在线拉曼光谱仪

一、核心工作原理

1. 拉曼散射效应：单色激光（常用 785nm/1064nm）通过浸入式探头照射发酵液，分子产生非弹性散射（拉曼散射），散射光与入射光的“频率差（拉曼位移）” 对应分子振动能级，形成唯一 “分子指纹”。
2. 信号采集与解析：探头收集散射光，经光纤传输至光谱仪；检测器（CCD/InGaAs）记录光谱，软件通过化学计量学模型（PLS、PCA）将光谱信号转化为葡萄糖、乙醇、有机酸、氨基酸、菌体密度等浓度数据。
3. 在线闭环：数据实时上传至 DCS/SCADA，联动控制补料、温度、pH、搅拌，实现发酵过程精准调控。

二、系统组成（发酵专用）

• 光学探头：卫生级 316L 不锈钢，耐高温高压（121℃/0.1MPa）、耐酸碱、可蒸汽灭菌，直接插入发酵罐 / 管道，无需取样。
• 激光光源：近红外（785/1064nm），降低生物样品荧光干扰，适配高浊度发酵液。
• 光谱分析仪：色散型 / 傅里叶变换型，高分辨率、高灵敏度，每秒可完成多次扫描。
• 专用软件：
  • 实时显示多组分浓度趋势图（葡萄糖、产物、副产物、OD 值）。
  • 内置发酵行业标准定量模型，支持自定义建模与自动校准。
  • 数据存储、异常报警、与发酵控制系统联动。
• 防护与接口：防爆 / 防腐外壳，支持Modbus、OPC UA，适配 50L–2000L 发酵罐。

三、发酵行业核心应用

1. 关键参数实时监测（全覆盖）

• 碳源 / 氮源：葡萄糖、乳糖、甘油、蔗糖、氨基酸、铵盐浓度。
• 产物 / 副产物：乙醇、乳酸、乙酸、柠檬酸、抗生素、重组蛋白、藻油、PHA。
• 菌体状态：细胞密度（OD600）、湿重、生物量、代谢活性。
• 过程指标：底物消耗速率、产物生成速率、比生长速率、发酵终点判断。

2. 典型应用场景

• 小试 / 中试：快速建立发酵动力学模型，优化补料策略、缩短工艺开发周期。
• 规模化生产：全程在线质控，避免批次波动，确保产量与纯度稳定。
• 特殊发酵：光合发酵（微藻）、高密度发酵、连续发酵、无细胞合成。
• 异常预警：实时发现染菌、底物耗尽、副产物积累，减少批次报废。