发布日期：2025-10-21 09:48:51 生物发酵过程是一个高度复杂的动态系统，涉及微生物、营养物质、代谢产物及环境参数（如温度、pH、溶解氧）等多因素的相互作用。气液两相中的成分变化直接反映了微生物的代谢活性和发酵进程。传统离线取样分析方法存在滞后性，难以及时指导工艺调控。在线拉曼光谱分析技术凭借其独特优势，正成为实时洞察发酵“黑箱”内部变化的利器。
在好氧发酵中，通入的无菌空气（或特定混合气）是微生物生长和产物合成的关键。拉曼光谱仪可对原料气进行连续分析：
氧气含量：精确监测进气中的氧气浓度至关重要。氧气是许多好氧微生物的能量代谢和产物合成（如抗生素、有机酸）的必需电子受体。拉曼光谱能清晰识别氧气分子的特征峰，实时反馈其浓度，为精确控制通气速率和搅拌功率提供直接依据，避免因供氧不足导致的代谢途径改变或产量下降。
二氧化碳含量：监测进气中的二氧化碳本底水平虽非必需，但在某些要求严格的控制场景下（如高密度培养），可提供更准确的气体平衡计算基础。
特殊气体组分：对于使用混合气（如通入氢气、甲烷或惰性气体进行特定发酵）的工艺，拉曼光谱能同时识别并定量这些气体组分，确保进料气体组成的准确性。
通入发酵罐的气体需严格无菌且纯净。然而，空气压缩、过滤系统故障或气体来源污染可能导致有害杂质混入：
油雾/烃类：压缩机润滑油泄漏或环境烃类污染物可能进入系统。这些物质通常具有显著的拉曼特征峰（如烷烃链的C-H伸缩振动），在线拉曼能灵敏检测其存在。
有机溶剂蒸汽：环境中或上游工艺泄漏的有机溶剂蒸汽（如乙醇、丙酮）可能污染进气。拉曼光谱能有效识别这些物质的特征光谱。
其他有害杂质：如硫化氢、氨等具有强拉曼活性的气体杂质也可能被检出。一旦在线拉曼系统检测到超出预设安全阈值的杂质气体，会立即触发声光报警或联锁控制信号，提醒操作人员检查气体净化系统，防止杂质对微生物造成抑制或毒性作用，保障发酵安全。
尾气是反映罐内微生物代谢活动的“窗口”。在线拉曼光谱仪对尾气的实时分析能提供丰富信息：
氧气消耗率：通过精确测量尾气中残余氧气浓度，结合进气氧气浓度和通气量，可实时计算出微生物的摄氧率。摄氧率是反映微生物生长活力和代谢强度的核心参数，是优化供氧策略的关键依据。
二氧化碳释放率：尾气中的二氧化碳主要来源于微生物的呼吸代谢和某些脱羧反应。实时监测其浓度并计算释放率，能有效反映微生物的代谢速率和途径变化，是估算生长速率、底物消耗和产物形成的重要指标。
其他代谢气体：某些特定发酵过程会产生挥发性代谢产物（如乙醇、丙酮、丁醇、氢气、甲烷等），它们会逸散到尾气中。在线拉曼能够捕捉到这些气体的特征信号，为工艺状态提供额外判断依据。
尾气分析不仅关乎工艺，更涉及生产安全：
易燃易爆气体：如氢气、甲烷或高浓度的有机溶剂蒸汽（如乙醇、丙酮）在尾气中积累，一旦达到爆炸极限，存在严重安全隐患。拉曼光谱对氢气等气体具有较好的检测能力。
有毒气体：某些发酵可能产生或原料中带入的剧毒气体（如硫化氢、氰化氢、一氧化碳、氨气等），即使浓度较低，对人员健康和环境也构成威胁。
实时预警与排放控制：在线拉曼系统持续监测尾气中有毒有害气体浓度，一旦检测值超过预设的安全排放限值，立即触发高级别报警（如声光报警、中控室弹窗、甚至联锁启动尾气应急处理装置），有效防止危险气体超标排放造成安全事故或环境污染，满足日益严格的环保和安全法规要求。
除了气相，在线拉曼探头可直接浸入发酵液或通过流通池进行原位、无损的液相分析：
营养物质：监测关键碳源（如葡萄糖、甘油）、氮源（如氨、氨基酸）的浓度变化趋势，了解消耗速率，指导补料策略，避免营养耗竭或抑制。
产物/副产物：实时追踪目标产物（如抗生素、酶、有机酸、醇类）的积累浓度，以及关键副产物或抑制性代谢物（如乳酸、乙酸、乙醇）的水平，判断发酵终点，优化产率。
关键代谢中间体：在某些研究中，可尝试监测重要的胞外代谢中间体，加深对代谢通路的理解。
生物量（间接指示）：虽然拉曼直接定量生物量有挑战，但某些与细胞相关的光谱特征变化可作为生物量或生理状态的间接参考。
洞察生命过程，驾驭工业发酵
在线拉曼光谱仪如同为生物发酵过程装上了“实时化学显微镜”，其非侵入、无需样品前处理、可同时分析气液多组分的特点，在原料气质量控制、尾气代谢活动解析、危险气体预警及关键液相成分追踪等方面展现出重要价值。通过捕捉气液环境中营养物质、溶解气体、代谢产物及杂质的动态变化，该技术为发酵工艺的精确调控、生产效率的提升、产品质量的稳定以及生产过程的安全环保提供了强大的数据支撑。
随着光谱解析算法、模型建立及系统集成技术的持续发展，在线拉曼在生物发酵领域的应用深度与广度必将进一步提升，成为推动生物制造向智能化、数字化迈进的关键感知工具之一。
