近紅外光譜（NIRS）技術(shù)作為一種快速、無損、多指標(biāo)同步檢測手段，近年來在生物發(fā)酵過程的實時監(jiān)測中展現(xiàn)出**優(yōu)勢。以下從技術(shù)特點、應(yīng)用場景、技術(shù)實現(xiàn)及未來趨勢等方面綜合分析其應(yīng)用價值：

近紅外光譜監(jiān)測生物發(fā)酵的技術(shù)優(yōu)勢

1.實時性與在線監(jiān)測能力

近紅外光譜無需破壞樣品，可直接通過透射或反射模式獲取發(fā)酵液的光譜信息，結(jié)合在線探頭（如步琦NIR-Online?）固定在發(fā)酵罐上，實現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測，**縮短傳統(tǒng)色譜分析的延遲時間。

2.多參數(shù)同步檢測

通過分析含氫基團（C-H、O-H等）的倍頻和合頻振動吸收，可同時獲取發(fā)酵液中的葡萄糖、有機酸（如乳酸、乙酸）、pH值、OD值（微生物密度）、效價（活性物質(zhì)濃度）等關(guān)鍵參數(shù)，覆蓋發(fā)酵全周期。

3.高精度與模型適配性

結(jié)合化學(xué)計量學(xué)（如PLS、BP-Adaboost算法）和機器學(xué)習(xí)技術(shù)，建立光譜數(shù)據(jù)與目標(biāo)參數(shù)的定量模型。例如，BP-Adaboost模型預(yù)測固態(tài)發(fā)酵pH值的均方根誤差*為0.0726，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.9811。

典型應(yīng)用場景與案例

1.***與藥品生產(chǎn)

-在***發(fā)酵中，實時監(jiān)測效價（如青霉素活性濃度），避免傳統(tǒng)色譜法的頻繁取樣。步琦NIRFlexN-500通過透反射蓋掃描發(fā)酵液光譜，預(yù)測效價范圍達(dá)1.06–64.91，誤差控制在1.5–1.8。

-中藥發(fā)酵中，優(yōu)化微生物轉(zhuǎn)化過程，提升有效成分吸收率，同時監(jiān)測有害副產(chǎn)物生成。

2.食品與乳制品發(fā)酵

-乳酸菌發(fā)酵乳的酸度、酒精發(fā)酵啤酒的酒精度等指標(biāo)可通過近紅外實時反饋，輔助調(diào)整溫度、溶氧量等參數(shù)。

-乳酸發(fā)酵過程中，近紅外技術(shù)可同步預(yù)測營養(yǎng)成分含量，優(yōu)化碳氮比。

3.工業(yè)微生物發(fā)酵

-在線監(jiān)測有機酸（甲酸、丁二酸）和葡萄糖的消耗動態(tài)，結(jié)合模型指導(dǎo)補料策略，提升產(chǎn)物產(chǎn)率。

-沼氣工程中，利用旁路循環(huán)系統(tǒng)實時檢測厭氧發(fā)酵的揮發(fā)性脂肪酸含量，優(yōu)化產(chǎn)氣效率。

技術(shù)實現(xiàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)

1.硬件設(shè)備與集成

-在線探頭設(shè)計：如步琦NIR-Online?采用固定光柵結(jié)構(gòu)，抗震動性強，適合工業(yè)環(huán)境安裝。

-模塊化測量池：支持液體、固體樣品切換，適配不同發(fā)酵工藝需求。

2.數(shù)據(jù)分析與建模

-通過采集多批次發(fā)酵樣本的光譜數(shù)據(jù)，建立化學(xué)值與光譜特征的線性或非線性模型（如PLS、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）。

-案例顯示，葡萄糖、pH值與近紅外預(yù)測值的相關(guān)系數(shù)均高于0.95，驗證模型的可靠性。

3.工藝優(yōu)化與反饋控制

實時數(shù)據(jù)可聯(lián)動發(fā)酵罐的溫控、攪拌、補料系統(tǒng)，實現(xiàn)閉環(huán)控制。例如，動態(tài)調(diào)整pH值以維持微生物**代謝狀態(tài)。

應(yīng)用效果與行業(yè)價值
1.提升生產(chǎn)效率

減少傳統(tǒng)檢測的停機時間，縮短發(fā)酵周期10%~30%，同時降低人工成本。

2.質(zhì)量控制與合規(guī)性

通過批次間數(shù)據(jù)對比，減少產(chǎn)品質(zhì)量波動，滿足GMP等法規(guī)要求。

3.綠色生產(chǎn)

避免化學(xué)試劑使用，減少廢棄物排放，符合可持續(xù)發(fā)展需求。

未來發(fā)展趨勢

1.智能化與深度學(xué)習(xí)融合

探索卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）等算法處理高維光譜數(shù)據(jù)，提升復(fù)雜發(fā)酵體系的預(yù)測精度。

2.微型化與低成本化

開發(fā)小型化多光譜傳感器，降低設(shè)備成本，拓展至中小型發(fā)酵企業(yè)。

3.多技術(shù)聯(lián)用

與拉曼光譜、熒光光譜等技術(shù)互補，構(gòu)建多維監(jiān)測體系，增強對代謝途徑的解析能力。

近紅外光譜技術(shù)通過實時、多參數(shù)監(jiān)測，已成為生物發(fā)酵過程優(yōu)化的重要工具，尤其在制藥、食品、能源等領(lǐng)域展現(xiàn)出不可替代性。未來隨著算法優(yōu)化與硬件升級，其應(yīng)用將更趨智能化和普及化，推動發(fā)酵工業(yè)向高效、**、綠色方向邁進。