发布日期：2026-02-12 09:54:03 生物发酵是生物制造产业的核心环节，广泛应用于生物制药、食品饮料、生物燃料、环保等多个领域，其过程的稳定性与精准性直接决定产品产量、质量与生产成本。发酵过程涉及微生物代谢、底物转化、环境变化等一系列复杂反应，需对多种关键参数进行实时、精准监测，才能实现工艺优化与过程可控。
传统监测方式存在操作繁琐、耗时久、易污染、无法同步获取多参数等局限，而拉曼光谱仪凭借其独特的技术优势，逐渐成为生物发酵多参数监测的核心工具，可高效实现对发酵过程中物理、化学、生物三类关键参数的同步监测，为发酵产业高质量发展提供可靠技术支撑。
生物发酵的本质是微生物在适宜环境下利用底物进行代谢活动、合成目标产物的过程，其代谢效率与产物质量高度依赖对关键参数的精准把控与动态调控。多参数监测作为发酵过程控制的核心环节，核心需求是实现参数的实时化、同步化、无损化监测，及时捕捉参数波动，为工艺调整提供数据支撑，减少批次间差异，降低生产成本。
结合发酵工艺特点与行业实践，生物发酵多参数监测的核心体系主要分为物理、化学、生物三类参数，各类参数相互关联、相互影响，共同构成发酵过程的完整监测网络。物理参数主要包括温度、压力、搅拌转速、空气流量、罐压、液位等，其中温度是最基础的监测参数，直接影响微生物酶活性与代谢速率，通常需控制精度在±0.1℃左右；搅拌转速和通气量则直接影响氧传递效率与发酵液混合均匀性，与后续化学参数中的溶解氧浓度密切相关。
化学参数是监测核心，涵盖pH值、溶解氧（DO）、溶解CO₂、氧化还原电位（rH）、尾气中O₂和CO₂含量，以及底物、代谢产物浓度等，其中pH值与溶解氧对好氧发酵尤为关键，pH值波动会破坏微生物代谢平衡，溶解氧不足则会导致好氧菌生长受限。生物参数主要包括菌体浓度、菌体活性、微生物群落结构等，直接反映微生物的生长状态与代谢活性，是判断发酵进程、优化补料策略的重要依据。
拉曼光谱仪用于生物发酵多参数监测，核心基于拉曼散射效应这一物理现象，属于分子振动光谱分析技术，其独特的技术特性使其能够适配发酵体系的水相环境与无菌要求，实现多参数同步监测。其核心原理为：当单色激光照射到发酵液样品上时，大部分光子会发生弹性散射（瑞利散射），而极小部分光子会与样品中不同物质的分子相互作用，发生非弹性散射，光子频率相对于入射光产生特定偏移，这一偏移量被称为拉曼位移，单位为cm⁻¹。
拉曼位移具有极强的物质特异性，不同化学键、官能团或物质分子会产生特征性的拉曼峰，形成独特的“分子指纹”，通过识别拉曼峰的位置、强度与峰形，即可精准判断样品中对应物质的种类与含量。值得注意的是，水的拉曼信号极其微弱，不会对发酵液中目标物质的监测产生干扰，这一特点恰好契合了大多数发酵体系以水为介质的核心需求。
在实际应用中，拉曼光谱仪通过光纤探头可直接插入发酵罐内部，实现非接触、原位、连续的在线监测，无需对发酵液样品进行复杂预处理，也无需添加任何化学试剂，既避免了传统取样监测带来的染菌风险与操作延迟，也不会破坏发酵体系的无菌状态与代谢平衡。同时，通过结合化学计量学方法对光谱数据进行预处理与建模，可实现对多种参数的同步定量分析，突破了传统监测方式只能单一参数检测的局限，大幅提升监测效率与精准度。
依托其快速、无损、多参数同步监测的优势，拉曼光谱仪已在啤酒、食醋、抗生素、乙醇等多种发酵场景中实现应用，可高效覆盖物理、化学、生物三类核心参数，结合不同发酵工艺的需求，形成针对性的监测方案，以下结合具体应用场景详细说明。
在生物参数监测方面，拉曼光谱仪可实现对菌体浓度、菌体活性及微生物群落结构的精准监测。在食醋固态发酵过程中，通过采集醋醅样品的单细胞拉曼光谱数据，经层次聚类分析对光谱数据进行分型，可快速获取不同发酵阶段的微生物群落结构，进而预测发酵进程，整个检测过程可在1小时内完成，大幅优于传统微生物培养方法。
在啤酒发酵中，“过程拉曼组”技术可无损、免标记地探测酵母细胞内的代谢状态及其异质性，同时捕捉胞外风味物质的动态变化，为啤酒风味优化提供精准数据支撑。此外，通过分析拉曼光谱中菌体特征峰的强度变化，可实时判断菌体活性，及时发现菌体衰老、变异等异常情况，避免发酵失败。
在化学参数监测方面，拉曼光谱仪可同步监测pH值、溶解氧、底物及代谢产物浓度等关键参数，且监测精度可满足工业生产需求。对于底物与代谢产物浓度监测，不同物质的特征拉曼峰可实现精准区分，例如葡萄糖在1125 cm⁻¹附近有典型的C—O—C振动峰，乙醇在880 cm⁻¹附近有较强的C—C伸缩振动峰，乳酸在855 cm⁻¹和1450 cm⁻¹处分别对应C—C和CH₃弯曲振动，通过建立拉曼峰强度与物质浓度的定量模型，可实时跟踪底物消耗与产物生成的动态过程。
在pH值与溶解氧监测中，可通过监测微生物代谢过程中酸碱物质、氧分子的拉曼信号变化，间接获取参数数值，结合专用传感器校准，可实现精准监测，避免传统电极式监测易受污染、需定期校准的局限。
在物理参数监测方面，拉曼光谱仪主要通过间接监测方式实现，结合光谱信号的变化反推物理参数的波动。例如，搅拌转速、通气量的变化会导致发酵液混合均匀性改变，进而影响拉曼激光与发酵液的相互作用，使光谱信号的强度与稳定性发生相应变化，通过分析光谱信号的波动规律，可间接判断搅拌转速、通气量是否处于合理范围；温度的变化会影响分子振动速率，导致拉曼峰的位置产生微小偏移，通过校准偏移量与温度的对应关系，可实现温度参数的同步监测。
拉曼光谱仪在生物发酵多参数监测中的实施的核心是实现“采样—数据采集—数据处理—参数反馈—工艺调整”的闭环流程，结合发酵工艺的特殊性，需经过标准化部署与优化，才能确保监测数据的可靠性与实用性，具体实施流程主要分为三个阶段。
第一阶段为前期准备与仪器校准。首先需根据发酵罐规格、发酵工艺类型，选择适配的拉曼光谱仪与光纤探头，探头需具备耐压、耐温、抗污染性能，以适应发酵过程中的高温灭菌与长期运行环境；其次对仪器进行全面校准，包括激光功率、光谱采集范围、检测精度的校准，同时结合发酵所用底物、目标产物的种类，构建标准光谱数据库，通过标准样品的拉曼光谱数据，建立定量分析模型，模型构建需覆盖不同批次、不同生长阶段的光谱数据，提升模型的泛化能力。
第二阶段为在线监测与数据采集。将校准后的光纤探头安装于发酵罐视窗或专用端口，确保探头与发酵液充分接触且不影响搅拌与通气，发酵启动后，设置合理的数据采集频率，兼顾发酵过程动态变化与计算资源消耗，通常单次测量可在数秒内完成，实现24小时无间断监测。采集过程中需控制激光功率，避免激光对微生物活性产生不利影响，同时定期检查探头清洁度，及时处理探头表面的菌体附着与污染，确保光谱信号稳定。
第三阶段为数据处理与工艺优化。采集到的原始拉曼光谱数据需经过基线校正、平滑滤波、归一化等预处理步骤，消除仪器漂移、光源波动及物理散射等因素的干扰，随后通过前期构建的定量模型，解析出各类参数的具体数值。同时可结合主成分分析（PCA）、偏最小二乘回归（PLSR）等算法，挖掘参数间的关联关系，当参数偏离设定范围时，及时反馈至控制系统，调整补料速率、通气量、搅拌转速等工艺参数，实现发酵过程的精准控制。此外，长期积累的监测数据可用于构建数字孪生模型，为工艺优化提供更深入的数据分析支撑。
相较于传统发酵监测方式（如高效液相色谱、气相色谱、电极检测等），拉曼光谱仪用于生物发酵多参数监测具有显著优势，契合现代生物制造智能化、高效化的发展趋势。
其一，实现多参数同步监测，一张光谱可包含多种物质的特征信息，无需更换检测模块，即可同时完成生物、化学、物理三类参数的监测，大幅提升监测效率，解决了传统监测方式操作繁琐、耗时久的问题。
其二，具备无损、无菌监测特性，无需取样、无需添加试剂，避免了取样过程中的染菌风险，维持发酵体系的稳定性，同时减少试剂消耗，降低监测成本。
其三，适配性强，可直接应用于水相发酵体系，不受水分子干扰，且可通过光纤探头实现原位在线监测，实时捕捉参数波动，解决了传统离线监测的滞后性问题。
其四，便于集成与智能化升级，可与物联网、人工智能等技术结合，实现监测数据的实时传输、分析与工艺自动调控，符合GMP对数据完整性、可追溯性的要求，助力企业通过相关法规认证。
结语：
生物发酵多参数监测是实现工艺优化、保障产品质量、降低生产成本的关键环节，随着过程分析技术（PAT）理念的推广，拉曼光谱仪凭借其快速、无损、多参数同步、原位在线监测的独特优势，逐渐替代传统监测方式，成为生物发酵监测领域的核心技术手段。其不仅能够精准监测发酵过程中的物理、化学、生物三类核心参数，为工艺调整提供实时可靠的数据支撑，还能与智能化技术深度融合，推动发酵产业向数字化、智能化转型，在生物制药、食品饮料、生物燃料等多个领域展现出广阔的应用前景。
