生物制药行业中的生物反应器控制系统：用于生物工艺控制的传感技术
工业规模的生物工艺是现代世界药品、保健品、食品和饮料加工行业大部分生产的基础。这些工艺的盈利能力越来越多地利用严重依赖于产品产量、滴度和生产力的规模和范围经济。大多数工艺使用经典控制方法进行控制，占生物工艺行业中使用的工业控制的90% 以上。然而，随着生产工艺的进步，特别是在生物制药和保健品行业，生物工艺的监测和控制，如转基因生物发酵和下游工艺变得越来越复杂，经典和一些现代控制系统技术的不足之处越来越明显。因此，随着工艺中的研究复杂性、非线性和数字化的增加，迫切需要更有效的先进过程控制，同时也需要更容易实现工艺强化和产品产量（无论是质量还是数量）的提升。在本文中，将广泛讨论过程和自动化的工业方面以及各种商业控制策略，以深入了解工业发展的未来前景以及过程控制和自动化的可能新策略，并特别关注生物制药行业。
传感器是生物工艺控制策略不可或缺的一部分。随着生物反应器设计和操作的进步，对传感技术的要求也发生了变化。例如，在过去的二十年中，越来越多地采用一次性生物反应器(SUB)，这就需要传感技术的新发展。目前在SUB 中使用的许多传感器是那些已用于传统不锈钢生物反应器的传感器，并且不适用于当前的生物反应器设计。
温度、pH、DO和搅拌速度
pH 传感器 培养基的 pH 值是生物反应器运行中的关键变量。pH传感技术大致可分为以下几类：基于多孔玻璃电极的电解质填充传感器、基于MOSFET的ISFET pH传感器、基于光学特性的pH传感器、电位传感器、电化学传感技术。
玻璃 pH 电极仍用于 1960 年代以来发明的大多数pH 传感器。由于其出色的可重复性、长寿命和精确的Nernstian响应，玻璃电极长期以来在工业应用中经受住了时间的考验。离子选择性电极 (ISE)，例如电化学 pH 电极，是基于电位测量原理的一个很大的子类别，电位测量是一种在电极之间没有电流流动的情况下测量电位的方法。指示电极将内部溶液和分析物之间的固态膜上的电位变化与参比电极进行比较。在现代pH 计中，参考电极通常包含在探头主体内，用于将测试pH 值与基线进行比较，从而导致结构笨重。基于玻璃电极的pH 传感的主要挑战是这些传感器很脆弱，需要定期维护以补充电解质，并且在生物反应器中通常使用的复杂培养基中应用时会出现污染问题。
电化学传感器 在这些类型的传感器中，使用将分析物转化为可测量物质的电极。例如，在气体传感器中，通过在电极处氧化或还原目标气体来测量目标气体的浓度，并测量用于转换的合成电流。通常，对于任何电化学传感器，都由三个电极组成 - 工作电极、参考电极和反电极。工作电极是随着离子流发生氧化还原反应的电极。对于工作电极中的每个反应，它都会从对电极中提取响应。由于系统的工作，反电极将通过平衡被检测气体和工作电极之间的反应来平衡电位的变化。这种平衡气体由传感器的主要读数动态监测。除这些电极外，还存在透气膜，可将水性成分与气体分离，并调节到达工作电极的气体量，从而防止传感器内部泄漏。
ISFET 传感技术 这种技术基于一个场效应晶体管，该晶体管为离子敏感性的，用于测量溶液中的离子浓度。ISFET中的测量技术是将离子或分子附着到涂覆在晶体管栅极膜上的离子或分析物敏感层上。源电极和接地电极接地到基板并连接在电路中。分析物/离子与栅极膜的连接导致源电极和接地电极之间的电势发生变化，这种变化是离子/分析物浓度的量度。ISFET 可被视为第一个用于生物溶液的生物传感器场效应晶体管，因此也被称为BioFET。
具有非接触式传感功能和较小尺寸的光学pH 传感器等传感器设备也越来越受欢迎。它们通过测量pH 指示染料的吸收或荧光来工作。吸收染料，例如酚红、溴甲酚绿和酚酞，以及荧光染料，例如8-羟基-1,3,6-芘三磺酸三钠盐和荧光素，是部分可用的染料例子。因此，根据用于检测的测量技术，它们被分为吸光度和荧光技术。
与检测 pH 指示剂浓度的电化学传感器相比，光学传感器仅测量 H3O+离子的活性。与电化学传感器相比，光学传感器有几个优点：它的侵入性最小，可提供连续测量，并且不需要单独的参考电极，证明可以相对容易地实现微型化设计。光漂白是这类传感器最重要的问题之一。由激发光触发的非特异性结合产生的共价或非共价键断裂会导致指示染料（无论是荧光团还是比色染料）发生光漂白，使其无法发光。随着时间的推移，这会导致结果不准确。光学传感器发展的主要趋势是微型化，这将降低成本并提高可制造性，同时需要新的制造方法。光学pH 贴片就是这样一种设备，它将 pH 传感器结合到附着在生物反应器表面的粘性盘上。另一个有助于使用一次性生物反应器的研究领域是一次性光学传感器的开发，其被证明可与一次性生物反应器良好兼容。
特定的生物过程，如厌氧过程，仍然高度依赖“手动实验室分析”以及“合格操作员”对此类系统的操作，其中光谱法、滴定法和一些其它原理已被探索为厌氧消化的传感选项。正在研究的过程和所涉及的能量变化的幅度需要不同的光谱技术才能在电磁光谱内的各种有限波长范围内工作。光谱生物过程监测产生大量光谱，每个光谱的信息含量都明显低于数据量，应从中快速提取有用信息。
包括2D荧光光谱法在内的荧光光谱学出现在 21 世纪初，作为基于光学传感元件的开创性仪器之一。还原形式的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（磷酸盐）[NAD(P)H]的荧光测量最初被 Duysenz 等研究用于体内测量，是最流行的荧光传感器。
温度 生物反应器中的温度控制是一项成熟的技术，通常可以达到0.5 °C 或更高的精度。工业环境中的典型温度传感器是热电偶、电阻温度检测器(RTD) 和热敏电阻。特定温度测量仪器的选择取决于传感器的稳定性、灵敏度、准确度、线性度和可灭菌性。J 型和 K 型热电偶通常用于生物反应器中的温度传感应用。最常见的RTD 由线圈式铂电阻丝 Pt100 型传感器制成。最常见的热敏电阻类型用于所需灵敏度更高的专业应用，但只能在有限的温度范围内工作（~ − 50 至 200 °C）。动物细胞生物反应器中的温度控制通常比微生物发酵罐中的温度控制要简单，因为较低的代谢活动导致从反应器中去除的热量较少。
Clark 型DO 传感器 由微细加工原理开发而成，由玻璃基板上的三个电极、FEP透氧膜和用于储存溶液中少量细胞的PDMS 储液器组成。该电极于 1962 年成为第一个葡萄糖生物传感器。
叶轮速度 标准的单叶轮或单挡板搅拌罐经常因不均匀的剪切特性和能量耗散而受到批评，众所周知，这两者都是有害的，尤其是对生物反应器中的微生物。在多叶轮系统中，叶轮速度将降低以实现等效功率耗散，从而导致产生的最大剪切值降低。应该注意的是，在单叶轮和多叶轮系统中，界面处气泡破裂产生的剪切力相关贡献将是相同的，因此在多叶轮系统中，由于流体剪切导致的整体细胞破坏率预计会更低 -叶轮系统耗散相同的总功率。因此，当培养物的剪切敏感性是重要的设计标准时，多叶轮系统将是首选。
在安装叶轮或任何此类旋转装置期间，通常使用诸如转速计之类的仪器来检测所需转速是否与转速计中的读数匹配，从而验证转速值是否接近最佳值。需要计算机流体动力学（CFD）建模和各种特性混合预测来实现所需的叶轮速度和控制。RPM 转变对于维持上游单元中的培养以实现产品最大化至关重要，因此实施这种转变对于工艺及其相关的控制架构至关重要。
其它变量，如顶空气体分析
尽管顶空气体分析确实扮演着重要角色，但仅在气体成分演变影响我们感兴趣的产品时才需要它：例如，VOC的成分分析或 CO2 分析。顶空气体分析可以归类为非侵入式传感技术，因为它允许在不破坏生物工艺流和周围环境之间的边界的情况下进行测量。将气相色谱等技术与顶空进样相结合可加快分析速度，从而降低样品污染的可能性。另一种称为直接注射质谱(DI-MS) 的方法也有被使用，其中来自顶空的气态分析物直接引入MS 系统，从而简化了样品分析程序。光学阵列传感方法在检测和识别各种分析物（包括有害化合物）方面也显示出出色的结果，因此可用于检测和识别收集在生物反应器顶部空间中的VOC。
在线 GC 通常用于顶空气体分析。在某些地方会使用特定的气体传感器、用于 CO2 的 IR 传感器和湿度传感器。特别是CO2 传感器和 D 传感器可用于计算 OUR，这是微生物生长的一个非常关键的参数。
生物传感器
在生物技术等跨学科领域工作的研究人员普遍认为，生物传感器由两部分组成：检测分析物的生物分子或细胞，以及将检测事件转化为电信号的传感器。识别给定分析物分子的能力是利用生物传感器的重要生物学特征。可能的生物成分分为两大类：
生物催化剂（酶、微生物、植物和动物细胞以及亚细胞器）。
生物受体（抗体、凝集素、细胞膜受体和其它特异性结合剂）
构建生物传感器时要牢记酶敏化动力学以及酶敏化检测器的影响。有酶敏化安培生物传感器、电位计、热敏电阻、半导体器件和固定化细胞敏化传感器。
从换能器的角度来看，生物传感器可分为电化学、光学、热和压电设备。在生物传感器中，电化学检测器是应用最广泛的传感器。许多酶消耗和/或产生可以使用电流法、电位法或电导法测量的电活性物质。
尽管行业已经制造了几种生物传感器中的光学换能器，但它们的应用主要限于照明或光发射。但是 P.O'Mara 等人曾提出，在电化学传感器的帮助下，生物传感器通过微型化过程推动了 21 世纪生物反应器传感器开发的技术。
[拓展阅读：生物制药行业中的生物反应器控制系统：控制策略]
本文节选、翻译自以下文章，由于水平有限，详细内容，请参考原文。文章旨在知识分享，如有任何问题，请联系处理。
原文：S.Mitra, G.S.Murthy, Bioreactor control systems in the biopharmaceutical industry: acritical perspective. Systems Microbiology and Biomanufacturing, 2022,2:91-112.
相关阅读：