外光谱技术是基于分子含氢基团振动吸收的光学检测技术，也是发酵领域应用较早的在线监测技术之一。该技术利用近红外光照射发酵液，通过检测光的吸收、透射强度变化，结合定量算法解析产物与底物浓度，实现连续在线监测。
该技术的核心特点是检测速度快、设备集成度高、操作便捷，可实现无损在线检测，能够满足常规发酵产物的批量监测需求。设备结构简单，适配各类发酵罐的原位安装改造，初期设备投入成本相对可控，在常规食品发酵、普通化工发酵领域应用广泛。
其技术局限性较为明显，水分子在近红外波段存在较强的吸收干扰，发酵液的水体背景会对目标产物的光谱信号造成覆盖，容易引发检测误差。同时该技术光谱信号重叠度较高，多组分同步检测的分辨率有限，难以精准区分结构相近的代谢产物，仅适用于组分相对简单的发酵体系监测。
在线电化学监测技术依托电极传感原理，通过检测发酵液中目标物质引发的电位、电流、电导等电学参数变化，实现产物浓度的定量检测，属于针对性极强的专一性在线检测技术。
该技术设备结构简易、响应灵敏、运行稳定，针对葡萄糖、乳酸、溶氧、氢离子等特定物质的检测精度较高，抗复杂组分干扰能力强，适合单一核心产物的定点实时监测。设备维护便捷，运行能耗较低，适配中小型发酵生产线的常态化监测。
该技术的短板在于检测通用性不足，单一电极仅能对应一种目标物质，无法实现多组分同步检测。电极长期浸泡在发酵液中，易受菌体吸附、物料沉积影响，出现传感性能衰减问题，需要定期校准与更换，长期连续运行的维护工作量较大，难以适配多组分复杂发酵体系的全面监测需求。
在线色谱监测技术主要包含高效液相色谱、气相色谱两类在线检测体系，通过自动取样、分离、检测一体化流程，实现发酵产物浓度的精准在线分析。其原理是利用不同物质在色谱柱中保留时间的差异，完成组分分离，结合检测器信号完成定量检测。
该技术的核心优势是检测精度高、分辨率强，可精准区分结构相似的微量代谢产物，适用于高端生物医药发酵、精细生物化工等对检测精度要求较高的生产场景，能够精准捕捉微量副产物的浓度变化。
该技术存在明显的应用局限，设备集成体积大、自动化流程复杂、检测响应周期较长，无法实现秒级实时监测。同时设备运维成本高，需要定期更换色谱柱、流动相等耗材，且自动取样流程存在轻微污染风险，难以适配超大规模连续化发酵生产的实时监测需求，多作为精准校准检测手段使用。
在线紫外可见光谱技术基于物质分子对紫外可见光的选择性吸收特性开展检测，发酵体系中多数含共轭结构的代谢产物可产生专属吸收光谱，通过吸光度数值变化即可定量分析产物浓度。
该技术设备成本低、检测速度快、操作简单，对于核酸、蛋白质、部分抗生素、色素类发酵产物具备良好的检测效果，在基础生物发酵监测中应用普遍。检测流程无需复杂预处理，可实现连续在线数据采集。
该技术的局限性在于选择性较差，发酵液中多种杂质、中间产物会产生光谱重叠干扰，容易导致检测结果偏差。仅适用于特征吸收峰清晰、杂质干扰少的发酵体系，复杂代谢体系的监测精度难以保障，通常作为辅助监测技术配合主检测设备使用。
综合各类在线监测技术的性能特征，不同技术的适配场景存在清晰差异。在线拉曼光谱技术在多组分检测、抗水体干扰、无损实时监测、长期稳定性等方面具备综合优势，兼顾检测精度与实时性，适配绝大多数中高端、复杂化、连续化的生物发酵生产场景，是目前综合性能最为均衡的在线监测技术。
在线近红外光谱技术更适合组分简单、检测精度要求适中的常规发酵生产，性价比优势突出；在线电化学技术适用于单一参数精准监测的场景，作为辅助监测手段效果良好；在线色谱技术主打高精度微量检测，适用于高端精细化检测场景，无法满足实时连续监测需求；在线紫外可见光谱技术成本低廉，适合基础、低干扰发酵体系的简易监测。
第一，匹配发酵体系复杂度。组分复杂、代谢产物多样的发酵体系，优先选择多组分同步检测能力强、抗干扰性好的在线拉曼技术；组分单一、代谢流程简单的基础发酵体系，可选用成本更低的近红外、紫外可见光谱技术。
第二，贴合生产精度需求。高端生物医药、精细生物制造等高精度生产场景，可搭配在线拉曼技术与在线色谱技术协同检测；常规食品、普通化工发酵生产，采用光谱类常规在线技术即可满足需求。
第三，适配连续生产需求。大规模连续化发酵生产线，优先选用无损、无耗材、低维护、实时响应的在线拉曼技术，保障生产流程的连续性与监测数据的稳定性；间歇性、小批量发酵生产可灵活选用电化学、紫外可见光谱等简易检测技术。
随着生物制造产业向智能化、精准化、连续化方向升级，发酵产物浓度在线监测技术也在持续迭代优化。整体发展趋势聚焦于高精度、多参数、原位化、智能化，逐步替代传统离线检测与滞后式调控模式。
在线拉曼技术将成为未来发酵监测的核心发展方向，技术迭代主要集中在微型化探针优化、抗干扰算法升级、多场景通用定量模型构建等方面。通过光学器件集成优化，进一步缩小探针体积，适配小型发酵罐、微型生物反应器的监测需求；通过人工智能算法赋能，实现光谱信号的智能降噪、自动校准与故障识别，进一步提升复杂发酵体系的检测稳定性与精准度。
同时，各类在线监测技术逐步走向融合联用，通过拉曼光谱技术与电化学传感技术的协同搭配，实现多维度、全覆盖的发酵参数监测，兼顾实时性、精准度与全面性。此外，在线监测系统与发酵智能控制系统的深度联动，可实现检测、分析、调控一体化闭环控制，推动发酵生产从经验化调控向数据化、智能化调控转型。
耗材式、滞后式的传统检测模式将逐步被替代，无耗材、原位实时、智能分析的光学在线监测技术，会逐步成为生物发酵工业的标准化监测配置，助力生物制造产业的提质增效与工艺优化。
结语：
生物发酵产物浓度在线监测是现代化生物制造工艺优化的关键支撑，各类在线监测技术各有特性、适配不同生产场景。其中在线拉曼光谱技术凭借抗水体干扰、多组分同步检测、无损实时、低运维成本等多重优势，突破了传统在线监测技术的诸多局限，适配绝大多数复杂发酵体系的连续监测需求，具备极强的应用价值与发展潜力。
