近红外光谱实时监测生物发酵过程

近红外光谱（Near-InfraredSpectroscopy,NIRS）是一种快速、非破坏性的分析技术，近年来在生物发酵过程的实时监测中得到了广泛应用。其通过检测样品中分子振动（C-H、O-H、N-H等化学键）的谐波和组合频吸收光谱，结合化学计量学模型，实现对发酵过程中关键参数的实时分析。

01技术原理

•光谱范围：近红外光（780-2500nm）与生物发酵体系中的有机物（如葡萄糖、乳酸、乙醇、菌体生物量等）相互作用，产生特征吸收光谱。

•实时监测机制：通过光纤探头或在线流通池采集发酵液光谱，结合预先建立的定量模型（如PLS、PCA），直接解析目标物浓度或代谢状态。

02监测的关键参数

•底物消耗：葡萄糖、蔗糖等碳源的实时浓度。

•产物生成：乙醇、***、有机酸、酶等目标产物含量。

•生物量：细胞密度、菌体生长阶段（如对数期、稳定期）。

•代谢副产物：抑制性物质（如乙酸、铵离子）的积累。

•过程参数：pH、溶解氧（间接关联）等。

03技术优势

•非侵入性：无需取样，避免污染风险，特别适合无菌发酵环境。

•高效性：秒级检测速度，支持连续在线监测。

•多组分分析：单次扫描可同时获取多个参数，降低成本。

•适应性强：适用于液体、固体或半固态发酵体系。

04实施步骤

1.设备配置：

•在线型NIRS仪器，配备光纤探头或流通池。

•耐高温高压的灭菌探头（适用于严格无菌环境）。

2.建模与校准：

•收集不同发酵阶段的样本，使用标准方法（如HPLC、称重法）测定目标参数。

•通过化学计量学（如PLS、ANN）建立光谱与浓度间的关联模型。

3.实时监测：

•在线采集光谱数据，输入模型实时输出结果。

•结合过程控制系统实现反馈调节（如补料、pH调整）。

05应用场景

•酒精饮料发酵：啤酒、葡萄酒中的糖度、酒精度监测。

•制药工业：***（如青霉素）、疫苗生产的代谢调控。

•生物燃料：纤维素乙醇发酵的底物利用效率优化。

•食品发酵：酸奶、酱油等生产中的菌群活性追踪。

案例参考

•啤酒发酵：通过NIRS实时监测麦芽糖浓度，动态调整发酵时间，缩短生产周期10%-15%。

•乳酸菌培养：在线跟踪乳酸和生物量，优化补料策略，提高产物收率。

近红外光谱技术为生物发酵提供了从实验室到工业级的高效监控手段，其持续创新将进一步推动生物制造过程的智能化和**化。