賽默飛|過程分析技術(PAT)在生物製藥技術中的應用

北極星環境監測網訊:引言

在生物製藥領域，發酵技術一直以來都佔據著重要地位；在日常生活中應用生物發酵技術生產而來醫藥用品也隨處可見。發酵技術在醫藥生產和人類健康研究領域中的不斷應用與突破，使得諸多藥品得以問世，例如：抗生素、疫苗、激素和用於抗癌療法的藥物等。

過程質譜儀與生物發酵

發酵過程中細胞及微生物的健康狀況決定了所加入營養物質的轉化率，而通過對培養過程中發酵所產生的氣體組分和濃度進行檢測，可以獲取表徵細胞代謝的關鍵參數。這些關鍵參數的變化能夠直接反映發酵細胞的生理狀態，有助於及時調整發酵工藝中的參數而提高生產效率。因此，利用過程質譜儀對細胞及微生物培養過程尾氣組分進行分析是監測工藝過程中細胞及微生物代謝狀態變化和提高生產效率的有效方法。

增加利潤的關鍵在於

降低整個生產過程中的風險

過程質譜分析法具有足夠的速度和精度，保證其能夠可靠地追蹤生產工藝動態，以確保及時糾正措施的實施。過程質譜分析法適用於從研發到獲得最終產品的整個過程，有助於將產品更快地推向市場，提高產量並增加利潤，從而實現快速的投資回報。

在生物技術中使用過程

質譜分析法的5個理由

*一圖了解Thermo Scientific™ Prima 系列過程質譜儀是怎樣從監測→識別→工藝優化→軟體→擴展性等方面對整個發酵過程進行全方位快速精確的實時跟蹤及有效控制的。

如何提升對生物製藥工藝的理解，從而提高工藝效率？賽默飛世爾科技Prima系列過程質譜分析技術來支招！

今年3月，賽默飛化學分析在官微上發布了一場有關在線分析技術PAT與生物工藝的網絡研討會，介紹了在線分析技術PAT在生物發酵工藝優化與放大中的應用，會議反響熱烈。

貼心的小編還特地為大家準備了一份超詳細的針對這款產品的Q&A~（常見問題與解答）一起來康康吧！

關於Prima PRO在線質譜儀的

常見問題和解答

Q:Prima PRO在線質譜儀是如何工作的？

答：質譜儀通過電離中性的樣品氣體分子來工作，並且根據分子量分離所得的帶電粒子組分。在大多數商業氣體分析質譜儀中，通過用熱燈絲產生的電子束轟擊氣體樣品來實現電離。為了防止自由碰撞，各種離子在真空中分離。Prima PRO在線質譜儀是一款高效過程氣體分析儀，基於功能強大且靈活的掃描磁性扇質譜儀進行在線氣體成分分析。該設備旨在提供卓越的分析性能，具有高度可靠性和最低維護要求。

Q:Prima PRO在線質譜儀的應用領域有哪些？

答：Prima PRO在線質譜儀的推薦用途：

l發酵工藝

l細胞培養工藝

l溶劑乾燥

l鋼鐵工藝

l乙烯、氨、氫工廠

l環氧乙烷、甲醇、聚乙烯/聚丙烯

l催化研究

l煤氣化和煤化工

Q:Prima PRO在線質譜儀是否能夠監測多個樣品流路?

答：大多數Prima PRO在線質譜儀都配備了一個快速多流路進樣器（RMS），這是一種高度可靠的設備，可在不影響分析儀樣品質量的情況下切換樣品流。RMS以其堅如磐石的可靠性而聞名，經多年的實際應用證明，它每年可以切換流路數百萬次，幾乎不需要維護。

Q: Prima PRO在線質譜儀是否有助於簡單生物反應器的控制?

答：與傳統的小分子合成相比，生物過程往往非常複雜。每個細胞每秒能夠進行數千次化學反應，並且通常只有一次反應會產生目標分子。反應如何進行將取決於許多因素，如溫度，營養物質可用性，累積廢物的總量，氧氣的可用性，促進反應的酶濃度以及合成蛋白質的胺基酸組件。使用簡單的發酵罐，在滅菌後加載生長培養基，並用細胞接種液體培養基。保持相對穩定的吹氣流速和攪拌葉輪旋轉速度，以確保整個培養基中足夠的可用氧氣。一旦細胞開始繁殖，通過冷卻水除去過量的熱量，並使用酸性和鹼性試劑調節pH。

連續監測溶解氧（DO2）並進行手動分析以評估細胞密度和底物配比。如果溶解氧（DO2）低於預先設定的水平，可以通過打開氧氣閥一小段時間來額外注入氧氣。在哺乳動物細胞培養中，類似的控制方法也可用於監測溶解的二氧化碳（DCO2）。

統計過程控制（SPC）工具用於確定工藝是否按照合適的軌跡即是否基於手動輸入的實驗室測定數據設置。這些數據也被用於確定適當的收穫時間。在某些情況下，批次之間的差異可能很大，甚至出現一個數量級的差異。對於藥品生產，如果回收的活性藥物成分（API）低於某一質量標準，則整批產品必須廢棄。顯然，Prima PRO在線質譜儀高度可靠的在線過程分析技術（PAT），為實驗室人員提供了所急需的工具以實現顯著提升產品質量和增加利潤率的目標。

Q: Prima PRO是否能實時追蹤批次進程?

答：大多數用於生物工藝生產的細菌在生長和分裂之前需要水，碳，氮和能量來源，以及溫度，pH和氣體要求。複雜的生長培養基可以提供營養物質，該培養基可能包括許多天然有機物，或者當使用天然培養基因批次間差異將產生問題時，可將限定化學成分培養基用於生產工藝過程。兩種類型的培養基都被設計成能夠提供最合適的營養物質濃度，以促進細胞以對數快速生長，直到達到目標細胞密度。此時，主要碳源完全消耗，以迫使細胞切換到促進產品形成的次級碳源。加入合適的添加劑以抑制或誘導特定的代謝途徑，促進目標產物形成的最大化和有毒副產物積累的最小化。

工藝開發的典型情況是使用容量在1到10升（L）範圍內的多個臺式生物反應器或發酵罐。各種培養基配方與不同細胞系配對以確定最穩定和有效的組合。一旦確定了最佳候選分組，該工藝將按比例放大到200L規模（中試規模），此時需要對潛在的控制變量進行充分的測試，以確定允許的範圍和效力。除pH，溫度，攪拌速度RPM，DO2和DCO2外，潛在的控制變量還包括：營養物質進料速率，背壓，覆蓋氣體組成，吹氣的組成和流速。

有必要實時監測培養基的化學性質或生物反應器尾氣的氣體組成，以便實時控制營養物質進料和氣體濃度。隨後可以使用基於模型的高級工藝控制技術對這些附加控制變量進行調整，以響應某些輸出變量的測量值變化。傅立葉變換近紅外（FT-NIR）光譜技術適合於測量液體濃度。用於進行氣體濃度測量的最佳技術是磁性扇區質譜儀，它是Prima PRO在線質譜儀的關鍵組件，可以顯著提高分析器的功能和靈活性。

Q :Prima PRO在線質譜儀是否使用動態建模？

答：最常用的測定細胞量，產物濃度（效價）和底物濃度的方法都依賴於微分方程的使用。這些「狀態方程」是共生的，必須同時求解，以便根據初始條件和實時測量值得到有效結果。初始條件包括底物的初始質量（主要碳源），起始細胞量和培養基體積。實時測量包括氧氣吸收率（OUR），二氧化碳釋放率（CER），呼吸商（RQ）和溶解氧。通常將模型的輸出結果與一個「黃金批次」的已知軌跡進行比較，以追蹤每批次的生產進度，該黃金批次為最佳產品組成提供理想的概況。通過該方法學考察，確保生產中的限制條件和/或汙染可以被生產人員儘快識別和糾正。

Q: Prima PRO在線質譜儀使用了哪些先進的控制技術？

答：有幾種新興的先進方法用於實現模型預測控制（MPC），包括形式（確定性的）模型和人工神經網絡（ANN）的混合組合。從本質上講，ANN模型彌補了第一性原理分析失敗的差距。ANN得名於它們的結構基於相互連接的節點層，其結構與大腦神經元相似。這些神經網絡往往基於以往性能進行建模。

大量實驗數據樣本集表明，實驗結論的產出是過程變量落在一定範圍內的結果。雖然可能很難對這種關聯做出正式解釋，但這些關係仍可用於工藝控制。Prima PRO在線質譜儀可以對生物反應器尾氣進行深入分析，並隨後提供形成這些神經網絡所需的數據。其他數學建模技術包括主成分分析（PCA）和偏最小二乘（PLS）回歸，這兩者都是用於研究大數據集的模式和關係的數學程序。Prima PRO在線質譜儀促進數據整理，是成功實現MPC的關鍵組成部分。

Q: Prima PRO在線質譜儀需要多長時間才能獲得測量結果?

答：通過軟體設置測量氣流中每種成分濃度所花費的時間，可以根據樣品點的數量和被監測的每個過程的動態特性來實現速度和精度之間的權衡。測量氮氣，氧氣，氬氣和二氧化碳的常規分析時間為5秒，另外還有3秒鐘用於測量甲醇和乙醇（例如）。此外，加上5秒的衝洗時間，每個流的總分析時間為10秒（或包含甲醇和乙醇的時間為13秒）。由於哺乳動物細胞培養的進展比微生物發酵慢，因此可以比發酵罐更精確且更少頻次地監測生物反應器。

Q: Prima PRO在線質譜儀可以計算呼吸商（RQ）嗎?

答：從尾氣分析計算得到的最重要變量是呼吸商（RQ）。它是發酵和細胞培養中存在的兩種不同類型活動的函數：生長和維持。RQ定義為二氧化碳釋放率（CER）除以攝氧率（OUR）。Prima PRO在線質譜儀可以及時估算RQ，以用於確定當前的代謝活動，並可能對某些變量進行閉環控制，包括葡萄糖進料速率（GFR）。

Q: Prima PRO在線質譜儀可以監控Kla嗎?

答：由Prima PRO在線質譜儀釋放的吹氣和反應器尾氣的氧氣濃度被發送到過程控制計算機。將該數據與流量測量結果結合，再乘以批次容量，可以計算培養物的氧攝取結果。攝氧率（OUR）的實時計算通常用於確定種子罐中的活細胞密度，從而能夠確定適當的接種時間。

使用Prima PRO在線質譜儀測量攝氧率，可以進行連續的kLa估算。隨著發酵液粘度的變化，氧氣質量轉移也將發生變化。在轉向中試規模之前，微生物學家需要了解這種關係。一旦理解了kLa的動態特性，就可以使用與正常軌跡的偏差來檢測和校正DO2探針漂移。通過監測kLa的變化，Prima PRO在線質譜儀使實驗人員能夠更輕鬆地控制攪拌速度RPM，吹氣流量和吹氣氧氣濃度等參數。

ThermoScientific™Prima Pro在線質譜儀

*上圖為Thermo Scientific™ Prima Pro 在線質譜儀

Prima Pro在線質譜儀專為滿足石化、鋼鐵以及生物技術領域的廣泛苛刻過程應用而設計。不僅高度可靠且易於使用，能夠提供更快、更完整、實驗室質量的在線氣體成分分析。

超過30年的行業經驗表明，該分析儀在發酵氣體分析方面的性能最佳，該質譜儀具有測量精度高、抗幹擾能力強、檢定間隔時間長等優點，這在發酵過程中的監測具有很大優勢。

Thermo Scientific™

Prima BT 過程開發質譜儀

*上圖為Thermo Scientific™Prima BT 過程開發質譜儀

Thermo Scientific™ Prima BT 過程開發質譜儀可提供高掃描速度和可重現的測量。此過程氣體分析儀專為實驗室的過程開發應用而設計，是高度精確的多埠扇形磁場質譜儀，用於氣體濃度分析。

在樣品氣體和揮發氣體可能會汙染內部真空部件的情況下，Prima BT 質譜儀也能發揮出色的性能。由於離子是在高能量作用下從離子源中釋出，因此對於低分子量化合物（例如氫和氦）也能提供出色的穩定性。

Thermo Scientific™ Prima BT 過程開發質譜儀是基於掃描扇形磁場質譜法的工業實驗室氣體分析儀。Prima BT 質譜儀專為實驗室環境下的連續操作而設計，易於操作和維護。

Prima系列過程質譜儀可監測生物技術應用（包括生物能源、維生素生產、食品添加劑和熱量測定）中存在的氣體和揮發物。使用賽默飛世爾科技的Prima BT臺式質譜儀在最前沿的研究實驗室優化生化過程，或使用賽默飛世爾科技的Prima PRO過程質譜儀幫助確保工廠的批量生產。

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