Numera系统加速工艺开发的研究和商业化生产进程

1. 一个取样系统（Numera, Securecell AG），可以从反应器中自动取样并进行处理
2. 一个用于分析的HPLC系统（UltiMate 3000 TM , Thermo Fisher Scientific）
3. 一个生物工艺软件系统（Lucullus PIMS, Securecell AG）控制所有的设备并进行信息管理。

Figure 1 完整的PAT闭环解决方案：

自动取样、自动样品处理、样品在线分析和实验结果数字化用于工艺过程的反馈调节

在传统的工艺流程中，从“取样和分析计划”到“数据的反馈调节”往往包含着许多单独分割的步骤，这样分裂的过程会影响取样的间隔时间，分析结果的利用率和数据的质量。Figure 2展示了传统的工艺过程步骤，如果将整个流程进行自动化和数字化之后可以减少取样间隔时间并同时提高数据质量。

Figure 2 从取样和分析计划到应用数据的工作流程

图中展示了该流程中的单独的分裂的操作。自动化和数字化可以提高工作效率和数据质量

通常在细胞培养工艺过程中，从生物反应器中取样的频次多为一天一到两次，所以时间是重要的标准。分析计划通常包含了在反应器旁边的在线分析设备的分析和在特定的分析实验室的离线分析计划。

取样和分析计划的数字化允许更高的样品分析频率和根据工艺过程制定、不受时间限制的取样计划，使得工艺开发的设计者有了更大的设计空间。而这正是单个工艺过程中实现更高信息密度的基础。

在我们展示的PAT解决方案下，Lucullus PIMS可以根据工艺过程制定特定的取样和分析计划。

1. 准备样品管、标签、注射器和酒精等
2. 得到可以进行取样的通知
3. 取样：液体样品从反应器转移到样品管中
4. 取样后的流程，对取样口进行消毒
5. 记录取样

1. 准备取样时，在Lucullus系统中选择打印包含条形码的特定样品标签。
2. 取样的通知：Lucullus系统根据工艺开始之前创建的取样计划进行取样通知。自动取样的触发可以基于时间，或者是基于特定的工艺事件
3. 取样由Numera系统执行，取样体积为3-4ml。为了保证得到的样品不会被运输的管路稀释，第一个100ul会被传输到废液瓶中。在样品传输到样品管之前，可以进行稀释和过滤等样品处理
4. 取样后流程包含无菌气体将取样管路中的液体吹回到反应器中和其它管路的自动清洗程序。
5. Lucullus记录准确的采样时间

样品处理方法取决于后续的分析方法。大部分处理过程只是需要几个单元操作处理就行了（见Figure 2）。它们包含样品传输、稀释、混匀、过滤和样品储存。每个处理过程可以细分为准备、执行和记录过程。因此，整个样品处理过程需要各种不同的设备、耗材和人力资源。样品处理的重现性、花费的时间和记录的完整性都会影响“时间延迟“和“数据质量”。

在我们展示的PAT解决方案下，Numera可以完成所有的样品处理过程。它可以在1:2到1:30的范围内进行稀释，可以加入特定的试剂进行混合反应，也可以通过一个过滤模块完成样品的过滤。过滤模块中每个样品的过滤都是由一个单独的过滤纸片进行处理，从而避免了滤膜的堵塞和样品的交叉污染问题。Numera系统的模块化设计使得每一个样品都可以执行特定的自动化的样品处理。

在这个CHO培养工艺的案例中，后续的HPLC分析（IgG）需要从细胞收获液中过滤得到上清液，这需要过滤模块的参与，步骤包含：

1. 将样品传输至过滤模块

2. 过滤样品

3. 过滤后的样品传输至样品管中

4. 样品存储在4°C环境，系统执行自动的清洗程序，确保样品质量，防止交叉污染

样品分析产生数据，数据的质量和可靠性取决于应用的分析方法。通常参考方法是定量分析复杂生物样品的方案。根据分析底物的不同，分析方法可能是色谱分析法（HPLC），酶促反应分析法或者是显微法。样品分析通常包含以下四个步骤：

1. 样品分析的准备

2. 样品分析的进程

3. 样品的数据分析

4. 记录实验结果

其中需要手动操作的步骤包含样品分析的准备，开始样品分析和记录实验结果。在我们展示的PAT解决方案下，样品分析的手动步骤可以被自动化方案替代。这些步骤包含：

1. Numera将样品传输到分析仪器中，通过扫描条形码，将样品名称和需要进行的样品分析传递给分析仪器

2. Lucullus系统启动分析过程，分析仪器执行样品分析

3. 数据结果传输回Lucullus系统，可以被用于反馈调节。

在CHO细胞培养案例中，使用Protein A色谱柱的HPLC被用于IgG的分析，采用梯度洗脱方法，单个样品的测量时间为3分钟。Numera系统通过注射阀将样品直接传输至HPLC中，然后Lucullus可以开始启动分析过程，样品分析后，HPLC的系统可以进行自动的数据分析。最后的分析数据传输回Lucullus中并且自动进行与工艺过程数据对齐。

数字化进程中经常被忽略的一点是根据得到的数据进行不同的应用。当然这需要先收集所有已经记录的信息，进行数字化，然后进行对齐。这就包含了许多的任务步骤：

1. 搜索产生的数据

2. 在某个软件中进行数字化

3. 数据对齐，包括：取样时间、样品名称、分析结果、稀释倍数对齐

4. 将数据进行安全存储以便后续的应用

就数据完整性而言，关键的步骤就是手动数据整合。此外，对于基于数据进行工作的人员来说，他们每天要花费超过两个半小时的时间来搜索数据，这基本意味着他们不能及时的提供反馈。

在我们展现的PAT解决方案下，Lucullus可以实现完全的数字化，Lucullus通过整合所有的实验设备，收集所有的实验数据并对设备进行一定的调控。最短仅需一秒钟，实验设备的数据就可以传输至Lucullus中。

Table 1总结了在CHO细胞培养工艺案例中，单个操作（取样、过滤和3分钟的HPLC分析）需要的时间。一般情况下，手动取样得到分析结果并进行反馈控制最少也要40分钟。而将整个流程自动化后，从开始取样到反馈调节最多也就14分钟。可以说自动化方案比手动方案快了3倍以上，而且自动化方案完全可以24/7的工作。

Table 1 手动取样和自动化方案的比较。假设手动操作过程中间没有停顿。时间单位为分钟。

Figure 3 展示了在分批补料式细胞培养过程中超过350小时的连续的IgG的检测。在开始的40小时内，IgG的浓度低于检测线，所以没有数值。

Figure3 CHO细胞分批补料培养工艺中的IgG产量实时监测

目前展示的 PAT技术可以从下面4个方面为生物工艺4.0带来解决方案。

• 通过完全的自动化，可以实现高频的取样和高精度的分析测量结果，而这正是实现连续流工艺的基础。

• 小的取样体积，可以适用于工艺缩小模型和平行的工艺过程中。
  

• PAT方案可以获得尽可能的信息密度，数字化使得随时随地访问工艺数据变得可能，这样既可以提高效率又可以 更少的使用控制策略从而增强工艺的鲁棒性。

• 该方案的模块化设计可以实现非常高的灵活性（见Figure 4）。
  

Figure 4 PAT解决方案实现全自动取样、样品处理、分析和数字化。关键特征用点框起来，新兴技术用虚线框起来，所带来的好处用绿线框起来。

1. Visit:www.securecell.ch/domains/securecell_ch/data/free_docs/AN_002_OnlineHPLC_CHO(1).pdf
2. Visit: blog.xenit.eu/blog/do-workers-still-waste-time-searching-for-information