創新的分析平臺

文/ J?rg Kempf 博士

生物技術的智能制造——位于斯圖加特的初創公司Variolytics 開發了一個功能強大的分析平臺，不僅為污水處理系統節省能源，還可以減少對環境有害的氣體的排放。此外，在該平臺的幫助下，藥物開發也會更加迅速。

質譜儀在工業中用于確定物質的組成以及監測其內部結構的變化，但目前為止，質譜儀僅在氣體物質上得到了應用。斯圖加特初創公司Variolytics 常務董事Matthias Stier 博士提出了開發一種首創的專利進氣系統的想法，該系統可以實時地在氣相和液相中，同時對多達30 種不同的物質或成分進行分析。

由Variolytics 在弗勞恩霍夫界面技術和生物工程研究所（IGB）研發的方法，為生物技術和藥劑學化學反應以及生物技術過程的自動化監測提供了新的可能性。第一批用戶是污水處理系統運營商，在污水處理系統的生物凈化階段，雜質可以在微生物的幫助下進行生物降解。

Variolytics 開發的新型分析平臺可用于污水處理系統的生物凈化階段，既可以監測曝氣池內對環境有害的氣體，還有助于減少這些氣體的產生

細菌的培養需要適宜的氧氣環境。如果向曝氣池中供應的氧氣太少，細菌就會死亡；反之則會導致能源成本增加，而產量卻沒有提升。需要注意的是，廢水處理系統會在曝氣池內產生對環境有害的氣體，如甲烷和笑氣（即N2O）。而這是使用分析平臺的理想條件。Matthias Stier 說道：“在污水處理廠中，分析平臺可以監測曝氣池中對氣候有害的氣體，并有助于減少這些氣體的產生。運營者可以節省多達25%的能源。因為以測量值和特殊控制策略為基礎來處理氣體，可以不斷優化廢水中有機物的微生物降解過程。”

Variolytics 正在與萊茵蘭-普法爾茨州Hahnst?tten 的Aquatune公司合作。該公司常務董事J?rg Gebhardt 博士是水和廢水處理智能優化方面的專家，也是機器學習系統的先驅，他對Matthias Stier 團隊的成功（即對曝氣池中的氣體進行預處理及優化）印象深刻。于是，他決定以天使投資人的身份來支持這家初創公司。

生物反應器的關鍵技術

Variolytics 在污水處理系統方面基于相同的硬件組件和不同的軟件，計劃盡快為生物反應器提供一項關鍵技術。制藥公司可以從中受益，他們可以在生物反應器中培養細胞或微生物，以獲得活性物質。例如，為了獲得對Covid-19 有效的藥物或疫苗，需要在發酵罐中培養哺乳動物細胞，這需要穩定和理想的條件。

與污水處理系統相反，在生物反應器中，必須在遵循藥品生產質量管理規范（GMP）的前提下，對諸多不同的過程參數進行持續監測，以此進行藥物活性成分的研發。這意味著所用的任何傳感器都不得對其過程構成污染風險。為了生產抗體藥物，現代精準醫學需要更小的反應器，且通常裝有一次性系統。在造價方面，單個傳感器的使用可能會變得不劃算。Variolytics 對此進行過計算，由于此原因，40%的必要參數沒有被記錄下來，從而導致多達50%的產能損失。

Matthias Stier 解釋道：“在這種情況下，不能將常規的控制策略作為對策。由于缺乏傳感器數據，生物反應器最終將在低細胞密度和高死亡率的情況下運行。為此，我們將更換5 個傳感器并提供6 個新的工藝參數。如此一來，用戶將獲得更多數據并且還節省了資金。”這樣，在加快昂貴的抗體藥物生產速度的同時還能降低生產成本，可以將新開發的藥物用于更多的患者身上。生產讓患者用上負擔得起的藥物才是制藥公司的初心。

易操作的分析儀

Variolytics 開發的生物反應器分析儀有著簡單易操作的特性。首次采用的邊緣長約半米的立方體盒子的核心部件便是分析儀單元的進樣口，不僅可用于質譜分析，還可以分析液相中的成分。將微孔膜附接到進樣口，在負壓的驅動下，揮發性物質從液體樣品中蒸發并穿過該膜。除了分析儀的創新硬件外，Variolytics還將傳感器組合設計成了一個以智能手機為模型的全面平臺技術。

Matthias Stier 說道：“傳感器雖然多種多樣，但決定其功能的是應用程序。我們需要將生命科學與數據科學相結合，因為只有以人工智能技術進行正確的數據建模才能更好地使用我們生成的大量傳感器數據。我們的目標是生物技術的智能制造！”