“生物技术”这个词在1919年首次使用1由匈牙利农业工程师卡尔Ereky。发酵过程中起着关键的作用在生物技术,形成了一个巨大的各种各样的关键产品的行业:
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生物材欧洲杯足球竞彩料:节能,可降解塑料
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药品:疫苗,预防剂、抗生素、荷尔蒙像人类胰岛素
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动物营养:饲料补充氨基酸
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生物能源:基于bioalcohol燃料基于非食品类的,低价值的原料
利用在线过程分析技术(PAT)已成为一个引人注目的努力在近年来生物技术产业。
自1980年代初以来,许多科学家已经使用发酵热科学™过程质谱仪帕特工具监测气体流的构成的发酵生物反应器与精度和速度。食品添加剂、工业酶和维生素是一些至关重要的发酵产品。
发酵
发酵是由微生物学家使用这个词来形容生产产品通过微生物的大众文化。这个产品可以是微生物的代谢产物,细胞本身(生物质生产),或外国产品。
通过氧微生物进行代谢被称为有氧微生物。一些微生物可以用硫酸或硝酸代替氧气,所以会在缺乏氧气。这些被称为厌氧微生物。
类型的发酵过程
有三种类型的发酵过程:
分批发酵
在发酵罐中,消毒营养液是接种微生物和孵化。氧气添加(微生物在有氧的情况下)与酸或碱控制pH值在整个发酵。
生物量浓度、培养基成分和代谢物浓度通常是不断变化的,因为细胞活性。
馈料式发酵
这是一个封闭的批处理过程的增强,在那里,随着发酵的进行,增加底物被添加。
连续发酵
一个开放的系统设置和无菌培养液不断添加到生物反应器。同时,等量的转换与微生物营养液是收获系统。
从历史上看,生物反应器和发酵被设计为可反复利用。这意味着批次之间的船舶必须仔细地消毒,以避免可能的污染。
“一次性”船只已成为常见的最近,消除耗时和昂贵的灭菌要求时间表。
热科学™HyPerforma™50升一次性生物反应器(S.U.B.),用于哺乳动物细胞培养发酵,如图1所示。
图1所示。热科学™HyPerforma™50 L一次性生物反应器(S.U.B.)。图片来源:热费希尔科学——环境和过程监控仪器
完整的线HyPerforma S.U.B.包括50、100、250、500、1000年和2000 -升大小,这有助于确保一致的可伸缩性除了提供各种各样的应用程序使用。
热科学还提供SingleUse发酵罐(S.U.F.) 30和300 -升大小的就业在真菌或细菌发酵。
三种类型的宿主生物体可用于发酵过程:
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微生物:霉菌和酵母酿酒酵母(啤酒酵母)。这些被认为是安全的和已经使用了许多年,这使得产品批准具有挑战性。他们可以生产产品量高,相对便宜。
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细菌:乳酸菌、芽孢杆菌和大肠杆菌。这些提供高细胞密度、快速增长和廉价的基质。他们是相当简单的培养和扩大,但许多被认为是不安全的病原体。产品恢复可以更多的挑战。
-
哺乳动物:中国仓鼠卵巢(CHO)细胞,杂种细胞。这些生成高度专用的产品非常具体和活跃的形式如单克隆抗体、疫苗、干扰素、重组治疗性蛋白质。生产路线比微生物和细菌的作用,更加复杂和细胞系对剪切更敏感,减少压力和健壮。
30多年来,热科学气体分析质谱仪已经成功地利用细菌和微生物的过程。有增加哺乳动物细胞培养的兴趣最近因为它们提供激进的单克隆抗体的发展的前景,疫苗和基因治疗。
尽管哺乳动物细胞发酵过程的需要提供挑战尾气分析仪热科学的质谱仪已经证明是无价的增加产量和提高哺乳动物细胞培养的理解。
气体分析的必要性
监控是至关重要的任何发酵以来文化的健康状况决定了不需要的副产物的形成,营养物质的转化率,,在最坏的情况下,出现中毒。描述发酵的理想方法是通过分析呼吸气体被送入和从发酵罐中删除。
它使监测生理状态的发酵,包括生长动力学和基质消耗和非侵入性。它还有助于建立最佳点停止最高产量的过程。
为什么使用气体分析质谱?
发酵的特点是分钟改变二氧化碳和氧气浓度在发酵的关键阶段,例如,在滞后阶段时,微生物存在于与营养均衡。至关重要的是,技术用于测量尾气能够精确、快速分析。
女士的速度使它适合发酵应用程序,但不能以牺牲速度的准确性。同样重要的精确数据收集,或小浓度的变化都将丢失。
两个常见的,不真实的假设是量化尾气中的二氧化碳和氧气时所需要的第一步的过程控制,可以达到足够精度离散测量技术。
首先,由于外部生物学,喷雾气体总是变量。有动物和人类进行呼吸,消费啊2和发电有限公司2,但在白天,也有植物光合作用消耗有限公司2和生产啊2。
接下来,根据再生周期,无处不在的塔式除湿干燥机系统将反刍或吸收有限公司2。
这些影响可以看到在图2中,显示了一个示例的昼夜变化喷雾气体水平的有限公司2和O2测量24小时以上的职业过程质谱仪。
只有准确的比较喷雾气体和排出的气体,可能可以给准确的污染。还需要比较准确的计算实时信息的可用性营养物质和文化呼吸。
图2。昼夜变化的例子喷雾气体水平的有限公司2和O2测量与Prima PRO在24小时。图片来源:热费希尔科学——环境和过程监控仪器
女士磁性行业的好处
为了监控发酵过程,两种类型的女士被利用:四极,其中的带电粒子在一个变量中射频领域,和扇形磁场,磁场分离带电粒子在一个变量中。欧洲杯猜球平台
热费希尔科学有超过三十年的工业生产经验和四极磁质谱仪和已经证明了,基于磁分析器为发酵尾气分析提供了最佳的性能2、3。
的一些关键的好处磁性行业分析包括更好的精度,精度,抗污染,和校准间隔时间长。通常,根据气体分析和复杂的混合物,分析精度2至10倍比四极分析器。
在任何特定的质量在一个扇形磁分析器,信号强度显示为平坦的最高峰值,这意味着任何小漂移大规模不会导致信号强度的变化。四极质谱仪,供应的高峰,这并非如此。
磁性行业分析中利用热科学的质谱仪是叠层的家庭,所以他们扫描速度相当于四极分析器提供高稳定和快速的独特组合分析。
的快速和非常稳定的分析一个无限数量的用户定义的气体使使用这种方法。表1展示了优秀的扇形磁场女士提供的长期稳定。
表1。分析压缩空气缸在7天的BT扇形磁场源女士:热费希尔科学——环境和过程监控仪器
|
氮摩尔百分比 |
氧气摩尔百分比 |
氩%摩尔 |
二氧化碳的含量 |
| 的意思是 |
性病dev |
的意思是 |
性病dev |
的意思是 |
性病dev |
的意思是 |
性病dev |
| 第一天 |
78.0807 |
0.0028 |
20.9459 |
0.0026 |
0.9337 |
0.0003 |
396.84 |
1.31 |
| 第二天 |
78.0767 |
0.0023 |
20.9494 |
0.0023 |
0.9342 |
0.0003 |
397.46 |
1.25 |
| 第三天 |
78.0761 |
0.0024 |
20.9500 |
0.0023 |
0.9342 |
0.0003 |
397.34 |
1.28 |
| 第四天 |
78.0798 |
0.0023 |
20.9469 |
0.0023 |
0.9337 |
0.0003 |
396.31 |
1.31 |
| 第五天 |
78.0777 |
0.0030 |
20.9487 |
0.0028 |
0.9339 |
0.0003 |
396.76 |
1.34 |
| 一天6 |
78.0741 |
0.0023 |
20.9518 |
0.0022 |
0.9344 |
0.0003 |
397.47 |
1.27 |
| 第七天 |
78.0750 |
0.0023 |
20.9512 |
0.0022 |
0.9342 |
0.0003 |
397.23 |
1.30 |
Prima BT台式气体分析质谱计配置分析氩,氧气,氮气和二氧化碳的气缸压缩空气连续七天,没有校准或中断。
为了测量这四个组件,分析周期时间是5秒。日常平均值为二氧化碳变化1 ppm或更少,和日常的意思是氮气和氧气不同值0.005%。
图3。长期稳定性数据的BT磁性行业信用形象女士:热费希尔科学——环境和过程监控仪器
快速多流道抽样
女士为了监视多个生物反应器那么可靠和快速的方式之间切换流是必要的。热科学发达的独特快速多流道式取样器(RMS)因为旋转阀门遭受贫穷的可靠性和电磁阀阀组有太多的死体积。
它提供了一个无与伦比的可靠性和采样速度,使样本选择从64流。流沉降时间完全可由用户配置和依赖于应用程序的。RMS包括数字样本流记录每流选。
例如,这可以用来触发警报如果样品流滴,比如如果一个过滤器在示例调节系统变得阻塞。确保快速响应即使是最“粘性”挥发物,RMS加热。
呼吸商
的过程一个生物体氧化食品生产能源称为呼吸。②呼吸商,因此,发酵过程的关键控制参数。
这是二氧化碳进化速率的比值(CER)摄氧率(我们的),和中移动的完整计算表2中可以看到。
表2。的呼吸商发酵尾气分析。来源:热费希尔科学——环境和过程监控仪器
CER
(有限公司2进化速率) |
= |
(%的股份有限公司2×流出) |
- - - - - - |
(体积%有限公司2×流) |
我们的
(O2吸收速率) |
= |
(%的O2×流) |
- - - - - - |
(%卷啊2出x流出) |
中移动
(呼吸商) |
= |
CER /我们 |
|
|
中移动高意味着高水平的有限公司2正在生成,所以新陈代谢是工作效率高。识别和控制的RQ也是无价的碳源代谢。例如,中移动将理论上是1如果葡萄糖碳源(或其他碳水化合物)。
C6H12O6+ 6 o2→6有限公司2+ 6 h2O
这个方程不包括生物质能的生产或产品形成;它只与燃烧有关。因此,葡萄糖的RQ不太可能是1.00;它实际上可能是1.04左右。
准确测定RQ依靠建立流动的比例的生物反应器。这个比例很容易由扫描女士,这是能够测量N2和Ar除了O2和有限公司2。
至少一个这两个将惰性气体的过程,因此它可以有效地利用正确的湿度变化,当空气干燥的原料气通过发酵罐液体沸腾。
错误引入稀释的顶部空间数据没有这个校正,因为额外的水蒸气4。表3显示了中移动的计算利用氮气流量校正。热科学的煤气厂®软件计算RQ作为发酵的标准功能的应用程序。
表3。呼吸商女士来源:计算热费希尔科学——环境和过程监控仪器
| = |
{有限公司2出 |
x |
(N2在/ N2)} |
- - - - - - |
有限公司2在 |
| _________________________________________________________________________________________________________ |
|
O2在 |
- - - - - - |
{啊2出 |
x |
(N2在/ N2)} |
数据从一个大肠杆菌馈料式发酵如图4所示。热科学的措施女士二氧化碳,氧气,氮气,氩气在进口和出口处标和计算中移动。介绍了试剂诱导细胞的温度,改变从相乘来表达所需的产品。
图4。所产生的废气和中移动数据女士从大肠杆菌馈料式发酵。图片来源:热费希尔科学——环境和过程监控仪器
对挥发物的分析
尾气,呼吸气体并不是唯一感兴趣的物种。在顶部空间,挥发性有机物如乙酸乙酯,甲醇,乙醇,甚至可以找到硫化氢在ppm水平和他们的分析可以为用户提供重要信息的健康发酵。
他们的分析带来一些技术问题必须克服如果分析数据才有意义。例如,测量微量乙醇和甲醇需要CH的测量2哦在大规模31 +片段。
的存在非常大的峰值在质量百分比含量的32 O2必须考虑排出气。32的尾峰必须纠正微量酒精含量的准确测量。
从O尾巴的强度2弥撒时31日相比,峰的强度在大规模32 0.02%左右。当O的浓度2约为20%,这意味着信号质量31相当于大约40 ppm。这种干扰在校准记录,以便后续分析是正确纠正。
这个干扰水平也高很多,变量导致过度女士在四极低级乙醇测量的不确定性。低级乙醇信号有效地得到“埋”的噪音氧峰值。
使用磁测量是非常可再生的行业工具和乙醇和甲醇可以量化精度10 ppm。数据来自美国酵母馈料式发酵可以看到在图5中。
图5。所产生的废气和中移动数据从美国女士酵母馈料式发酵。图片来源:热费希尔科学——环境和过程监控仪器
热科学的措施女士二氧化碳,氧气,氮气和氩气的进口和措施ppm水平的乙醇在顶部空间出口,中移动计算。乙醇作为初始碳源消耗,那么表达所需的产品,转到葡萄糖。
应该注意的是,自耗氧的体积很低,信噪比相对较低,精度较低的发酵的开始。这一时期细胞计数的极低的称为滞后阶段。精度提高很快,当生物开始繁殖。
表4显示了热科学的标准性能规范的PRO磁性行业超过16小时,女士精度标准偏差。注意极高的精度,为氧0.05%相对超过16个小时。
所有六个组件,分析时间,包括流开关时间,是30秒/流。如果省略了从分析乙醇和甲醇,这是减少到10秒/流。
表4。标准的性能规范的专业流程的示例源女士:热费希尔科学——环境和过程监控仪器
| 组件 |
浓度范围
%摩尔 |
的职业分析的精度
(单一的标准差)≤ |
| 氮 |
0 - 100 |
0.005%摩尔 |
| 氧气 |
0 - 100 |
0.005%摩尔 |
| 氩 |
0 - 1 |
0.001%摩尔 |
| 二氧化碳 |
0 - 10 |
0.1%或0.0003%摩尔* |
| 甲醇 |
0 - 1 |
2%或0.001%摩尔* |
| 乙醇 |
0 - 1 |
2%或0.001%摩尔* |
*哪个更大
哺乳动物细胞培养
原料气组成相对稳定在细菌和微生物发酵,富含氧气的空气或空气。原料气组成是一个不断变化的众多化合物的混合物(如氧气、氮气和二氧化碳)在哺乳动物细胞发酵。
原料气的浓度范围显著不同。例如,二氧化碳可以不同的ppm的百分比。如果利用覆盖气体,这个介绍更多并发症整个进气气体组分的组合叠加气体和喷雾气体。
碳酸氢钠作为pH缓冲的就业还可以出口导致的二氧化碳水平。这些因素都导致一系列挑战性需求尾气分析仪是否提供有意义的在线数据补充离线数据可行的细胞计数和代谢物浓度等数据。
图6。在线有限公司2进口和出口数据和离线活细胞计数数据从两个哺乳动物细胞培养生物反应器。图片来源:热费希尔科学——环境和过程监控仪器
磁性行业的精度和速度如何供应这种有价值的数据如图6所示。Prima BT监控两个5升生物反应器中,修改后的中国仓鼠卵巢(CHO)细胞被用来表达单克隆抗体。
女士在生物反应器,分析了进口和出口气体O2、有限公司2N2,女士和Ar。除了在线测量,细胞计数(可行和总),血糖水平和乳酸水平分析了离线。只有一个入口对于每一个生物反应器,喷雾气体,O的组合2、有限公司2N2,和空气。
二氧化碳被用来控制pH值和氧气饲料来控制溶解氧。包括沉降时间、周期时间是15秒/女士点,以减少噪声扰动所引起的喷雾气体浓度。浓度是平均超过99个读数。
图6显示数据从100小时开始没有多少活动开始的时候运行。生物1显示了一个非常不同的进口有限公司2档案虽然生物反应器都是由相同的控制器控制。这是因为大量的有限公司2被注射调整pH值。
更稳定的公司2在生物2导致更高的活细胞数和一个扩展文化持续时间;更改控制策略在随后的运行,导致文化的持续时间和增加VCC水平进一步扩展。
扩大从实验室到批量生产
生产过程通常开始于细胞培养实验室里培育。细胞顺序转移到下一个越来越大的发酵罐,在扩大过程中,最终投入生产船只,它能够容纳20000升的媒体和细胞增长。
保持精确的环境是至关重要的,特定的细胞需要保持健康和成长——这就需要精确的尾气分析数据在扩大过程的每个阶段,从实验室试验工厂批量生产。
女士在某些情况下,独立的分析必须在实验室利用植物和在其他情况下,一个质谱仪进行多流进”配备合适的RMS可以监控所有的发酵罐。确保通过扩大不同阶段的平稳过渡,是至关重要的两个分析仪平台相关的结果。
Prima BT,质谱仪适合发酵过程的一个例子开发,如图7所示。一个质谱仪的例子适用于生产过程监控、Prima PRO,如图8所示。
两个系统共享热科学的磁性行业对高精度多组分的气体分析仪分析和供给的唯一可靠的快速多流道取样器。
图7。Prima BT过程开发图像信用女士:热费希尔科学——环境和过程监控仪器
图8。女士的职业过程图片来源:热费希尔科学——环境和过程监控仪器
总结
磁性行业质谱仪显示最高水平的精度对发酵尾气分析和监测发酵罐尾气成功在许多世界领先的制药和生物技术公司多年。
磁部门分析仪本身理想这要求应用程序结合优秀的稳定性与高速度。热费希尔科学的天然气分析女士产品范围,主要的英国电信,和Prima PRO提供了快速、精确的尾气分析通过发酵和细胞培养过程的每个阶段,从实验室试验工厂批量生产。
Prima PRO iscan监控超过60生物反应器在不影响不育。Prima BT为小规模的生物反应器提供了一个台式的解决方案,被配置了15个样品和六个校准端口。
完整的、高度精确的气体组分测量由两个模型合并到APC系统很容易。大的改善过程控制可以获得极快,通常在一两天之内启动。
引用和进一步阅读
- M.G. Fari, U.P. Kralovanszky,生物技术之父:卡(卡尔)Ereky。Int。j . Hortic。科学。,12卷,n。1,p。2006年9 - 12。
- 大卫•波拉德Jens克里斯滕森通风气体分析,工业生物技术的百科全书:生物处理,Bioseparation,电池技术2010年,约翰·威利和儿子。
- 约瑟夫·s·阿尔生物过程控制:进展和挑战,计算机与化工卷30,2006年9月。
- pc van der Aar, A.H. Stouthamer·范·Verseveld可能误解O2消费和有限公司2生产测量了微生物培养物,微生物方法杂志》卷9日问题4,1989年6月。
确认
生产使用的材料最初由格雷厄姆·欧洲杯足球竞彩刘易斯从热费希尔科学
这些信息已经采购,审核并改编自热费希尔科学所提供的材料——环境和过程监控仪器。欧洲杯足球竞彩
在这个来源的更多信息,请访问热费希尔科学——环境和过程监控仪器。