平行生物反應(yīng)器的界定及其與多聯(lián)反應(yīng)器的區(qū)別

 

“平行性”是衡量平行生物反應(yīng)器性能的綜合指標(biāo)，其硬件基礎(chǔ)是如泵、閥門等執(zhí)行元件及儀表、變送器等檢測(cè)元件的穩(wěn)定性(stability)和一致性(consistency)，以及控制系統(tǒng)的魯棒性(robustness)。平行生物反應(yīng)器的核心功能是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(DoE)和高通量篩選（high-throughput screening），使用過程中會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。因此平行生物反應(yīng)器必須配備具有強(qiáng)大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（data management system）。同時(shí)，操作平行生物反應(yīng)器工作量巨大，容易出錯(cuò)，平行生物反應(yīng)器所配套的軟件必須高度的自動(dòng)化與智能化。軟、硬件的結(jié)合是平行生物反應(yīng)器的靈魂，是平行生物反應(yīng)器與多個(gè)獨(dú)立反應(yīng)器聯(lián)用的根本區(qū)別。

 

合成生物學(xué)技術(shù)的蓬勃發(fā)展使構(gòu)造新的菌種和細(xì)胞系越來越容易，但要在大量的候選者中選出最適合工業(yè)化生產(chǎn)的一個(gè)卻非常困難的。這是因?yàn)�，作為一個(gè)生命體，無論是微生物還是細(xì)胞，其表現(xiàn)出來性能都是生物本身與環(huán)境相互作用的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)室常用的篩選工具如孔板，搖瓶等，受其尺寸限制，無法做到與工業(yè)規(guī)模反應(yīng)器相似的混合、傳質(zhì)、剪切等特性。使用不合適的設(shè)備進(jìn)行菌種篩選和工藝研發(fā)，經(jīng)常會(huì)造成錯(cuò)選不適合大規(guī)模生產(chǎn)的突變體而漏選真正有潛力的菌種。橘生淮南則為枳，千里馬常有而伯樂不常有。這一問題的潛在損失無法估量。然而，使用常規(guī)臺(tái)式反應(yīng)器進(jìn)行菌種與培養(yǎng)基篩選或者工藝優(yōu)化，需要分多次配置培養(yǎng)基、滅菌、接種、誘導(dǎo)等等，甚至?xí)�涉及到不同的操作者。這些操作條件以及實(shí)驗(yàn)人員的經(jīng)驗(yàn)與水平乃至工作態(tài)度之間的差異，使從常規(guī)臺(tái)式反應(yīng)器上得到的數(shù)據(jù)可靠性大打折扣。即便是在最優(yōu)的假設(shè)下，常規(guī)臺(tái)式反應(yīng)器的最多只能進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行定性或者半定量的比對(duì)，而不能勝任實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(Design of Experiments)這種定量的研究。這其中有硬件和軟件的原因，本文將分別介紹。為了方便討論，本文中我們可能偶爾會(huì)籠統(tǒng)將“生物反應(yīng)器”稱為“發(fā)酵罐”，但討論的內(nèi)容也適用于細(xì)胞培養(yǎng)。

 

圖1 單罐與平行生物反應(yīng)器

 

稍具規(guī)模的實(shí)驗(yàn)室或者發(fā)酵工廠，都不止有一臺(tái)反應(yīng)器設(shè)備。把這些反應(yīng)器都用來做同一個(gè)實(shí)驗(yàn)，甚至用于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，是不是就相當(dāng)于平行生物反應(yīng)器了呢？顯然不是。我們無數(shù)次、聽到客戶反饋，他們的車間有20臺(tái)反應(yīng)器或者更多，所有操作條件都一樣，原料與菌種也一樣，但是結(jié)果卻總是不一樣。更蹊蹺的是，有幾臺(tái)設(shè)備可能一直高于平均水平，而另外幾臺(tái)低于平均水平，卻找不到原因。所以可以明確的說，多個(gè)反應(yīng)器湊在一起的“烏合之眾”，是不能稱為平行生物反應(yīng)器的�；蛘咧辽俨环�合我們對(duì)平行生物反應(yīng)器的定義，也不能勝任平行生物反應(yīng)器最重要的應(yīng)用如DoE等定量分析的需要。

 

表面看來“完全一樣的設(shè)備和操作”，為什么實(shí)際效果會(huì)千差萬別呢？其實(shí)，無論是設(shè)備還是操作，是無法做到完全一樣。攪拌槳尺寸安裝總有誤差，儀表的精度有限，模擬量傳輸有損耗。這些細(xì)微的誤差貌似關(guān)系不大，但是對(duì)于微生物來說，尤其是E. Coli這樣20分鐘就能分裂一次的菌來說，設(shè)備和操作之間的細(xì)微差別對(duì)菌體造成的影響也從一代傳遞到下一代，成指數(shù)放大。即便是理想的情況，假設(shè)所有硬件都完全一樣，流體的運(yùn)動(dòng)和擾動(dòng)也都是隨機(jī)的，而閉環(huán)控制器的動(dòng)作也因此是隨機(jī)的。大型發(fā)酵罐設(shè)備，混合時(shí)間可能就要幾十分鐘甚至更長(zhǎng)，宏觀的操作條件和局部的測(cè)量參數(shù)無法代表菌體所能感受到的圍觀環(huán)境。從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度來說，有很多菌繁殖了一代甚至數(shù)代了，都還沒有經(jīng)歷真正的最優(yōu)操作條件。正所謂失之毫厘，謬以千里，每一個(gè)發(fā)酵罐里，都在日復(fù)一日驗(yàn)證著蝴蝶效應(yīng)。因此，對(duì)平行生物反應(yīng)器的平行性的追求是沒有終點(diǎn)的，打造真正的平行生物反應(yīng)器，不是個(gè)一蹴而就的過程。需要對(duì)設(shè)備的整體和所有部件的工作原理有深刻的理解，比如將強(qiáng)弱電分開，保障了電極等傳感器信號(hào)免受干擾；罐體之間同一參數(shù)的控制來自于同一模塊，控制更精準(zhǔn)，差異更��；罐體數(shù)量可成自由成組增減，相比于多聯(lián)罐或多個(gè)獨(dú)立的罐體，平行生物反應(yīng)器內(nèi)多個(gè)罐體的參數(shù)曲線一致性、平行性、以及重復(fù)性更好；相同參數(shù)控制下，不同罐體的參數(shù)曲線高度重合；下僅如此，還需要需要收集大量的用戶反饋，投入大量資源進(jìn)行研發(fā)。

 

作為國(guó)內(nèi)首家將微小型平行生物反應(yīng)器商業(yè)化并整合到實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化流程中制造商，迪必爾生物不斷向市場(chǎng)推出新技術(shù)，將生物過程工程微小型化、智能化以及過程分析技術(shù)（PAT）和一次性生物反應(yīng)器(SUB)，覆蓋到從實(shí)驗(yàn)室到中試再到放大量產(chǎn)的各個(gè)規(guī)模。

 

迪必爾公司平行生物反應(yīng)器系統(tǒng)可以協(xié)助客戶構(gòu)建智能優(yōu)化平臺(tái)，以機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和建模，可同時(shí)進(jìn)行多參數(shù)、多目標(biāo)整體優(yōu)化，大大提高發(fā)酵工藝優(yōu)化的效率，縮短新產(chǎn)品推向市場(chǎng)的時(shí)間。

 

 

具體區(qū)別在以下幾個(gè)方面：

1、放大/縮�。⊿cale up/down）工具：經(jīng)驗(yàn)-半經(jīng)驗(yàn)放大法是根據(jù)實(shí)用原則和已有生物反應(yīng)器的操作經(jīng)驗(yàn)，通過一些簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)關(guān)系進(jìn)行反應(yīng)器的放大。其中，最常用的是幾何相似放大，或稱等比例放大，即不同規(guī)模的設(shè)備保持相同的形狀，如相同高徑比，攪拌槳與內(nèi)徑之比，等。從初選就開始對(duì)環(huán)境參數(shù)精確測(cè)量和控制，可以同時(shí)保證數(shù)據(jù)的質(zhì)和量，實(shí)現(xiàn)快速工藝開發(fā)，利用平行生物反應(yīng)器在與規(guī)模化生產(chǎn)相似的情況下進(jìn)行篩選和工藝研發(fā)，進(jìn)而避免選出實(shí)際應(yīng)用時(shí)表現(xiàn)不佳的細(xì)胞和菌株，則是一個(gè)質(zhì)的飛躍。培養(yǎng)工藝使用大規(guī)模是不切實(shí)際的，因此，從合格的小型平行生物反應(yīng)器中收集的工藝參數(shù)結(jié)果可作為大規(guī)模放大的預(yù)測(cè)指標(biāo)。常見的平行生物反應(yīng)器規(guī)格有150ml\250ml\500ml\1000ml。（http://dm.parallel-bioreactor.com/dynamix）

 

圖2：開發(fā)小規(guī)模模型的免費(fèi)放大/縮�。⊿cale up/down）工具

 

2.高通量靈活性：支持更多罐體數(shù)量平行控制，可以高達(dá)264個(gè)或幾千個(gè)，真正滿足高通量；具有一定靈活性，可滿足重復(fù)滅菌使用的玻璃罐體或一次性罐體的切換使用，任意組合成需要的配置。

 

3.一鍵校正與一致性：電極使用壽命/次數(shù)與報(bào)警故障情況實(shí)時(shí)顯示在控制界面，在同時(shí)間可一鍵校正pH\DO電極、泵等參數(shù)，高效同步，減少電極的漂移；平行生物反應(yīng)器所有參數(shù)控制水平具有一致性和重復(fù)性，可不同反應(yīng)器匹配不同的控制參數(shù)，也可在相同參數(shù)條件下控制所有反應(yīng)器。

 

4.專用平行控制軟件：平行生物反應(yīng)器具有專用的平行控制軟件，而多連罐的上位機(jī)軟件需要每一個(gè)反應(yīng)器重復(fù)操作。平行控制程序已經(jīng)內(nèi)置生物培養(yǎng)過程常用操作，如接種、誘導(dǎo)等，做到一鍵記錄關(guān)鍵時(shí)刻。且支持實(shí)驗(yàn)配方式設(shè)計(jì)，可以任意組合多個(gè)過程參數(shù)值作為條件（包括時(shí)間），觸發(fā)運(yùn)行在PLC上內(nèi)控制器和設(shè)定值曲線。同時(shí)激活多個(gè)策略，可以實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的控制邏輯，無需二次開發(fā)而實(shí)現(xiàn)最終用戶訂制自動(dòng)化策略的軟件。且可以與SCADA系統(tǒng)的高度整合，保證了可靠性和靈活性。

 

 

圖3：平行控制軟件

 

5.DoE試驗(yàn)設(shè)計(jì)模塊：按照QbD方法，我們利用試驗(yàn)設(shè)計(jì)DoE，確認(rèn)關(guān)鍵工藝參數(shù)CPPs，在多影響因素下，建立能滿足工藝的設(shè)計(jì)空間。

 

圖4：DoE導(dǎo)入功能模塊

 

當(dāng)平行生物反應(yīng)器具有內(nèi)置DoE功能模塊時(shí)，無需借助第三方DoE軟件，可直接在軟件上進(jìn)行DoE多參數(shù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)操作，將設(shè)計(jì)好的配方參數(shù)匹配到相應(yīng)的生物反應(yīng)器上。同時(shí)支持JMP等外部軟件設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)數(shù)據(jù)表直接導(dǎo)入到DoE中使用，利用縮小模型系統(tǒng)進(jìn)行單因素范圍研究或DoE多樣化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)研究，以此評(píng)價(jià)分析關(guān)鍵工藝參數(shù)的主要影響及相互作用。直接對(duì)應(yīng)控制相應(yīng)罐數(shù)，實(shí)驗(yàn)完成后，實(shí)驗(yàn)結(jié)果會(huì)自動(dòng)與實(shí)驗(yàn)序號(hào)對(duì)應(yīng)。高度的自動(dòng)化操作，大大提高工作效率，也杜絕任何人為失誤產(chǎn)生的可能。

 

圖5： 內(nèi)置DoE功能模塊

 

6.支持PAT和工藝自動(dòng)化：PAT--可預(yù)測(cè)與控制工藝變化 ，保證穩(wěn)定的生產(chǎn)，平行生物反應(yīng)器可以根據(jù)工藝需求，提供廣泛的PAT組合，包括完全集成的傳感器、生物工藝分析儀、以及自動(dòng)化解決方案。

 

7.“Follow file”克隆培養(yǎng)：在遠(yuǎn)程控制甚至在物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)可視化方面，可以在世界任何一個(gè)角落通過手機(jī)或平板電腦查看平行生物反應(yīng)器運(yùn)行數(shù)據(jù)。通過Profile Builder和Profile Player，可用Excel編輯一個(gè)或多個(gè)設(shè)定值曲線，發(fā)送到生物反應(yīng)器控制器執(zhí)行。實(shí)現(xiàn)復(fù)制的操作條件隨意組合，沒有任何限制。將最優(yōu)的操作條件復(fù)制到所有反應(yīng)器，完成“Follow file”克隆培養(yǎng)條件。

 

 

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模生物反應(yīng)器產(chǎn)生數(shù)據(jù)的速度和質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)挖掘等新技術(shù)的需要。高度自動(dòng)化和功能柔性化的平行生物反應(yīng)器有望從根本上解決上述問題。

 

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