이 기사를 한 가지 요점으로 줄여야 한다면, 그것은 다음과 같습니다: 바이오리액터 규모에서는 단일 지점 모니터링만으로는 충분하지 않습니다. 작은 벤치 용기를 넘어가면 혼합이 느려지고, 구배가 형성되며, 프로브 지연이 더 중요해지고, 드리프트가 전체 실행을 위험에 빠뜨릴 수 있습니다. 일부 설정에서는 통합된 PAT가 편차율을 2% 이하로 낮추고 배치 처분 시간을 최대 30%까지 단축했습니다..
배양육 R&D, 생물공정 엔지니어링 또는 규모 확장 분야에서 일하신다면, 먼저 네 가지에 집중하시기 바랍니다:
- 핵심 제어 센서: 온도, pH, DO, 용존 CO2, 압력, 거품, 레벨, 그리고 흐름
- 공정 상태 도구: 라만 및 NIR 분광법 영양소 및 대사산물용
- 생체량 도구: OD/탁도, 정전용량, 오프가스, 그리고 온라인 대사산물 분석기
- 규모 확장 점검: 프로브 배치, 반응 지연, 오염, 드리프트, 포트 제한, 그리고 제어 시스템 적합성
기사의 주요 메시지는 간단합니다: 센서 선택은 제어 결정이며, 단순한 장비 결정이 아닙니다. 약 ~3 L에서 작동하는 설정이 15 L, 1,000 L, 이상에서는 실패할 수 있습니다. 왜냐하면 용기가 더 이상 하나의 혼합 구역으로 작동하지 않기 때문입니다.
바이오리액터의 센서
효과적인 스케일업은 고급 센서 및 모니터링 시스템을 통합하여 정밀한 환경 제어를 유지하는 것을 필요로 합니다.
sbb-itb-ffee270
빠른 비교
| 모니터링 레이어 | 주요 작업 | 일반적인 도구 | 규모에 따른 변화 |
|---|---|---|---|
| 핵심 제어 | 배양 조건을 범위 내로 유지 | 온도, pH, DO, dCO2, 압력, 거품, 레벨, 흐름 | 구배, 지연, 프로브 위치가 더 중요해짐 |
| 구성 | 영양소 및 부산물 추적 | NIR, 라만 | 모델 전이 및 프로브 위치가 제한 요소가 됨 |
| 생체량/생존율 | 성장 및 살아있는 세포 추적 | OD, 탁도, 전기 용량 | 오염, 미세 운반체, 샘플링 지연이 더 중요해짐 |
| 호흡/대사 | 실시간으로 수요와 폐기물 추적 | 오프가스, 온라인 대사체 분석기, 소프트 센서 | 공급 및 가스 제어는 실시간 데이터와의 더 긴밀한 연결이 필요합니다 |
나머지 부분은 세포 생물학, 용기 크기, 제어 논리에 맞는 모니터링 스택을 구축하는 가이드로 읽고, 바이오리액터, 포트 및 소프트웨어가 실제로 이를 지원할 수 있는지 확인합니다.
모니터링이 바이오리액터와 함께 확장되어야 할 때의 변화
바이오리액터 모니터링 스택: 실험실 대 파일럿/생산 규모
약 3 L, 에서는 혼합이 보통 충분히 빨라서 하나의 프로브가 전체 용기를 대변할 수 있습니다. 15 L 이상, 으로 이동하면 그 구조가 무너지기 시작합니다. 혼합에 시간이 더 걸리고, 탱크 전반에 걸쳐 용존 산소, pH 및 영양소 농도에서 급격한 기울기가 발생할 수 있습니다. 따라서 한 지점의 프로브가 바이오리액터의 다른 곳에서 세포가 보는 것과 일치하지 않을 수 있습니다 [2].
센서 지연도 규모가 커질수록 더 큰 문제가 됩니다. 제어 시스템이 pH 버퍼를 추가하거나 스파징을 증가시키면, 센서는 그 변화를 즉시 보고하지 않습니다. 작은 용기에서는 그 지연이 무시할 수 있을 정도로 작을 때가 많습니다.더 큰 용기에서는 제어기가 너무 멀리 밀어내어 시스템이 안정되기 전에 진동이 발생할 수 있습니다. 세포는 그 불안정을 가장 먼저 느낍니다 [2]. 부피가 증가함에 따라 산소 전달, 전단 및 반응 타이밍이 모두 프로세스의 규모에 따른 행동 방식.
을 변경할 수 있습니다.가장 먼저 나타나는 병목 현상 중 하나는 종종 산소 전달. 입니다. 더 큰 작업 부피에서는 산소 전달을 유지하는 것이 더 어려워져 산소 제한 및 세포 생존율 감소의 위험이 증가합니다 [3]. 동시에 포도당, 젖산 및 암모니아와 같은 대사 산물의 실시간 모니터링이 더 중요해집니다. 왜냐하면 영양소 구배와 부산물 축적이 더 큰 용기에서 더 빨리 나타날 수 있기 때문입니다 [2]. 배양육 공정에서는 이것이 성장, 생존율 및 최종 제품 품질에 영향을 미칠 수 있습니다.
드리프트는 또 다른 위험 요소를 추가합니다.장기간의 운전 - 종종 파일럿 및 생산 규모에서 몇 주 동안 - 은 현장 센서가 보정된 기준선에서 벗어날 시간을 더 많이 제공합니다. 벤치 규모에서는 드리프트하는 프로브가 작은 배치에 영향을 미칠 수 있습니다. 생산 규모에서는 동일한 문제가 전체 운전을 위험에 빠뜨릴 수 있습니다 [2].
| 매개변수 | 실험실 규모 (≈3 L) | 파일럿/생산 규모 (≥15 L) |
|---|---|---|
| 혼합 균일성 | 빠름; 거의 즉각적인 균질성 | 느림; 용기 전체에 걸쳐 구배 형성 |
| 센서 지연 | 최소한 | 상당함; 제어 진동 위험 |
| 프로브 배치 | 덜 중요 | 매우 중요; 데드 존이 더 중요함 |
| 드리프트 결과 | 낮은 영향; 작은 배치 | 높은 영향; 전체 대규모 배치 위험 |
| 모니터링 복잡성 | 간단함; 종종 단일 포인트 센서에 의존 | 복잡함; 다중 매개변수 현장 도구 필요할 수 있음 |
이러한 규모 효과는 어떤 센서가 가장 중요하고 어디에 위치해야 하는지를 결정합니다.모니터링 계획은 볼륨이 증가함에 따라 재검증이 필요합니다. 3 L에서 작동하는 프로브 레이아웃은 종종 더 큰 규모에서 추가 측정 지점이나 다른 센서 유형이 필요합니다 [2][3] .
1. Cellbase
스케일업은 프로세스 및 나머지 제어 설정과 함께 작동할 모니터링 하드웨어로의 명확한 경로도 필요합니다.
팀은 전기화학 및 광학 센서, 근적외선 및 라만 분광 시스템과 같은 PAT 기기, 생세포 밀도 측정을 위한 정전 용량 프로브를 포함하여 프로세스 모니터링과 직접적으로 연결된 카테고리를 탐색할 수 있습니다.
소싱이 완료되면, 다음 단계는 각 주요 변수를 범위 내에 유지하는 센서 선택입니다.
2. 온도 프로브
온도는 바이오리액터에서 핵심적인 중요한 프로세스 매개변수입니다. 배양육에서는 작은 변화조차도 성장, 대사 및 제품 품질에 영향을 미칠 수 있습니다. 작업량이 증가함에 따라 하나의 온도 측정값이 지역적 기울기를 가릴 수 있습니다. 더 큰 규모에서는 온도를 측정하는 것뿐만 아니라 용기 전체에 온도가 고르게 유지되도록 하는 것이 문제입니다.
매개변수 범위
온도 프로브는 용기의 온도를 측정합니다. 용기 측정을 위해 Pt100 또는 Pt1000 RTDs. 를 사용하십시오.그들은 생물공정 제어에 필요한 정밀성을 제공합니다. 열전쌍은 부수적인 장비에 사용하세요. 이 경우에는 엄격한 정밀성보다 넓은 작동 범위가 더 중요합니다.
인라인 또는 자동화된 데이터 가용성
온도 프로브는 생물공정 제어 소프트웨어에 지속적인 신호를 보냅니다. 이는 알람, 추세 분석, 자동 재킷 또는 냉각 변경을 지원합니다. 온도 추적은 전자 배치 기록에 저장되어 편차 작업, 모델 구축 및 스케일업 중 공정 특성화에 도움이 됩니다.
스케일업 제어 가치
스케일에서, 더 높은 열 부하와 낮은 표면적 대 부피 비율은 온도 구배를 더 가능하게 만듭니다. 엔지니어링 실행 중 다지점 측정은 단순한 계측 결정이 아닌 스케일업 검증 도구입니다. 이는 단일 프로브가 놓칠 수 있는 뜨겁거나 차가운 영역을 드러낼 수 있습니다.온도가 제어되면, pH와 용존 산소가 보통 다음으로 유지해야 할 한계가 됩니다.
배양육 생물공정과의 호환성
재료는 멸균을 견디고 용출물을 낮게 유지해야 합니다. 일회용 대 재사용 가능 바이오리액터, 에서 센서 전략이 다릅니다. 일회용 시스템에서는 사전 보정된 일회용 센서나 백 통합 센서를 사용합니다. 재사용 가능 시스템에서는 정의된 간격으로 추적 가능한 기준에 대해 보정을 확인합니다. 프로브의 적합성과 보정은 다음 센서 유형으로 이동하기 전에 확정되어야 합니다.
3. pH 프로브
온도 다음으로, pH는 보통 잠금해야 할 다음 매개변수입니다. 배양육 생물공정에서, 이는 또한 가장 엄격하게 제어되는 변수 중 하나입니다. 대부분의 배양은 pH 6.8–7.4, 에서 실행되며, 짧은 드리프트조차도 세포 성장과 분화를 변화시킬 수 있습니다. 제어 밴드는 종종 ±0.05–0.1 pH 단위. 그 범위를 벗어나면 증식이 방해되고, 분화 경로가 변경되며, 최종 제품 품질이 변화할 수 있습니다.
매개변수 범위
전기화학 유리 조합 전극을 pH 6.0–8.0 범위에서 사용하십시오. 이 응용 프로그램에서는 ±0.01–0.02 pH 단위의 정확도, 30–60초 응답 시간, 및 내장된 온도 보상이 필요합니다. 10일 이상 지속되는 실행에서는 프로브 드리프트가 0.1–0.2 pH 단위. 에 도달할 수 있습니다. 따라서 캠페인 전 두 지점 보정이 표준이며, 실행 중간에 오프라인 참조 검사를 수행하는 것이 실용적입니다.
인라인 또는 자동화된 데이터 가용성
연속적인 pH 데이터는 SCADA/DCS로 피드되어야 하며, 이를 통해 폐쇄 루프 산/염기 및 CO₂ 제어를 실행할 수 있습니다. 국부적인 pH 급증을 피하기 위해 알람, 데드밴드 및 속도 제한을 추가하십시오.하지만 주의할 점이 있습니다: 제어 루프는 측정만큼만 좋습니다. 프로브가 대량의 육수 조건을 읽지 않으면, 컨트롤러는 잘못된 신호에 반응하게 됩니다.
확대 제어 값
생산 규모에서 - 1,000 L 이상 - pH는 용기 전체에서 0.3–0.4 단위로 변동할 수 있습니다. 이는 프로브 배치와 PID 조정이 매우 중요하다는 것을 의미합니다. 프로브는 국부적인 pH가 탱크의 나머지 부분과 전혀 다르게 보일 수 있는 스파거와 공급구에서 멀리 떨어져 있어야 합니다.
초기 확대 실행 중에는 여러 용기 위치에서 채취한 오프라인 샘플과 인라인 판독값을 비교하는 것이 도움이 됩니다. 이를 통해 바이오리액터 내부의 pH 기울기 지도를 얻을 수 있습니다. 그 후, 용기가 실제로 하고 있는 것에 기반하여 프로브 위치를 조정하고 컨트롤러를 조정할 수 있습니다. 기대했던 것이 아니라.
배양육 생물공정과의 호환성
프로브 선택은 제어 전략만큼 중요합니다.배양육 배지는 시간이 지남에 따라 유리 막과 기준 접합부를 오염시킬 수 있습니다. 그렇게 되면 드리프트가 증가하고 프로브 수명이 단축됩니다. 따라서 문제가 발생하기 전에 프로브를 점검, 청소 및 교체하십시오.
단일 사용 바이오리액터 시스템, 에서는 사전 보정된 광학 pH 패치가 삶을 더 쉽게 만들어 줄 수 있습니다. 이 패치는 감마 멸균 처리되어 백 벽에 내장되어 있어 증기 멸균이나 청소가 필요하지 않습니다. 단점은 정확성입니다: 일반적으로 ±0.05–0.1 pH 단위 범위로, 표준 유리 전극보다 약간 낮습니다.
퍼퓨전 또는 고세포 밀도 설정에서는 멸균 상태를 깨지 않고 프로브를 교환할 수 있는 가변 하우징을 고려할 가치가 있습니다. 그리고 모든 식품 등급 작업에서는 보정 기록, 유지보수 로그 및 오프라인 검증 데이터를 최신 상태로 유지해야 합니다.
4. 용존 산소 센서
pH가 조절되면, 용존 산소가 종종 다음 병목 현상이 됩니다. 산소는 배양 배지에 잘 녹지 않으며, 바이오리액터의 부피가 증가함에 따라 DO를 일정하게 유지하는 것이 더 어려워집니다.
매개변수 범위
고밀도 퍼퓨전 실행에서, 세포 농도는 고성능 주요 근육 세포, 를 사용할 때 2.0 × 10^7 to 7.0 × 10^7 cells/mL에 도달할 수 있으며, 산소 수요는 빠르게 증가합니다[5]. 그 시점에서 주요 스케일업 지표는 k_La. 입니다. 일반적으로 동적 방법으로 측정됩니다: 질소로 산소를 제거한 후, 공기 공급이 다시 시작되면 회복을 모니터링합니다[5].
인라인 또는 자동화된 데이터 가용성
인라인 DO 센서는 자동화된 생산 시스템에 지속적인 판독값을 전송합니다. 그 시스템은 일반적으로 먼저 교반을 증가시키고, 그 다음 공기 흐름을 증가시키고, 그 다음 순수 산소 주입을 통해 설정점을 유지하기 위해 DO 캐스케이드를 실행할 수 있습니다[4]. 이러한 실시간 판독값이 캐스케이드 작동을 가능하게 합니다. 프로브 응답 시간도 중요합니다. 센서가 지연되면 제어 루프도 함께 지연됩니다. 현대의 광학 센서는 폴라로그래픽 프로브보다 이를 더 잘 처리하는 경향이 있습니다[5].
스케일업 제어 값
이것이 센서 안정성이 산소 전달만큼 중요한 이유입니다. 대형 생물 반응기에서는 임펠러에서 멀리 떨어진 곳에 저산소 구역이 형성될 수 있습니다. 실시간 DO 데이터는 성장이나 대사에서 드리프트를 보기 전에 산소 공급이 세포 수요를 따라가지 못할 때를 보여줍니다[5].
배양육 생물공정과의 호환성
배양육의 경우, 이 절충안은 무시하기 어렵습니다. 세포는 전단에 민감하므로, 더 많은 산소를 주입하기 위해 교반을 계속 높일 수 없습니다[4][5]. DO 센서는 범위 내에 머물기 위해 필요한 최소 혼합에 대한 실시간 피드백을 제공합니다.
광학, 형광 기반 센서는 더 나은 안정성, 빠른 반응, 낮은 유지보수를 제공하기 때문에 극성 탐침보다 선호되는 옵션이 되고 있습니다. 반면에, 극성 탐침은 4주에서 8주마다 막 교체가 필요할 수 있습니다[4]. 매체가 풍부한 시스템에서는, 방오 탐침 스크린이나 정기적인 청소 주기가 탐침 표면의 바이오매스 축적을 줄이고 측정값을 신뢰할 수 있게 유지하는 데 도움이 될 수 있습니다[4].
5.용해된 CO2 센서
CO2는 대사 부산물이며, 바이오리액터가 커질수록 제거하기가 더 어려워집니다. 이는 dCO₂가 다른 프로세스 신호를 통해 운영자가 문제를 발견하기 전에 떠다니기 시작할 수 있음을 의미합니다.
매개변수 범위
이 센서는 배양액 내 용해된 CO2 농도를 측정합니다. dCO₂가 상승하면 pH에 영향을 미치고 세포 스트레스를 증가시킬 수 있으므로, 이는 대시보드에 표시하고 무시할 수 있는 읽기 값이 아닙니다. 벤치탑 바이오리액터를 R&D 또는 더 큰 용기에 사용할 때, 이 데이터는 제어 논리에 직접 입력되어야 합니다. 제어 논리에 직접 입력되어야 합니다.
여기에는 두 가지 일반적인 센서 유형이 사용됩니다. 세버링하우스형 전기화학 센서는 CO2 투과성 막을 통한 pH 변화를 통해 dCO₂를 추론합니다. 광학 또는 형광 센서는 CO2 감지 염료를 사용하여 신호를 생성합니다.다양한 하드웨어 선택은 서로 다른 유지보수 및 드리프트 프로파일을 가지고 있지만, 작업은 동일합니다: 프로세스 제어를 지원할 수 있을 만큼 용해된 CO2를 면밀히 추적하는 것입니다.
인라인 또는 자동화된 데이터 가용성
인라인 및 인시투 설정은 수동 샘플링 없이 연속적인 측정을 가능하게 하며, 이는 동적 배양에서의 핵심입니다. 제어 시스템에서 dCO₂ 신호는 단순히 데이터를 기록하는 것 이상의 역할을 해야 합니다. 프로세스가 설정된 한계를 초과할 때 경보를 울리고 가스 주입 또는 제거를 조정해야 합니다.
간단히 말해, dCO₂는 가스 전송 제어의 직접적인 입력이지 독립적인 지표가 아닙니다.
스케일업 제어 가치
파일럿 규모 시스템이 증가함에 따라 CO2 제거 효율이 떨어집니다. 더 긴 확산 경로, 낮은 표면적 대 부피 비율, 혼합 행동의 변화는 모두 용기 내 dCO₂ 구배를 초래할 수 있습니다. 이때 실시간 측정이 그 가치를 발휘하기 시작합니다.
실시간으로 dCO₂를 볼 수 있다면, 생존 가능성이나 배치 일관성에 영향을 미치기 전에 그 구배를 발견할 수 있습니다. 스케일업 작업에서는 이러한 조기 경고가 중요합니다. 용기는 대량 pH나 용존 산소에서는 괜찮아 보일 수 있지만, 국부적인 CO2 축적이 이미 세포에 부담을 주고 있을 수 있습니다.
배양육 생물공정과의 호환성
배양육의 경우, dCO₂ 센서는 영양이 풍부한 배지에서 보정 상태를 유지하고, 무균 작업을 처리하며, 제어 플랫폼과 깔끔하게 연결되어야 합니다. 이 제어 계층은 또한 압력, 거품 및 레벨 신호와 연결되며, 이 세 가지는 모두 다음 공정 단계에서 가스 제거에 영향을 미칠 수 있습니다.
6. 압력, 거품 및 레벨 센서
용존 CO2 다음의 제어 계층은 압력, 거품 및 레벨입니다. 이러한 신호는 가스 교환, 무균 상태 및 볼륨 균형을 형성합니다.실제로, 압력, 거품 및 레벨 센서는 역압을 일정하게 유지하고, 거품의 유출을 방지하며, 공급 및 수확량을 적절한 수준으로 유지하는 데 도움을 줍니다.
매개변수 범위
압력은 역압과 가스 균형을 추적합니다. 액체 레벨은 공급, 수확 및 퍼퓨전 볼륨을 추적합니다. 거품 감지는 프로세스 안정성과 직접적으로 연결됩니다. 거품이 쌓이면 가스 교환을 방해하고, 통풍구를 막으며, 헤드스페이스나 배기 필터에 도달하면 오염 위험을 증가시킬 수 있습니다.
압력 제어는 또한 스트리핑 및 스파징 효율성에 영향을 미치므로, 이 센서 세트는 이전 섹션에서 다룬 CO2 및 용존 산소 제어와 직접 연결됩니다. 이 신호들을 종합하면 가스 흐름, 거품 억제 및 볼륨 균형을 위한 하나의 제어 전략을 지원합니다.[6]
인라인 또는 자동화된 데이터 가용성
이 센서는 인라인으로 설치되거나 백에 통합되어 생물반응기 내용물과 지속적으로 접촉합니다. 더 큰 작업 용량에서는 이러한 변수들이 운영자가 수동으로 수정할 수 있는 것보다 더 빠르게 변할 수 있습니다. 제어 소프트웨어에 연결되면, 가스 흐름 속도, 교반 속도 또는 펌프 속도를 실시간으로 변경하는 등의 빠른 자동화 작업을 트리거할 수 있습니다. [6]
스케일업 제어 값
스케일에서 이러한 신호는 오버플로를 방지하고, 거품 관련 오염 위험을 줄이며, 가스 전달 및 액체 처리를 정의된 한계 내에서 유지하는 데 도움을 줍니다.[6]
배양육 생물공정과의 호환성
레벨 데이터는 사료 추가, 수확 타이밍 및 퍼퓨전 균형을 지원하여 배양육 공정에서 fed-batch 및 퍼퓨전 제어에 직접 입력됩니다. 압력 및 거품 신호도 마찬가지로 중요합니다. 이들은 함께 가스 흐름, 거품 제어 및 볼륨 균형을 완성하고, 경보 및 자동화된 작업이 용기를 안정적으로 유지하는 전체 제어 스택에 피드됩니다.
7. 유량계
압력, 거품 및 레벨 다음으로 확인해야 할 것은 매체, 가스 및 수확 스트림이 얼마나 빠르게 이동하는지.
유량계는 바이오리액터 시스템을 통해 액체 및 가스의 유량을 측정합니다. 압력, 거품 및 레벨은 용기 내부에서 무슨 일이 일어나고 있는지를 알려줍니다. 유량계는 얼마나 들어가고, 얼마나 나가고, 얼마나 빠른지를 알려줍니다.
매개변수 범위
유량계는 시스템을 통해 매체, 가스 및 수확물의 이동 속도를 측정합니다. 이는 간단해 보이지만 실제로는 매우 중요합니다. 공급 유량이 변동하면, 투석 균형이 변동합니다. 수확 유량이 변하면, 체류 시간과 세포 보유가 함께 변동할 수 있습니다.
직선 유량 측정을 넘어, 유량 분배기는 샘플 스트림을 온라인 분석기로 라우팅할 수 있습니다. 이는 실시간으로 타이틀과 주요 대사물질의 측정을 지원합니다.[7]
인라인 또는 자동화된 데이터 가용성
자동화된 자동 샘플러와 유량 분배기는 배양을 중단하지 않고 생물 반응기를 온라인 분석기에 연결할 수 있습니다. 즉, 프로세스를 중단하거나 시스템을 열지 않고 데이터를 수집할 수 있습니다.
이는 연속 공정에서 가장 중요하며, 유량 데이터가 폐쇄 루프 제어를 지원해야 합니다.프로세스가 오랜 시간 동안 실행되면, 흐름의 작은 오류는 오래 지속되지 않습니다.
확대 제어 값
배양육 확대에서, 유량계는 공급 속도 제어, 퍼퓨전 균형 및 수확 타이밍을 지원하여 더 긴 실행 동안 품질 설계를 돕습니다. 이는 흐름, 샘플링 및 공급 속도를 제어 한계 내에 유지함으로써 품질 설계를 지원합니다.
간단히 말해, 유량 측정은 용기 상태와 프로세스 작업 사이에 위치합니다. 이는 바이오리액터가 수행하는 작업을 온라인 분석 및 제어의 다음 단계와 연결합니다.
배양육 생물공정과의 호환성
배양육 확대에서, 매체, 퍼퓨전 및 수확 스트림 전반에 걸친 정확한 유량 측정은 더 긴 실행을 안정적으로 유지하는 데 도움이 됩니다. 이는 여러 스트림이 단일 시점이 아닌 시간에 걸쳐 정렬되어야 할 때 특히 유용합니다.
흐름 분할은 하나의 스트림이 여러 분석기에 동시에 공급되도록 하여, 용기 조건을 제어 스택에 직접 연결합니다.[7]
8. 근적외선 분광법
유량계가 움직임을 보여주는 곳에서, NIR은 액상 조성.
NIR 분광법은 수동 샘플링 없이 실시간으로 배양액 조성을 측정합니다.
매개변수 범위
NIR은 배양액에서 오버톤, 결합 밴드 및 산란을 읽습니다 [8]. 농도를 직접 측정하지 않습니다. 대신, 참조 데이터에 대해 훈련된 다변량 보정 모델에서 농도를 추론합니다. 실제로, 이는 하나의 NIR 스트림이 생체량, 기질 및 대사산물을 동시에 추적할 수 있음을 의미합니다 [8][9][10].
장거리 실행에 있어 큰 장점은 모델의 수명입니다. 한 경우에는, 보정 모델이 보정 후 274일 동안 정확성을 유지했습니다 [9]. 이는 빈번한 모델 재구성이 부담이 될 수 있는 확장된 스케일업 캠페인에서 중요합니다.
인라인 또는 자동화된 데이터 가용성
NIR은 멸균 가능한 광섬유 침지 프로브를 사용하여 현장에서 배치할 수 있으며, 유리 용기 벽이나 유동 루프를 통해 외부에서 배치할 수 있습니다 [8][10]. 현장 프로브는 가장 직접적인 실시간 판독을 제공하지만, 현장 멸균 (SIP). 을 견뎌야 합니다. 외부 설정은 유지보수가 더 간단하지만, 벽 근처의 액체가 대량 배양액을 반영하지 않을 경우 판독이 왜곡될 수 있습니다 [8].
광섬유 프로브의 경우, 신호 획득을 첫 번째 및 두 번째 오버톤 영역에 집중하는 것이 가장 좋습니다. 광섬유 케이블은 결합 영역에서 2,100 nm 이상에서 노이즈를 추가할 수 있습니다 [8].
확대 제어 값
용기 부피가 증가함에 따라, NIR은 프로세스 궤적을 지속적으로 보여주어 자동 제어 및 프로세스 최적화를 지원합니다 [8] [9]. 그렇긴 하지만, 프로브의 위치는 중요합니다. 큰 용기에서는 혼합 기울기와 원심력이 프로브가 벽에 너무 가까이 위치하면 생체량 판독값을 왜곡할 수 있습니다. 바이오리액터 크기가 커짐에 따라, 프로브 위치는 샘플링 이론(TOS)에 따라 확인해야 합니다 [8].
이로 인해 NIR은 프로세스 제어와 분자 특이적 분광학 간의 유용한 연결 고리가 됩니다.
배양육 생물공정과의 호환성
NIR은 배양육 생산에 사용되는 포유류 세포 배양과 잘 맞습니다. 영양소 섭취와 부산물 축적을 동시에 추적할 수 있습니다. 글루타민은 주요 기질이며, 암모니아는 일반적인 억제 부산물이므로 둘 다 실시간으로 추적하는 것이 유용합니다 [2][10].
배양육 규모 확장을 위해 중요한 밀도 범위를 포함하는 1–60 g/L의 생체량 추적이 입증되었습니다 [8], .
NIR은 또한 배기가스 분석 및 라만 분광법과 잘 어울립니다. 배기가스 데이터는 대사 상태를 구성하는 데 도움이 되며, 라만은 더 높은 화학적 특이성을 추가합니다. 라만 분광법은 화학적 세부 사항의 다음 층을 다룹니다.
9. 라만 분광법
NIR이 광범위한 공정 움직임을 보여주는 반면, 라만은 더 세밀한 화학적 세부 사항을 제공합니다.
매개변수 범위
라만은 NIR보다 더 나은 화학적 특이성을 제공하며, 글루코스, 글루타민, 젖산, 암모니아, 글루탐산, 총 세포 밀도 및 생존 세포 밀도를 단일 인라인 판독에서 추적할 수 있습니다 [2]. 또한 당화 및 타이틀과 같은 공정 품질 속성을 모니터링할 수 있습니다 [11].
일반적인 검출 한계는 글루코스와 젖산의 경우 0.20–0.46 g/L입니다 [11] . 복잡한 매체에서는 형광이 방해가 될 수 있습니다. 이는 특히 특수한 기초 매체 제형을 사용할 때 관련이 있습니다. 이러한 경우, 시간 게이트 라만은 매체로 인한 형광 간섭을 줄이는 데 도움이 됩니다 [11].
인라인 또는 자동화된 데이터 가용성
라만은 현장에서 직접 생물 반응기 매질에 배치된 침지 프로브를 통해 사용됩니다. 그런 다음 스펙트럼 출력은 PLS 모델을 사용하여 분석물 농도와 연결됩니다 [2].
스케일업 제어 값
스케일업 중 라만의 주요 강점 중 하나는 모델 전이. 입니다. 더블린 대학교 의 연구원들은 3 L 생물 반응기에서 PLS 모델을 구축한 후 15 L 파일럿 규모 생물 반응기로 전이하여 포도당, 글루타민, 젖산, 암모니아, 글루탐산 및 총 세포 밀도의 실시간 모니터링을 수행했습니다 [2]. 일곱 개의 분석물 모델 중 여섯 개가 전이되었으며, VCD는 스케일 간 전이 가능성이 변동을 보였습니다 [2] .
이는 실제로 중요합니다.벤치탑 규모에서 모델을 구축한 후, 파일럿 규모에서 이를 확인하고 생물반응기 배양을 위한 세포주 확장을 진행한 후 제어 전략에 적용할 수 있습니다. 전이가 유지되면, 라만은 포도당 고갈이나 젖산 및 암모니아 축적이 배치 성능을 저하시킬 때 조기 경고를 제공합니다. 이러한 이유로 영양소 제어에 잘 맞습니다. 생체량 및 현탁 상태 모니터링은 두 번째 레이어로 추가될 수 있습니다.
배양육 생물공정과의 호환성
라만은 기질 고갈과 부산물 축적 , 을 모두 추적하여 대사 스트레스를 조기에 감지하는 데 도움을 줍니다 [11] [2]. 이 프로파일은 배양육 세포 배양에 잘 맞으며, 여기서 공급 상태와 폐기물 축적은 세포 행동을 빠르게 변화시킬 수 있습니다.문화를 더 잘 이해하려면 Raman을 광학 밀도 및 탁도 프로브 .
와 함께 사용하세요.10. 광학 밀도 및 탁도 프로브
Raman이 화학 조성을 제공한 후, OD와 탁도는 모니터링 스택에 생체량 뷰를 추가합니다.
매개변수 범위
두 프로브 유형 모두 세포 현탁액에서 빛이 어떻게 작용하는지를 측정합니다. OD 프로브는 빛의 감쇠를 추적합니다 - 쉽게 말해, 얼마나 많은 빛이 배양액을 통과하는지를 측정하고, 이를 오프라인 분광광도법과 일치하는 신호로 변환합니다. 탁도 프로브는 설정된 각도에서 산란된 빛을 측정하여 부유 입자 부하와 배지의 투명도를 추적하는 데 도움을 줍니다.[12]
이들은 모두 광학적 대리 측정이므로, 신호에는 빛에 영향을 미치는 모든 것: 생존 세포, 죽은 세포, 미세 운반체 및 잔해가 포함됩니다.[13] 이는 생물량 추세를 따르고, 성장률의 변화를 감지하고, 집합의 시작을 알리고, 오염 사건을 포착하는 데 유용합니다. 또한 총 세포 수에서 생존 가능성을 분리해야 할 때는 덜 유용하다는 것을 의미합니다. 생존 가능성이 중요하다면, 이를 용량 프로브나 오프라인 검사와 함께 사용하십시오.
| 측면 | OD 프로브 | 탁도 프로브 |
|---|---|---|
| 주요 신호 | 광 감쇠/흡광도 스타일 프록시 | 부유 입자로 인한 광 산란 |
| 최적 사용 | 성장 추세 추적 및 생체량 모니터링 | 투명도 및 입자 부하 모니터링 |
| 주요 제한 사항 | 해석이 배양 조건에 따라 다름 | 기포, 잔해 및 집합체에 의해 영향받음 |
인라인 또는 자동화된 데이터 가용성
이 프로브는 바이오리액터 제어 시스템에 아날로그(4–20 mA) 또는 Modbus나 Profibus와 같은 디지털 프로토콜을 통해 직접 연결되며, 데이터는 몇 초에서 몇 분마다 도착합니다.[12] 그 라이브 스트림은 SCADA 시스템이나 제조 실행 플랫폼에 들어갈 수 있어, 운영자가 수동 샘플을 기다리는 대신 성장 편차에 대한 알람을 설정할 수 있습니다.
사람들이 예상하는 것보다 더 중요하게 여기는 실용적인 장점도 있습니다: 자동 로그는 수동 전사 없이 벤치, 파일럿 및 생산 규모 전반에 걸쳐 성장 곡선을 비교하는 것을 훨씬 쉽게 만듭니다. 스케일업 데이터 세트를 구축할 때, 이는 시간을 절약하고 불필요한 처리 오류를 줄여줍니다.[12]
스케일업 제어 값
대규모에서 바이오매스는 단순히 관찰하는 것이 아닙니다. 이는 실시간 제어 변수로 변합니다.
현재 성장 단계에 따라 포도당, 아미노산 또는 성장 인자의 공급 속도를 실시간으로 조정할 수 있습니다. OD 또는 탁도가 설정된 임계값에 도달하면 수확 타이밍, 배지 교환 또는 분화 전환도 트리거될 수 있습니다. [12]
프로세스가 표류하기 시작할 때 신호가 보여주는 것도 마찬가지로 유용합니다. 접종 밀도와 배지가 벤치 조건과 일치하더라도 파일럿 규모에서 OD가 예상보다 천천히 상승하면, 그 차이는 혼합 한계, 영양소 구배 또는 산소 전달 제약을 나타낼 수 있습니다. 이러한 문제는 작은 문제가 아니며, 주기적인 샘플링만으로는 발견하는 데 훨씬 더 오랜 시간이 걸리는 경우가 많습니다.[12] 이러한 초기 경고 역할은 이러한 프로브가 스케일업 스택에 남아 있는 큰 이유 중 하나입니다.
배양육 생물공정과의 호환성
배양육의 경우, OD 및 탁도 프로브는 현탁 및 마이크로캐리어 기반 배양과 잘 맞지만, 각 프로세스 설정에 대해 신중한 보정이 필요합니다. 마이크로캐리어 시스템에서는 신호가 세포와 캐리어 모두를 반영하므로, 보정 곡선은 마이크로캐리어 부하와 광학적 특성을 고려해야 합니다.[12] 설치 위치도 중요합니다. 센서는 잘 혼합된 구역에 설치하고, 버블이 신호에 잡음을 추가할 수 있는 임펠러와 스파저에서 멀리 떨어져 있어야 합니다.[12]
화학적으로 정의된 무혈청 배지는 더 깨끗한 신호 배경을 제공하여 도움이 되는 경우가 많습니다. 그럼에도 불구하고, 일부 보충제, 색상 지시제 또는 성장 인자는 여전히 기준선을 이동시킬 수 있으므로, 각 세포주와 배지 조합에 대해 오프라인 세포 수 또는 DNA 함량에 대한 보정이 필요합니다. [12] 이러한 프로세스 형식에 대한 프로브를 소싱하는 팀에게는
생존율 및 살아있는 세포 추적을 위해, 다음 단계는 전기 용량입니다.
11.정전 용량 및 유전체 분광 탐침
OD와 탁도가 총 생체량을 알려준다면, , 정전 용량은 그 생체량 중 얼마나 많은 부분이 아직 살아있는지를 알려줍니다.
매개변수 범위
정전 용량 탐침은 교류 전기장에서 어떻게 완전한 막이 분극화되는지를 측정하여 생존 가능한 세포를 감지합니다. 완전한 세포막을 가진 세포는 전하를 저장하고 매질의 유전율을 증가시킵니다. 죽거나 손상된 세포는 그렇게 할 수 없으므로 신호에 기여하지 않습니다. 실제로 출력은 생존 세포 부피 (VCV) 또는 생존 세포 밀도 (VCD)의 직접적이고 실시간적인 판독값을 제공합니다.. 이 때문에 정전 용량은 광학적 방법을 대체하는 대신 함께 사용됩니다.
약 0.1–20 MHz의 다중 주파수 스캐닝은 매질 전도도의 변화와 세포 신호를 분리하는 데 도움이 됩니다. 그것은 농축된 영양소 볼루스 급여 중이나 pH 조정 후에 중요합니다. 이때 배양액의 화학 성분이 빠르게 변할 수 있습니다. 동일한 스캔은 Cole-Cole 매개변수, 를 생성할 수 있으며, 이는 분화 중 세포 크기와 막 상태에 대한 추가 세부 정보를 제공할 수 있습니다.
인라인 또는 자동화된 데이터 가용성
정전 용량 프로브는 생물 반응기 제어 시스템에 직접 연결되어 연속 신호를 제공합니다. 이는 미리 설정된 시간표가 아닌 배양의 실제 성장 단계에 기반한 자동 급여 제어에 적합하게 만듭니다.
이들은 또한 지연기, 지수기, 정지기 사이의 전환을 감지하는 데 유용합니다. 분화 전환이나 수확 시점을 정확히 맞추려면 그 타이밍이 중요합니다.
스케일업 제어 가치
파일럿 또는 생산 규모, 에서 오프라인 생존율 샘플링은 느리고 그림에 공백을 남깁니다. 정전 용량은 이러한 공백을 메워줍니다.
이것은 특히 관류에 유용합니다. 관류 캠페인은 오랜 기간 동안 진행되며, 포트를 열 때마다 수동 샘플이 오염 위험을 증가시킵니다. 지속적으로 작동하는 용량 프로브는 실시간으로 생체량을 보여주면서 반복적인 노출을 제거합니다.
한 가지 주의할 점: 장기간 실행 시, 생물막 형성이 문제가 될 수 있습니다. 단백질과 세포 잔해가 전극 표면에 쌓여 신호 드리프트를 유발할 수 있습니다. 일회용 용량 센서, 는 이제 바이오리액터 백에 사전 통합되어 판매되며, 배치 간의 세척 및 멸균 단계를 제거하고 오염 관련 드리프트를 줄이는 데 도움을 줍니다.
배양육 생물공정과의 호환성
용량은 산란광이 아닌 생존 가능한 막을 읽기 때문에 일반적으로 광학적 방법보다 미세담체 배양을 더 잘 처리합니다.그럼에도 불구하고, 높은 마이크로캐리어 농도에서는 캐리어가 전기장에 물리적으로 간섭할 수 있습니다. 따라서 마이크로캐리어 유형과 적재에 맞춘 보정이 여전히 필요합니다.
집합체와 스페로이드의 경우, 유전 분광법은 광학 탐침보다 총 생존 부피를 더 직접적으로 읽어줍니다.
새로운 세포주를 도입할 때 - 예를 들어, 소 또는 돼지 근육세포 - 일반적인 관행은 먼저 세포가 없는 배지에서 탐침을 기준으로 설정하는 것입니다. 이유는 간단합니다: 배양육 배지의 이온 강도가 시작 유전 신호를 상당히 변화시킬 수 있기 때문입니다. 또한 초기 용량 데이터와 포도당 및 젖산. 과 같은 오프라인 대사 판독값을 비교하는 데 도움이 됩니다. 이 교차 검증은 팀이 자동 제어에 사용하기 전에 VCV 신호가 실제 성장 단계를 추적하는지 여부를 보여줍니다.
그 생존 가능성 신호는 또한 바이오매스 성장이 대사에서도 나타나는지를 보여주는 오프가스 분석과 잘 어울립니다.
12. 오프가스 및 온라인 대사체 분석기
바이오매스와 생존 가능성 이후, 오프가스 및 대사체 분석기는 더 직접적인 정보를 제공합니다: 배양이 여전히 그 성장을 지원하고 있는지, 아니면 시작부터 벗어나고 있는지? 이 도구들을 함께 사용하면 호흡, 영양소 소모 및 폐기물 축적이 실시간으로 어떻게 변화하는지를 보여줍니다.
매개변수 범위
오프가스 분석기는 배기 스트림에서 이산화탄소 발생률 (CER) 및 산소 흡수율 (OUR)을 측정하며, 대부분 질량 분석법을 사용합니다 [14]. 온라인 대사체 분석기는 포도당과 글루타민과 같은 주요 영양소와 젖산, 암모니아, 글루탐산과 같은 폐기물 종을 추적합니다.실제로, 포도당, 글루타민, 젖산 및 암모니아는 공급 상태와 폐기물 축적의 주요 실시간 지표입니다.
이러한 측정값은 온도, pH 및 용존 산소와 같은 제어 계층에 있을 때 훨씬 더 유용해집니다. 배출 가스 데이터는 호흡 수요를 보여줍니다. 온라인 대사체 데이터는 영양소와 폐기물 균형이 여전히 범위 내에 있는지를 보여줍니다.
인라인 또는 자동화된 데이터 가용성
현대의 효소 프로브는 이제 연속적인 인라인 대사체 추적을 지원합니다 [6] . 배출 가스 모니터링은 배기 스트림을 샘플링하기 때문에 설계상 연속적이며, 이는 실시간 호흡 데이터의 실용적인 소스가 됩니다 [14].
규모 확장 제어 가치
실시간 가스 및 대사체 데이터는 배양 수요 변화에 따라 공기 흐름, 교반 및 공급 속도의 폐쇄 루프 제어를 지원할 수 있습니다 [6]. 이는 규모에서 중요합니다.포도당의 감소, 젖산의 증가 또는 호흡 활동의 변화는 빠르게 발생할 수 있으며, 이러한 신호는 운영자가 프로세스가 목표에서 너무 멀리 벗어나기 전에 대응할 기회를 제공합니다.
"처리 오류는 발생 즉시 감지되어, 치명적인 상황으로 발전하기 전에 완화될 수 있습니다." - Christopher Kistler, Fellow Scientist, Catalent Biologics [6]
모델 기반 소프트 센서는 직접 측정이 어려운 경우, 고정층 생물 반응기에서의 생체량을 추정할 수도 있습니다 [6].
배양육 생물공정과의 호환성
배양육 생산에서 부착 세포 배양의 경우, 고정층 생물 반응기는 퍼퓨전 동안 안정적인 영양 환경을 유지하는 것이 목표일 때 인라인 포도당 및 젖산 모니터링으로부터 이점을 얻을 수 있습니다 [6]. 센서 선택은 일회용 시스템 대 재사용 시스템을 평가할 때도 중요합니다. 팀은 감마선 조사나 X선 멸균을 포함한 멸균 후에도 센서가 정확성을 유지하는지 확인해야 합니다 [6].
백 통합 센서는 처리 단계를 줄이고 무균성을 보호하는 데 도움을 줍니다. 오프가스 및 대사 신호와 함께 사용하면 용기의 상태를 단순히 관찰하는 것이 아니라 조치를 취할 수 있는 것으로 변환합니다.
전체 모니터링 스택에서 도구가 함께 작동하는 방식
단일 센서로는 바이오리액터 내부에서 일어나는 모든 것을 알 수 없습니다. 온도, pH, 용존 산소, 압력 및 흐름은 공정 제어의 중추이지만 전체 그림의 일부만 보여줍니다. 이들은 공정을 안정적으로 유지하는 데 도움을 줍니다. 그러나 이들만으로는 생물학의 전체 상태나 중요한 품질 속성을 설명하지 못합니다.
스택은 각 레이어가 다른 레이어가 남긴 공백을 채우기 때문에 작동합니다.규모가 커지면 그 점을 무시하기 어려워집니다: 이러한 도구들은 독립형 장치로서 최적의 성능을 발휘하지 않습니다. 시스템으로 작동합니다.
스택을 구성하는 유용한 방법은 네 가지 층으로 나누는 것입니다. 핵심 인라인 제어 센서는 온도, pH, 용존 산소, 압력 및 흐름을 다룹니다. 이는 프로세스를 안정적으로 유지하는 데 필요한 기본 환경 정보를 제공합니다. 광학 및 분광학 도구, 라만 및 근적외선 분광법을 포함하여, 영양소 및 대사 산물에 대한 실시간 분자 지문을 추가합니다. 생체량 및 대사 산물 모니터링은 유효 세포 밀도 및 대사 산물 경향을 추적하기 위해 용량 프로브, 배출 가스 분석기 및 소프트 센서를 도입합니다. 마지막 층은 소프트웨어 통합: SCADA 시스템, 디지털 트윈 및 AI/ML 모델이 신호를 하나의 제어 프레임워크로 통합합니다.
이것은 신호가 규모 기반의 구배를 반영하는 제어 모델을 통해 해석될 때 가장 중요합니다. 생산용 바이오리액터에서는 혼합이 느리고 용기 전체에 걸쳐 구배가 형성됩니다. 단일 지점 센서는 이러한 지역적 차이를 놓칠 수 있습니다. 이때 디지털 트윈과 CFD가 유용해집니다. 이들은 공간적 변화를 예측하고 엔지니어링 실행이 시작되기 전에 제어 논리를 강화하는 데 도움을 줍니다.
따라서 도구 선택은 단순히 센서를 하나씩 선택하는 것이 아닙니다. 이는 규모, 혼합 행동 및 프로세스가 숨기고 있을 가능성이 있는 것과 관련된 시스템 설계 결정입니다.
적절한 모니터링 믹스를 선택하기 위한 비교표
센서 선택은 제어 결정 으로, 장비 비용 예측에 영향을 미칩니다. 최적의 믹스는 이러한 센서가 닫힌 루프 제어, 프로세스 통찰력 또는 둘 다를 가능하게 하는 결정에 따라 달라집니다.
첫 번째 표는 제어 백본을 다룹니다. 두 번째는 프로세스 통찰력을 추가하는 도구를 살펴봅니다.
클래식 센서: 제어 백본
이 센서들은 지속적으로 작동하며 폐쇄 루프 제어에 직접 입력됩니다. 용존 CO2는 대규모에서 가스 스트리핑이 어려워짐에 따라 더 중요한 신호가 됩니다.
| 센서 | 측정된 매개변수 | 응답 시간 | 확대 역할 |
|---|---|---|---|
| 온도 | 배지 온도 | 빠름 | 안정적인 배양 조건 유지 |
| pH | 산도/알칼리도 | 빠름 | 염기 첨가 및 젖산 축적으로 인한 구배 관리 |
| 용존 산소 (DO) | 산소 장력 | 빠름 | 산소 전달 및 흡수 균형; 구배 관리 |
| 용존 CO2 | CO2 분압 | 보통 | 스트리핑 효율 모니터링; 대량일수록 우선순위 증가 |
| 압력 | 용기 압력 | 빠름 | 안전 관리 및 가스 용해도 제어 |
| 폼/레벨 | 액체 높이 및 폼 축적 | 빠름 | 배기 필터 오염 방지 및 무균 상태 유지 |
| 유량계 | 가스/액체 공급 속도 | 빠름 | 정확한 영양소 투여 및 공급 제어 |
이 신호들은 용기를 안정적으로 유지합니다.다음 레이어는 세포가 무엇을 하고 있는지에 대해 더 많은 정보를 제공합니다.
고급 PAT 도구: 프로세스 이해
이 도구들은 고전적인 레이어 위에 위치하며 이를 확장합니다. 라만 및 NIR은 화학계량학 모델이 자리 잡은 후에야 유용해집니다. 이것이 주요 절충점입니다: 보정 노력 대 고전적인 센서가 제공할 수 없는 실시간 대사체 가시성.
| 도구 | 측정 가능한 변수 | 보정 부담 | 통합 모드 | 최적의 형식 (배양육) |
|---|---|---|---|---|
| NIR 분광법 | 영양소, 대사물질, 수분 | 높음 (복잡한 화학계량 모델) | 인라인 창/흐름 통과 | 대규모 교반 탱크; 고밀도 공급 배치 |
| 라만 분광법 | 포도당, 젖산, 글루타민, 암모니아, 글루탐산, TCD, VCD [2] | 높음 (PLS 회귀; 참조 데이터 필요) [2] | 인라인 침지 프로브 [2] | 교반 탱크; 퍼퓨전; 파일럿 및 생산 규모 |
| 광학 밀도 | 총 세포 밀도 (TCD), 탁도 | 낮음 (단순 선형 상관관계) | 인라인 | 시드 트레인 및 생체량 확장 |
| 정전용량 | 생존 세포 밀도 (VCD), 세포 부피 | 중간 (세포 특이적 상관관계) | 인라인 | 교반 탱크; 마이크로캐리어 기반 시스템 |
| 자동화 대사체 분석기 | 특정 대사체, 아미노산 | 낮음 (표준 화학 보정) | 라인에서 (자동 샘플링/여과) | 공정 개발; 대규모 교반 탱크 검증 |
일회용 바이오리액터는 포트가 제한되어 있어 프로브 수가 제한됨 [6]. 실제로, 이는 모든 것을 측정할 수 없다는 것을 의미합니다. 실제 규모에서 제어 및 프로세스 이해를 위해 가장 중요한 신호에 우선순위를 두어야 합니다.
이러한 절충은 바로 이어지는 바이오리액터 선택의 결정으로 이어집니다.
바이오리액터 선택에 맞춘 모니터링 도구
모니터링 스택을 중심으로 바이오리액터를 선택하고, 그 반대가 되어서는 안 됩니다. 장비 선택과 모니터링 설계는 함께 이루어져야 합니다. 이는 용기 형식, 포트 수, 소프트웨어 통합이 동일한 결정의 일부라는 것을 의미합니다.
CQA와 CPP로 시작하십시오. 그런 다음 이러한 목표가 요구하는 센서와 용기 기능을 매핑하십시오. 물리적으로나 제어 계층을 통해 프로세스에 필요한 신호를 지원할 수 있는 용기를 선택하십시오 - 온도, pH, DO, 배출가스, 생존율 등이 포함됩니다. 이 목록이 설정되면, 바이오리액터 선택은 추측이 아닌 호환성 확인으로 전환됩니다.
여기서 가장 큰 하드웨어 결정은 일회용 시스템 대 스테인리스 스틸. 입니다. 일회용 시스템은 프로브 수를 제한하고 조립 시 보정이 고정되므로 각 포트는 그 자리를 정당화해야 합니다. 스테인리스 스틸은 프로브를 위한 공간을 더 많이 제공하고 센서 교체를 쉽게 하지만, SIP/CIP 검증도 필요하게 됩니다. 포트 수 다음으로는 배기 처리 문제가 다음 제약 조건이 되며, 작업 부피가 증가함에 따라 가스 제거가 더 어려워집니다.
2,000 L 이상의 부피에서는 바이오리액터가 배기 가스 모니터링을 지원할 수 있는지 확인하십시오 [15]. 퍼퓨전에서, 제어 시스템이 공급 및 수확 제어를 위한 바이오커패시턴스 데이터를 수집할 수 있는지 확인하십시오 [1]. 더 큰 용기에서는 배기 처리 및 분석 제공이 처음부터 설계되어야 합니다.
마지막 확인 사항은 제어 시스템 호환성입니다.센서를 플랫폼이 읽거나, 추세를 파악하거나, 조치를 취할 수 없다면 센서는 쓸모가 없습니다. 약한 소프트웨어 통합은 센서 자체가 목적에 맞더라도 전체 모니터링 스택을 차단할 수 있습니다 [1].
선박 형식과 센서 호환성을 함께 검토하면 조달이 더 간단해집니다.
결론
모니터링이 생물학, 제어 전략 및 바이오리액터 형식에 맞을 때 규모 확장이 가능합니다. 더 큰 볼륨에서는 일반적으로 배양 환경의 엄격한 제어를 실시간으로 세포의 활동을 추적할 수 있는 프로세스 분석과 결합하는 것을 의미합니다.
가장 강력한 모니터링 스택은 유효 세포 밀도를 위한 정전용량과 대사체 추적을 위한 라만 또는 NIR, 환경 제어를 위한 인라인 pH 및 용존 산소 센서를 결합하는 경향이 있습니다. 이러한 도구는 시스템이 프로세스가 드리프트하기 시작할 때 대응할 수 있도록 SCADA 또는 MES 에 연결될 때 더욱 중요합니다. 상업 규모에서는 통합된 PAT 설정이 편차율을 2% 미만으로 줄이고 보다 전통적인 캠페인과 비교하여 배치 출시 시간을 최대 30% 단축하는 것으로 나타났습니다 .
그 스택은 더 큰 용기로 이동하기 전에 입증되어야 합니다. 파일럿 규모에서 검증하고, 그곳에서 모델을 구축하며, 프로세스 관련 조건에서 이미 작동한 제어 설정만을 앞으로 가져가십시오.실제로, 이는 센서 선택과 소프트웨어 호환성을 조기에 해결하여 모니터링 설정이 프로세스와 함께 이동할 수 있도록 하고, 나중에 규모 확장을 지연시키지 않도록 하는 것을 의미합니다.
동일한 사고방식이 조달에도 적용됩니다.
자주 묻는 질문
규모 확장 시 언제 PAT를 추가해야 하나요?
프로세스 매개변수가 배양 안정성과 제품 품질에 직접적인 영향을 미치기 시작할 때 규모 확장 중에 PAT를 추가하십시오.
프로세스를 일관되게 유지하고 규제 준수를 지원하기 위해 세포 밀도, 대사물질, 및 환경 조건 , 을 포함한 주요 매개변수를 지속적으로 추적하십시오.
라만, NIR 및 정전용량 중에서 어떻게 선택하나요?
규모 확장 중에 모니터링해야 하는 것에 따라 다릅니다.
- 라만은 상세한 분자 데이터를 필요로 하고 여러 분석 물질을 실시간으로 추적하고자 할 때 가장 좋습니다.
- NIR은 광범위한 온라인 모니터링에 적합하지만, 세포 배양에서는 검증이 덜 되었으며 더 많은 보정 작업이 필요할 수 있습니다.
- 정전용량은 생존 세포 농도의 간단하고 내구성 있는 온라인 모니터링에 가장 적합하지만, 세포 사멸 단계에서는 정확도가 떨어질 수 있습니다.
왜 프로브가 대규모에서 실패할 수 있습니까?
프로브는 더 높은 교반, 더 많은 진동, 일반적인 마모로 인해 더 많은 기계적 스트레스를 받기 때문에 대규모에서 실패할 수 있습니다. 그 시점에서, 그러한 조건에 맞지 않게 설계된 센서는 손상될 수 있습니다.
