細胞培養過程的氧氣含量測量

文/ Klaus-Peter Mang博士

本文作者就職于Mettler Toledo公司。

在沒有氧氣的情況下，無法進行發酵和細胞培養——氧氣對于生命至關重要，只有在氧氣的消耗和供給之間達到良好的平衡時，才能確保細胞培養擁有最佳條件。那么操作者在選擇傳感器時應該考慮什么？為何光學傳感器成為氧氣測量的趨勢呢？

氧含量和pH值是生物工程中最重要的化工過程參數，需要對其進行監測。兩者都會對細胞生長速度、產品的產量和質量產生著重要的影響。因此要使各個批次的產品質量保持一致，測量系統的選擇非常重要。其中，安裝、保養和系統安全性是用戶在使用傳感器時要特別考慮的因素。

近年來，光學傳感器（如圖1所示）主要用于氧氣的測量，與安培傳感器相比，它具有以下幾個優勢：

●不需要極化；

●不含電解質，因此無需加入腐蝕性化學物質；

●初次使用前無需預處理；

●僅需極少的保養；

●無漂移。

圖1 光學傳感器

與使用電化學原理的電流傳感器不同，光學傳感器采用的是熒光猝滅原理，能精確快速地確定氧氣濃度（如表1所示）。幾年前，Mettler Toledo研發了Optocap元件，該元件將傳感器的光敏元件集成為一個部件，并且可以整體更換。該傳感器元件可防止傳感器聚集氣泡，從而避免了在測量信號的過程中產生噪聲，使氧氣測量穩定且有效。

集成診斷簡潔明了

現代光學測量系統具有集成診斷功能，該功能會以純文本形式告知用戶何時需要更換Optocap元件，以及它在給定的過程條件下還可以使用多長時間。此外，該系統的計時器功能還會顯示下一次校準和調整的時間。這些系統能夠自動檢測測量過程的穩定性，利用校準數據和當前過程條件預先計算出可能出現的傳感器漂移，再通過預計的偏差校正測量值，以實現長期穩定性。此外，它們還可以自動檢測清潔（CIP在線清潔）循環和滅菌或高壓滅菌（SIP在線滅菌）循環的次數，并設定CIP和SIP循環的最大連續次數。

表1 光學傳感器和安培傳感器測量方法的比較

光學傳感器測量的工作方式

物理學和化學原理的應用

圖2 光學傳感器的信號表現

光學傳感器的工作原理為淬滅熒光。染料（生色團）固定在有機硅層中，并在可更換組件（光罩）中形成光學測量系統的敏感部分。LED光源發出脈沖信號，刺激染料發出熒光，該熒光被引導至光敏檢測器。如果氧氣從測量介質擴散到硅層中，則熒光強度會降低。氧氣濃度低時的熒光信號強度會高于氧氣濃度高時的熒光信號強度。此外，反應時間（熒光衰減時間）也不同。氧氣濃度低時染料發出的熒光比氧氣濃度高時發出的時間要長。衰減時間主要用于計算氧氣濃度。

斯特恩-沃爾默動力學關系式為光學傳感器奠定了基礎。在此方程式中，延時不以直接的時間單位進行計算，而是以相位角phi進行計算。作為參考點的參考光束直接被導向光檢測器，并與測量光束同時作為脈沖信號生成。在傳感器中，測量光束通過光導體從光源引導至Optocap元件，在那里產生的熒光也會通過光導體引導到檢測器。光學傳感器的基本信號表現如圖2所示。

通過PC或筆記本電腦進行校準和調整

只有精確校準的測量系統才能提供準確的測量值。光學傳感器采用的是兩點校準：一是以空氣作為校準介質，空氣的組分非常恒定，包含20.95Vol-%的氧氣；二是在無氧介質中進行校準，如純度至少為99.995Vol-%的氮氣。在空氣中進行校準時，必須同時考慮空氣濕度和當前的大氣壓，在校準過程中將其輸入到測量設備中，便可以計算出正確的氧分壓。

現在可以通過網絡或天氣App就能夠輕松地查詢到這些數據。光學傳感器也可以通過帶有氣壓和濕度傳感器的USB接口，直接在電腦上進行校準和調整。電腦的校準軟件還可提供其他常用的功能，如數據庫中的傳感器管理、用戶管理和全面的傳感器診斷。

光敏傳感器元件的使用壽命取決于工作條件。應用于生物技術時，每周使用該元件測量兩批次，其使用壽命最長可達半年。當氧分壓大于60 hPa且單批使用時間持續3～5天時，通常每隔5～10個批次在空氣中進行一點校準就足夠了。當生物技術工藝過程更長，如分批補料式培養和灌注培養，且氧分壓更大時，則應該在每批培養前在空氣中進行一點校準。

更換Optocap元件后，必須再次進行兩點校準。在批次培養開始時，對其進行通氣，然后使用特殊的過程校準程序（縮放比例），將測量值設置為100%空氣飽和度所需的起點。

含氧量高會縮短使用壽命

傳感器的使用壽命是一個重要問題。傳感器的使用壽命通常取決于3個因素：在高溫、氧氣濃度高且發色團同時被光照時，會降低傳感器的使用壽命。這就是為什么在CIP和SIP循環以及不使用傳感器時應關閉光學傳感器中LED光源的原因。當測量設備接收到過程控制的數字信號時，測量設備將會關閉。另一種可能性是設定關閉溫度（如設定為42℃），一旦達到這個溫度，傳感器中的L E D將自動關閉。

工藝集成的建議和技巧

光學傳感器可以輕松地集成到現有的工藝中，因為它們具有相同的工藝連接件和尺寸（直徑和安裝長度）以及衛生性能（CIP/SIP、介質材料和表面質量）。與傳統的提供nA范圍內的傳感器電流作為原始值的安培傳感器不同，光學傳感器提供的是數字信號（相位角 phi）。

最佳配置是將光學傳感器與兼容的變送器結合使用。這樣做不僅可以得到純度值，還可以處理大量的診斷數據。目前有用于模擬或數字連接的方式可供選擇，可以連接到現有的發酵控制器（生物控制器）或變送器。

降噪如何進行？

在臺式發酵罐中，光學傳感器通常垂直安裝在蓋子上。如果在充氣過程中有氣泡留在傳感器尖端，則在有氧過程中會產生明顯的信號噪聲。通常這種情況會在常規的安培傳感器中出現，即使設計不同，但光學傳感器也會發生這種反應。對此，傾斜的尖端和疏水表面可以應對這一問題。它們使氣泡無法黏附在傳感器上并立即被排走，從而完全消除了信號噪聲。

同種類型的傳感器適用于不同大小的發酵罐

當要對生物技術過程進行最優化的監控時，光學傳感器具有諸多優勢。無論在研發臺式小型發酵罐時，還是將中型發酵罐進行規模升級時，或者是在工藝研發（PD）中生產大型發酵罐時，使用相同型號的傳感器，獲得的測量值均一致。如今，已經有大量靈活的集成方案可用于將傳統的安培傳感器升級為現代光學傳感器。