近紅外光譜（Near-InfraredSpectroscopy,NIRS）是一種快速、非破壞性的分析技術(shù)，近年來(lái)在生物發(fā)酵過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中得到了廣泛應(yīng)用。其通過(guò)檢測(cè)樣品中分子振動(dòng)（C-H、O-H、N-H等化學(xué)鍵）的諧波和組合頻吸收光譜，結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)酵過(guò)程中關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)時(shí)分析。

01技術(shù)原理

?光譜范圍：近紅外光（780-2500nm）與生物發(fā)酵體系中的有機(jī)物（如葡萄糖、乳酸、乙醇、菌體生物量等）相互作用，產(chǎn)生特征吸收光譜。

?實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)制：通過(guò)光纖探頭或在線流通池采集發(fā)酵液光譜，結(jié)合預(yù)先建立的定量模型（如PLS、PCA），直接解析目標(biāo)物濃度或代謝狀態(tài)。

02監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵參數(shù)

?底物消耗：葡萄糖、蔗糖等碳源的實(shí)時(shí)濃度。

?產(chǎn)物生成：乙醇、***、有機(jī)酸、酶等目標(biāo)產(chǎn)物含量。

?生物量：細(xì)胞密度、菌體生長(zhǎng)階段（如對(duì)數(shù)期、穩(wěn)定期）。

?代謝副產(chǎn)物：抑制性物質(zhì)（如乙酸、銨離子）的積累。

?過(guò)程參數(shù)：pH、溶解氧（間接關(guān)聯(lián)）等。

03技術(shù)優(yōu)勢(shì)

?非侵入性：無(wú)需取樣，避免污染風(fēng)險(xiǎn)，特別適合無(wú)菌發(fā)酵環(huán)境。

?高效性：秒級(jí)檢測(cè)速度，支持連續(xù)在線監(jiān)測(cè)。

?多組分分析：?jiǎn)未螔呙杩赏瑫r(shí)獲取多個(gè)參數(shù)，降低成本。

?適應(yīng)性強(qiáng)：適用于液體、固體或半固態(tài)發(fā)酵體系。

04實(shí)施步驟

1.設(shè)備配置：

?在線型NIRS儀器，配備光纖探頭或流通池。

?耐高溫高壓的滅菌探頭（適用于嚴(yán)格無(wú)菌環(huán)境）。

2.建模與校準(zhǔn)：

?收集不同發(fā)酵階段的樣本，使用標(biāo)準(zhǔn)方法（如HPLC、稱(chēng)重法）測(cè)定目標(biāo)參數(shù)。

?通過(guò)化學(xué)計(jì)量學(xué)（如PLS、ANN）建立光譜與濃度間的關(guān)聯(lián)模型。

3.實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)：

?在線采集光譜數(shù)據(jù)，輸入模型實(shí)時(shí)輸出結(jié)果。

?結(jié)合過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)反饋調(diào)節(jié)（如補(bǔ)料、pH調(diào)整）。

05應(yīng)用場(chǎng)景

?酒精飲料發(fā)酵：啤酒、葡萄酒中的糖度、酒精度監(jiān)測(cè)。

?制藥工業(yè)：***（如青霉素）、疫苗生產(chǎn)的代謝調(diào)控。

?生物燃料：纖維素乙醇發(fā)酵的底物利用效率優(yōu)化。

?食品發(fā)酵：酸奶、醬油等生產(chǎn)中的菌群活性追蹤。

案例參考

?啤酒發(fā)酵：通過(guò)NIRS實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)麥芽糖濃度，動(dòng)態(tài)調(diào)整發(fā)酵時(shí)間，縮短生產(chǎn)周期10%-15%。

?乳酸菌培養(yǎng)：在線跟蹤乳酸和生物量，優(yōu)化補(bǔ)料策略，提高產(chǎn)物收率。

近紅外光譜技術(shù)為生物發(fā)酵提供了從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)級(jí)的高效監(jiān)控手段，其持續(xù)創(chuàng)新將進(jìn)一步推動(dòng)生物制造過(guò)程的智能化和**化。