赛默飞：如何加深生物制造领域的工艺理解与控制？

生物制造领域产品对生物制造行业的研究、开发及产能增长功不可没

在过去的几年中，人们对生物制造领域的兴趣显著增加，这个领域生产的产品对其各自的市场有积极影响。其结果是研究和开发的显著增长以及产能的急剧扩张。研究和开发的显著增长主要在制药和生物技术行业，这些行业已经认识到生物制造是全新生物活性物质的一个潜在来源。

生物制造极其复杂，其生产过程的改进需要强大信息分析方法

生物制造极其复杂，涉及所使用的微生物、培养基、营养液的组成与质量、过程条件、产品收获时间等。正是由于其复杂程度高，更深入地了解该过程需要利用统计数据分析建立多元分析测量数据与宽范围操作参数空间之间的关系。

这一强大的信息分析方法能够使过程认识具有可操作性，推进实现先前提到的生产过程改进的目标。除了传统用于生产食品和饮料外，生物制造如今越来越多地用于生物制药、生物燃料和化学品的生产。特别是生物制药生产，通常具有额外的挑战，期望的组分可能被困在细胞内，需要裂解步骤和过滤。

生产蛋白药物需要额外条件，比如与大分子和对热及剪切敏感的分子一起工作。此外，有各种各样的、有时是微妙的因素可以改变蛋白翻译后修饰，对药效产生不良影响。

强大的分析方法——过程分析技术（简称PAT）

幸运的是，过程分析技术(PAT, ProcessAnalytical Technology)的开发和应用已经在该领域迅速增长。使用过程分析技术不仅能加快生物制药生产的工艺过程开发，而且能保证在严格遵循法规的同时高质量地生产。

PAT具体实施手段有哪些？

PAT实施手段通常包括在线（On-line）、线上（In-line）、旁线（At-line）检测

·线上（In-Line）原位测量.

·在线(On-Line) 测量技术通常需要修改生物反应器以转移样品流

·离线（Off-line）and 旁线（At-line）不连续分析，涉及取样或者样品前处理.

因此，线上（In-Line）和在线(On-Line)技术是实施PAT监测从而实时获取在线数据的理想解决方案。

传统传感器的弊端

目前，在生物制药过程中，使用了许多传统的传感器(例如pH、溶氧、电导率等)，但是这些传感器容易被污染且对目标分析物没有专属性。采用先进仪器(例如过程质谱、拉曼光谱、红外光谱、电容传感器等)获得更复杂的信号尽管具有挑战性，但是这些仪器有望发挥更大的作用。

哪些PAT技术处于全球领先水平？

赛默飞世尔科技(ThemoFisher Scientific™)为上游发酵/细胞培养过程提供两项全球最先进的PAT技术:

1.ThermoScientific™Prima磁扇型过程质谱尾气监测技术

2.Aber™Futura电容法在线活细胞密度监测技术

磁扇型过程质谱尾气监测技术

微生物发酵、细胞培养过程中，实时细胞代谢状态可以通过检测培养过程尾气中氧和二氧化碳浓度的微小变化进行表征。通过进一步计算可以获取表征细胞代谢的关键参数如：

氧气消耗速率（OUR）

二氧化碳生成速率（CER）

呼吸商（RQ）。

这些关键参数的波动能够直接反映细胞生理状态，如细胞生长和底物消耗等，同时，这些信息的获取将有助于及时调整过程工艺参数（通气、搅拌、补料等）实现过程最优化设计因此，利用过程尾气质谱仪对细胞培养过程尾气组分进行分析是监测工艺过程中细胞代谢状态变化和提高生产效率的有效方法。

细胞培养工艺需要更多的在线分析。应该注意的是气体大致上包括进出生物反应器的任何气体，而不仅限于氧气和二氧化碳。传统上二氧化锆传感器用于氧气浓度测定，红外传感器用于二氧化碳浓度的测定。与质谱（MS）相比，这些技术对气体的检测范围有限，灵敏度较低。虽然质谱操作更为复杂，但一台设备不仅可以检测及定量氧气和二氧化碳，而且还可以检测其他多种气态化合物。

*Thermo Scientific™PrimaBT过程开发质谱仪

Thermo Scientific™Prima 质谱仪系列中的扇形磁场分析器由层压材料组成，可快速、稳定地分析用户自定义气体。如果质谱仪要监视多个生物反应器，可以在多流路之间进行实现快速切换。Thermo Fisher Scientific™开发了独特的快速多流路进样器（RMS），可快速选择多达 64 个流路的样品。

电容法在线活细胞密度监测技术

生物量是一种需要定量的重要变量，传统的离线方法如血细胞计数器、细胞计数器、琼脂板细胞计数，费力而耗时。新方法采用光学原理。细胞密度方法使用单频光源，基于光散射，而非吸收光。用于细胞密度的测定波长常为550nm和650nm，这两个波长主要与细胞有关，而与培养基中溶解的组分相关性较小。

*配图来源自正版图文网站--Unsplash

市售的在线细胞密度传感器通常分为两类，第一类基于光学检测的光密度计数，第二类使用一个电容和电导测量，基于光学的传感器用于低细胞密度检测时，常采用透射方式。

在这种结构中，样本位于探测器和发射极之间，在高细胞密度下，其中只有小部分的发射光可以到达检测器，传感器使用背散射或反射，发射器和检测器在同一侧。通常得到的结果是细胞总密度，并不能区分活细胞和死细胞。

*配图来源自正版图文网站—Unsplash

利用电容法能准确测定放线菌、植物细胞、酵母菌、细菌、霉菌、哺乳动物细胞等多种活细胞的浓度值，测量时受其他干扰因素影响小，测量精确度高。原因是在一定的激发电场环境下，具有完整包膜的活细胞会产生极化现象，但是对于死细胞、 细胞碎片、裂解杂质等物质，由于无完整包膜结构，不会产生极化现象，所以对检测结果没有影响。

更重要的是，该方法为非破坏测量，不影响细胞的生长过程，能实时传达细胞生长过程中的浓度和电导率变化信息，目前该方法使用范围越来越广泛，是一种在生物细胞检测领域很有研究和应用价值的方法。

Aber™ Futura可在线实时监测活细胞密度，最大支持8通道同时监测。

Futura可以在多种尺寸的探头和不同形式的主机（直插或远程）之间自由配置，同时支持1,4,8通道测量。

Futura能够很容易地被整合到大多数的PC机、生物反应器控制器和SCADA系统中。

Futura可以与其他仪器混合或搭配使用。

赛默飞世尔科技致力于为生物制药提供更先进的过程分析技术，为生物发酵、细胞培养的工艺每个过程提供宝贵信息。