发布日期：2026-06-05 13:22:36 生物发酵产业是生物医药、生物化工、食品加工等领域的核心支撑产业，发酵过程是微生物代谢合成目标产物的复杂动态生化过程。效价浓度直接反映发酵体系内目标活性产物的积累量，是判定发酵阶段、调控工艺参数、保障产品质量稳定性的关键依据。
传统发酵效价检测多采用离线取样检测模式，存在检测滞后、操作繁琐、易造成发酵体系污染、无法捕捉代谢瞬时变化等问题，难以适配现代化连续化发酵生产的管控需求。
随着过程分析技术的不断迭代，多种实时在线监测技术逐步应用于发酵生产，实现效价浓度的动态、连续、无损检测，有效提升发酵工艺的可控性与稳定性。本文详细介绍各类发酵效价浓度实时监测方法，重点剖析在线拉曼技术的应用价值与技术体系。
发酵过程的微生物代谢具有动态性、复杂性与随机性特征，温度、pH值、溶氧量、底物浓度等工艺参数的细微波动，都会直接影响目标产物的合成效率与效价浓度。
实时监测技术的核心核心是摒弃传统离线抽检模式，依托自动化传感、光谱分析、智能数据分析等技术，实现发酵罐内体系的原位、连续、无干预检测，实时输出效价浓度变化数据，为工艺参数实时调节、发酵过程风险预判、生产质量稳定管控提供数据支撑。
当前发酵效价浓度实时监测技术可分为光谱类监测技术、色谱类在线监测技术、生物传感监测技术三大类别。各类技术的检测原理、硬件架构、适配场景存在明显差异，其中光谱类技术凭借无损检测、多组分同步分析、响应速度快等优势，成为现阶段应用普及度较高的监测技术，而在线拉曼光谱技术凭借独特的分子识别优势，在高精度效价浓度监测中具备突出应用价值，是当前发酵过程智能监测的重点发展方向。
（一）近红外光谱监测技术
近红外光谱监测技术是基于物质分子振动与倍频吸收原理的无损检测技术，是发酵过程常规的实时监测手段之一。该技术利用近红外波段光源照射发酵液，不同生化组分的分子化学键会产生特异性光吸收反应，形成对应的光谱特征图谱，通过对光谱数据的解析与建模，可定量分析发酵液中目标产物效价浓度、底物残留浓度、中间代谢产物含量等多项指标。
该技术的设备集成性较强，可通过光纤探头直接接入发酵设备，实现原位在线连续检测，无需取样预处理，不会对发酵体系造成污染与干扰。整体检测流程简洁，能够实现长时间不间断监测，适配规模化、连续化发酵生产场景。同时，该技术可同步监测多项发酵关键指标，实现发酵过程多参数一体化管控，有效提升生产监测效率。
从技术应用特点来看，近红外光谱技术的局限性较为明显。该技术的光谱信号易受发酵液浊度、菌体浓度、环境温度等因素干扰，检测精准度存在一定波动。同时，技术依赖前期大量样本建模，模型适配性受发酵菌种、发酵工艺、发酵体系组分影响较大，工艺调整后需要重新优化模型，适配灵活性存在一定不足，在高精度效价浓度检测场景中应用受限。
（二）在线色谱监测技术
在线色谱监测技术依托色谱分离原理，结合自动化进样与检测系统，实现发酵液组分的分离与定量检测，是发酵效价浓度精准监测的重要技术手段。该技术通过自动化取样模块定时抽取发酵液样本，经过滤、除杂等简易预处理后送入色谱分离系统，利用不同组分在固定相与流动相中的分配系数差异实现组分分离，再通过检测器将组分浓度信号转化为电信号，经系统换算后得到目标产物效价浓度数值。
在线色谱监测技术的核心优势是检测精准度高、组分分离效果好，能够有效区分发酵液中结构相近的代谢产物，规避杂质组分对效价检测的干扰，适用于高纯度发酵产物、低浓度效价指标的监测场景。技术自动化程度较高，可设定固定检测周期，实现全天候自动取样、检测、数据记录，替代人工离线检测操作，降低人工操作误差。
该技术存在一定应用短板，整体设备结构复杂，包含取样、预处理、分离、检测、数据处理多个模块，设备运维成本较高。检测流程存在一定耗时，无法实现瞬时数据输出，实时性相较于光谱技术存在差距。同时，自动化取样流程会微量消耗发酵液，长期连续运行可能对密闭发酵体系的稳定性产生轻微影响，不适用于无菌要求极高的精密发酵场景。
（三）生物传感监测技术
生物传感监测技术以生物特异性识别反应为核心原理，依托生物敏感元件与信号转换元件，实现发酵目标产物效价浓度的特异性实时检测。该技术的敏感元件多采用酶、抗体、微生物菌体等生物识别材料，可与发酵液中目标产物发生特异性生化反应，产生的物理、化学信号经转换元件转化为可识别的电信号或光信号，通过信号标定与换算得到精准的浓度数据。
生物传感技术的特异性极强，仅对目标产物产生识别反应，不受发酵液中其他杂质、中间产物的干扰，检测针对性突出。设备体积小巧、集成度高，安装调试便捷，响应速度较快，能够实现短周期连续监测，适配中小型发酵生产线及实验室发酵工艺研发场景。同时，设备运行能耗较低，运维流程简单，应用成本可控。
该技术的应用局限性较为突出，单一生物传感器仅能检测单一目标组分，无法实现多组分同步监测，若需监测发酵底物、代谢副产物、效价浓度等多项指标，需要搭载多组传感设备，系统集成复杂度较高。此外，生物敏感元件易受温度、pH值、发酵液酸碱度等环境因素影响，使用寿命有限，需要定期校准与更换，长期连续运行的稳定性不足，难以适配长周期工业发酵生产。
在线拉曼光谱监测技术是现阶段发酵效价浓度实时监测领域综合性能优异的过程分析技术，凭借无损检测、抗水环境干扰、多组分同步监测、实时性强、精准度高等多重优势，逐步替代部分传统监测技术，成为高端生物发酵、精密生物医药发酵生产的主流监测手段。该技术有效弥补了常规监测技术的短板，适配复杂发酵体系的动态监测需求，是发酵过程智能化管控的核心技术之一。
（一）在线拉曼光谱技术检测原理
在线拉曼光谱技术基于拉曼散射光学效应实现物质组分的定性与定量检测。当特定波长的激光通过光纤探头入射至发酵液体系中时，发酵液内各类分子会发生弹性散射与非弹性散射，其中非弹性散射光会产生固定的频率偏移，该偏移特征被定义为拉曼位移。不同生化分子的化学键结构、分子振动模式存在差异化特征，对应的拉曼位移、光谱峰位、峰强均具备唯一性，形成专属的分子指纹光谱。
在发酵效价监测过程中，系统通过光纤探头实时采集发酵液的拉曼光谱图谱，依托内置多元变量分析算法与预构建的校正模型，对光谱特征数据进行降噪、拟合与解析。通过匹配目标产物的特征光谱参数，精准换算出对应的效价浓度，同时可同步识别底物消耗、副产物生成、菌体代谢状态等多项关键信息，实现发酵体系多维度动态监测。
区别于其他光谱技术，拉曼光谱的信号来源为分子振动与转动能级跃迁，水分子的拉曼散射信号极弱，几乎不会对发酵液检测产生干扰，完美适配含水体系的生物发酵监测场景，无需对发酵液进行脱水、除水预处理，大幅简化检测流程，保障发酵体系的完整性与稳定性。
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。
（二）在线拉曼光谱技术系统架构
在线拉曼发酵监测系统整体结构精简，集成化程度高，主要由激光发射模块、光纤传感探头、光谱采集模块、数据处理与分析模块、实时传输与显示模块五部分组成，各模块协同工作，实现不间断实时监测。
1、激光发射模块。该模块为系统核心光源单元，可输出稳定波长、恒定功率的激发激光，激光参数可根据发酵体系特性与检测需求精准调控，保障入射光信号的稳定性，避免光源波动影响光谱采集精度，为后续精准检测奠定基础。
2、光纤传感探头。作为原位检测核心部件，探头可直接无菌接入密闭发酵罐内部，实现非接触式原位检测。探头具备良好的生物相容性与耐高温、耐腐蚀性，可适配发酵过程高温灭菌、酸碱环境波动等工况，全程无需取样、无需接触发酵菌体，不会造成体系污染，适配无菌发酵生产要求。
3、光谱采集模块。该模块负责实时捕捉发酵液散射形成的拉曼光谱信号，完成光谱信号的初步筛选与降噪处理，过滤环境杂光、设备电磁干扰等无效信号，留存有效分子光谱数据，保障原始数据的纯净度与可靠性。
4、数据处理与分析模块。模块内置专业光谱分析算法与发酵效价定量模型，可对采集的光谱数据进行实时解析、拟合与换算，快速输出目标产物效价浓度、底物浓度、代谢产物浓度等检测结果，同时自动完成数据存储与曲线绘制，直观呈现发酵过程参数变化趋势。
5、实时传输与显示模块。该模块可将检测数据实时传输至生产管控平台，实现数据可视化展示，支持工作人员实时查看发酵效价动态变化，同时可对接自动化控制系统，为发酵工艺参数的自动闭环调控提供数据支撑。
（三）在线拉曼光谱技术核心应用优势
1、无损无菌监测，保障发酵体系稳定。在线拉曼技术采用非侵入式、非破坏性检测模式，全程无需抽取发酵样品、无需添加化学试剂、无需预处理发酵液，不会对微生物菌体生长代谢造成干扰，也不会破坏密闭无菌发酵体系，从根源上规避取样污染风险，适配高端无菌发酵生产场景。
2、水环境适应性强，适配发酵体系特性。绝大多数生物发酵体系以水溶液为介质，常规光谱技术易受水分子信号干扰，检测误差较大。而拉曼光谱对水分子不敏感，水组分几乎无特征干扰峰，可直接对原始发酵液进行检测，无需复杂除杂处理，大幅提升复杂含水发酵体系的检测稳定性。
3、实时响应快速，动态捕捉代谢变化。该技术检测响应速度快，可实现秒级、分钟级不间断连续检测，能够精准捕捉发酵过程中微生物瞬时代谢变化与效价浓度的细微波动，彻底解决传统离线检测滞后性问题，让发酵过程从“事后检测”转变为“实时可控”。
4、多组分同步检测，实现一体化管控。单套在线拉曼监测系统可同步识别发酵液中目标产物、碳源、氮源、有机酸、副产物等多种组分的光谱信号，一次性完成效价浓度、底物残留量、代谢副产物积累量等多项关键指标检测，无需搭载多套检测设备，简化生产监测系统架构。
5、长期运行稳定，适配工业化生产。在线拉曼监测设备结构稳定，核心光学部件抗干扰能力强，可适配发酵车间复杂生产环境，支持长周期、不间断连续运行，检测精度稳定性好。同时设备运维流程简单，无需频繁校准，适配工业化大规模连续发酵生产需求。
（四）在线拉曼光谱技术应用流程
1、设备安装与调试。在发酵设备投产前，将无菌光纤探头固定安装于发酵罐预设接口，完成激光发射、光谱采集、数据传输等模块的对接调试，根据发酵菌种、目标产物特性，校准光源参数与光谱采集参数，搭建适配的检测硬件体系。
2、定量模型构建与优化。结合发酵工艺参数，采集不同发酵阶段的发酵液光谱样本，搭配标准检测方法的检测数据，构建专属的效价浓度定量分析模型。通过多批次发酵数据迭代优化模型参数，降低环境、菌体浓度等因素的干扰，保障模型检测精度。
3、发酵过程实时监测。发酵正式启动后，系统自动开启不间断光谱采集与分析工作，实时获取发酵液的拉曼光谱图谱，通过模型解析换算效价浓度及其他关联指标，实时更新检测数据与动态变化曲线。
4、数据应用与工艺调控。工作人员依托实时监测数据，精准判断发酵所处阶段，针对效价浓度增长缓慢、底物过度消耗、副产物积累异常等问题，及时调整温度、pH值、溶氧量、补料速率等工艺参数，实现发酵过程精细化管控。
5、数据复盘与模型迭代。发酵批次结束后，系统自动留存全程监测数据，通过复盘发酵全过程效价浓度变化规律与工艺参数的关联关系，迭代优化定量模型，持续提升后续批次发酵监测精度与工艺优化效果。
（五）在线拉曼光谱技术应用注意事项
1、做好探头防护与无菌处理。光纤探头长期浸没于发酵液中，易附着菌体残渣、蛋白沉淀等杂质，会遮挡光路、干扰光谱信号采集。生产过程中需定期对探头进行在线清洁与无菌处理，避免杂质堆积，保障光路通畅与检测精准度，同时防止探头污染发酵体系。
2、持续优化定量模型。发酵菌种驯化、工艺参数调整、原料批次波动等因素，均会导致发酵体系组分特征发生细微变化，原有定量模型适配性会有所下降。需定期结合标准检测数据更新模型参数，完成模型迭代优化，保障长期检测精度稳定。
3、管控环境干扰因素。虽然拉曼技术抗干扰能力较强，但车间强电磁、剧烈震动、极端温度波动等工况仍会对光学部件运行稳定性产生影响。设备安装过程中需选择工况稳定的安装点位，做好设备防护，减少外部环境干扰。
4、规范设备运维校准。按照设备技术规范定期完成光源、光谱采集模块的校准工作，及时排查线路、探头、数据传输模块的运行故障，避免设备长期运行出现参数偏移，保障监测系统整体稳定性。
综合各类实时监测技术的原理、优势与局限性，不同技术的适配场景存在明显差异化特征。近红外光谱技术适配常规大宗发酵产品的批量生产监测，能够满足基础效价浓度管控需求，整体应用成本适中，但高精度检测场景适配性不足。
在线色谱监测技术检测精度高，适合科研研发、高端发酵产品的精准检测，但实时性较差、运维成本偏高，不适用于长周期连续生产。生物传感技术特异性强、设备轻量化，适配实验室小试、中试发酵工艺研发，但多组分检测能力弱、元件寿命有限，难以规模化应用。
在线拉曼光谱技术凭借无损无菌、实时快速、多组分同步监测、抗干扰能力强、适配复杂发酵体系等综合优势，可全面适配生物医药发酵、高端精细生物制品发酵、规模化连续发酵生产、新工艺研发优化等各类场景，能够同时满足科研精度需求与工业化生产稳定性需求，是当前发酵效价实时监测技术的主要发展方向，具备广阔的推广应用空间。
在实际生产应用中，可根据发酵产品类型、生产规模、管控精度需求，单一选用适配的监测技术，也可采用多技术融合监测模式，结合不同技术的优势，构建多维度、高精度、高稳定性的发酵过程监测体系，进一步提升发酵生产的精细化管控水平。
结语：
发酵效价浓度实时监测是生物发酵过程精细化、智能化管控的核心环节，直接决定发酵生产的产品质量、生产效率与成本控制效果。现阶段主流的近红外光谱技术、在线色谱技术、生物传感技术可满足不同层级的发酵监测需求，而在线拉曼光谱技术凭借独特的光学检测优势，有效解决了传统监测技术滞后、污染、精度不足、适配性差等诸多痛点，实现了发酵效价浓度的原位、实时、无损、精准监测。
