如何有效实现生物工艺中的过程分析和控制？

通过与迪必尔生物工程（上海）有限公司合作，成功将PATROL UPLC与自动取样器和高通量生物反应器相结合，实现了生物反应过程的关键质量属性在线分析和自动反馈控制。通过这一系统，能够连续监测关键代谢物的浓度变化，有助于更深入的理解生物反应过程。

图1.迪必尔高通量生物反应器与PATROL UPLC联用方案实现生物工艺精准控制。

通过高通量平行生物反应器优化微生物培养环境，提供最适宜的生长条件，并利用上位机实现全过程的实时监控，如图2所示。配备微型自动取液器，实现样品的高效抽滤、定量和传送，确保样品处理的高效与精确。使用PATROL UPLC对样品进行液相分析，自动将关键参数数据上传至上位机，实现培养过程的精准控制和优化。

图2.PATROL UPLC与QuickFlow HT自动取样器和CloudReady^TM高通量生物反应器相结合实现过程控制。

系统中使用0.1 μm陶瓷滤膜取样杆抽滤样品，可以有效替代12,000r/min 5min的离心和0.22 μm滤膜过滤的传统处理步骤。

图3.样品抽滤过程。

使用Empower自有的定时取样序列，导出上传模板至微型自动取液器上位机，完成取样分析同步（图4）。Empower与高通量反应器上位机组网，创建同一局域网下的共享文件夹。迪必尔在其系统内配置相关参数，运行数据采集程序，向高通量反应器下位机写入数据，利用上位机的高级自动化控制功能实现反馈控制（图5）。

图4.自动取样分析同步。

图5.建立生物工艺过程中的自动反馈。

干酪乳杆菌（Lactobacillus casei）是一种广泛应用于食品工业和医学领域的益生菌。它能够发酵多种糖类，特别是乳糖，生成乳酸。本案例采用CloudReady™(1.5L)平行生物反应器联用PATROL UPLC分析乳酸含量的方案优化发酵工艺，通过过程分析技术检测工艺优化过程中的乳酸产物，并且建立关键工艺参数pH值与产物产量的关系。

从pH和乳酸含量曲线图（图6）可以看出，pH控制在3.5时发酵前12 h乳酸含量最高，后续积累缓慢最终产量为最低值，初始pH控制在5.5时发酵前12 h乳酸含量低于R4，后续积累快速最终产量为最高值，初步推断，乳酸产生会导致培养基酸化，pH的降低影响了乳杆菌的生长和乳酸产率。乳酸含量大于15时，估计基础培养基耗尽，开启时序补料（图7）。通过工艺优化最终乳酸含量达33.77 g/L。

图6.pH、LAC、湿重图。

图7.根据乳酸含量开启补料时序。

PATROL UPLC在过程分析中具有广泛的应用前景，原理上基于液相色谱的分析可以同时检测不同浓度的多个组分，且在定量分析、灵敏度、线性/动态范围和分离度方面具有明显优势。希望该技术能够与更多的应用场景结合，提高工艺优化效率，为产品质量保驾护航。