摘要：在“双碳”与GMP双重背景下，抗生素发酵过程不再是“黑箱艺术”，而是可量化、可追溯、可优化的智能制造环节。本文以一套已在国内多家大型制药厂落地的“CO₂/O₂双效在线检测与智能联动系统”为例，用方案写作方式，为正准备改造或新建发酵车间的企业提供可直接落地的技术

精准守护每一瓶抗生素：CO₂/O₂双效在线检测仪赋能绿色发酵车间

在“双碳”与GMP双重背景下，抗生素发酵过程不再是“黑箱艺术”，而是可量化、可追溯、可优化的智能制造环节。本文以一套已在国内多家大型制药厂落地的“CO₂/O₂双效在线检测与智能联动系统”为例，用方案写作方式，为正准备改造或新建发酵车间的企业提供可直接落地的技术模板。

一、项目痛点——为什么必须同时监测CO₂与O₂

1. CO₂是抗生素次级代谢的关键“信号兵”，浓度过高会抑制菌体呼吸，造成产物降解；

2. O₂是维持溶氧水平（DO）的直接“供给端”，其瞬时波动比DO探头提前2–3 min反映，可为补料、提速、升压赢得宝贵时间；

3. 传统“尾气磁氧+红外CO₂”仪表响应慢、易漂移，手工标定频繁，数据孤岛严重，难以对接MES/EMS。

二、检测原理——双通道不分光红外+激光TDLAS的融合方案

1. CO₂通道：4.26 μm窄带红外光源，采用“反射式多光程”气室（光程≥20 cm），配合双温度点恒温驱动，可消除水汽交叉干扰，分辨率0.1 ppm；

2. O₂通道：760 nm垂直腔面发射激光器（VCSEL-TDLAS），利用氧气分子吸收谱线强度与压力、温度自补偿算法，实现0.01 %vol分辨率，10 ms快速刷新；

3. 两通道共用同一对射气室，避免“双探头”造成的采样延时差异，系统漂移

三、产品特点——专为发酵尾气设计

1. 全316L不锈钢+蓝宝石镜片，耐121 ℃原位灭菌（SIP）30 min；

2. 内置0.1 μm PTFE反吹滤芯，自动脉冲回吹，防止菌丝与培养基液滴堵塞；

3. 支持“热插拔”模块化维护，探头可在5 min内完成更换，无需停罐；

4. 输出接口4–20 mA、Modbus-TCP、Profinet可选，已预置西门子S7-1500、罗克韦尔、和利时等GSD文件；

5. 整机防爆Ex d IIB T4，满足GB 3836.1、GB 3836.2，可直接安装在甲类发酵区。

四、系统功能——不仅是“表”，更是“小脑”

1. 实时计算OUR、CER、RQ（呼吸商），自动生成每批次代谢曲线；

2. 当RQ>1.15且CO₂>2 %vol持续3 min，系统触发“自动降糖+提转”联动，减少碳源浪费5–8 %；

3. 与EMS对接后，可按照GB 37823-2019要求，将尾气浓度折算为基准氧含量3 %的排放质量，自动生成小时均值报表；

4. 具备“电子签名”与审计追踪功能，符合21 CFR Part11，可直接用于申报FDA、EMA的PAT文件。

五、完整解决方案——从采样到报表

1. 采样：在发酵罐顶部尾气管道DN50处安装“旁路汽水分离+微正压取样泵”，保证气体露点

2. 预处理：双级冷凝器+自动排凝，防止水汽进入光学气室；

3. 检测：红外+激光双通道主机，响应时间T90

4. 控制：PLC内置PAT算法，通过工业以太网与DCS双向通讯，实现“参数-设备”闭环；

5. 展示：车间大屏、工程师站、手机App三端同步，关键报警同步推送至企业微信；

6. 归档：每批次自动生成“CO₂/O₂/OUR/CER/RQ”五合一加密PDF，可直接绑定电子批记录（EBR）。

六、选点与安装注意事项

1. 取样点应位于罐顶呼吸器后方≥5D直管段，远离补料口，避免液沫夹带；

2. 安装高度1.2–1.5 m，方便单人维护；

3. 预处理箱需做倾斜5°排水设计，配DN10自动排凝阀接至废液灭活系统；

4. 电缆采用阻燃屏蔽双绞，仪表接地电阻

5. 每批次灭菌前，先关闭探头隔膜阀，开启反吹，防止高温水锤冲击镜片；

6. 校准周期：CO₂采用5 %vol量程气，O₂采用空气（20.9 %vol）与1 %vol两点，每月一次即可，比传统表减少70 %工作量。

七、执行标准与合规性

1. 在线监测方法：CO₂按HJ 870-2017（NDIR），O₂按HJ 693-2014（TDLAS）；

2. 排放限值：满足GB 37823-2019表1“发酵工艺尾气”NMHC≤60 mg/m³、臭气浓度≤1000（无量纲）要求，系统可扩展NMHC检测模块；

3. 防爆与电气：GB 3836.1-2010、GB 3836.2-2010、GB 50058-2014；

4. 数据质量：HJ 75-2017在线监测数据有效性判别技术规范，小时数据捕获率≥95 %。

八、产品参数（非表格化描述）

1. 量程：CO₂ 0–5 %vol（可扩展至15 %vol），O₂ 0–25 %vol；

2. 线性误差：≤ ±1 % F.S.；

3. 重复性：≤ 0.5 % F.S.；

4. 零点漂移：≤ ±1 % F.S./30 d；

5. 量程漂移：≤ ±1 % F.S./30 d；

6. 响应时间：T90 ≤ 3 s；

7. 进气压力：0.8–1.5 bar（绝对压力）；

8. 进气流量：0.3–0.6 L/min；

9. 工作温度：-10 ℃ 至 +50 ℃，相对湿度≤ 95 % RH（无凝露）；

10. 电源：24 VDC ±10 %，功耗

11. 外壳防护：IP66，抗腐蚀等级WF2；

12. 重量：探头部分2.1 kg，预处理箱5.5 kg，便于单人搬运。

九、效益与展望

实测数据显示，某年产1500 t青霉素车间在投用本系统后：

1. 批次失败率由1.8 %降至0.3 %，直接节省原料与能耗约220万元/年；

2. 尾气VOCs排放浓度下降32 %，提前两年达到地方特别限值；

3. 人工取样与化验工作量减少约420人时/年，让QC团队更专注于新方法开发；

4. 基于RQ的精准补料，使糖耗下降6.5 %，折合减少二氧化碳排放约480 t/年，为制药企业参与全国碳交易提供数据资产。

来源：三卫遥测