在线分析传感器让中试工厂团队能够持续了解培养条件和生物量的发展情况。 溶解氧、pH、温度、泡沫和尾气传感器测量影响细胞代谢的环境，而浊度测量则提供悬浮细胞浓度和生物量积累的实时替代指标。这些信号会传输至控制系统，使操作人员能够在发酵过程中调整搅拌、通气、温度、酸或碱的添加量以及消泡操作，而不必等待实验室检测结果。
在线传感器将发酵从定期取样的过程转变为持续观测和控制的系统。环境传感器有助于将条件维持在所需的操作范围内，而浊度和互补分析方法则揭示培养物的生长情况及其对营养物的利用方式。
传感器如何监测培养环境
溶解氧显示是否满足好氧需求
溶解氧（DO）传感器测量发酵培养基中的氧浓度。由于氧是好氧代谢中的反应物，DO 信号下降可能表明细胞耗氧速率超过了氧向培养液中的传递速率。
中试工厂利用 DO 测量值构建控制回路，以调节搅拌速度、气体流量或通气条件。其目标是维持适合微生物和工艺的氧环境，而不是让氧限制在未被察觉的情况下形成。
DO 测量可以使用极谱电极传感器或可灭菌的光学传感器完成。所选技术必须与灭菌方式、工艺条件、校准要求和控制系统相兼容。
pH 传感器跟踪关键化学条件
玻璃 pH 电极测量内部溶液与银/氯化银参比电极之间的电压差。所得信号会转换为 pH 值，用于显示、记录和自动控制。
pH 会影响生物活性、营养物可利用性、酶的性能和产物形成。因此，中试工厂利用 pH 信号控制酸或碱的添加，使培养物保持在规定的操作范围内。
温度传感器支持稳定的反应条件
热电偶和热敏电阻持续监测培养温度。温度变化可能改变生长速率、代谢活性、耗氧量和产物形成。
温度信号通常连接至控制回路，以调节冷却液流量或加热。这样可以维持稳定的热环境，同时应对培养物代谢和搅拌产生的热量。
泡沫传感器保护运行和产品质量
泡沫检测可以通过基于电容或电导的传感器实现。当泡沫达到检测点时，控制系统可以启动化学消泡剂添加或机械泡沫控制装置。
泡沫是一项运行风险，因为它可能污染过滤器、阻塞气体处理系统、导致液体夹带并破坏无菌操作。泡沫测量可以补充核心的 pH、DO 和温度信号。
尾气分析揭示代谢活性
尾气分析仪测量离开生物反应器的气体，尤其是氧气和二氧化碳。氧气分析可以使用顺磁式传感器，而二氧化碳则可以使用红外分析仪进行测量。
这些测量结果提供有关耗氧量和二氧化碳释放量的信息。结合 DO 和运行数据，尾气趋势有助于中试工厂团队解读代谢变化，并评估培养物对所供气体的利用效率。
如何监测生物量积累
浊度提供连续的生物量替代指标
浊度仪测量培养物中悬浮颗粒引起的光散射。在相对澄清且特性明确的反应混合物中，浊度信号可以与细胞浓度相关，因此能够实际反映生物量积累情况。
随着细胞繁殖，培养液通常会散射更多光线，测得的浊度也会升高。这使操作人员能够持续观察生长情况，而无需反复取样进行实验室测量。
校准将浊度转换为有用的生物量信息
浊度是一种间接测量，并非通用的生物量测量方法。浊度与生物量之间的关系取决于细胞形态、颗粒大小、浓度范围、培养液组成以及仪器的光程等因素。
因此，中试工厂应在工艺开发期间，将浊度读数与独立的生物量测定方法进行关联。所得校准结果可以使在线信号在经过验证的操作范围内被解读为近似细胞浓度或生物量趋势。
浊度趋势支持生长阶段判断
浊度信号的变化形态和速率有助于识别培养物发展的不同阶段，包括生长加快、积累速度减缓或偏离活跃生物量形成阶段的转变。
操作人员可以将这些趋势与 DO、pH、温度、尾气和补料数据进行比较。结合其他测量结果解读时，浊度变化更具信息价值，因为单独的光学信号无法确定变化的生物学原因。
自动取样增加化学背景信息
自动湿化学分析仪可以在发酵过程中抽取、分配、稀释并处理培养物样品。这些系统通常可以在几分钟内提供结果，并跟踪营养物消耗、代谢物生成和反应动力学。
此类分析仪可以补充浊度测量。浊度反映悬浮生物量的变化，而化学测量则显示底物是否正在被消耗、代谢物是否正在积累，或培养物是否正在转向不利的工艺状态。
生物传感器可以监测特定产物
结合酶电极的流动注射分析系统可以对选定的发酵产物进行自动分析。例如，固定化酶与目标化合物反应时会产生可测量的 pH 变化，使系统能够在从生物反应器取样后估算产物浓度。
这种测量比浊度更具特异性，因为它针对的是化学分析物，而不是总光散射。它可以与离线或在线近端 HPLC 配合使用，以支持快速工艺决策和分析关联。
HPLC 提供详细的组成数据
HPLC 根据液体样品组分的迁移性对其进行分离，并提供详细的组成信息。在中试工厂中，HPLC 通常作为离线或在线近端的参考和确认方法，而不是被视为一种简单的在线生物量传感器。
HPLC 结果可以验证浊度、生物传感器和自动化学分析仪所显示的趋势。这种组合将连续工艺信号与更详细的实验室级组成数据连接起来。
信号如何转化为工艺控制输入
模拟信号需要进行调理
许多传感器会产生连续的电压或电流信号。在控制系统使用这些信号之前，可能需要进行放大、滤波、电流-电压转换或衰减，使其与模数转换器的输入范围相匹配。
信号调理非常重要，因为微弱、含噪或比例不正确的信号可能导致控制不稳定或产生误导性的工艺趋势。经过调理的信号随后会转换为数字值，用于监测、数据记录和控制。
数据采集决定通道的采样方式
中试工厂可以为每个传感器通道配备专用转换器，也可以通过一个转换器对多个传感器输入进行多路复用。专用通道能够实现快速并行采样，而多路复用则通过共享转换器依次对多个输入进行采样。
转换器的分辨率取决于位数：一个（n）位转换器会将其满量程输入范围划分为（2^n）个离散区间。所选分辨率必须与传感器量程以及工艺所需的精度相匹配。
串级控制将测量结果与操作连接起来
控制系统利用传感器信号调节工艺变量。例如，DO 控制器可以改变搅拌或气体流量，pH 控制器可以添加酸或碱，而温度控制器可以改变冷却液流量。
串级控制策略可以将主要工艺目标与更快速的次级回路结合起来。这有助于中试工厂应对不断变化的培养需求，同时将主要培养条件保持在目标范围内。
了解各种权衡
浊度方便但属于间接测量
浊度能够提供快速、连续的信息，但它不能直接测量活性生物量、干细胞重或代谢活性。死细胞、细胞聚集体、沉淀物、气泡以及培养液组成的变化都可能影响光散射。
因此，应将该信号视为经过校准的生物量指标或趋势。仍有必要定期将其与独立的生物量测量结果进行比较。
在线传感器需要无菌且可靠的集成
安装在生物反应器中的传感器必须能够承受灭菌，并且与无菌操作兼容。探头位置、校准、污染、漂移和维护都可能影响测量质量。
能够产生连续信号的传感器并不一定就是可靠的传感器。中试工厂需要制定明确的校准、清洁、验证和更换流程。
测量项目越多，集成复杂性越高
增加 DO、pH、温度、泡沫、尾气、浊度、化学分析仪和生物传感器可以提高工艺可视性，但也会增加数据采集和控制集成的负担。每个通道都需要适当的比例缩放、采样方式、报警限值和数据解读。
系统应区分用于直接控制的测量值、用于操作人员了解情况的测量值，以及主要用于验证或开发的测量值。
在线和近线方法具有不同的响应时间
在线环境传感器可以提供即时测量结果，而自动湿化学分析仪可能需要几分钟处理样品。HPLC 通常能够提供更详细的组成数据，但不太适合立即进行控制决策。
适当的方法取决于工艺需要快速反馈、特定化学物质的识别，还是高可信度的分析确认。
将在线监测应用于中试工厂
一种实用的仪器配置策略是将快速环境测量与经过校准的生物量和组成测量相结合。
- 如果您的主要关注点是维持培养条件： 使用 pH、DO、温度、泡沫和尾气传感器，并将控制回路连接至酸或碱添加、搅拌、气体流量、冷却和消泡系统。
- 如果您的主要关注点是跟踪生物量积累： 使用浊度作为连续且经过校准的替代指标，并在相关浓度范围内通过独立的生物量测量对其进行验证。
- 如果您的主要关注点是了解代谢过程： 将 DO 和尾气趋势与营养物消耗及代谢物生成的自动测量结果结合起来。
- 如果您的主要关注点是监测特定产物： 添加经过验证的生物传感器或流动注射分析系统，以获得快速反馈，同时使用 HPLC 作为详细的参考方法。
- 如果您的主要关注点是培训或工艺开发： 将传感器信号集成至数据采集和控制系统中，使操作人员能够将培养物行为与传质、动力学和控制操作联系起来。
只有在在线分析传感器的信号经过校准、综合解读并与明确的工艺决策相连接时，它们才能发挥最大价值。
总结表：
| 测量项目 | 指示内容 | 典型工艺操作 |
|---|---|---|
| 溶解氧 | 氧气可用性和细胞需求 | 调节搅拌或通气 |
| pH | 影响生长和产物形成的化学条件 | 添加酸或碱 |
| 温度 | 热稳定性和代谢活性 | 控制加热或冷却 |
| 泡沫 | 污染、夹带或过滤器堵塞风险 | 添加消泡剂或启动泡沫控制 |
| 尾气 | 耗氧量和二氧化碳释放量 | 评估代谢活性和气体利用效率 |
| 浊度 | 悬浮生物量的校准趋势 | 跟踪生长和积累 |
| 自动化学分析 | 营养物消耗和代谢物形成 | 支持补料和工艺决策 |
| HPLC | 详细组成和分析确认 | 验证在线和在线近端趋势 |
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