一、引言

在生物制造领域（如生物乙醇、氨基酸、酶制剂、有机酸），微生物发酵过程的代谢物（如葡萄糖、乳酸、乙醇、氨氮）浓度直接影响菌体生长、产物合成与过程效率。通过生物计量手段实现关键代谢物的在线或准在线监测，是实现发酵过程精准控制的核心。

二、代谢物监测的基本原理

利用生物传感器、近红外光谱（NIRS）、质谱（MS）或微流控芯片技术，测定发酵液中目标代谢物浓度。常用方法包括：

酶电极传感器：如葡萄糖氧化酶电极；

拉曼光谱：非侵入式、多组分同时检测；

在线质谱（MEMS-MS）：高灵敏、快速响应。

三、核心技术与系统组成

耐高温、耐污染的生物传感器
可长期浸入发酵罐内工作。

原位采样与预处理系统
过滤细胞、除泡、恒温输送。

多参数分析仪器
如NIRS光谱仪、微型质谱仪。

代谢流分析与过程优化平台
结合动力学模型预测产物生成速率。

四、典型应用场景

氨基酸发酵过程补料控制
根据残糖浓度动态调节流加速率。

抗生素发酵终点判断
监测副产物积累，防止过度发酵。

乙醇发酵效率评估
实时跟踪乙醇生成速率与底物转化率。

合成生物学菌株性能验证
评估基因回路对代谢通量的调控效果。

五、挑战与未来发展趋势

挑战：

发酵液复杂基质干扰传感器信号；

传感器寿命短、维护成本高；

在线分析设备昂贵。

未来方向：

发展微流控“芯片实验室”在线分析系统；

推进AI驱动的软传感器建模（基于pH、DO等间接参数预测代谢物）；

建立工业发酵过程生物计量标准物质体系；

实现全生命周期代谢监测与数字孪生融合。