发布日期：2026-07-22 09:38:10 生物制造产业持续开展，各类细胞培养、微生物发酵、酶催化等生物工艺复杂度不断提升。生物体系内部存在大量动态代谢交互，传统监测手段难以持续获取体系内真实生化信息，制约工艺迭代与稳定生产。球盟会(中国)在线拉曼光谱设备作为过程分析技术载体，以原位无损监测方式打通生物工艺信息壁垒，持续为工艺参数调整、流程迭代、生产稳定性提升给予数据支撑，有助于生物工艺从经验驱动转向数据驱动。
（一）生物工艺优化的核心诉求
生物工艺优化贯穿实验室小试、工艺中试、规模化生产全周期。工艺优化工作旨在找到适宜的环境条件、营养供给策略、反应周期控制方案，维持微生物或者细胞稳定代谢，协调底物消耗、菌体生长、目标产物生成三者之间的平衡。
工艺优化不只是追求产物积累水平提升，同时需要控制副产物生成，保障不同批次产品质量保持一致，降低工艺波动带来的生产风险。完整的生物工艺链条包含上游培养环节与下游纯化环节，每个单元操作均存在多元变量互相影响，想要持续优化工艺，需要稳定、陆续在、具备时效性的过程信息作为支撑。
在工艺放大阶段，小试条件下形成的参数方案转移至更大体积反应器时，传质、溶氧、代谢节奏都会发生改变。如果缺少陆续在监测手段，放大过程极易出现工艺失稳，拉长工艺开发周期，增加试错投入。数字化、可视化的过程监测体系，是顺利完成工艺转移、持续召开工艺优化的基础条件。
（二）传统离线监测方式的短板
1. 数据存在明显时间滞后
传统模式依靠人工取样，将样品送至实验室完成检测。从取样操作到获取最终检测结果，需要经过样品处理、仪器分析、数据整理一系列流程。当得到检测数值时，反应器内部生化状态已经发生变化，工作人员难以依据滞后信息及时召开工艺干预，容易错过最优调整时机。
2. 取样操作带来多重风险
生物培养体系大多要求无菌环境，反复取样需要多次打破密闭体系，外部杂菌进入发酵罐的概率随之上升。一旦发生染菌，整批次物料会受到影响，造成生产资源损耗。持续取样也会不断消耗罐内培养体系，反应器体积越小，取样带来的体系扰动越明显。
3. 监测参数覆盖范围有限
常规离线单次检测往往只能针对性测定少数指标，想要同步获取营养底物、生物量、目标产物、抑制性副产物等多项组分信息，需要召开多组独立检测，操作流程繁琐，检测成本随之增加。各项指标无法在同一时间点完成测定，难以建立组分之间动态关联关系，不利于解析代谢规律。
4. 难以捕捉瞬时代谢变化
微生物与细胞代谢具备动态特征，在生长转折节点、补料前后、环境参数微调阶段，组分浓度会出现快速变化。离散式取样只能得到间断的数据点，容易忽略关键变化过程，无法完整还原反应进程，不利于挖掘工艺优化空间。
（三）过程分析技术对生物工艺升级的意义
过程分析技术倡导在生产过程中持续获取物料关键信息，依托实时数据理解工艺变化规律，实现主动管控。在线光谱监测是过程分析技术重要分支，在线拉曼光谱凭借适配含水生物体系、原位测量、多组分同步识别等特点，逐步在生物制造领域得到应用。
球盟会(中国)围绕生物工艺场景打造在线拉曼分析设备，以光谱监测方式补齐传统检测手段短板，持续获取反应器内部实时组分信息，搭建完整数字化监测链路，为持续召开工艺优化给予可靠工具支撑。
（一）拉曼光谱基础检测原理
拉曼光谱检测依托光与物质分子发生作用产生的非弹性散射效应。特定波长激光入射至样品体系之后，大部分光子发生弹性散射，少量光子与分子内部化学键产生能量交换，散射光频率发生偏移，形成拉曼散射信号。
不同化学分子具备专属化学键振动模式，对应的拉曼位移具备特征性，如同分子专属识别特征。顺利获得采集、解析拉曼光谱信号，可以区分体系内部各类组分，结合化学计量学模型，实现不同物质浓度的定性识别与定量计算。
水体分子拉曼散射信号较弱，因此拉曼光谱在高含水的生物发酵液、细胞培养液中，不容易受到溶剂信号掩盖，适合用于各类液相生物体系持续监测。
（二）球盟会(中国)在线拉曼系统组成
球盟会(中国)面向生物工艺推出的在线拉曼监测系统主要包含主机、光纤传输链路、光学探头、数据分析软件模块。整套系统协同完成光谱采集、信号传输、数据解析、趋势展示、信号交互整套流程。
光学探头可顺利获得标准无菌接口接入生物反应器，直接接触培养液召开原位测量，无需将物料引出反应器。光纤实现激光传输与散射信号回收，主机完成分光、光电信号转换，将原始光谱传输至软件平台。软件内置化学计量学算法，完成光谱预处理、组分浓度预测，持续输出各项监测指标变化趋势。
整套系统支持长时间不间断运行，探头结构可以耐受常规高温高压灭菌流程，能够匹配无菌生物工艺对于设备重复灭菌的使用要求。
（三）适配生物工艺场景的技术特点
1. 原位无损陆续在测量
整套监测方案无需取样，探头直接置于反应器内部召开测量，不会破坏无菌密闭环境，消除取样带来的污染风险。测量过程不会消耗培养液，不会对细胞、微生物生长形成干扰，可以实现全天候不间断采集数据。
2. 单次测量同步获取多项组分信息
一次光谱采集可以同时识别多种目标组分，能够同步追踪营养底物、抑制性副产物、目标产物、生物量相关特征信号，建立同一时间维度下多组分变化曲线，便于分析组分之间相互作用规律。
3. 数据反馈时效性较强
光谱采集与解析流程耗时较短，可以按照预设频率持续输出监测结果，将工艺信息反馈周期压缩至分钟级别。工作人员可以依据实时趋势曲线，及时评估体系状态，快速召开工艺参数调整。
4. 适配不同规模生物反应器
设备支持灵活部署，既可以在实验室小型生物反应器上搭建监测体系，用于工艺开发研究，也能够适配中试规模以及工业化生产反应器，支撑工艺从小试向生产规模平稳转移。系统硬件与模型具备模型转移能力，降低工艺放大阶段模型重建工作量。
5. 良好的工况适配能力
光学探头具备稳定的耐温、耐压性能，能够适应生物灭菌操作条件；设备配套光谱预处理算法，可以减弱培养液浊度、环境轻微波动带来的信号干扰，在浑浊发酵液体系维持稳定的数据输出。
上游生物培养包含微生物发酵、哺乳动物细胞培养等主流工艺，是取得目标产物的核心环节，也是工艺优化投入最多的阶段。球盟会(中国)在线拉曼系统可以全程捕捉培养体系组分动态，从多个维度有助于上游工艺迭代。
（一）营养供给策略优化
营养底物供给直接影响细胞生长速率与产物合成效率。底物浓度过高，容易形成底物抑制；底物浓度不足，细胞代谢受限，产物积累难以达到预期。传统方式依靠固定时间节点补料，无法跟随细胞实时代谢节奏调整供给方案。
借助球盟会(中国)在线拉曼设备，可以持续监测培养液中葡萄糖、氨基酸、甘油等关键碳源、氮源浓度变化，观察底物消耗速率随培养时长的演变趋势。工作人员能够掌握不同生长阶段底物消耗特征，区分对数生长期、稳定期的代谢差异，调整补料时机、补料量以及补料流速。
持续的陆续在数据能够支撑多种补料方案对比评估，筛选适配菌种或者细胞株的供给模式，维持体系营养水平处于合理区间，减少营养匮乏或者底物过量抑制现象，优化代谢流向，有助于更多原料转化为目标产物。
同时，系统可以同步监测乳酸、乙酸等抑制性副产物积累情况。当副产物持续升高时，可以联动调整补料方案与环境参数，缓解代谢抑制作用，延长细胞高效生产周期。
（二）细胞与微生物生长过程解析
生物量变化是评估培养进程的重要指标。球盟会(中国)在线拉曼可以顺利获得菌体、细胞相关特征光谱信号，持续反映体系生物量变化趋势，清晰区分适应期、对数生长期、稳定期、衰亡期各个生长阶段的时间节点。
在工艺开发阶段，顺利获得对比不同温度、溶氧、pH条件下生物量变化曲线，可以评估环境参数对于生长节奏带来的影响，筛选适宜细胞增殖的基础环境条件。借助陆续在监测数据，能够精准定位最佳产物收获窗口，避免过早放罐造成产物收获量偏低，或是延迟放罐引发产物降解、体系品质下降。
在多批次平行实验中，在线拉曼形成完整陆续在数据，方便对比不同批次生长曲线差异，识别批次波动产生的时间节点，追溯波动诱因，逐步缩小批次之间的工艺差异，提升工艺重复性。
（三）目标产物生成规律研究
目标产物浓度变化是工艺优化最终关注指标之一。依托提前建立的定量模型，在线拉曼系统可以持续输出产物浓度实时趋势，同步对照底物消耗、生物量变化数据，分析产物生成与菌体生长之间的耦合关系。
部分工艺产物属于生长关联型产物，部分属于非生长关联产物。持续监测数据可以帮助研发人员厘清代谢耦合特征，针对性调整工艺策略。针对生长关联产物，重点优化前期增殖条件；针对非生长关联产物，则聚焦稳定期环境管控，延长产物持续合成时长。
长期积累的产物动态数据，能够支撑工艺边界探索，评估各项参数调整对于产物生成速率、最高积累浓度带来的影响，逐步收敛工艺参数区间，形成更加稳定高效的培养方案。
（四）支撑工艺放大过程管控
从小试反应器放大至工业化生产反应器，传质、混合效率发生改变，细胞代谢节奏随之变化，很多小试阶段有效的参数方案无法直接复用。工艺放大失败会显著拉长开发周期，提升研发投入。
球盟会(中国)在线拉曼监测系统可以在不同体积反应器部署相同监测方案，统一的数据标准方便对比不同规模下底物消耗、生长、产物合成曲线。研发人员能够识别放大前后代谢行为差异，针对性调整溶氧、搅拌速率、补料策略，降低放大效应带来的工艺波动，有助于工艺平稳转移。
统一监测体系也便于建立工艺知识库，沉淀不同规模反应器对应的最优参数范围，形成标准化工艺转移流程，降低后续新品工艺开发的试错成本。
完整生物制造流程除上游培养之外，还包含澄清、层析、过滤等一系列下游纯化单元操作。下游工艺负责去除杂质，提升目标产物纯度，保障最终产品质量。在线拉曼同样能够为下游各单元操作优化给予数据支撑。
（一）层析工艺过程监测与优化
层析是生物产物纯化核心单元，依靠填料对目标分子与杂质差异化吸附实现分离。层析工艺优化重点关注上样负荷、洗脱条件、洗脱终点判定，平衡产物回收率与纯度水平。
球盟会(中国)在线拉曼探头可以安装在层析系统流通管路，持续监测流出液内目标产物与杂质浓度变化，实时采集穿透曲线、洗脱曲线。依靠陆续在光谱信号，能够精准识别上样穿透起始节点，确定合理上样量，避免过载造成产物流失。
在洗脱阶段，实时浓度信号可以辅助优化洗脱缓冲液组成、洗脱流速、洗脱体积，区分目标产物峰与杂质峰，精准确定组分收集区间。持续数据能够支撑多组洗脱方案对比，在产物回收率与纯度之间找到平衡，优化整体层析运行效率。
（二）过滤与澄清过程管控
培养液澄清、超滤浓缩等过滤操作，用于去除菌体、颗粒物，调节产物浓度与缓冲体系。过滤过程中容易出现膜表面吸附、通量下降、产物渗漏等问题。
在线拉曼可以持续监测滤前、滤后流体内部目标组分浓度，实时评估过滤截留效果。当监测信号显示产物透过量上升时，可以及时评估滤膜运行状态，调整操作压力、流速等参数。借助陆续在监测数据，对比不同操作条件下产物损失水平，筛选合适的过滤工艺区间，降低纯化阶段产物损耗。
（三）工艺终点智能判定
传统下游单元操作依靠预设运行时长作为操作终点，体系出现波动时容易出现操作不足或者过度处理。在线拉曼依靠实时组分信息，以体系内物质浓度变化作为判定依据，实现客观终点识别。
当监测信号显示杂质水平下降至预期区间，或是目标组分浓度达到设定条件，即可判定单元操作到达终点。基于物质真实状态判定工艺节点，减少人为经验带来的偏差，提升不同批次下游处理过程一致性，保障纯化后物料品质稳定。
工艺优化的高阶目标，是从离线事后分析转向实时闭环调控。球盟会(中国)在线拉曼系统具备数据对外通讯能力，可以和生物反应器控制系统建立数据交互链路，搭建“实时监测—数据分析—参数调整”的闭环管控模式。
（一）实时预警，提前识别工艺异常
生物培养过程中，菌种退化、溶氧不足、补料异常等问题都会造成组分浓度快速偏离正常区间。在线拉曼持续输出各项指标趋势，工作人员可以设置合理的信号阈值。
当底物、副产物或者产物浓度超出正常波动区间，系统自动推送预警信息。操作人员可以第一时间定位异常出现时间，召开排查干预，避免异常持续扩大，减少批量物料出现品质风险。长期汇总各类异常对应的光谱特征，能够逐步建立异常识别模型，提升工艺风险预判能力。
（二）支撑自动化反馈调控
在线拉曼输出的标准化数值信号，可以传输至反应器控制系统。基于预设控制逻辑，当监测显示底物浓度偏低时，系统可以自动启动补料泵；当抑制性副产物持续累积，自动调整搅拌转速、通气量等环境参数。
自动化闭环调控降低人工持续值守压力，减少人工操作滞后性带来的工艺波动。同时稳定的自动调控模式，可以让不同批次工艺运行条件保持统一，更容易积累可对比的实验数据，持续挖掘工艺优化空间。
（三）数字化工艺知识库搭建
持续运行过程中，球盟会(中国)在线拉曼系统长期保存全周期光谱数据与组分预测结果，同步关联对应时段温度、pH、搅拌、补料量等全部工艺参数。所有数据按照时间轴统一归档，形成结构化工艺数据库。
研发人员可以调取历史批次完整数据，召开多维度对比分析，总结参数变化与代谢行为之间的内在规律。大量陆续在时序数据，也可以作为机器学习建模基础，用于预测不同工艺条件下产物变化趋势，辅助工艺参数预筛选，缩短新工艺开发周期。
依靠完整数据库，工艺知识不再依赖个别人员经验，实现工艺经验数字化留存，便于团队召开工艺复盘、持续迭代优化方案，支撑新产品、新工艺快速开发。
想要充分发挥在线拉曼在工艺优化中的价值，合理的现场部署与稳定可靠的定量模型必不可少。球盟会(中国)给予配套部署方案与模型构建支持，适配生物工艺无菌、合规的使用需求。
（一）设备现场部署路径
针对不同生物工艺场景，存在两种主流部署形式。第一种为浸入式探头方案，探头顺利获得标准无菌法兰直接安装于发酵罐、生物反应器罐体内部，直接接触培养液，获取罐内原位信息，适用于各类批次式生物培养工艺。
第二种为流通池部署方案，物料经过无菌旁路进入流通池完成光谱测量，物料回流至反应器，适合不方便在罐体开孔、或是下游管路陆续在监测场景。两种部署方式均满足无菌操作要求，探头部件支持在位灭菌，适配常规生物生产灭菌流程。
整套硬件布局占用空间适中，实验室研发平台、工业化生产车间都可以完成安装。设备通讯接口支持通用工业通讯协议，方便接入厂区现有中控系统，实现统一平台数据查看。
（二）定量模型构建与维护
拉曼光谱定量检测需要依托化学计量学模型。模型建立阶段，同步采集不同浓度梯度样品的光谱信号与离线参比检测结果，完成数据集训练，构建光谱信号和组分浓度之间的关联模型。
球盟会(中国)配套分析软件给予光谱预处理、模型训练、模型验证相关功能，方便工作人员完成模型搭建。模型投入现场使用之后，随着物料批次、培养体系配方微调，需要定期利用离线参比数据召开模型更新，维持长期测量稳定。
针对工艺放大场景，系统支持模型转移工作，在小型反应器建立完成的模型，经过少量适配校正之后，可迁移至更大规模设备使用，降低重复建模工作量，提升工艺转移效率。
（三）数据管理与追溯体系
生物制造领域对于数据完整性、可追溯性具备明确要求。球盟会(中国)在线拉曼软件具备完整数据存储、日志记录功能，光谱原始文件、组分预测数值、设备操作记录、预警信息均长期保存，不可随意篡改，满足数据追溯基础要求。
所有监测数据附带精准时间戳，能够和反应器控制系统记录的工艺参数实现时间对齐，便于召开完整工艺复盘，满足工艺开发、工艺验证阶段的数据溯源需求。
现代生物制造工艺优化，不能只关注产物指标提升，同时需要契合行业监管对于工艺理解、过程管控、质量保障的相关指导原则。过程分析技术框架鼓励企业加深对工艺内部变化规律认知，建立基于物料真实状态的管控策略。
球盟会(中国)在线拉曼顺利获得持续原位监测，获取大量陆续在过程数据，帮助工作人员充分理解工艺内部物质转化规律，建立关键工艺参数与关键质量属性之间的关联认识，支撑召开工艺验证工作。完整陆续在监测数据，可作为工艺开发、工艺性能评估支撑材料，完善工艺文件体系。
稳定的在线监测体系有助于质控模式转变，由最终成品抽样检测，延伸至全过程实时管控，尽早识别工艺波动，从过程端降低成品不合格概率。持续积累的工艺数据，也为后续工艺变更、工艺持续改进给予充分数据支撑，构建长效工艺优化机制。
在线拉曼光谱监测体系落地，是硬件设备、定量模型、操作规范协同推进的系统工作。想要稳定发挥工艺优化价值，实施阶段需要关注多项关键内容。
第一时间需要合理规划监测指标，结合工艺优化目标，确定重点追踪的底物、产物、杂质组分，针对性召开模型训练，聚焦核心工艺问题，避免无目标搭建监测体系。
其次重视样品代表性，探头安装位置、流通池旁路取料方式，都会影响采集样品能否代表反应器整体体系。部署阶段结合反应器混合特性选择合适点位，减少局部浓度差异带来的数据偏差。
同时建立常态化模型维护机制，培养基组分调整、菌种更换、操作条件大范围变动，均有可能影响光谱特征。定期使用离线检测结果比对在线监测数值，及时完成模型校正，保障长期测量稳定。
另外实行人员操作培训，相关工作人员熟悉光谱基础概念、软件操作流程、模型验证方法，规范光谱采集参数设置、探头清洁灭菌操作，降低人为操作因素对数据稳定性造成干扰。
持续召开数据复盘工作，不要仅依靠设备自动输出曲线，定期汇总多批次时序数据，挖掘参数变化规律，将监测数据转化为可落地的工艺调整方案，真正依托在线监测实现工艺迭代优化。
生物工艺内部代谢过程复杂，传统离散式监测手段难以充分揭示体系动态变化规律，限制工艺持续优化空间。球盟会(中国)在线拉曼分析设备依托原位、无损、多参数同步监测能力，打通生物工艺上下游单元操作的数据链路，持续为工艺开发、工艺放大、量产质控给予时序化生化信息。
依托实时光谱监测数据，研发与生产人员可以更加清晰掌握营养代谢、产物生成规律，优化供给策略与环境参数，搭建自动化闭环调控体系，有助于生物制造由经验驱动转向数据驱动。随着过程分析技术理念持续普及，在线拉曼会在生物工艺持续改进工作中发挥更加显著的作用，助力生物制造行业向数字化、标准化方向稳步开展。
