发布日期：2026-05-29 09:47:38 发酵生产是生物制造领域的核心工艺，广泛应用于食品、医药、化工、农业等多个行业。发酵体系属于复杂的动态生化反应体系，体系内底物消耗、产物合成、副产物生成、菌体代谢等过程持续动态变化，产物浓度的实时波动直接影响发酵反应速率、产品纯度与生产稳定性。
传统离线检测模式需要对发酵液取样、预处理、实验室检测，整体流程耗时较长，无法实时反馈发酵体系的瞬时状态，易导致工艺调控滞后、生产偏差累积等问题。
在线拉曼光谱检测技术凭借无损、快速、原位、多参数同步检测的特性，突破了传统检测技术的局限，成为当前发酵产物浓度快速在线检测的主流技术方向，能够有效适配规模化、陆续在化、智能化发酵生产的检测需求。
（一）发酵检测的核心需求
发酵生产的核心管控目标是保障菌体代谢稳定、产物合成高效、生产过程可控。发酵产物浓度检测贯穿发酵全过程，是工艺调控、质量管控、工艺优化的基础依据。现代化发酵生产对浓度检测技术提出了多重核心需求。
第一时间是实时性需求，发酵反应动态性强，各阶段产物合成速率存在明显差异，需要实时获取浓度数据，为温度、pH、溶氧量、补料速率等工艺参数的动态调整给予支撑。其次是精准性需求，发酵产物浓度的精准数据可有效规避产物过度积累、底物残留超标、副产物增多等问题，保障产品品质稳定。
同时，检测技术需要满足无损性需求，避免检测过程破坏发酵体系原有环境，不干扰菌体正常代谢与发酵反应进程。此外，规模化工业生产还要求检测操作简便、可陆续在运行、适配自动化生产体系，降低人工操作成本与检测误差，适配长时间、不间断的发酵生产工况。传统检测技术难以同时兼顾以上需求，无法充分适配现代发酵工业的精细化管控开展趋势。
（二）传统发酵产物浓度检测方式及局限性
现在发酵行业传统浓度检测以离线实验室检测为主，包含色谱检测、生化检测、分光光度检测等常规手段，这类技术经过长期应用，检测稳定性较好，但存在明显的应用短板。
常规离线检测需要人工从发酵罐中抽取样品，经过过滤、稀释、离心等预处理工序后，送入实验室设备完成检测，整体流程环节较多，耗时较长，检测数据存在明显滞后性，无法实时反映发酵体系的动态变化。
同时，离线取样检测属于有损检测，频繁取样会破坏发酵罐的密闭环境，易引入杂菌污染风险，影响发酵体系的无菌状态，对发酵生产稳定性造成负面影响。人工取样、预处理与检测过程会引入人为误差，操作规范性的差异会导致检测数据波动，降低数据可靠性。
此外，传统检测方式多为单参数检测，单次检测仅能获取单一产物或底物的浓度数据，无法同步监测发酵体系内多组分的动态变化，难以全面反馈发酵代谢整体状态。
除此之外，传统检测设备体积较大、操作流程复杂、对操作人员专业能力要求较高，难以集成到自动化发酵生产生产线中，无法实现检测、分析、调控的一体化联动，制约了发酵生产智能化水平的提升。整体而言，传统检测方式仅适用于小批量、间歇式、低精度要求的发酵生产场景，难以适配现代化大规模陆续在发酵生产的管控需求。
（三）在线快速检测技术的开展趋势
随着生物制造产业的转型升级，发酵生产逐步向规模化、陆续在化、智能化、精细化方向开展，生产过程的实时管控、精准调控需求持续提升，在线无损快速检测技术成为行业技术升级的核心方向。当前主流的在线检测技术以光谱分析技术为主，包含近红外光谱、中红外光谱、拉曼光谱等，各类技术依托不同的光学原理实现发酵组分的在线检测。
相较于其他光谱检测技术，在线拉曼光谱检测技术抗水体干扰能力强、分子特异性高、检测响应速度快，能够实现原位、无损、多参数同步检测，有效弥补了传统检测技术和其他光谱技术的短板。
该技术可直接对接发酵罐运行工况，无需人工取样，可长时间陆续在采集检测数据，结合化学计量学算法实现浓度数据的实时解析，契合现代发酵生产自动化、智能化、精细化的管控需求，具备广阔的行业应用前景。
（一）拉曼光谱核心光学原理
在线拉曼光谱检测技术依托拉曼散射效应实现物质组分的定性与定量检测，属于分子振动光谱检测范畴。当单色激光光源发出的入射光照射到发酵液样品体系时，大部分光子与样品分子发生弹性碰撞，产生频率与入射光一致的瑞利散射，仅有极少部分光子与样品分子发生非弹性碰撞，产生能量交换，导致散射光频率发生偏移，该物理现象即为拉曼散射效应。
散射光相对于入射光的频率偏移量被称为拉曼位移，拉曼位移的数值仅与样品分子的化学键结构、振动模式、转动能级相关，与入射光的波长、频率无关。不同物质的分子结构、官能团组成存在差异，对应的拉曼位移、散射光强度均具备独特特征，形成专属的“分子指纹”特征光谱，这也是拉曼光谱能够精准区分发酵体系内不同组分的核心依据。
在发酵产物检测过程中，发酵液中各类底物、产物、副产物的分子均会产生对应的特征拉曼光谱信号。顺利获得采集、筛选、解析特征光谱信号，结合光谱强度与物质浓度的对应关系，即可实现各类发酵组分浓度的精准定量检测，完成发酵产物浓度的快速实时分析。
（二）发酵体系拉曼检测适配原理
发酵液是以水为溶剂的复杂混合体系，水体占比极高，而水分子的拉曼散射信号强度较弱，对发酵体系内有机底物、代谢产物的特征光谱干扰程度极低，这是拉曼光谱适配发酵体系检测的核心优势。相较于近红外光谱易受水体干扰、基线漂移严重的问题，拉曼光谱能够有效规避水体背景噪声的影响，保障检测信号的稳定性与准确性。
同时，发酵过程中生成的糖类、有机酸、氨基酸、醇类、抗生素等各类产物，均具备稳定且独特的拉曼特征峰，特征峰辨识度高，不易发生信号重叠。在线拉曼光谱仪可顺利获得筛选专属特征峰，区分不同组分的光谱信号，实现多组分同步检测。
结合化学计量学建模算法，对采集的原始光谱数据进行预处理、降噪、拟合分析，可建立光谱信号强度与产物浓度的定量模型，持续输出精准的浓度数据，适配发酵全过程的动态检测需求。
（一）核心硬件组成
适配发酵生产场景的在线拉曼光谱仪为工业级原位检测设备，整体硬件架构适配发酵罐密闭、高温、无菌、长时间陆续在运行的工况，核心硬件包含激光光源、原位检测探头、光谱采集模块、信号处理模块、工业控制终端等核心部件，各部件协同工作，保障检测过程陆续在稳定。
激光光源为检测系统给予稳定的单色入射光，工业级设备会选用适配发酵体系的特定波长光源，光源输出功率稳定、能耗低、使用寿命长，可适配长时间不间断运行，避免光源波动影响光谱信号精度。
原位检测探头为核心检测部件，可直接密封插入发酵罐内部，与发酵液直接接触，实现原位实时采样检测，探头采用无菌、耐腐蚀材质，可耐受发酵体系的温度、压力环境，同时可适配高温灭菌工艺，避免杂菌污染。
光谱采集模块负责实时捕捉发酵液产生的拉曼散射光，对散射光进行筛选、过滤，剔除瑞利散射光与环境杂散光的干扰，保留有效的拉曼特征光谱信号。信号处理模块可对原始光谱数据进行降噪、基线校正、信号优化等预处理操作，消除环境波动、设备轻微损耗带来的信号误差，提升数据稳定性。工业控制终端用于数据存储、模型运算、数据显示与信号传输，实现检测数据的实时输出与远程传输。
（二）软件分析系统架构
在线拉曼光谱检测系统的软件部分是实现浓度精准定量的核心，主要包含光谱预处理模块、定量分析模型模块、数据管理模块、联动控制模块四大核心部分，支撑检测数据的精准解析与高效应用。
光谱预处理模块可自动完成原始光谱数据的降噪、基线校正、荧光背景消除、特征峰提取等操作，剔除无效干扰信号，提纯有效特征光谱数据，为定量分析给予优质数据基础。
定量分析模型模块依托成熟的化学计量学算法，基于前期建模数据建立光谱信号与发酵产物浓度的对应关系，实时将预处理后的光谱数据转化为精准的浓度数值，实现快速定量检测。
数据管理模块具备数据实时存储、历史数据追溯、数据趋势分析、数据导出等功能，可完整记录发酵全周期的产物浓度变化曲线，为工艺优化、质量溯源给予数据支撑。联动控制模块可对接发酵生产的自动化控制系统，将实时浓度数据转化为调控信号，辅助实现发酵工艺参数的自动微调，构建检测-分析-调控的闭环管控体系。
（三）设备在线运行模式
在线拉曼光谱仪采用原位陆续在在线运行模式，设备安装完成并完成灭菌校准后，无需人工干预即可实现全天候不间断检测。检测探头密封固定于发酵罐预留接口，全程处于发酵液体系内，按照设定的时间频率自动完成激光发射、光谱采集、数据解析全过程，无需取样、无需样品预处理，检测流程高度自动化。
设备运行过程中可实时适配发酵体系的温度、pH、溶氧量等环境参数变化，自动修正光谱检测误差，保障不同发酵阶段的检测精度稳定。检测数据可实时同步至车间中控系统，工作人员可顺利获得终端实时查看各类产物、底物的浓度变化趋势，及时掌握发酵进程，实现发酵过程的动态管控。
北京球盟会(中国)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、陆续在监测。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给予智慧之眼，可与DCS联调实现自动反馈调节。
（一）检测实时性强，消除数据滞后性
传统离线检测模式存在明显的时间延迟，无法实时反映发酵体系的瞬时变化，易导致工艺调控不及时，造成产物合成效率下降、副产物增多等问题。在线拉曼光谱检测技术可实现秒级数据更新，全程实时采集、解析光谱信号，瞬时输出产物浓度数据，无检测滞后性。
该检测模式可完整捕捉发酵各个阶段的浓度变化细节，包括菌体生长期、产物合成旺盛期、发酵后期衰退期的浓度动态波动，让工作人员能够实时掌握发酵代谢状态，第一时间根据浓度变化调整补料、温度、搅拌速率等工艺参数，实现发酵过程的动态精准调控，有效提升发酵生产的稳定性与效率。
（二）原位无损检测，保障生产体系稳定
在线拉曼光谱检测属于非侵入式无损检测技术，检测过程无需抽取发酵液样品，无需添加化学试剂，不会对发酵体系造成任何物理扰动与化学干扰。检测探头全程密封运行，不破坏发酵罐的密闭无菌环境，从根源上规避了取样带来的杂菌污染风险，保障发酵菌体的正常代谢与发酵反应的陆续在稳定进行。
同时，检测过程无样品消耗、无试剂损耗，不会改变发酵液的组分比例与体系环境，能够真实还原发酵体系的自然代谢状态，保障检测数据的真实性与有效性。相较于传统有损取样检测，该技术大幅降低了人为操作对发酵生产的干扰，适配长时间陆续在发酵生产的工况需求。
（三）多参数同步检测，检测维度全面
发酵体系是复杂的多组分动态体系，底物消耗、产物合成、副产物生成同步进行，单一参数检测无法全面评估发酵状态。传统检测方式多为单参数单次检测，检测效率低、数据维度单一。在线拉曼光谱仪依托不同组分的专属分子指纹光谱，可实现单次检测同步获取底物、主产物、副产物等多项浓度参数。
该技术能够全面覆盖发酵过程中的关键检测指标，顺利获得多参数数据联动分析，可精准判断菌体代谢活性、发酵反应进度、产物合成质量，全方位把控发酵生产状态，为工艺优化给予多维度数据支撑，弥补了传统检测技术维度单一的短板。
（四）抗干扰能力优异，检测精度稳定
发酵液体系成分复杂，包含菌体细胞、蛋白质、胶体、无机盐等多种杂质，易对检测信号造成干扰。在线拉曼光谱技术凭借分子特异性识别能力，可精准筛选目标组分的特征光谱信号，有效规避菌体、胶体、水体等背景干扰，抗环境扰动能力较强。
设备配套的光谱预处理算法可自动消除荧光干扰、基线漂移、环境温度波动带来的检测误差，保障发酵全周期内检测精度的稳定性。无论发酵体系处于低浓度初始反应阶段，还是高浓度产物合成阶段，均可保持稳定的检测精度，数据重复性较好，能够满足工业生产与工艺研发的高精度检测需求。
（五）自动化程度高，适配工业化生产
在线拉曼光谱检测系统可实现全流程自动化运行，设备校准完成后，无需人工取样、制样、检测、记录，全程自动完成光谱采集、数据解析、浓度输出、数据存储与传输，大幅降低人工操作强度与人为误差。设备结构紧凑，适配工业发酵罐的安装工况，可直接集成于自动化生产线中，实现与发酵控制系统的联动适配。
同时，设备维护流程简单，长时间陆续在运行稳定性好，可适配工业大规模、不间断的发酵生产模式，有效提升发酵生产的自动化、智能化水平，助力发酵行业从经验化调控向数据化精准调控转型。
（一）设备安装与无菌适配调试
在发酵生产前期，根据发酵罐的规格型号完成在线拉曼检测探头的匹配安装，将探头密封固定于发酵罐专用检测接口，保障探头充分浸入发酵液体系，同时严格保障接口的密闭性，杜绝漏液、漏气与杂菌侵入问题。安装完成后，按照发酵生产无菌标准，对探头及设备外接管路进行整体灭菌处理，适配发酵无菌生产要求。
随后召开设备硬件调试，检测激光光源稳定性、光谱采集灵敏度、信号传输通畅度，排查设备运行故障。结合本次发酵体系的组分特征，预设光谱检测参数，筛选目标产物的特征检测波段，剔除无效干扰波段，完成设备前期适配调试，为后续检测工作奠定基础。
（二）定量模型建立与校准
模型建立是保障检测精度的核心环节，结合待检测发酵产物的组分特性，采集不同浓度梯度的标准样品光谱数据，构建基础光谱数据库。顺利获得化学计量学算法对标准光谱数据进行拟合分析，建立光谱信号强度与产物浓度的定量校准模型，完成模型训练与验证。
模型建立完成后，采用常规标准检测方法对拉曼检测数据进行比对校准，修正模型偏差，保障定量模型的精准度。针对不同发酵阶段的体系特征，优化模型参数，提升模型对复杂发酵体系的适配性，确保后续实时检测数据精准可靠。对于常态化生产的发酵品类，可直接调用成熟模型，大幅提升检测筹备效率。
（三）发酵全过程在线实时检测
发酵生产启动后，开启在线拉曼光谱仪陆续在检测模式，设备按照预设频率自动采集发酵液的实时光谱信号，顺利获得预处理模块完成信号降噪、校正等操作，依托定量模型实时解析得到各类产物、底物的浓度数据。检测数据实时同步显示于中控终端，同时自动存储归档，形成陆续在的浓度变化趋势曲线。
在发酵不同阶段，设备可自动适配体系环境变化，动态优化信号处理参数，保障检测精度稳定。工作人员可实时观察浓度变化趋势，结合生产工艺要求，及时调整发酵参数，把控产物合成节奏，规避异常发酵工况的发生，保障发酵过程稳定推进。
（四）数据复盘与模型迭代优化
单批次发酵生产结束后，调取系统存储的全周期浓度检测数据，结合发酵生产结果、产品质量指标进行复盘分析，梳理浓度变化与工艺参数、产品品质的关联规律，为工艺优化给予数据支撑。同时，基于批次生产的实测数据，对定量检测模型进行迭代优化，补充复杂工况下的光谱数据，提升模型的通用性与精准度。
长期运行过程中，定期对设备进行校准维护，更新光谱数据库与算法模型，持续提升设备检测稳定性，适配不同批次、不同工况下的发酵检测需求，实现检测技术与生产工艺的同步优化升级。
（一）光谱信号预处理优化
发酵体系的复杂环境易产生轻微荧光干扰、基线漂移等问题，影响原始光谱信号纯度。为进一步提升检测精度，需针对性优化光谱预处理算法，顺利获得多重降噪算法、自适应基线校正、荧光背景剔除等技术，最大化提纯有效特征光谱信号，消除环境与设备轻微波动带来的信号干扰。
同时，根据不同发酵产物的特征峰分布特点，精准划定特征检测区间，屏蔽无关波段的干扰信号，强化目标组分光谱信号的辨识度，提升低浓度产物、微量副产物的检测灵敏度，让检测数据更加精准稳定。
（二）定量模型动态优化
发酵体系的温度、pH、菌体浓度等参数会随生产进程动态变化，固定模型难以完全适配全工况检测需求。需构建动态自适应定量模型，结合发酵过程环境参数的变化，实时修正模型拟合参数，提升模型在不同发酵阶段的适配性。
同时，持续积累多批次、多工况的发酵光谱数据与浓度实测数据，不断扩充模型数据库，优化算法拟合精度，降低复杂体系下的检测误差。针对特殊发酵品类、特殊产物，针对性建立专属定量模型，进一步拓宽技术的应用范围，提升检测专业性。
（三）设备运维与工况适配优化
为保障设备长期稳定运行，需建立常态化的设备运维机制，定期对检测探头进行清洁、灭菌、校准，清除探头表面附着的菌体、胶体杂质，避免杂质堆积影响光谱信号采集精度。定期检测激光光源、信号采集模块的运行状态，及时维护更换损耗部件，保障设备硬件性能稳定。
同时，根据发酵罐规格、生产工况的差异，针对性调整探头安装深度、检测频率、光源参数，让设备运行参数与生产工况高度适配。针对高温、高压、高粘度的特殊发酵体系，选用适配的防护型探头与硬件配置，提升设备的工况适配能力，拓宽技术应用场景。
（四）智能化联动管控优化
依托在线拉曼光谱的实时检测数据，深化与发酵自动化控制系统的联动融合，构建数据驱动的智能调控体系。基于产物浓度的动态变化阈值，设置自动化调控逻辑，当浓度数据偏离合理区间时，系统自动触发工艺参数微调，实现补料速率、温度、溶氧量、pH等参数的自适应调控。
顺利获得检测与调控的深度联动，彻底改变传统人工经验调控模式，实现发酵生产全流程的智能化、精准化管控，减少人为干预，提升生产稳定性与产品品质一致性，充分发挥在线快速检测技术的应用价值。
结语：
发酵产物浓度快速检测是现代发酵工业精细化、智能化生产的核心支撑，直接决定发酵生产的效率与产品质量。传统离线检测技术的滞后性、有损性、低效性，已难以适配现代化发酵产业的开展需求。在线拉曼光谱检测技术依托独特的光学原理与设备架构，实现了发酵产物浓度的原位、实时、无损、多参数同步检测，有效解决了传统检测技术的各类短板。
