制药生物发酵过程细胞密度在线监测：光纤双波长浊度传感器的原理与选型

随着制药与生物发酵行业对过程分析技术（PAT）要求的提升，发酵罐内的细胞密度监测正从离线取样走向在线连续测量。传统离线方法靠定时取样测OD值或干重，不仅取样环节增加染菌风险，单个时间点也难以反映菌体生长的连续趋势。本文以博取仪器 IOT-BHT-TB 在线生物浊度传感器为例，梳理光纤双波长测量原理、耐灭菌设计与选型要点。

一、发酵过程浊度在线监测要解决什么问题

离线取样方式有三个常见痛点：

• 取样代表性差：单次取出的少量样液中菌体分布不均，OD与干重数据波动大；
• 染菌风险高：反复开阀取样破坏罐体密闭性，无菌操作与验证成本随之上升；
• 反馈滞后：化验结果晚于工艺数小时，补料、通气控制只能凭经验提前预判。

在线浊度传感器的价值，是把光信号连续换算为细胞密度（CDW，细胞干重），帮助工艺人员判断对数生长期拐点、补料策略与收罐时机，并为批记录提供连续数据。

二、光纤双波长反射的测量原理

IOT-BHT-TB 采用光纤传导、双波长反射的光学结构：测量光与参考光先后到达样品窗口，通过两路信号的比值运算，抑制光源衰减与窗口污染带来的漂移。相比传统90°散射式浊度探头，这种结构的检测窗口为石英玻璃平面，表面粗糙度做到N5级（Ra≤0.4μm），不易附着菌体，便于清洗与灭菌。

传感器内置变送电路，直接输出 RS-485 数字信号（Modbus RTU），长距离传输不易受电磁干扰，可绕过“模拟信号进柜易受潮影响"的常见问题。

三、关键参数一览

四、选型与投用要点

1. 先看灭菌兼容性：接种罐、生产罐都要进蒸汽灭菌柜或在线灭菌，探头材质与密封结构必须按灭菌工况设计，多周期使用不发生明显漂移；
2. 再看量程覆盖：种子阶段菌体浓度低，生产末期菌浓可达数十 g/L，0.5~4000 NTU 与 0~30 g/L 的双单位量程可覆盖大部分发酵周期；
3. 安装方式：PG13.5 螺纹可直接配发酵罐或生物反应器的标准仪表口，避免改造罐体开孔；
4. 信号接入：RS485 信号可接博取 DA800 通用变送器或 MPG-6099Plus 多参数平台查看实时曲线，再经 Modbus 上传 DCS/SCADA；
5. 干重换算：浊度是光学量，换算细胞干重需要针对具体菌株建立回归系数，CDW_Slope 寄存器范围 0.01~1000.0，放大试验初期建议与离线干重数据成对标定。

五、典型应用与运维

某生物制药企业把该传感器装于种子罐与生产罐侧口，按批次连续记录菌浓曲线，收罐判据从“定时收罐"调整为“菌浓到达设定阈值收罐"，批间一致性得到改善。维护方面：出厂已完成校准，随窗口污染与光源的自然衰减，需要定期做零点+斜率两点校准；O形圈与线缆航空插头在每次灭菌后目视检查。

六、常见问题

问：在线浊度能替代离线OD吗？
答：趋势判断可以，定量申报仍需建立在线信号与离线干重/OD的回归关系，并在工艺验证中固化换算系数。

问：对搅拌转速敏感吗？
答：气泡与流场会影响读数，建议在相同搅拌与通气条件下建立曲线基线，或选择带气泡抑制的双波长方案。

问：能否用于动物细胞培养？
答：可以，其低剪切、免取样特性尤其适合细胞培养袋与小型生物反应器，量程按细胞干重模式设置。

总的来看，发酵过程的在线细胞密度监测选型的落脚点，是灭菌兼容性、量程覆盖与信号可追溯性三件事，把这三点核对清楚，再结合菌株标定回归系数，就能获得稳定的连续数据。