Prima PRO 过程质谱仪常见问题解答

A.质谱仪通过电离中性样品气体分子以进行后续分析，所产生的带电粒子根据其分子量被分离。在大多数商用气体分析质谱仪中，是通过用热灯丝产生的电子束轰击气体样品来实现电离。为防止和空气发生碰撞，需要在真空中分离各种离子。Prima PRO 过程质谱仪是基于强大且灵活的扫描扇形磁场质谱原理的高性能气体分析仪。该分析仪旨在提供优越的分析性能，可靠性高，且维护要求较低。

答：Prima PRO 过程质谱仪推荐用于：

• 发酵工艺
• 细胞培养工艺
• 钢铁工艺
• 乙烯、氨、氢工厂
• 环氧乙烷、甲醇、聚乙烯/聚丙烯
• 催化研究
• 溶剂干燥

答：大多数 Prima PRO 过程质谱仪都配备了快速多流采样器 (RMS)，这是一种高度可靠的采样器，可在切换样气流路的同时不影响传输到分析仪的样品质量。RMS以高可靠性而闻名，事实证明，它每年可进行流路切换高达百万次，年复一年，几乎不需要维护。

答：与传统的小分子合成相比，生物过程非常复杂。每个细胞每秒都能进行数千个化学反应，通常情况下，只有一个反应会产生靶分子。这些反应的进展由诸多因素决定，如温度、营养物质的可用性、累积废物的量、可用氧、促进反应的酶浓度和产生蛋白质的氨基酸构件。使用简单发酵罐，在灭菌后添加生长培养基，并接种细胞。保持相对稳定的进气流速和叶轮转速，以确保整个培养基中有充足的氧气可用。一旦细胞开始繁殖，就通过冷却水去除多余的热量，并用酸性和碱性试剂调节pH 值。

连续监测溶解氧 (DO2)，并进行人工离线分析以评估细胞密度和底物组成。如果 DO2 降至设定水平以下，则可通过打开氧气阀短时间添加额外的氧气。在哺乳动物细胞培养中，对溶解二氧化碳 (DCO2) 也可使用类似的控制方法。

基于从实验室分析手动输入的数据，统计过程控制 (SPC) 工具备用于确定发酵过程是否遵循适当的轨迹。这些数据也用于确定适当的收获时间。在这些情况下，批次间差异可能会很显著，甚至其中不乏出现数量级的差异。对于药品，如果回收的活性药物成分 (API) 低于某一质量标准，则必须报废整个批次。显然，Prima PRO 过程质谱仪及其高度可靠的在线分析技术为实验室人员提供了可以显著提高产品质量和增加盈利能力所需的工具。

答： 大多数用于生物生产的细菌在生长和分裂之前需要水、碳、氮和能量来源。它们还对温度、pH 值和气体有相应要求。营养素存在于复杂的生长培养基中，培养基可能包含了多种天然产物，而如果批次间天然产物的变化会给工艺带来问题，那么可以使用化学成分明确的培养基。这两种类型的培养基均旨在提供最佳浓度的营养物质，以促进快速对数生长，直至达到目标细胞密度。当到达该阶段时，初级碳源被耗尽，迫使细胞转而使用次级碳源，进而促进产物形成。可以添加其他组分来抑制或诱导特定代谢途径，以尽量增加产物形成并减少毒性副产物累积。

工艺开发的典型方案使用了多个台式生物反应器或发酵罐，容量在 1-10 升 (L) 范围内。各种培养基配方与不同的细胞系配对，以确定较为稳妥和有效的组合。一旦选出最佳的候选组合，则将工艺规模放大至 200 L 规模（中试规模），其中会对潜在控制变量进行允许范围和有效性的全面测试。除 pH、温度、搅拌RPM、DO2 和 DCO2 外，潜在控制变量还可能包括： 培养基补料速率、背压、进气组分和流速。

为了实时控制补料和进气组成，有必要实时监测培养基的化学组成或从生物反应器排出的气体组分。基于模型的先进过程控制技术可随后用于对这些附加控制变量进行更改，以响应某些输出变量的实测变化。傅里叶变换近红外 (FT-NIR) 光谱法是一种适用于测量液体浓度的技术。测量气体浓度的非常好的技术是磁扇质谱法，而扇形质量分析器正是 Prima PRO 过程质谱仪的关键组件，可显著增加分析仪的分析能力和灵活性。

答：测定细胞质量、产物浓度（滴度）和底物浓度最常用的方法依赖于使用微分方程。这些“状态方程”是相互依存的，必须同时求解，以产生基于初始条件和实时测量的有效结果。初始条件包括底物（初级碳源）的初始质量、起始细胞质量和培养基体积。实时测量包括摄氧量 (OUR)、二氧化碳释放率 (CER)、呼吸商 (RQ) 和测量的溶解氧。模型的输出通常用于通过将结果与“黄金批次”的已知轨迹（为最佳产品形成提供理想曲线）进行比较来跟踪每个批次的进展。该方法可确保尽快识别和纠正限制条件和/或污染。

答：有几种新出现的实现模型预测控制 (MPC) 的先进方法，包括正式（确定性）模型和人工神经网络 (ANN) 的混合组合。本质上，ANN 模型填补了第一原理分析失败的空白。之所以这样称呼 ANN，是因为它们的结构是基于多层相互连接的节点，在结构上与大脑神经元相似。这些网络基于历史性能对行为建模。大型训练数据集通常表明，结局是过程变量落在一个范围内的结果。虽然可能很难正式解释这种联系，但这些关系仍可用于过程控制。Prima PRO 过程质谱仪能够对生物反应器尾气进行扩展分析，随后提供训练这些神经网络所需的数据。其他数学建模技术包括主成分分析 (PCA) 和偏最小二乘 (PLS) 回归，这两者都是研究大数据集中模式和关系的数学程序。通过促进数据汇编，Prima PRO 过程质谱仪是成功实现 MPC 的关键组成部分。

答：测量流路中每种组分浓度所花费的时间可通过软件配置，因此速度和精度之间的权衡能够根据被监测的取样点数量和每个过程的动态性质而变化。氮、氧、氩气和二氧化碳测量的典型分析时间为 5 秒，甲醇和乙醇测量的典型分析时间要另外多 3 秒（例如）。此外，加上 5 秒的冲洗时间，因此每个流的总分析时间为 10 秒（而加入甲醇和乙醇则为 13 秒）。由于哺乳动物细胞培养的周期比微生物发酵的培养周期长，因此对其生物反应器可以实现更精确的监测，且不需要频繁监测。

答：根据通气气体分析计算的最重要变量就是呼吸商 (RQ)。它是发酵和细胞培养中存在的两种不同类型活性的函数：生长和维持。RQ 定义为二氧化碳释放率 (CER) 除以 OUR。Prima PRO 过程质谱仪可及时估计 RQ，用于测定当前代谢活性，并可能实现某些变量的闭环控制，包括葡萄糖补料速率 (GFR)。

答：将 Prima PRO 过程质谱仪提供的进气气体和反应器尾气中的氧浓度发送至过程控制计算机。将数据与流量测量值和批次体积相结合，用于计算培养物摄氧量。氧气摄取率 (OUR) 的实时计算通常用于测定种子罐中的活细胞密度，从而确定适当的接种时间。

使用 Prima PRO 过程质谱仪，OUR 测量可实现 kLa值的连续估算。氧传质将随着培养基粘度的变化而变化。微生物学家需要了解这种关系，然后才能进入中试规模。一旦理解了 kLa 的动态性质，就可以利用与正常轨迹的偏差值检测和校正 DO2 探针漂移。通过监测 kLa 的变化，Prima PRO 过程质谱仪使人员能够更容易地控制搅拌 RPM、进气流和进气氧浓度。