FGA系列发酵尾气分析仪技术白皮书
版本：V1.2
发布单位：山东省科学院生物研究所（山东省生物传感器重点实验室）
适用领域：微生物发酵、细胞培养、生物制药、生物化工、生物农业、食品工业、环保与能源等
一、前言
在现代化发酵工程中，实时、无损地获取微生物代谢状态是实现智能化过程控制的关键。尾气分析作为一种非侵入式在线监测技术，通过分析发酵排气中的 O?与 CO?浓度，进而计算代谢参数 CER、OUR和RQ，可实时解析细胞代谢状态，为工艺优化、异常预警与放大研究提供数据支撑。
然而，发酵尾气通常处于 100%饱和湿度状态，并夹带粘液与颗粒，传感器在此高湿环境下漂移，很快失效，导致系统无法稳定运行。
FGA系列发酵尾气分析仪是山东省科学院生物研究所自主研发的，拥有完全自主知识产权的产品。其创新点在于：将采样、除湿、稳流与气体分析功能高度集成于单一机箱内，实现“无外置预处理、无复杂管路”的一体化设计，从根本上解决了传统方案易堵塞、响应滞后、维护频繁等工程痛点，为长期在线监测提供了可靠的硬件保障，真正实现了高湿发酵尾气工况下的免维护运行。
二、技术背景与问题定义
2.1 发酵尾气分析的重要性
? 尾气中CO?与 O?的浓度变化，灵敏反映细胞生长、产物合成及异常状态；
? 可在线计算关键代谢参数：CER（CO?释放率）、OUR（摄氧率）、RQ（呼 吸商，即 CER/OUR）。
2.2 传统技术痛点?
? 尾气含水量极高，传感器无法正常工作；
? 预处理系统复杂，过滤除湿装置易堵塞，需定期维护更换；
? 多通道切换检测存在信号失真、响应延迟及交叉污染风险，且难以捕捉瞬态 代谢变化。
三、技术创新
3.1 内置预处理单元（技术）
将气体预处理单元完全集成于设备内部，无需任何外接过滤除湿装置；有效解决高湿、高粘尾气对传感器的干扰与腐蚀，支持长期连续在线运行。
3.2 单通道独立检测架构
一罐一系统，避免多路切换导致的数据失真、信号延迟及交叉污染；真正实现实时、连续、在线检测，准确捕捉发酵过程中的“临界点”信息（如代谢拐点、阶段转换点）。
3.3 完整代谢分析体系
实时检测CO?与O?浓度；同步计算CER、OUR和RQ，支持代谢流分析及质量守恒计算，实现发酵过程软测量。
四、系统组成
? FGA系列分析仪主机（FGA-2A/2B/3A，FWQ-2等）：现场尾气采集、预处理、检测与本地显示；
FGA系列发酵尾气分析系统组成示意图
? 通讯转换器：数据转换与传输（支持多种接口）；
? 计算机终端：数据处理与存储平台；
? FGASYS 专用分析软件：数据管理、趋势分析、代谢参数计算、导出。
FGASYS 专用分析软件曲线图
五、优势
? 高度集成一体化：集采集、预处理、检测、显示、通讯于一体，简化管路布 局，降低安装难度与染菌风险；
? 免维护运行：内置预处理单元，无需维护，大幅降低运维成本；
? 独立通道检测：每罐专用一套检测系统，数据真实可靠，无交叉干扰；
? 标准接口与协议：支持 COM、USB、RS485、4-20mA，兼容 MODBUS、 DDE 等常见工业协议；
? 全场景覆盖：适配从 3L 实验室小罐到 600T 工业大罐，
，支持纯氧/混合氧等特殊工艺定制；
? 科研支撑：依托山东省科学院生物研究所四十余年发酵过程检测研究经验，提供持续技术支持。
六、关键代谢参数说明
CER (mmol/L/h)：CO?释放速率，直接反映细胞代谢活性；
OUR (mmol/L/h)：摄氧率，精准反映细胞对氧气的实时需求，受菌体浓度、营养、溶氧及碳源种类影响；
RQ (无量纲)：呼吸商（CER/OUR），揭示碳源代谢途径。
七、典型应用场景与价值
7.1 应用领域
微生物发酵、动植物细胞培养、生物制药、生物化工、食品、农业、环保、能源。
7.2 典型价值
& 实时识别发酵阶段；
& 优化通气量与搅拌转速；
& 精准控制流加补料与诱导时机；
& 确定移种、放罐时间，实现数据驱动的标准化操作；
& 辅助工艺放大；
& 早期预警染菌或代谢异常；
& 支持动力学建模、代谢流分析及质量守恒计算。
八、产品系列
型号 | 定位 |
FWQ-1 | 代 |
FGA-2A | 标准型 |
FGA-2B | 控制系统配套型 |
FWQ-2 | 特殊工艺专用型 |
FGA-3A | 第三代增强型 |
八、技术参数
参数名称 | 具体规格 |
检测气体 | O?、CO? |
CO?检测原理 | 红外不分光（NDIR) |
CO?检测量程 | 0–5% Vol/ 0–10% Vol/ 0–30%Vol，可选 |
CO?分辨率/ | 分辨率0.01%FS，±0.1%FS |
O?检测原理 | 固态电化学 |
O?检测量程 | 1–25%Vol / 1–30% Vol/ 1–100%Vol，可定制 |
O?分辨率/ | 分辨率0.01%，±0.2%FS |
响应时间 | T90 < 30s |
通讯接口 | COM，USB，RS485，4-20mA，适配各类控制系统 |
支持协议 | Modbus-RTU/TCP ,DDE，可扩展OPT |
管理软件 | FGASYS(自研） |
物理规格 | 210 × 120 × 110 （mm3），重量 1.6 kg |
电源/功耗 | AC 220V, 50Hz，功耗 15W |
十、典型用户名单（部分）
高等院校：华东理工大学、华南理工大学、北京化工大学、南开大学、山东大学、江南大学、重庆大学、安徽大学、广东医科大学、江苏海洋大学、太原理工大学、集美大学、济宁学院、华东理工大学鲁华研究所
科研机构：国家粮食和物资储备局科学研究院、中石化（北京）石油化工研究院、中石化（抚顺）石油化工研究院、山东省药学科学院
制药与生物企业：华北制药、丽珠集团、齐鲁制药、联邦制药、神舟生物、圣雪大成、金城药业、天力药业、胜利生物、普康药业、华迪生物、新发药业、百龙生物、齐发药业、合谷生命、健隆生物、英惠尔、百葵锐、龙蟒福生、健通生物、睿智医药、睿鹰制药、鲲鹏生物、河南天冠、润涵生物、泰禾生化、顾信生物、尚昆生物、洋格生物、正帆科技
外资与合资企业：法国罗盖特（武汉）
注：以上为部分代表性用户，不分先后。
十一、结论与展望
FGA 系列发酵尾气分析仪通过内置预处理技术、单通道独立检测架构与完整代谢分析能力，成功解决了高湿尾气在线监测的工程瓶颈，实现了、集成、精巧、免维护的设计目标。作为现代发酵工程的重要过程分析工具，它已成为先进生物制造过程控制的关键组成部分。未来，系统将进一步融合智能算法与大数据分析平台，助力生物制造产业向智能化、高质量方向发展。
技术合作与咨询：sws2605384@163.com
研发单位：山东省科学院生物研究所 / 山东省生物传感器重点实验室
相关论文（供参考）：
刘仲汇，史建国，朱思荣，等. 尾气在线检测分析在发酵中的应用[J]. 发酵科技通讯，2012，41(4)：32-35.
公维丽，刘仲汇，等. 论单通道检测在发酵尾气分析中的应用[J]. 发酵科技通讯，2022，51(4)：217-221.