过程分析

为了得到品质优良、性能高效的产品，需要对其培养过程进行连续不间断的监测，并对在培养过程中出现的各种可能的问题加以控制和解决。而发酵过程是时变、非线性、强耦合的复杂生化过程，同时离线测量生化参数耗时长，难以及时控制发酵过程，这给实时检测培养过程中的重要生化参数带来巨大困难，因此生物传感器技术作为动物细胞培养过程关键生化参数检测不可或缺的手段，能有效克服这一不足。动发酵过程的控制优化是维系生产目标实现的关键手段，只有在线实时的对物理参数的变化、细胞代谢、营养产物的生成、目标产物浓度的变化进行监控和分析，才能有效地进培养过程的控制，达到产品优质、高效生产的目的。 一般的生物过程参数分为物理参数、物理化学参数、化学参数和生物学参数。化学参数有：底物浓度（葡萄糖、乳酸、谷氨酸、谷氨酰胺、氨、钠和钾等）、中间代谢产物浓度和产物浓度等，生物学参数有：活细胞浓度、氧吸收速率(oxygen uptake rate, our)、二氧化碳释放速率(carbon dioxide excretion rate, cer)、呼吸熵(respiratory quotient, rq)等。 目前检测培养基底物浓度的常见方法有高效液相色谱法、化学滴定、生化分析仪等方法。这些方法一般存在以下缺点，第一检测时间长，培养液成分复杂，用液相作为培养过程监控的手段耗材成本高，时间成本更高；第二，用化学滴定的方法存在特异性差，重复性差，耗费时间等缺点，第三传统的生化分析仪检测时间短，特异性强，但是对于生产和科研，培养基组分复杂，原料存在批次间不稳定等问题，背景色的干扰会导致检测结果呈非线性，重复性差、而且总体灵敏度和准确度较低，并且生化试剂寿命有次数和时间的限制，单次检测成本高昂。 西尔曼发酵过程分析仪 深圳西尔曼科技最新推出的发酵过程分析仪基于酶电极法—固定化酶膜技术，具有检测时间快（反应时间只需20秒）、昂贵的酶等生化试剂可以重复利用（酶膜寿命大于3000次）、操作简单、自动化程度高、重复性好（cv小于2%）、单次检测成本低等优势。可用于发酵过程精准控制、培养基浓度监控、培养基优化、补料策略优化、有毒有害代谢物监控等领域。m800系列仪器可选自动稀释模块，扩展了检测范围，显著降低了操作员人为造成的偏差。西尔曼科技发酵过程分析仪参数详解项目参数备注测试原理酶电极法不受样品背景色干扰电极结构铂金丝、银片杆状电极比卡片式电极耐用，抗氧化，高阻抗，寿命长耗材不做时间限制，可使用到自然失活进口仪器耗材做时间限制，到期强制停用，造成检测成本过高耗材成本固定化酶膜，可重复利用酶比色法试剂需求量大，一次性试用准确性系统误差小于1%可与液相色谱仪做相关分析，相关系数大于0.99样品重复检测支持，可设置重复检测次数设置后仪器自动重复检测检测范围0.05-100g/l需配合预稀释模块分辨率0.01g/l变异系数小于2%样品检测重复性优于酶比色法检测项目葡萄糖、乳酸、谷氨酸、赖氨酸、谷氨酰胺、乙醇、甲醇等可根据用户需求自由组合单个样品反应时间20秒单个项目检测时间45秒所有项目检测时间60秒反应池结构溢流式开放式反应池，比微流路易清洗，给酶膜提供长时间液体环境，不怕短暂停电管路材质泰克管复合材料，易清洗，易更换，不易堵塞硬件材料泵、阀、芯片、采样针等控制部件为国际大品牌样品预稀释功能可选自动进样盘标配15位自动进样盘进样方式高精度全自动进样自动标定是结果输出打印，u盘导出，数据查询通讯接口usb、rj45、rs232可与质检中心电脑相连接测样时技能要求任何人可操作，无难度测试速度高，无须预稀释样品，实际速度高达60样品／小时测量精度高，无人为误差显示屏8寸彩色触摸屏软件人机交互、类似iphone图标化设计产品设计标准医疗级设计标准样本量低至10ul人工成本检测时检测人员可从事其它工作，且无须增加岗位人员，效率很高；售后服务成本低，提供上门技术指导和安装维修，定期保养，7*24小时服务投资回报率可以优化目前人员结构，提高劳动效率，满足未来发展需要数据存储容量4000西尔曼发酵过程分析仪检测准确度验证1.m100与高效液相色谱仪的检测数据对比 本数据来源于某高校生物工程学院实验室 2.s10手动款仪器检测数据分析西尔曼发酵过程分析仪在发酵调控中的应用 将西尔曼发酵过程分析仪用于发酵调控，对比应用前后发酵液糖浓度。 未使用发酵过程分析仪之前，补料控制根据以前的经验和菲林滴定数据，糖浓度的控制呈现波浪状，忽高忽低，不稳定，发酵的环境不稳定，代谢途径自然也是在不断变化。使用发酵过程分析仪的检测数据作为发酵调控的依据，得到的糖浓度曲线非常平滑，基本可以做到恒化培养，找到最佳浓度，激活有利于效价提升的代谢途径，增产稳产就是这样简单。

使用罗氏Cedex Bio生物过程分析仪对生物技术生产过程进行监控 D. Druhmann、S.Reinhard、F. Schwarz、C. Schaaf、K. Greisl、TL Nö tzel 在开发和控制工业化生产重组蛋白的生物过程中，一项基本要素是要提供快速、准确且可靠的过程数据。对动物和细菌细胞培养物中的基质（营养物质）和代谢物进行准确的监控，是避免在发酵过程中营养不足，或有毒代谢终产物积聚的关键。不受控制的代谢物可对细胞生长及存活以及蛋白的质量和产量产生不良影响。因此，精确跟踪发酵过程能确保可重现性，且是优化过程开发和验证的关键。 测试的典型参数包括葡萄糖、乳酸、谷氨酸、谷氨酰胺、氨、钠和钾。目前，检测基质和代谢物的多参数分析仪系统采用酶膜的生物传感器和离子选择性电极。这些仪器的主要缺点是酶膜随着时间的推移准确度会下降，材料成本高昂，检测结果呈非线性，而且总体灵敏度和准确度较低。 罗氏Cedex Bio生物过程分析仪检测 Cedex Bio生物过程分析仪，和最近推出的Cedex Bio HT生物过程分析仪可应用于提升在发酵过程中的过程监控。Cedex Bio HT生物过程分析仪专为过程开发的高通量检测而设计，每小时最高测试数达320。Cedex Bio HT生物过程分析仪结果与Cedex Bio生物过程分析仪得到的结果完全一致。这项技术采用了罗氏成熟的仪器平台，相比目前使用的其他仪器，在其扩展检测范围内，显著提高了其灵敏度和可重现性（见表）。 Table. Comparison of measurement ranges Cedex Bio生物过程分析仪配备了自动稀释功能，从而扩展了检测范围，显著降低了操作员人为造成的偏差。在Cedex Bio生物过程分析仪上，样本在上机之前无需人工稀释。各项光度测定（如LDH [乳酸脱氢酶]、IgG [免疫球蛋白]）和离子选择性电极（钠，钾）结合于同一台仪器，可对单个样本进行灵活的检测组合。 Figure 1. Accuracy and linearity comparisons for glucose, accuracy and linearity comparisons for lactate, and accuracy and linearity comparisons for glutamine Cedex Bio生物过程分析仪卓越的数据质量 利用相同的参考标准（参见图1中的血糖、乳酸和谷氨酰胺），将Cedex Bio生物过程分析仪与采用酶膜技术的成熟仪器进行了对比。日间平行对照实验结果表明，Cedex Bio生物过程分析仪具备更佳的准确性和线性。 此外，Cedex Bio生物过程分析仪的高灵敏度使得营养有限的发酵过程成为可能。而且，可检测到发酵过程中代谢物的细微变化。 根据该领域内的相关性研究得到的结果 酶膜分析仪需要进行繁琐的维护、校准和频繁的质控。对于批量饲养哺乳动物细胞的发酵过程而言，Cedex Bio生物过程分析仪相关性研究的数据质量更高（参见图2中的血糖和乳酸），而且表明了Cedex Bio生物过程分析仪能方便地取代酶膜分析仪而不会产生任何负面影响。 Cedex Bio生物过程分析仪能够分析样本的产品质量参数，如LDH（代表释放量[即胞浆蛋白酶]）和IgG（滴度），这是一个不可忽视的优势。 Figure 2A. Results of correlative studies&mdash Glucose 总结 Cedex Bio生物过程分析仪在同一个平台上集成了三台设备的功能，可在数分钟内对同一个样本进行多参数测试。自动化稀释功能可减少需依靠操作人员的步骤和减少偏差。方便易用且稳定的光度计测定、离子选择测定和浊度测定既可靠又具备可重现性，且不同地点的多台仪器之间可做直接比较。由此得到的灵敏、精密且准确的分析数据能确保对发酵过程进行高水准的控制。 Figure 2B. Results of correlative studies&mdash Lactate

仪器信息网讯 2014年9月22日, 由中国仪器仪表学会与国际过程分析与控制论坛组委会(IFPAC)合作举办的首届国际过程分析与控制中国区论坛(IFPAC-China Section)在北京临空皇冠酒店举行。会议邀请到众多中外著名学者研讨过程分析及控制中的最新研究进展。 会议现场 IFPAC主席 Robert S.Zutkis主持会议 中国仪器仪表学会常务副理事长吴幼华致开幕词 　　过程分析技术(Process Analytical Technology，PAT)强调在生产工艺流程中直接应用分析技术，而不是局限于实验室中。在生产过程中进行在线分析，从原材料的合成、成品的包装、精确计量，直到对各个程序的精心策划，保证了生产的安全性，提高了生产率和利润率。 　　过程分析技术所包括的工具已经从最初的PH计、流量计等过程仪表逐步向在线仪器扩充，包括光谱、色谱、质谱等多类仪器，如紫外可见、近红外、红外、拉曼、近红外化学成像、核磁共振、荧光和冷发光、太赫兹光谱、气相色谱、离子色谱、过程质谱等。过程分析技术目前主要的应用领域有石化、化工、制药等行业。 　　过程分析技术在石化行业的应用 Walter Henslee, IFPAC, (formerly Dow Chemical), U.S.A. 　　石化行业在生产中发展应用分析仪器设备已有超过60年的历史。Walter Henslee在报告中介绍了60年来分析技术应用的变化和分析人员工作任务的转变。他说：&ldquo 1950-1970年石化行业使用的仪器主要有GC,LC,IR,MS,NMR,XRD,XRF等；分析人员的主要任务是制样、操作仪器、分析结果。从1980-2000年，进入自动化时代，主要有自动进样技术、在线分析机器人、联用技术等；分析人员的主要任务是分析数据和校正结果。21世纪是信息化的时代，主要的工具有传感器、人工智能、化学计量学方法；分析化学人员的主要工作是管理过程分析系统，诊断和解决生产过程中的问题。&rdquo 过程分析技术在制药行业的应用 Sharmista Chatterjee, FDA, CDER, OPS, ONDQA, Silver Spring, MD, U.S.A. Su-Chin Lo, IR Matrix, Oakland, New Jersey, U.S.A. 　　制药是当前过程分析技术应用的一个重要领域。过程分析技术经过FDA的推介，在制药企业中逐渐推广开来。美国FDA推广PAT的背景是为了确保cGMP，即动态药品生产质量管理规范的实现。cGMP要求在产品生产和物流的全过程都要进行分析验证，目前主要在美国和欧洲、日本实施。 在cGMP中，质量的概念贯穿整个生产过程，一个质量完全合格的药品未必符合cGMP的要求，因为它的生产过程不一定完全符合规范要求。目前，在PAT的基础上，FDA又往前走了一步，提出了QbD(质量源于设计)理念。大会报告中，Sharmista Chatterjee介绍了 QbD的定义、发展现状，以及面临的机遇和挑战。Su-Chin Lo则在报告中分析了当前亚太地区制药行业实施过程分析技术所面临的机遇。 化学计量学在过程分析中的应用 北京化工大学教授袁洪福 随着过程分析仪器自动化、智能化的提升，数据采集量也随之提升，再加之过程分析本身样本量大，因而在过程分析当中往往产生大量复杂的数据，如何对这些数据进行分析处理，寻找存在的问题，指导生产，传统的数据处理方法已难以满足需要。化学计量学具有从复杂的数据中最大限度的获取信息的特点，因此将其用于过程分析，并对过程实施优化及控制就非常有意义。在大会报告中，北京化工大学教授袁洪福介绍了光谱多元分析校正集和验证集样本分布优选方法。 　　虽然，目前PAT技术在石化、制药行业的应用日渐成熟，但企业更多的关注投入产出比。如果能采用新的技术，降低在线分析仪器设备的价格，将会加速PAT的推广应用，由此而来在线分析仪器市场也将非常可观。同时我国在过程分析领域的发展仍然比较滞后，但在全球化的背景下，PAT在国内进入快速发展期，也已为期不远，因而留给国产仪器企业谋划布局的时间也不多了。 　　此外，主办方还准备了数场分会主题报告，报告主题涵盖质量分析和保证新技术，化学计量学，食品(农产品)的质量、安全和分析，制药行业QbD / PAT实施和质量系统，标准化的仪器，工艺知识和工艺控制方法，过程分析光谱等多个方面。 参会嘉宾合影