反應(yīng)器中的關(guān)鍵分析助推“十四五”生物智造

2020年5月，麥肯錫全球研究院（MGI）發(fā)布的報(bào)告 《生物革命：創(chuàng)新改變了經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和人們的生活》 提及：原則上全球經(jīng)濟(jì)物質(zhì)投入中的60%可用生物制造的方式產(chǎn)生。

生物技術(shù)在人類(lèi)健康、農(nóng)業(yè)、消費(fèi)品和材料、能源等領(lǐng)域皆有巨大的創(chuàng)新潛力和轉(zhuǎn)化能力。小編認(rèn)為，微生物或細(xì)胞才是無(wú)與倫比的智能工廠。微生物或細(xì)胞工廠強(qiáng)大且穩(wěn)定的增殖能力、精準(zhǔn)且平衡的代謝調(diào)控、低碳且節(jié)能的生產(chǎn)方式是任何一座人工智能化工廠都無(wú)可匹及的。

圖1：生物革命涉及的創(chuàng)新領(lǐng)域及直接經(jīng)濟(jì)影響

圖片來(lái)源《生物革命：創(chuàng)新改變了經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和人們的生活》

近十年借助細(xì)胞株/菌種的改良和優(yōu)化、培養(yǎng)裝備和技術(shù)的升級(jí)，我國(guó)在抗體、重組蛋白類(lèi)大分子藥物和疫苗等健康領(lǐng)域的創(chuàng)新和轉(zhuǎn)化飛速提升。2021年，生物藥品制造、基因工程藥物和疫苗制造等醫(yī)藥工業(yè)子行業(yè)實(shí)現(xiàn)營(yíng)業(yè)收入5918億元，同比增長(zhǎng)113.8%；實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)在醫(yī)藥工業(yè)利潤(rùn)總額中的比重達(dá)41.7%，有力推動(dòng)行業(yè)整體發(fā)展。與此同時(shí)，合成生物學(xué)的迅猛發(fā)展，讓那些被基因工程技術(shù)改造的“微生物工廠”，以生物智造的方式，生產(chǎn)出更多的傳統(tǒng)化學(xué)合成的物質(zhì)，如：PHA、BDO、VB2等。

2022年5月10日，國(guó)家發(fā)改委印發(fā)《“十四五”生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》，從生物醫(yī)藥、生物農(nóng)業(yè)、生物能源、生物信息四個(gè)方面部署培育生物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)， 成為我國(guó)生物經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域首個(gè)頂層設(shè)計(jì)規(guī)劃。規(guī)劃提出我國(guó)2025年生物經(jīng)濟(jì)總量有望達(dá)22萬(wàn)億元，其中核心產(chǎn)業(yè)總量超過(guò)7.5萬(wàn)億元。未來(lái)，京津冀、長(zhǎng)三角、粵港澳大灣區(qū)、成渝經(jīng)濟(jì)圈將成為全國(guó)生物經(jīng)濟(jì)創(chuàng)新高地。

圖2：“十四五”生物經(jīng)濟(jì)規(guī)劃重點(diǎn)提及的領(lǐng)域

生物經(jīng)濟(jì)雖是一片藍(lán)海，但目前仍面臨技術(shù)、人才、配套細(xì)節(jié)等短板。宏觀層面暫且不說(shuō)，在產(chǎn)學(xué)研的轉(zhuǎn)化過(guò)程中，醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、能源以及環(huán)保領(lǐng)域的生物技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化都與相關(guān)微生物菌種或細(xì)胞株的選育和改良、工藝的開(kāi)發(fā)和放大、產(chǎn)業(yè)規(guī)?；囵B(yǎng)技術(shù)和裝備、生物工藝中的過(guò)程分析與控制緊密相關(guān)。

生物工藝過(guò)程的多變性和不確定性是眾所周知的挑戰(zhàn)。無(wú)論是傳統(tǒng)的還是一次性的生物反應(yīng)器， 無(wú)論是實(shí)驗(yàn)室臺(tái)面用的小型反應(yīng)器還是生產(chǎn)用的大型發(fā)酵罐，在線實(shí)時(shí)分析在理解工藝、優(yōu)化工藝，進(jìn)而穩(wěn)定控制工藝、提升目標(biāo)產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量方面都發(fā)揮著重要作用。

梅特勒托利多生物工藝過(guò)程中的產(chǎn)品組合包括用于測(cè)量各種過(guò)程變量傳感器和變送器以及過(guò)程連接系統(tǒng)，比如pH/ORP（氧化還原）、光學(xué)溶解氧、溶解二氧化碳、光密度/濁度等傳感器、伸縮式傳感器保護(hù)套、自動(dòng)傳感器清洗和校準(zhǔn)維護(hù)系統(tǒng)等。其中，傳感器和變送器的顯著特點(diǎn)是采用智能傳感器管理(ISM?)技術(shù)。該技術(shù)是一種用于在線過(guò)程分析系統(tǒng)的創(chuàng)新數(shù)字技術(shù)，可簡(jiǎn)化傳感器操作、提高測(cè)量完整性并降低傳感器生命周期成本。

圖3：生物反應(yīng)器中的分析和測(cè)量

過(guò)去70多年來(lái)，梅特勒托利多Ingold過(guò)程分析測(cè)量解決方案廣受認(rèn)可，為生物制造行業(yè)發(fā)展默默地賦能。（相比于反應(yīng)器/CIP/SIP等硬件投入和過(guò)程控制等軟件投入，過(guò)程分析測(cè)量的不太容易在相關(guān)項(xiàng)目中被關(guān)注和重視）。

為了將我們?cè)谏锓磻?yīng)器控制策略方面擁有的豐富知識(shí)，對(duì)現(xiàn)代生物工藝過(guò)程所面臨挑戰(zhàn)的深入了解更廣泛、高效地傳遞給業(yè)內(nèi)終端用戶及相關(guān)設(shè)備的制造商和（或）集成商， 我們編寫(xiě)了《生物反應(yīng)器中的分析測(cè)量》這一指南。本指南主題包括：生物工藝中的過(guò)程分析解決方案、用于生產(chǎn)的智能傳感器管理、各類(lèi)型反應(yīng)器從研發(fā)擴(kuò)展到cGMP的可重復(fù)使用的傳感器、 一次性傳感器等。