发布日期：2025-07-02 16:26:06 生物发酵是生物制造的核心环节，其过程复杂多变。实时、精准地监控罐内多种关键参数（如底物、产物、生物量、代谢副产物）对保障产品质量、提升产率、优化工艺至关重要。
传统检测方法（如高效液相色谱法、酶法、生化分析） 却面临巨大瓶颈：
严重滞后：需人工取样，送至实验室分析，耗时数小时至数天，信息反馈严重滞后。
单点盲区：仅能获得取样瞬间、特定位置的单点数据，难以反映罐内动态变化和空间异质性。
破坏性干扰：取样本身破坏发酵系统无菌环境，增加染菌风险，且无法对同一样品进行连续追踪。
效率低下：操作步骤繁琐，依赖专业人员，成本高昂，无法满足现代大规模、自动化生产的需求。
这些局限性导致过程控制如同“盲人骑马”，难以实现精准优化与及时纠偏。生物发酵在线拉曼光谱技术的出现，为解决这些痛点带来了革命性的突破。
1. 检测方式：从“体外诊断”到“原位感知”
在线拉曼：核心优势在于原位、非侵入、连续。其特殊设计的探头直接浸入发酵液或透过视窗进行实时测量。整个过程无需取样、无需接触样品、不干扰发酵进程，严格保持系统无菌状态。
传统方法：本质是离线、侵入、破坏。必须中断发酵过程，人工取出样品，送至远离生产线的实验室进行处理和分析。此过程不仅耗时，更破坏了样品的原始状态和罐内环境。
2. 信息维度：从“管中窥豹”到“全局掌握”
在线拉曼：一次测量即可获取包含发酵体系中绝大多数成分（底物、主产物、副产物、关键代谢物、甚至生物量）信息的“指纹”光谱。提供的是多组分、全景式的数据。
传统方法：通常一次实验只能针对单一或极其有限的几种目标物进行定量或定性分析。如需了解多种参数，需多次取样、多种方法并行，效率极低且数据难以同步。
3. 时效性：从“事后诸葛亮”到“实时指挥官”
在线拉曼：提供秒级至分钟级的实时数据反馈。现代在线拉曼系统能在极短时间内完成光谱采集与处理，动态捕捉发酵过程中营养消耗、产物生成、菌体代谢等关键瞬态变化。
传统方法：存在数小时至数天的显著延迟。实验室分析的周期使得获得的数据反映的是过去某个时间点的状态，无法用于过程的即时调整。《生物工程学报》研究指出，传统离线检测的滞后性导致关键代谢节点被错过，显著影响最终产物浓度。
4. 自动化与效率：从“人海战术”到“智能驱动”
在线拉曼：系统高度集成与自动化。安装校准后，可长期无人值守运行，通过软件平台实时展示数据、发出预警。大幅减少人工操作、降低人为错误风险、解放人力资源。
传统方法：严重依赖人工操作。取样、样品前处理、上机分析、数据处理等步骤繁琐且需专业技术人员全程参与，耗时耗力，成本高昂，难以满足连续生产需求。
1. 非侵入式无菌监测：守护发酵安全
在线拉曼技术的核心硬件突破在于其专用非侵入式探头。该探头可直接插入发酵罐或通过无菌适配器连接在位，实现真正意义上的原位、无菌、在线测量。彻底规避了传统取样带来的染菌风险，保障了长周期发酵的安全。
2. 秒级动态追踪：捕捉过程脉动
实时监测能力是在线拉曼的“灵魂”。它能以极高频率（通常每分钟数次甚至更高）获取发酵体系的光谱信息。这使得研究人员和工程师能够：
即时发现异常波动（如底物意外耗尽、代谢流突然转向）。
精准捕捉关键代谢转折点（如从生长期向产物合成期的转换）。
为补料策略、pH/DO调节、诱导时机等关键操作提供即时、准确的依据，实现真正意义上的动态精准控制。
3. 多组分信息解码：一张光谱知全局
单次拉曼测量获取的光谱包含了体系中几乎所有化学成分的振动信息。结合强大的化学计量学方法（如PLS偏最小二乘法、PCA主成分分析、多元曲线分辨等），可将这些复杂的光谱“指纹”高效、准确地转化为多种关键组分的定量浓度信息，或用于定性判别（如菌体生理状态、污染识别）。
4. 赋能智能发酵：PAT与QbD的基石
这些技术突破使在线拉曼成为实现过程分析技术（PAT） 和质量源于设计（QbD） 理念的理想工具：
实时反馈控制：基于拉曼提供的实时多变量数据，可构建自动化控制系统（如自动补料、调温），实现发酵过程的闭环优化。
深度过程理解：海量实时数据为深入探究发酵机理、建立更精确的数学模型提供了前所未有的可能性。
批次一致性保障：实时监控确保每一批发酵都在最优轨迹上运行，极大提高批次间一致性和产品质量可靠性。国际生物过程控制领域报告显示，采用在线拉曼技术的发酵过程平均效率提升可达30%以上。
鉴知®RS2000系列在线拉曼分析仪可用于反应过程原位、实时、连续在线监测。
技术优势：
快速：几秒内获取数据。
通用：多种浸入式探头，适合不同类型反应釜，流通池有多种规格接口，适合各类连续流反应器。
直观：实时显示原料及产物变化趋势。
适用广：高温高压、强酸强碱、强腐蚀性体系均适用。
功能强：同时监测多个成分及其含量变化。
智能化：智能算法自动解析谱图，数据库30000+数据辅助识别体系中的不同成分
结语：开启生物制造的“透视”时代
生物发酵在线拉曼技术与传统离线检测方法的差异，本质上是工业时代与信息智能时代的差距。前者解决了传统方法的致命短板——滞后性、破坏性、单点性和低效性，带来了实时、原位、多组分、无损、自动化的革命性监测能力。
其核心价值在于：
提升效率与产率：通过实时优化控制，缩短发酵周期，提高目标产物得率。
保障质量与合规：增强过程一致性，满足严格的质量规范和监管要求。
降低成本与风险：减少人工、试剂消耗，降低染菌和批次失败风险。
深化认知与创新：提供海量实时数据，加速工艺开发和机理研究。
展望未来，随着光谱技术、算法模型和自动化水平的持续进步，生物发酵在线拉曼必将与人工智能、大数据更深融合，成为构建智能化、数字化生物制造工厂不可或缺的感知神经，持续推动生物医药、生物基材料、食品酿造等领域的革新与发展。
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：在线拉曼能否检测所有发酵成分？
答：它擅长检测具有拉曼活性的分子（通常含特定化学键/基团）。对水、氧气等弱信号分子灵敏度较低，需结合化学计量学模型，重点监测关键目标物（糖、酸、产物、关键代谢物、生物量指示峰）。
2. 问：实施在线拉曼成本高吗？初期投入值得吗？
答：初期投入包含设备和模型开发，高于单次离线检测。但其价值在于持续实时数据带来的长期收益：提升产率、保障质量、降低风险、节省人工和试剂成本。对于高价值产品或关键工艺，投资回报期通常很短。
3. 问：在线拉曼数据复杂，如何解读和应用？
答：依赖化学计量学模型（如PLS）将光谱转化为浓度。需针对具体工艺开发模型，结合工艺知识解读。数据直接用于实时过程监控、趋势分析、异常预警，并可与控制系统集成实现自动化优化。
4. 问：探头直接接触发酵液，如何保证长期稳定和无菌？
答：工业级探头采用特殊材料（如316L不锈钢、蓝宝石视窗），耐腐蚀、耐高温高压。设计符合无菌要求（如CIP/SIP在位清洗灭菌），密封严格，确保长期稳定运行且无染菌风险。
5. 问：在线拉曼能否完全取代所有传统实验室检测？
答：作为核心过程监控工具，可大幅减少传统离线取样频率。但部分极其痕量物质、复杂结构确证或法规要求的特定终点检测，可能仍需实验室方法补充。两者结合是最佳实践。
本文总结
生物发酵在线拉曼技术以其实时、原位、多组分、无损的监测能力，彻底克服了传统离线检测的滞后、破坏、单点、低效缺陷。其技术突破在于非侵入无菌设计、秒级动态追踪、多组分光谱解码及化学计量学建模，为发酵过程提供前所未有的深度洞察力和控制力。
