EXNER EXcell 231在线近红外吸收传感器---通过持续监测细胞密度实现最佳生产结果

细胞培养和微生物在现代制药和生物技术的开发过程中发挥着至关重要的作用。由于它们对外部影响非常敏感，因此在繁殖过程中必须精确管理和监测工艺条件。这包括温度、pH 值或溶解氧等。细胞密度是最重要的过程特征之一，可以根据培养基的光学密度来确定。

当复杂的活性成分无法通过化学合成用于制药生产时，就会使用生物技术工艺。在这里，例如通过使用转基因生物来生产单克隆抗体或其他重组蛋白。根据后续用途以及所需的翻译后修饰或蛋白质折叠等因素，可以使用细菌、酵母或哺乳动物细胞等。活性成分的复杂性通常与过程的复杂性和脆弱性直接相关。即使是微小的变化也可能对获得的物质的性质和有效性产生重大影响。因此，生物制药工艺属于活性成分生产中具有挑战性的工艺之一。

当我们考虑所有必要的生产步骤时，上游工艺尤其具有特殊的重要性。在这里，细胞的培养及其随后的繁殖是通过批量、补料分批或灌注工艺等方式在生物反应器中完成的。为了生产出尽可能多的所需物质并达到适当的质量，生物反应器中的条件必须进行最佳调整。这里最重要的参数包括温度、pH 值、搅拌速率以及培养基浓度和溶解氧等。

基于光学密度测定细胞生长

光学密度可以通过吸收测量等方式来确定，它是细胞培养成功繁殖的指标。在这里，将一束光引入培养基中，并通过检测器来确定光的损失。这里发射光的减少与实际细胞密度直接相关。由于目标蛋白的体积通常由细胞数量决定，因此它是最重要的过程特征之一。它用于确定进料的时间、改变碳源、诱导或收获的时间。还可以通过光学密度计算稀释率。

为了实现对大多数细胞来说最佳的吸收并排除颜色影响，通常使用近红外（NIR）波长的传感器来测定细胞密度。在这里，所有散射或吸收光的颗粒都会被检测到。除了活细胞外，还包括死细胞和细胞碎片。然而，上述类型的传感器已被证明在生长阶段特别有效，能够提供可靠的值，因为它可以快速且容易地实现在线测量。早期检测可能导致细胞生长减少的过程变化也是光学密度测量的另一个优势。

在实验室和后续生产过程中持续监测细胞密度

然而，为了能够从光学密度测量的优势中受益，在开发过程中必须已经建立与其他测量值（如细胞总数和细胞干重）的相关性。介电光谱法是另一个例子。通过这种方法，可以确定介电常数，也称为介电电导率或介电函数。由于活细胞具有储存电荷的能力，介电常数的变化可以推断出有缺陷或死亡的细胞。因此，与光学密度测量相比，介电光谱法提供了关于活细胞数量的信息。

在许多开发实验室中，以及在一定程度上在下游生产过程中，光学密度通常只是“离线"测定，以便得出关于过程进展或细胞生长的结论。这意味着员工必须在规定的时间手动取样以进行分析。在这些时间间隔之间，或者如果没有员工在场（例如夜间），由于没有进行过程监测，可能会丢失有价值的数据。此外，由于从过程中取出并在生物反应器外进行分析，也无法排除样本可能受到污染的可能性。

对所有关键和质量相关参数的持续且不间断的监测和控制是生物过程开发的关键要素。只有通过正确调整这些参数，才能创造出细胞能够最佳生长的环境。为了提高产品质量和过程性能，越来越多地使用允许持续原位监测和记录所有必要数据的传感器和测量仪器，这些仪器也可以用于后续生产过程。因此，可重复性显著提高，过程产量也有所增加。如果使用相同的传感器和测量仪器，那么在实验室中使用的测量技术与安装在过程中的测量技术之间繁琐的相关性就可以避免。

用于测定细胞密度的测量探头的要求

由于生物制药工艺是非常具有挑战性的工艺，对外部影响非常敏感，因此组件（例如生物反应器、搅拌器和测量探头）的高质量至关重要。除了所选材料（通常是不锈钢）之外，相关表面（在不锈钢的情况下，其粗糙度深度非常低，并且通常经过电抛光）也是关键因素。

通过尽可能无间隙的设计来有效防止培养基受到污染，从而减少死空间。所有由设计所需的凹陷和倒角，特别是那些与培养基接触的区域，也应易于清洁。如今，用于测量的仪器通常是 CIP/SIP 兼容的，并且可以进行高压灭菌。

通过持续检测和记录吸收值，测量探头提供了最新的细胞生长监测。也不需要进行样本制备，例如稀释样本。因此可以避免数据提供过程中的错误。在过程中，测量探头不需要重新校准，并且提供无漂移的信号。收集的数据易于解释，因此不需要任何特殊处理。然而，无法建立与通过传统方法（如细胞干重或细胞计数）收集的测量值的相关性。由于上述设计，探头可以轻松地与生物反应器一起安装和验证。