在生物发酵领域，生产高质量、高一致性的产品始终是核心目标。然而，这一过程充满复杂性和动态性：菌株代谢活动时刻变化、营养物质不断消耗、目标产物与副产物同时生成、细胞生理状态随之波动。传统的质量控制高度依赖离线取样分析——技术人员从发酵罐中取出样品，送到实验室进行色谱、质谱或生化检测。这种模式存在严重滞后性，从取样到获得结果往往需要数小时甚至更长时间。当发现关键质量属性（CQA），如产物效价过低或关键杂质超标时，发酵可能已进行到中后期，调整窗口大幅收窄甚至完全关闭，只能被动接受结果。

更严峻的是，许多核心的质量指标难以在线实时监控。例如，特定代谢物的浓度、具有生物活性的产物效价、某些微小但关键杂质的积累水平等。这导致生产过程如同“盲人摸象”，工程师无法实时掌握发酵罐内的真实“健康”状况。最终的结果便是批次间差异难以避免，产品质量波动风险高企，收率不稳定，严重时甚至整批报废，造成巨大的经济损失。

在线拉曼的实时监控机制

面对传统方法的局限，在线拉曼光谱技术脱颖而出，为生物发酵装上了“实时透视眼”。其核心价值在于非侵入、原位的连续过程监测能力。

1. 穿透罐壁，捕捉分子“指纹”： 拉曼光谱利用激光与分子相互作用产生的散射光信号。其独特优势在于能够穿透发酵罐的玻璃或视窗，直接在复杂的发酵液环境中进行测量，无需取样，真正实现原位、在线、连续监测。每一次扫描（通常只需几十秒到几分钟）都能获取反映当前发酵液化学成分的“光谱指纹”。
2. 揭示关键过程动态： 通过对这些连续采集的光谱进行解析，可以实时追踪多种关键过程参数（CPP）的浓度变化趋势：
   • 底物消耗： 如葡萄糖、甘油等碳氮源的利用速率。
   • 产物生成： 目标产物（如抗生素、酶、有机酸）的积累动态。
   • 副产物积累： 代谢副产物或抑制性物质的生成情况。
   • 细胞生理状态： 通过特定代谢物（如NADH）或细胞组分的变化间接反映细胞活力和代谢流方向。
3. 预测关键质量属性（CQA）： 这是在线拉曼技术的“智慧”所在。通过建立强大的化学计量学模型（如PLS, 偏最小二乘法），将实时采集的光谱数据与实验室离线测得的CQA结果（如产物效价、关键杂质含量、特定代谢物浓度）进行关联。一旦模型经过充分验证，系统就能基于实时光谱数据，间接但准确地预测这些至关重要的质量指标，将原本需要数小时才能获知的结果提前呈现。

赋能实时质量控制 (RTPC)

在线拉曼提供的实时、丰富的化学信息流，为实施高效的实时质量控制（RTPC）奠定了坚实基础：

1. 早期预警与敏捷干预： 实时监测的核心价值在于“早发现”。拉曼技术能敏锐捕捉发酵过程中的异常信号，例如：

   • 底物消耗速率异常下降（可能预示代谢受阻或染菌）。
   • 非预期副产物浓度突然升高（表明代谢流发生偏移）。
   • 目标产物生成速率偏离预期轨迹。
   • 某些光谱特征暗示潜在的微生物污染迹象。 一旦系统识别出这些异常趋势，可立即触发警报。工程师不再是等待滞后的离线结果，而是能在问题恶化的早期，及时调整关键工艺参数（如温度、pH值、溶氧水平、补料策略），将发酵过程拉回正轨，显著降低批次失败风险。

2. 过程轨迹跟踪与批次一致性保障： 基于历史“黄金批次”（运行完美、产品质量最优的批次）的数据，可以建立一条理想的过程轨迹模型。在线拉曼技术如同高精度的导航仪，实时将当前批次的关键参数和预测的CQA数据与这条“黄金轨迹”进行比对。工程师可以清晰看到当前批次是否“行驶”在期望的路径上。一旦出现偏离，便能立即进行微调控制，确保不同批次间的过程高度一致，最终产品质量稳定可靠，大大减少批次间波动带来的不确定性。

3. 终点判断优化与资源效率提升： 传统上，发酵终点（停止发酵的最佳时间点）的判断常基于经验、固定时间或有限的离线数据，存在过早停止（损失潜在产量）或过晚停止（增加杂质、降低质量、浪费资源）的风险。在线拉曼提供的实时预测的产物浓度和关键杂质水平，为判断终点提供了客观、精确的数据支撑。工程师可以动态优化终止时机，确保在产物浓度达到峰值、杂质水平尚可接受时及时停止发酵，从而最大化目标产物收率，同时保障产品质量，并减少不必要的能耗和工时浪费。

结语：从被动检测到主动控制

在线拉曼技术的引入，标志着生物发酵质量控制范式的一次深刻变革。它将质量控制的关口大幅前移，彻底改变了以往依赖“事后检测”的被动局面。通过提供发酵罐内化学反应的原位、连续、多维度的“实况直播”，并结合智能模型对关键质量属性的实时预测，该技术赋予了生产人员前所未有的过程洞察力和调控主动权。

其结果显而易见：产品质量一致性得到质的飞跃，批次间差异显著缩小；目标产物收率获得可靠提升，资源利用效率优化；生产过程风险（如染菌、代谢异常导致的整批失败）被有效降低。在线拉曼不仅是一项监测工具，更是驱动生物发酵产业向更智能、更高效、更高质量的“主动控制”新时代迈进的核心引擎。在追求卓越制造的今天，拥抱这种实时质量控制的利器，已成为生物发酵企业提升核心竞争力的必然选择。

鉴知技术简介：

北京鉴知技术有限公司是一家以光谱检测技术为核心的专业公司。基于高灵敏度拉曼光谱技术及智能定量算法，开发了在线气体分析仪和在线拉曼分析仪，已在精细化工，生物制药，钢铁冶金等行业的工艺在线监测中大量使用，为用户显著提升工艺效率和产能。

常见问题：

1. 问：在线拉曼技术相比传统近红外（NIR）在线监测，在发酵应用中有什么独特优势？

   答： 拉曼光谱对水分子信号不敏感，非常适用于含水率高的发酵体系；对生物大分子、低浓度代谢物等弱信号分子的检测灵敏度更高；能提供更丰富的分子结构信息，特别适合复杂生物发酵液的精细监控。

2. 问：建立可靠的拉曼预测模型需要多长时间？维护难度大吗？

   答： 模型建立需要覆盖不同工艺条件和批次变化的多批次代表性数据，初期需投入一定时间（数周至数月）。模型建立后需定期使用新数据校准维护，难度可控，但需专业化学计量学知识支持。

3. 问：在线拉曼技术能否应用于高细胞密度或浑浊的发酵液？

   答： 是的。拉曼激光具有良好的穿透能力，结合适当的光学探头设计和数据处理方法（如PLS），可有效应对高细胞密度、浑浊甚至含微小颗粒的发酵体系，获得稳定信号。

4. 问：这项技术对发酵罐有什么特殊要求？改造复杂吗？

   答： 主要需要在发酵罐上安装可穿透的视窗（如蓝宝石窗）或浸入式探头接口。改造复杂度取决于罐体原有结构和材质，通常工程部门可完成，现代生物反应器设计普遍预留了此类接口。

5. 问：除了监测，在线拉曼能否直接用于发酵过程的闭环自动控制？

   答： 技术上可行，是发展方向。通过将实时拉曼预测值输入先进过程控制（APC）系统，可自动调整补料速率等关键参数。但实现闭环控制需高度可靠的模型、稳健的控制策略和严格验证，目前更多用于指导人工干预或半自动控制。

本文总结：

在线拉曼技术通过原位连续监测生物发酵过程，结合化学计量学模型实时预测关键质量属性，彻底改变了传统离线检测的滞后模式。它赋能早期预警干预、保障过程轨迹一致性、实现终点精准判断，将质量控制从被动应对转变为主动调控。该技术显著提升产品一致性、收率与生产效率，降低生产风险，是生物发酵产业迈向智能化、高质量化不可或缺的关键工具。