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什么是连续流动化学?

httpv://www.youtube.com/watch?v=A7Gb7sF4sjk

连续流动化学在化学和石油化学行业里已有几十年的应用。这种连续流动化学的生产手段正在制药研发中受到重视,考虑到其以下优势:

  • 更好的工艺过程安全性
  • 更优的质量
  • 空间的节省
  • 更高的产能

以其最简单的形式,连续流动化学始于两种以上的物料 — 比如起始反应物。这些物料流以设定流速用泵打入一反应舱室、反应管、有时是一个具有使流动物料进行混合和反应的数多小槽的微型反应器。流进反应舱室的不同反应物料在此进行混合和反应。由于这些微型反应器的舱室或管的体积非常小,仅需小量的物料进行反应,因此:

  • 减少昂贵试剂/化合物的用量
  • 降低溶剂消耗
  • 改善温度控制
  • 提高工作安全性(由于潜在爆炸性物料量的降低)。

根据反应动力学和物料流速,需要保证反应物料在微型反应器中达到某一特定的停留时间,从而获得预期的反应转换率。相继,从微型反应器出口流出的物料用烧瓶或其它适当的容器收集起来。

因为反应是在连续流动的流体中进行,自然希望对反应进行监测以便得知各种反应条件状况,包括:

  • 稳定状态
  • 扩散特性
  • 反应中间体的存在

对连续流动反应的监测要求监测技术能在流动的流体中分辨不同反应组分。与微型流动池相匹配的反应红外仪(ReactIR)是一适宜的技术。ReactIR基于FTIR光谱并结合(变角)衰减全反射(ATR),是用于原位测量和跟踪反应组分的理想工具。

FTIR(傅立叶变换红外)光谱分析对某一物料的特征官能团给出特定的指纹图谱。它为识别和鉴定反应组分提供了便利。通过在一定时间里测量相应的IR信号强度,便能跟踪反应期间各种组分浓度的相对或绝对值。换句话说,你能看到反应趋势的变化,并且当趋势平稳不变时你可以判断反应达到稳定态。

您若有兴趣更多地了解流动化学的益处,我邀请您观看英国剑桥大学Steven Ley教授作的网络报告:ReactIR流动池对连续工艺加工技术的应用,或阅读较早的一个博贴,特别关于连续流动化学的益处

作者注释: 连续流动化学 也被称作 “基于流动的化学”、“微流化学”、以及“柱流化学”。

工艺过程分析技术 (PAT)用于发酵过程

原位检测生物质、细胞增长、和细胞絮团

实时监测一生物反应器中的细胞分布提供有关生物质浓度和增长动力学的重要信息,这种信息是详细分析和控制其发酵过程的基础。另外,与细胞形状、结团过程、和絮团大小有关的实时信息也已被描述表明能帮助理解和优化生物工艺过程。

http://cn.mt.com/cn/zh/home/applications/L1_AutoChem_Applications/fermentation.html?=US_AC_eAdv_zhBlog直接关联生物质浓度

发酵器中生物质的量与反应器的产率直接相关– 不论产品是生物质本身还是某种酶或代谢物。聚光反射测量(FBRM®) 对在颗粒数、大小、和形状上有敏感变化的颗粒分布提供精确的测量,已被 有效地用于直接关联生物质的量(McDonald et al, 2001; Pearson et al, 2004; Ge at al, 2005).

在一复杂的细胞体系里, 絮凝和集结导致不仅生物质浓度的变化还有絮团和结块尺寸的变化 – 像混浊度和透光度这样的简单测量法不可能捕捉到整个过程内容。FBRM® 测量– 对细胞数和细胞大小及其结构都敏感 – 可用来解释各种形状变化的起因和机理、并定量测量这些变化的动力学。

实时测量和控制细胞分布
近来有文章 [Ge et al (2005), Lei et al (2007)] 对一自絮凝酵母菌发酵过程进行了最大化乙醇产率的研究。

絮团大小是控制乙醇产率的一个关键参数。乙醇产率作为絮团大小(控制在100、200、300和400微米)的函数被测量到(Ge et al, 2005)。文中报道了在絮团大小被小心地控制在300微米时呈现出一明显的最高乙醇产率。

因此,要优化工艺过程、最大化乙醇产率、并改进酵母菌絮凝对乙醇和温度波动的承受度,控制絮团大小是进行这一研究工作的一个重要部分。

用FBRM® 实时监测和控制絮团大小加上对搅拌速度的控制帮助了维持恒定的絮团大小、以及实现对其它生物工艺参数的快速优化。

先进的工艺过程分析技术在发酵和生物工艺过程中的应用加深对细胞增长和细胞形状变化的理解。

PAT工具快速、敏感的反应 提供对细胞分布物理特性的实时监测,从而帮助发酵工艺过程的优化与控制,以得到最高产率并改进每釜间的一致性。

检测发酵动力学
优化发酵过程需要实时监测和控制关键工艺过程变量,包括限制性营养剂和抑制性代谢物的浓度。在一生物反应器中,大部分的变化过程都发生在细胞内部。但是, 因为关键营养剂通过细胞膜的传递速率通常直接与期望产物的生成相关,监测发酵母液中营养剂和细胞外的代谢物浓度可以直接跟踪发酵进程 – 从菌种植入到最佳收成点。

人们已经研究应用了很多谱学技术,包括近红外 (NIR)、中红外 (Mid-IR)、Raman、和可见紫外( UV-Vis)。FTIR-ATR (通过变角衰减全反射进行复立叶变换红外探测)方式的中红外技术已被证明在实时监测复杂发酵介质中多种关键分析组分上有显著优势。

易使用、高选择度和灵敏度、具备可现场消毒的结实探头使人们对用中红外技术原位监测生物工艺过程产生了高度兴趣。以下举例说明中红外技术已被成功应用的一些方面:

提供发酵培养基中关键组分的原位分析
离线分析发酵培养基要求一连串的实验来确定营养剂、代谢物和生物质的浓度,消耗大量时间和资源, 并且不易自动化。像中红外测量这样的先进工艺过程分析技术 (PAT)可以对很多这些关键组成进行在线实时分析。

跟踪发酵工艺过程(从菌种植入到收最终产率)中的关键参数
使用中红外测量,多种分析成分可在整个发酵工艺过程中被实时跟踪。实时跟踪无滞后地检测到关键信息,比如像从缓慢到指数型增长的转变、抑制性代谢物的积累、或关键营养剂的短缺。

在一个工艺过程分析技术的领先应用案例中, Kornmann 等 (2004) 使用了原位 ReactIR™ FTIR 来同时监测六个分析成分,同时应用了一个适合的控制战略来获得期望产品的最高产率并减小每釜之间的变异。

关键营养剂和代谢物 (乙醇、醋酸酯、果糖、铵、和磷酸盐/酯 )的测量与期望产物(gluconacetan)的监测一同进行。此工艺设计为连续添加Gluconacetobacter xylinus 的釜式发酵,细菌现在乙醇加料中培养,控制添加速率来保持反应器中醋酸酯含量恒定。随生物质的增加乙醇进料指数型增加,在避免乙醇抑制作用的同时使生物质增长量最大。当溶氧量成为限制因素时,用加果糖来使gluconacetan产率最大。

这一通过使用原位中红外分析获得的同时测量多个关键分析成分浓度的能力已被描述成可以提供“代谢作用快照”[ Sivakesava et al, 2001]。实时跟踪整个釜式过程的这种代谢指纹信息为生物工艺过程的优化提供了洞察力和离线取样分析不能实现的优化途径。

中红外技术的快速和敏感反应可以为更有效地分析和解释发酵工艺过程提供多个成分的实时监测。原位监测关键工艺过程变量也使发酵工艺过程得以实时优化和控制,从而获得最高产率并减小每釜之间的变异。

从新白皮书中阅读更多近来发表的发酵与生物工艺过程方面的应用: 工艺过程分析技术 (PAT)用于生物科技