一、引言

在氨基酸、有机酸、酶制剂、生物燃料等工业发酵过程中，菌体浓度（如OD值、干重）是反映微生物生长状态的核心参数。通过生物计量手段实现菌体浓度的实时、非侵入式监测，是优化补料策略、控制发酵周期、提升产物收率的关键支撑。

二、在线监测的基本原理

利用光学、电学或声学方法间接反映菌体浓度变化：

近红外光谱（NIRS）：基于细胞对特定波长的吸收特性；

介电常数测量（电容法）：检测活细胞膜引起的介电响应；

超声衰减法：通过悬浮颗粒对声波的散射程度推算浓度；

微型光纤传感器：集成在发酵罐内，实时采集散射光信号。

三、核心技术与系统组成

原位探头与耐压密封接口
可高温灭菌（121°C）、抗腐蚀，适用于CIP/SIP环境。

多模态信号采集系统
同步获取OD、pH、DO、温度等参数。

软测量建模平台
基于PLS（偏最小二乘）、PCA（主成分分析）或神经网络建立光谱/电信号与真实浓度的映射关系。

与DCS系统集成
将菌体浓度数据用于自动补料控制与终点预测。

四、典型应用场景

大肠杆菌高密度发酵过程监控
实时跟踪生长曲线，避免底物抑制或溶氧不足。

酵母发酵酒精产率优化
根据菌体活性动态调节糖流加速率。

放线菌次级代谢产物合成窗口判断
识别从生长期向产素期的转换节点。

新型合成生物学菌株性能验证
评估基因编辑对生长速率的影响。

五、挑战与未来发展趋势

挑战：

发酵液泡沫、色素、颗粒物干扰测量；

不同菌种需重新建模；

探头易污染，维护成本高。

未来方向：

发展抗污染自清洁探头技术；

推进AI驱动的自适应软传感器模型；

构建工业微生物生长参数计量标准体系；

实现从离线取样到全生命周期在线监测的转型。