在線近紅外（Online Near-Infrared Spectroscopy, 在線NIR）技術(shù)在發(fā)酵監(jiān)測中是一種強大、非破壞性的實時工具，尤其適用于合成生物學(xué)、食品、制藥和生物燃料等領(lǐng)域的發(fā)酵過程（如細菌、酵母或細胞培養(yǎng)）。它能同時監(jiān)測多個關(guān)鍵參數(shù)（如底物、產(chǎn)物、生物量等），支持過程分析技術(shù)（PAT）和自動化控制。然而，由于發(fā)酵環(huán)境的復(fù)雜性（如多相體系、活細胞動態(tài)變化），實際應(yīng)用中必須注意多個關(guān)鍵要點，以確保模型準確、穩(wěn)定和可靠。

1. 校準模型的建立與魯棒性

覆蓋全過程變異范圍：校準集必須包括發(fā)酵全周期（從接種到結(jié)束）的樣本，涵蓋預(yù)期濃度范圍、不同批次、不同規(guī)模（實驗室到工業(yè)罐）、不同菌株或基質(zhì)變化。

避免強相關(guān)偽相關(guān)：許多參數(shù)高度相關(guān)（如葡萄糖消耗與生物量增長、乳酸積累與pH下降）。單純的PLS模型可能基于間接相關(guān)而非直接光譜信號，導(dǎo)致“相關(guān)性模型”而非“因果模型”。

2.儀器與探頭安裝的工程注意事項

需注意探頭類型與位置：常用浸入式光纖探頭或旁路流通池。探頭需耐高壓、高溫、酸堿、CIP/SIP清洗，且抗振動、抗生物污垢。安裝位置應(yīng)避開死角、氣泡密集區(qū)或攪拌死區(qū)，確保代表性采樣。

3.環(huán)境干擾因素控制

溫度影響：溫度變化會**移位光譜峰（尤其是水峰）。需在校準中納入溫度變異樣本，或使用溫度補償算法。

氣泡、濁度與多相體系：發(fā)酵中氣泡、細胞聚集、粘度變化會引起光散射。需優(yōu)化攪拌、探頭設(shè)計，或用算法（如MSC散射校正）補償。

微生物形態(tài)變化：不同生長階段的細胞形態(tài)（如桿狀vs球狀）會影響散射，需在模型中考慮。

在線NIR在發(fā)酵監(jiān)測中的成功率高度依賴“前期投入”——高質(zhì)量校準、嚴謹驗證和工程優(yōu)化。一旦模型穩(wěn)定，它能**縮短分析延遲、減少取樣污染、提升過程一致性和產(chǎn)量。在合成生物學(xué)時代，這項技術(shù)正助力從“經(jīng)驗發(fā)酵”向“智能**發(fā)酵”轉(zhuǎn)型。