看得见的代谢，算得准的工艺——赛默飞 Prima 尾气质谱在生物发酵中的独特视角

2026-07-28 09:57:05, 赛默飞化学分析 赛默飞智能制作与过程分析

过程分析技术（PAT）正在重新定义生物发酵的监控方式

从研发到生产，越来越多的生物工艺团队引入了在线拉曼、近红外光谱等工具，实时获取发酵液中葡萄糖、乳酸、谷氨酰胺等关键组分的浓度数据。这些技术无疑为工艺理解打开了新的窗口——它们直接"看"发酵液里有什么，让研究人员摆脱了对离线取样的依赖，可以更快地捕捉到成分变化。

但在生物反应器中，还有一个维度的信息同样关键，却往往被忽视。那就是——


细胞的状态怎么样？

从"发酵液里有什么"到"细胞的状态怎么样"

在线拉曼和近红外精确回答了"量"的问题：

底物还剩多少？代谢产物积累到了什么浓度？这些信息对于补料策略和收获时机的判断至关重要。


而细胞的"活性"和"代谢状态"也是值得关注的另一个层面。


当一个细胞的呼吸链开始活跃、当它从对数生长期转入稳定期、当它开始大量消耗氧气或释放二氧化碳——这些"行为"并不会直接反映在发酵液的拉曼/近红外光谱上，却会迅速体现在尾气的组成变化中。

赛默飞 Prima 系列过程质谱仪（包括 Prima BT、Prima PRO），正是从这个维度切入的。

Prima BT 台式过程质谱仪

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Prima PRO 过程质谱仪

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尾气质谱：非常适合发酵工艺的在线分析工具

Prima 采用扫描磁扇式质谱原理，对发酵罐尾气进行在线连续分析，实时测定 O₂、CO₂、N₂、Ar 的浓度，并可根据需要扩展至甲醇、乙醇等挥发性有机物。


基于这些基础数据，系统可以助力客户精准计算出三个关键的宏观代谢参数：

OUR（摄氧率）——反映细胞呼吸活性的最直接指标

CER（二氧化碳释放率）——与碳代谢通量紧密相关

RQ（呼吸熵 = CER/OUR）——指示碳源代谢途径的类型和效率


值得一提的是，Prima 通过引入惰性气体（N₂ 或 Ar）作为内标，有效消除了流量测量误差对 RQ 计算的影响。这一点在有多路进气、多罐并联的生产场景中尤为关键——流量计本身的漂移和偏差经常导致 RQ 计算失真，而质谱法则从原理上规避了这个问题。


在多个维度上，赛默飞Prima尾气质谱有自己的优势

与在线拉曼或近红外相比，尾气质谱提供的是互补性而非替代性的信息。两者并非非此即彼的关系，而是分别回答了工艺过程中不同层面的问题。在某些方面，Prima 尾气质谱还具备一些重要的工程特点：


1

无需建模，标定即用——工艺变更与放大的天然适配

Prima 尾气质谱使用标准气体进行一次标定，仪器即可正常工作，无需建立任何数学模型，也无需为不同发酵体系分别准备校准曲线。这意味着：

1

培养基或菌株变更时，尾气质谱的测量结果不受影响，O₂ 就是 O₂，CO₂ 就是 CO₂，不需要重新建模或迁移学习；


2

从小试到中试再到规模化生产，同样的测量原理、同样的标气校准方式，结果保持一致的准确性和可比性，保证了结果的一致性和可比性；


3

不同培养体系之间，无论是大肠杆菌的高密度发酵、酵母的微氧培养，还是动物细胞的低代谢体系，Prima 都能直接测量——不需要针对每种体系单独建立光谱模型。


这种无需建模的特性，不仅大幅缩短了仪器的部署和投产周期，也让研发阶段的快速迭代和放大阶段的工艺转移少了一个潜在的卡点。



2

非接触、无侵入

Prima 尾气质谱的采样点位于发酵罐尾气管路，取样不接触发酵液本身，不存在探头结垢、灭菌寿命/兼容性等问题，也不需要考虑生物膜附着对信号的影响。在长周期发酵或高密度培养中，这一特点可以减少维护工作量。



3

一台仪器，覆盖多个反应器

Prima 标配 16 或 32 通道流路切换，一台仪器即可覆盖十几到几十个平行反应器。对于研发阶段的高通量筛选（如四联/八联平行生物反应器）或生产阶段的多罐监测（如十几个发酵罐同时监测），单台质谱的通道复用能力可以显著降低单个反应器的分析成本。



4

长期稳定性，真正实现"无人值守"

Prima 尾气质谱的扫描磁扇式设计在实际运行中表现出极好的长期稳定性。数据表明，Prima 在连续运行 7 天无需校准的情况下：

O₂ 测量标准偏差0.003，RSD 0.015%

CO₂ 测量标准偏差 0.7 ppm，RSD 0.17%

N₂ 测量标准偏差0.003%，RSD 0.004%


这种水平的稳定性，使其尤其适用于需要连续数周甚至更久的稳定运行的生物发酵过程，也支持其在无人值守场景下的 24/7 运行。



5

使用寿命长达 15 年以上——且后期可灵活扩展

Prima 的设计寿命超过 15 年，且后期可灵活扩展。更重要的是，当工艺变更需要增加新的监测组分时，只需配置相应标气及组态文件即可，无需更换硬件，这对于研发阶段工艺快速迭代的场景十分实用。



6

秒级反馈，直接用于过程控制

质谱的分析速度在秒级，Prima 的数据可以直接输出到 DCS/PLC/SCADA，用于基于 RQ 的补料控制、基于 OUR 的搅拌/通气调控等闭环策略。一些实际案例中，基于 RQ 反馈的补料控制（维持 RQ=1）表现出极高的稳定性——这种控制精度可满足高要求闭环控制场景的需要。


一条经验：学会"读"尾气，才能真正读懂工艺

在线拉曼或近红外看到的，是发酵液中的"存量"——底物和代谢物的浓度；尾气质谱看到的，是细胞的"状态"——氧气消耗和二氧化碳释放的速率。


两者结合，可为用户带来一幅完整的工艺画像：

某时刻底物浓度仍然充足，但 OUR 开始下降？——细胞可能已进入应激状态。

葡萄糖浓度正常，但 RQ 从 1 降至 0.67？——细胞可能已经从葡萄糖代谢切换到乙醇代谢。

放大时发现大罐 RQ 明显偏高？——可能是混合或传氧问题，需要调整搅拌配置。

这些判断单靠发酵液成分分析难以完成，但有了尾气质谱，工艺开发人员就多了一双"听诊器"——不需要取样，不需要探头介入，只通过排气成分的变化，就能感知细胞的代谢状态。


在线拉曼和近红外已经帮助很多生物工艺团队大幅提升了研发效率，它们是 PAT 工具箱中不可或缺的工具。而尾气质谱作为 PAT 的另一个重要成员，从"代谢活动"的维度提供了独特的工艺洞察。


赛默飞在 PAT 领域同时拥有在线拉曼/近红外分析仪和 Prima 系列过程质谱仪，可以为不同工艺需求提供定制化的配置方案。当工艺团队同时掌握了"发酵液成分"和"细胞代谢活动"两个维度的数据，对生物过程的理解也便从"看到了什么"迈向了"读懂了为什么"。


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赛默飞世尔科技 Prima 系列过程质谱仪——为生物发酵过程提供实时、精准的尾气分析，助力工艺开发到规模化生产的全程优化。




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