在现代生物工艺开发策略中，对自动化和高通量实验的需求日益增长。随着基因工程的进步，人们已开发出多种微生物宿主作为底盘细胞，用于生产无数种天然产物，并在分批、补料分批或连续发酵（恒化器、恒浊器、灌流或营养恒定器 (auxostat)）中挑战其代谢极限，而这些发酵往往需要数天才能完成。这些生产策略正借助自动化不断演进，以最大限度地提高速率，并尽量缩短工作时间、减少人工干预。柏林工业大学 (TU Berlin) 生物工艺工程系 (Chair of Bioprocess Engineering) 对这些需求深有体会，并由此在 KIWI-biolab 开发了一套用于微生物生物工艺的全自动平台，而我们的 BioXplorer 100 正是该平台的运行核心。
将 BioXplorer 100 集成到全自动实验室环境中
KIWI-biolab 致力于建立基于模型的生物工艺与分析自动化，而硬件与自动化的智能连接是实现这一目标的关键。
正因如此，KIWI-biolab 构建了 BioXplorer Facility。这是一个以我们的 BioXplorer 100 为核心的自动化平台，可连续进行长达七天的发酵。该平台大幅减少了人工干预，提高了可重复性，并能在多种实验条件下生成高分辨率数据，培养的微生物菌株多种多样，主要为巴斯德毕赤酵母 (Pichia pastoris) 和大肠杆菌 (Escherichia coli)。
BioXplorer Facility 的功能已应用于众多项目，包括以生产疫苗抗原或抗体为目标的培养，以及葡萄糖氧化酶等酶的合成。为实现这些目标，KIWI-biolab 采用的补料分批发酵策略需要对液体添加进行严格控制。在这方面，BioXplorer 100 的液体进料模块发挥着关键作用：在长达 50 小时的发酵过程中，通过连续和脉冲式进料方案输送各种溶液（用于 pH 控制的酸和碱、以葡萄糖或甘油为基础的培养基、甲醇等）。同样，其中一些生物工艺包含温度在 20 至 37 °C 之间变化的步骤。通过与 Huber Minichiller 的完全集成，BioXplorer 100 可以轻松实现并控制低于室温的培养条件。此外，该平行反应器平台还通过 BlueSens 传感器集成了尾气分析功能。
BioXplorer 100 还集成在机器人实验室环境中，支持灵活的发酵和分析工作流程。其中包括一台 Tecan Freedom Evo 150 液体处理工作站，可实现自动液体取样，以及额外的脉冲添加，例如添加 IPTG 以诱导工程菌株的质粒和基因表达，或向培养物中补充镁。
与先进的高通量分析技术集成
高质量的生物工艺研究不仅依赖于发酵自动化，还取决于能否获得可靠的分析数据。在 KIWI-biolab，移动式机器人实验室助手 MiLA 负责将样品转移至高通量分析平台。Tecan Freedom Evo 150 液体处理工作站在培养过程中采集的液体样品，会通过先进的分析技术进行检测。例如，Cedex Bio HT 可测定葡萄糖、甘油、乙酸盐、镁、氨等工艺相关参数，而二维 HPLC QTOF 则可测定培养基中其他底物和代谢物的浓度。
这一自动化基础设施构建了高度集成的工作流程，能够生成高分辨率数据，帮助 KIWI-biolab 的研究人员更好地了解菌株代谢及其生物工艺，从而支持系统化的工艺优化，使研究人员能够专注于数据解读，而非日常的人工取样和离线测量。
通过技术支持与定制实现平台的灵活开发
KIWI-biolab 在构建平台时，H.E.L 集团 在自动化系统方面的经验是一大关键优势。BioXplorer 100 无缝集成到现有实验室基础设施中，提供了一体化解决方案。
通过将我们的高通量自动化发酵系统与 KIWI-biolab 的自动化液体处理工作站和高通量分析设备集成，实验室成员大幅扩展了平台功能，提高了在多种实验条件下筛选微生物生物工艺的效率。
在调试期间及之后，H.E.L 集团 技术团队提供的支持，以及定制化软件开发和功能扩展，使平台能够适应不断变化的研究方法，确保其与实验室的研究目标同步发展。
随着生物工艺研究不断向自动化和数据驱动决策迈进，KIWI-biolab 的实践展示了一个集成良好的实验平台如何变革并加速微生物工艺开发，实现可扩展、高效的研究运作。这篇原始论文更详细地介绍了 KIWI-biolab 的自动化平台。