星赛生物助力青岛能源所、清华大学等实现工业规模发酵罐单细胞代谢监控 | RAMS硬核支撑

高端生物反应器长期制约着生物制造产业的自主发展，而其关键是先进传感器。

长期以来，工业发酵罐就像一个难以透视的 “黑箱”—— 罐内细胞正在合成什么产物、产量是否达标、单体比例是否合格，传统检测手段都无法实时获知。

取样、前处理、实验室分析…… 一套流程往往需要 2 天甚至更久，数据严重滞后于生产节奏。更关键的是，传统方法只能得到细胞群体平均值，看不到单细胞代谢差异，容易导致采收时机误判、产品品质不达标等生产损失。

针对这一行业共性难题，研究人员开发过程拉曼组技术，为生物制造过程实时监测提供全新解决方案。

过程拉曼组基于单细胞拉曼光谱，直接读取细胞内生化指纹，无需荧光标记、无需复杂前处理，实现三项关键突破：

快速检测：12 分钟完成全流程分析

从样本采集到数据分析完成，全程仅需 12 分钟，分析速度较传统气相色谱（GC）方法提升100 倍以上，支撑近实时过程监控。

Figure 1. 传统方法与过程拉曼组方法的质量评价流程对比

精准定量：单细胞 + 单体双维度解析

先搞懂：PHA、PHB、P34HB、3HB、4HB 是什么关系

在生物可降解材料领域：

PHA：是一大类可生物合成的聚酯聚合物总称，绿色可降解，广泛用于包装、医疗等领域。3HB、4HB 是构成 PHA 的基础单体。

• PHB：是由3HB单体组成的聚合物，是最常见的一种 PHA，刚性好但偏脆。

• P34HB：是由3HB和4HB两种单体组成的共聚型 PHA，4HB 比例直接决定材料柔韧性与韧性，是产品质量的关键指标。

• 可99.75% 准确率区分细胞在合成PHB（仅 3HB），还是P34HB（3HB+4HB）
• 依托1096 cm⁻¹（3HB）、1722 cm⁻¹（总 PHA）特征拉曼峰，在单个细胞层面同时测出：① 总塑料产量（PHA 总量）② 3HB、4HB 各占多少（单体组成比例）
• 定量误差低于 3.8%，精度与传统实验室方法相当

Figure 2. 不同实验条件对区分两种 PHA 类型（PHB 与 P34HB）准确率的影响

Figure 3. 简单线性回归（SLR）模型结合优化预处理方法，实现 PHA 与 3HB 的高准确度定量

异质性解析：看见每一个细胞的真实状态

技术可直观揭示单细胞水平的代谢差异，稳定生产期单菌体 PHA 含量差异可达3 倍以上。

团队建立变异系数、偏度、四分位距等量化指标，提出基于代谢异质性的采收判定标准，突破传统仅以群体产量峰值判断的局限。

Figure 4. 基于单细胞拉曼光谱（SCRS）的细胞内总 PHA 含量定量模型

Figure 5. 基于单细胞拉曼光谱（SCRS）的细胞内 3HB 与 4HB 含量定量模型

在 5000 L PHA 工业发酵场景中，过程拉曼组完成了工业级验证：

• 传统方法提示：28 小时 PHA 含量达峰值 66.32%，建议采收

• 过程拉曼组监测：26 小时 4HB 比例为 8.67%（符合标准），28 小时升至 11.28%（超标）

• 结合异质性数据：26 小时高产细胞占比91.54%、群体同步性最佳，确认为最优采收点

Figure 6. 基于单细胞拉曼光谱（SCRS），对 5000L 发酵罐中 PHB、P34HB、3HB、4HB 定量及其异质性分析

过程拉曼组平台结果显示，提前 2 小时终止发酵，产品合格率才能达标，可有效避免因数据滞后、指标单一造成的品质与产量损失。

RAMS提供工业级硬件支撑

本研究中，星赛生物提供的高通量拉曼组分析仪器 RAMS，是过程拉曼组技术从实验室走向工业生产线的关键硬件支撑。

• 支持免标记、非侵入式单细胞拉曼光谱采集

• 高通量、高稳定，单样本快速完成 200 个细胞检测

• 输出高质量拉曼数据，支撑机器学习建模与精准定量

• 适配工业现场环境，保障技术稳定落地与重复可靠

广谱适用，助力生物制造智能化升级

除 PHA 生物塑料外，过程拉曼组已在酿酒酵母蛋白合成、红球菌油脂合成等多种体系中验证通用性，可作为生物制造过程的通用分析工具。

Figure 7. 基于拉曼组的酿酒酵母总蛋白含量、红球菌总脂含量发酵过程监测

未来，因此，过程拉曼组将作为一种通用的过程大数据与人工智能引擎，支撑新一代智能生物反应器研发，推动我国生物制造高端装备核心技术的自主创新与升级。而星赛生物的 RAMS 装备，将持续作为拉曼组技术产业化的重要载体，助力生物制造迈向透明化、精准化、智能化新阶段。