引言

在生物制藥領(lǐng)域，發(fā)酵技術(shù)一直以來都占據(jù)著重要地位；在日常生活中應(yīng)用生物發(fā)酵技術(shù)生產(chǎn)而來醫(yī)藥用品也隨處可見。發(fā)酵技術(shù)在醫(yī)藥生產(chǎn)和人類健康研究領(lǐng)域中的不斷應(yīng)用與突破，使得諸多藥品得以問世，例如：抗生素、疫苗、激素和用于抗癌療法的藥物等。

過程質(zhì)譜儀與生物發(fā)酵

發(fā)酵過程中細(xì)胞及微生物的健康狀況決定了所加入營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化率，而通過對(duì)培養(yǎng)過程中發(fā)酵所產(chǎn)生的氣體組分和濃度進(jìn)行檢測，可以獲取表征細(xì)胞代謝的關(guān)鍵參數(shù)。這些關(guān)鍵參數(shù)的變化能夠直接反映發(fā)酵細(xì)胞的生理狀態(tài)，有助于及時(shí)調(diào)整發(fā)酵工藝中的參數(shù)而提高生產(chǎn)效率。因此，利用過程質(zhì)譜儀對(duì)細(xì)胞及微生物培養(yǎng)過程尾氣組分進(jìn)行分析是監(jiān)測工藝過程中細(xì)胞及微生物代謝狀態(tài)變化和提高生產(chǎn)效率的有效方法。

增加利潤的關(guān)鍵在于降低整個(gè)生產(chǎn)過程中的風(fēng)險(xiǎn)

過程質(zhì)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(chǎn)工藝動(dòng)態(tài)，以確保及時(shí)糾正措施的實(shí)施。過程質(zhì)譜分析法適用于從研發(fā)到獲得最終產(chǎn)品的整個(gè)過程，有助于將產(chǎn)品更快地推向市場，提高產(chǎn)量并增加利潤，從而實(shí)現(xiàn)快速的投資回報(bào)。

在生物技術(shù)中使用過程質(zhì)譜分析法的5個(gè)理由

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*一圖了解Thermo Scientific? Prima 系列過程質(zhì)譜儀是怎樣從監(jiān)測→識(shí)別→工藝優(yōu)化→軟件→擴(kuò)展性等方面對(duì)整個(gè)發(fā)酵過程進(jìn)行全方位快速精確的實(shí)時(shí)跟蹤及有效控制的。

如何提升對(duì)生物制藥工藝的理解，從而提高工藝效率？賽默飛世爾科技Prima系列過程質(zhì)譜分析技術(shù)來支招！

今年3月，賽默飛化學(xué)分析在官微上發(fā)布了一場有關(guān)在線分析技術(shù)PAT與生物工藝的網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)，介紹了在線分析技術(shù)PAT在生物發(fā)酵工藝優(yōu)化與放大中的應(yīng)用，會(huì)議反響熱烈。

就算錯(cuò)過也沒關(guān)系

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

關(guān)于Prima PRO在線質(zhì)譜儀的常見問題和解答

Q：Prima PRO在線質(zhì)譜儀是如何工作的？

答：質(zhì)譜儀通過電離中性的樣品氣體分子來工作，并且根據(jù)分子量分離所得的帶電粒子組分。在大多數(shù)商業(yè)氣體分析質(zhì)譜儀中，通過用熱燈絲產(chǎn)生的電子束轟擊氣體樣品來實(shí)現(xiàn)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(zhì)譜儀是一款高效過程氣體分析儀，基于功能強(qiáng)大且靈活的掃描磁性扇質(zhì)譜儀進(jìn)行在線氣體成分分析。該設(shè)備旨在提供卓越的分析性能，具有高度可靠性和最低維護(hù)要求。

Q：Prima PRO在線質(zhì)譜儀的應(yīng)用領(lǐng)域有哪些？

答：Prima PRO在線質(zhì)譜儀的推薦用途：發(fā)酵工藝、細(xì)胞培養(yǎng)工藝、溶劑干燥、鋼鐵工藝、乙烯、氨、氫工廠、環(huán)氧乙烷、甲醇、聚乙烯/聚丙烯、催化研究、煤氣化和煤化工

Q：Prima PRO在線質(zhì)譜儀是否能夠監(jiān)測多個(gè)樣品流路?

答：大多數(shù)Prima PRO在線質(zhì)譜儀都配備了一個(gè)快速多流路進(jìn)樣器（RMS），這是一種高度可靠的設(shè)備，可在不影響分析儀樣品質(zhì)量的情況下切換樣品流。RMS以其堅(jiān)如磐石的可靠性而聞名，經(jīng)多年的實(shí)際應(yīng)用證明，它每年可以切換流路數(shù)百萬次，幾乎不需要維護(hù)。

Q： Prima PRO在線質(zhì)譜儀是否有助于簡單生物反應(yīng)器的控制?

答：與傳統(tǒng)的小分子合成相比，生物過程往往非常復(fù)雜。每個(gè)細(xì)胞每秒能夠進(jìn)行數(shù)千次化學(xué)反應(yīng)，并且通常只有一次反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生目標(biāo)分子。反應(yīng)如何進(jìn)行將取決于許多因素，如溫度，營養(yǎng)物質(zhì)可用性，累積廢物的總量，氧氣的可用性，促進(jìn)反應(yīng)的酶濃度以及合成蛋白質(zhì)的氨基酸組件。使用簡單的發(fā)酵罐，在滅菌后加載生長培養(yǎng)基，并用細(xì)胞接種液體培養(yǎng)基。保持相對(duì)穩(wěn)定的吹氣流速和攪拌葉輪旋轉(zhuǎn)速度，以確保整個(gè)培養(yǎng)基中足夠的可用氧氣。一旦細(xì)胞開始繁殖，通過冷卻水除去過量的熱量，并使用酸性和堿性試劑調(diào)節(jié)pH。

連續(xù)監(jiān)測溶解氧（DO2）并進(jìn)行手動(dòng)分析以評(píng)估細(xì)胞密度和底物配比。如果溶解氧（DO2）低于預(yù)先設(shè)定的水平，可以通過打開氧氣閥一小段時(shí)間來額外注入氧氣。在哺乳動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)中，類似的控制方法也可用于監(jiān)測溶解的二氧化碳（DCO2）。

統(tǒng)計(jì)過程控制（SPC）工具用于確定工藝是否按照合適的軌跡即是否基于手動(dòng)輸入的實(shí)驗(yàn)室測定數(shù)據(jù)設(shè)置。這些數(shù)據(jù)也被用于確定適當(dāng)?shù)氖斋@時(shí)間。在某些情況下，批次之間的差異可能很大，甚至出現(xiàn)一個(gè)數(shù)量級(jí)的差異。對(duì)于藥品生產(chǎn)，如果回收的活性藥物成分（API）低于某一質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，則整批產(chǎn)品必須廢棄。顯然， Prima PRO在線質(zhì)譜儀高度可靠的在線過程分析技術(shù)（PAT），為實(shí)驗(yàn)室人員提供了所急需的工具以實(shí)現(xiàn)顯著提升產(chǎn)品質(zhì)量和增加利潤率的目標(biāo)。

Q：Prima PRO是否能實(shí)時(shí)追蹤批次進(jìn)程?

答：大多數(shù)用于生物工藝生產(chǎn)的細(xì)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。復(fù)雜的生長培養(yǎng)基可以提供營養(yǎng)物質(zhì)，該培養(yǎng)基可能包括許多天然有機(jī)物，或者當(dāng)使用天然培養(yǎng)基因批次間差異將產(chǎn)生問題時(shí)，可將限定化學(xué)成分培養(yǎng)基用于生產(chǎn)工藝過程。兩種類型的培養(yǎng)基都被設(shè)計(jì)成能夠提供最合適的營養(yǎng)物質(zhì)濃度，以促進(jìn)細(xì)胞以對(duì)數(shù)快速生長，直到達(dá)到目標(biāo)細(xì)胞密度。此時(shí)，主要碳源完全消耗，以迫使細(xì)胞切換到促進(jìn)產(chǎn)品形成的次級(jí)碳源。加入合適的添加劑以抑制或誘導(dǎo)特定的代謝途徑，促進(jìn)目標(biāo)產(chǎn)物形成的最大化和有毒副產(chǎn)物積累的最小化。

工藝開發(fā)的典型情況是使用容量在1到10升（L）范圍內(nèi)的多個(gè)臺(tái)式生物反應(yīng)器或發(fā)酵罐。各種培養(yǎng)基配方與不同細(xì)胞系配對(duì)以確定最穩(wěn)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(guī)模（中試規(guī)模），此時(shí)需要對(duì)潛在的控制變量進(jìn)行充分的測試，以確定允許的范圍和效力。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(yǎng)物質(zhì)進(jìn)料速率，背壓，覆蓋氣體組成，吹氣的組成和流速。

有必要實(shí)時(shí)監(jiān)測培養(yǎng)基的化學(xué)性質(zhì)或生物反應(yīng)器尾氣的氣體組成，以便實(shí)時(shí)控制營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)料和氣體濃度。隨后可以使用基于模型的高級(jí)工藝控制技術(shù)對(duì)這些附加控制變量進(jìn)行調(diào)整，以響應(yīng)某些輸出變量的測量值變化。傅里葉變換近紅外（FT-NIR）光譜技術(shù)適合于測量液體濃度。用于進(jìn)行氣體濃度測量的最佳技術(shù)是磁性扇區(qū)質(zhì)譜儀，它是Prima PRO在線質(zhì)譜儀的關(guān)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(zhì)譜儀是否使用動(dòng)態(tài)建模？

答：最常用的測定細(xì)胞量，產(chǎn)物濃度（效價(jià)）和底物濃度的方法都依賴于微分方程的使用。這些“狀態(tài)方程”是共生的，必須同時(shí)求解，以便根據(jù)初始條件和實(shí)時(shí)測量值得到有效結(jié)果。初始條件包括底物的初始質(zhì)量（主要碳源），起始細(xì)胞量和培養(yǎng)基體積。實(shí)時(shí)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(jié)果與一個(gè)“黃金批次”的已知軌跡進(jìn)行比較，以追蹤每批次的生產(chǎn)進(jìn)度，該黃金批次為最佳產(chǎn)品組成提供理想的概況。通過該方法學(xué)考察，確保生產(chǎn)中的限制條件和/或污染可以被生產(chǎn)人員盡快識(shí)別和糾正。

Q： Prima PRO在線質(zhì)譜儀使用了哪些先進(jìn)的控制技術(shù)？

答：有幾種新興的先進(jìn)方法用于實(shí)現(xiàn)模型預(yù)測控制（MPC），包括形式（確定性的）模型和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）的混合組合。從本質(zhì)上講，ANN模型彌補(bǔ)了第一性原理分析失敗的差距。ANN得名于它們的結(jié)構(gòu)基于相互連接的節(jié)點(diǎn)層，其結(jié)構(gòu)與大腦神經(jīng)元相似。這些神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)往往基于以往性能進(jìn)行建模。

大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)樣本集表明，實(shí)驗(yàn)結(jié)論的產(chǎn)出是過程變量落在一定范圍內(nèi)的結(jié)果。雖然可能很難對(duì)這種關(guān)聯(lián)做出正式解釋，但這些關(guān)系仍可用于工藝控制。Prima PRO在線質(zhì)譜儀可以對(duì)生物反應(yīng)器尾氣進(jìn)行深入分析，并隨后提供形成這些神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所需的數(shù)據(jù)。其他數(shù)學(xué)建模技術(shù)包括主成分分析（PCA）和偏最小二乘（PLS）回歸，這兩者都是用于研究大數(shù)據(jù)集的模式和關(guān)系的數(shù)學(xué)程序。Prima PRO在線質(zhì)譜儀促進(jìn)數(shù)據(jù)整理，是成功實(shí)現(xiàn)MPC的關(guān)鍵組成部分。

Q： Prima PRO在線質(zhì)譜儀需要多長時(shí)間才能獲得測量結(jié)果?

答：通過軟件設(shè)置測量氣流中每種成分濃度所花費(fèi)的時(shí)間，可以根據(jù)樣品點(diǎn)的數(shù)量和被監(jiān)測的每個(gè)過程的動(dòng)態(tài)特性來實(shí)現(xiàn)速度和精度之間的權(quán)衡。測量氮?dú)?，氧氣，氬氣和二氧化碳的常?guī)分析時(shí)間為5秒，另外還有3秒鐘用于測量甲醇和乙醇（例如）。此外，加上5秒的沖洗時(shí)間，每個(gè)流的總分析時(shí)間為10秒（或包含甲醇和乙醇的時(shí)間為13秒）。由于哺乳動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)的進(jìn)展比微生物發(fā)酵慢，因此可以比發(fā)酵罐更精確且更少頻次地監(jiān)測生物反應(yīng)器。

Q： Prima PRO在線質(zhì)譜儀可以計(jì)算呼吸商（RQ）嗎?

答：從尾氣分析計(jì)算得到的最重要變量是呼吸商（RQ）。它是發(fā)酵和細(xì)胞培養(yǎng)中存在的兩種不同類型活動(dòng)的函數(shù)：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(zhì)譜儀可以及時(shí)估算RQ，以用于確定當(dāng)前的代謝活動(dòng)，并可能對(duì)某些變量進(jìn)行閉環(huán)控制，包括葡萄糖進(jìn)料速率（GFR）。

Q： Prima PRO在線質(zhì)譜儀可以監(jiān)控Kla嗎?

答：由Prima PRO在線質(zhì)譜儀釋放的吹氣和反應(yīng)器尾氣的氧氣濃度被發(fā)送到過程控制計(jì)算機(jī)。將該數(shù)據(jù)與流量測量結(jié)果結(jié)合，再乘以批次容量，可以計(jì)算培養(yǎng)物的氧攝取結(jié)果。攝氧率（OUR）的實(shí)時(shí)計(jì)算通常用于確定種子罐中的活細(xì)胞密度，從而能夠確定適當(dāng)?shù)慕臃N時(shí)間。

使用Prima PRO在線質(zhì)譜儀測量攝氧率，可以進(jìn)行連續(xù)的kLa估算。隨著發(fā)酵液粘度的變化，氧氣質(zhì)量轉(zhuǎn)移也將發(fā)生變化。在轉(zhuǎn)向中試規(guī)模之前，微生物學(xué)家需要了解這種關(guān)系。一旦理解了kLa的動(dòng)態(tài)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(jiān)測kLa的變化，Prima PRO在線質(zhì)譜儀使實(shí)驗(yàn)人員能夠更輕松地控制攪拌速度RPM，吹氣流量和吹氣氧氣濃度等參數(shù)。

推薦產(chǎn)品

Thermo Scientific? Prima Pro 在線質(zhì)譜儀 

*上圖為Thermo Scientific? Prima Pro 在線質(zhì)譜儀

Prima Pro在線質(zhì)譜儀專為滿足石化、鋼鐵以及生物技術(shù)領(lǐng)域的廣泛苛刻過程應(yīng)用而設(shè)計(jì)。不僅高度可靠且易于使用，能夠提供更快、更完整、實(shí)驗(yàn)室質(zhì)量的在線氣體成分分析。

超過30年的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)表明，該分析儀在發(fā)酵氣體分析方面的性能最佳，該質(zhì)譜儀具有測量精度高、抗干擾能力強(qiáng)、檢定間隔時(shí)間長等優(yōu)點(diǎn)，這在發(fā)酵過程中的監(jiān)測具有很大優(yōu)勢(shì)。

Thermo Scientific?Prima BT 過程開發(fā)質(zhì)譜儀

*上圖為Thermo Scientific? Prima BT 過程開發(fā)質(zhì)譜儀

Thermo Scientific? Prima BT 過程開發(fā)質(zhì)譜儀可提供高掃描速度和可重現(xiàn)的測量。此過程氣體分析儀專為實(shí)驗(yàn)室的過程開發(fā)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，是高度精確的多端口扇形磁場質(zhì)譜儀，用于氣體濃度分析。

在樣品氣體和揮發(fā)氣體可能會(huì)污染內(nèi)部真空部件的情況下，Prima BT 質(zhì)譜儀也能發(fā)揮出色的性能。由于離子是在高能量作用下從離子源中釋出，因此對(duì)于低分子量化合物（例如氫和氦）也能提供出色的穩(wěn)定性。

Thermo Scientific? Prima BT 過程開發(fā)質(zhì)譜儀是基于掃描扇形磁場質(zhì)譜法的工業(yè)實(shí)驗(yàn)室氣體分析儀。Prima BT 質(zhì)譜儀專為實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的連續(xù)操作而設(shè)計(jì)，易于操作和維護(hù)。

Prima系列過程質(zhì)譜儀可監(jiān)測生物技術(shù)應(yīng)用（包括生物能源、維生素生產(chǎn)、食品添加劑和熱量測定）中存在的氣體和揮發(fā)物。使用賽默飛世爾科技的Prima BT臺(tái)式質(zhì)譜儀在最前沿的研究實(shí)驗(yàn)室優(yōu)化生化過程，或使用賽默飛世爾科技的Prima PRO過程質(zhì)譜儀幫助確保工廠的批量生產(chǎn)。

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賽默飛世爾科技進(jìn)入中國發(fā)展已超過35年，在中國的總部設(shè)于上海，并在北京、廣州、香港、成都、沈陽、西安、南京、武漢、昆明等地設(shè)立了分公司，員工人數(shù)約為5000名。我們的產(chǎn)品主要包括分析儀器、實(shí)驗(yàn)室設(shè)備、試劑、耗材和軟件等，提供實(shí)驗(yàn)室綜合解決方案，為各行各業(yè)的客戶服務(wù)。

為了滿足中國市場的需求，現(xiàn)有7家工廠分別在上海、北京、蘇州和廣州等地運(yùn)營。我們?cè)谌珖€設(shè)立了8個(gè)應(yīng)用開發(fā)中心以及示范實(shí)驗(yàn)室，將世界級(jí)的前沿技術(shù)和產(chǎn)品帶給中國客戶，并提供應(yīng)用開發(fā)與培訓(xùn)等多項(xiàng)服務(wù)；位于上海的中國創(chuàng)新中心，擁有100多位專業(yè)研究人員和工程師及70多項(xiàng)專利。創(chuàng)新中心專注于針對(duì)垂直市場的產(chǎn)品研究和開發(fā)，結(jié)合中國市場的需求和國外先進(jìn)技術(shù)，研發(fā)適合中國的技術(shù)和產(chǎn)品；我們擁有遍布全國的維修服務(wù)網(wǎng)點(diǎn)和特別成立的中國技術(shù)培訓(xùn)團(tuán)隊(duì)，在全國有超過2600名專業(yè)人員直接為客戶提供服務(wù)。

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