引言
过程分析技术（PAT） 作为一种在线的、连续的、自动化智能化的分析方式，相较于传统离线分析方式，对于提高工艺水平和生产效率、优化产品质量具有重要作用。

在抗体生产工艺中，pCO₂（二氧化碳分压）值直接关系到抗体表达。pCO₂的监测对于更好地理解和优化大规模制造时的细胞培养过程至关重要。pCO₂过低时会影响细胞活性，降低产物比生成速率，从而会导致产物表达量大幅降低。而pCO₂过高时，会影响细胞增殖，降低细胞对葡萄糖的高效利用，影响整个表达工艺。

目前对于生产过程中pCO₂的监测与控制主要依赖于离线检测。而离线数据具有滞后性，往往无法反应生物反应器中的真实状态，调控也会有延迟。因此本次实验使用CO₂电极监测培养过程中pCO₂值，验证其可行性。

方法与结果

第一轮实验：
在CHO-K1细胞Fed-batch培养过程中，使用CO₂电极进行pCO₂监测（图1）。整个培养过程中通过离线样品血气检测与CO₂电极在线监测结果进行比对，验证电极监测数据的可行性。

图1 搭载CO₂电极的Opti-Cell mini

反应器：Opti-Cell mini（迪必尔生物）
软件系统：D2MS Pro设备和数据管理系统（迪必尔生物）
罐体：Endura SUB一次性细胞罐体，3L（迪必尔生物）
CO₂电极：Sensor InPro5000i/12/220（梅特勒托利多）
血气分析仪：ABL9（雷度米特）

第二轮实验：
使用CloudReady+CO₂电极（图2），实现实时监测数据的反馈控制（图3），实现将培养体系中的pCO₂控制在目标值附近。实验过程将空气和CO₂流量与pCO₂级联，实现稳定控制。

图2 搭载CO₂电极的CloudReady

图3 使用D2MS根据在线CO₂数据进行反馈控制

反应器：CloudReady（迪必尔生物）
软件系统：D2MS Pro设备和数据管理系统（迪必尔生物）
罐体：玻璃罐体，500mL

表1 两轮实验工艺参数

CO₂电极监测数据的验证：
整个实验过程中，CO₂电极在线监测数据与离线血气检测数据如图4所示

图4 离线与在线监测数据对比

通过数据对比可看出，CO₂电极在pCO₂监测方面与传统离线样品血气检测结果基本一致，对整个实验过程的pCO₂变化能够进行全流程监控，更加真实地反应实验过程变化，加强了对实验过程的进一步理解。

CO₂电极监测数据的反馈控制（自动化）：
在反馈控制过程中，通过AIr和CO₂流量与CO₂电极监测数据相级联，实现气体流量的自动化控制，最终实现将培养体系中的pCO₂维持在设定值40mmHg附近。

相较于传统通过恒通Air来控制pCO₂的方式，本次培养过程中的pCO₂更加稳定（图5），实现pCO₂全过程检测和自动化调控。

图5 培养过程中pCO₂及air、CO₂流量变化（—pCO₂—Air—CO₂）

在培养过程中，Air和CO₂的流量与pCO₂级联的方式来进行调控，细胞生长曲线与活率变化如图6所示，在级联调控模式下，细胞正常生长，前期活率维持良好,细胞后期可正常表达蛋白（图7）。图6 细胞生长曲线与活率变化

图7 Titer累积曲线

总结
在本次实验中，首先通过CO₂电极对整个实验过程中的pCO₂进行了全过程监控，并且与传统离线样品血气检测结果进行对比，最终两者数据结果基本一致，表明通过D2MS Pro适配CO₂电极，可以对实验过程中的pCO₂进行数据监控。

随后，通过Air和CO₂与CO₂电极级联控制，实现反馈控制，将培养过程中的pCO₂控制在设定值附近。最终实现pCO₂全过程可监控，可控制，为研究人员的工艺优化提供新的研究方向。

原文作者：应用技术与工程研究中心（CARE） 程黄鹤
 

过往相关文章
生物反应器系统整合原位拉曼光谱仪实现过程控制自动化
一次性生物反应器的新选择：非浸入式DO电极
迪必尔与Waters联合推出自动化生物工艺过程分析控制解决方案