In bioprocesses, the upstream process part with cultivation and harvesting steps has decisive influence on the final process outcome, including the quality of the product, the productivity and the yield. To ensure stable product quality of biopharmaceuticals, the U.S. Food and Drug Administration (FDA) encourages the industry to apply the process analytical technology (PAT) guidelines. These guidelines strongly recommend advancements in sensor monitoring and control technology as the important means for improving performance of pharmaceutical manufacturing.

The aim of this thesis is to contribute to this advancement of sensor technology, by proposing alternative ways to apply existing sensors for monitoring and control of upstream bioprocesses. Cutting-edge sensor technologies are evaluated with respect to their suitability for process monitoring of critical process parameters. The sensor technologies are compared with other analytical techniques, mainly based on their performance and applicability for monitoring as well as control of common bioprocesses.

To cover diverse bioprocess conditions and requirements, a range of organisms, including bacteria, yeast and mammalian cells, have been used in the thesis. Through this, different needs, obstacles and challenges have been unraveled when culturing these organisms. One of these challenges is the wide span of growth rates of the cells used in production, which limits the number of the sensor technologies that are suitable for accomplishing efficient process monitoring and control. The mammalian cells for example, grow at a low rate, and may therefore allow the use of an at-line measurement technology as the presented screen-printed single-use enzyme biosensor for monitoring of metabolite formation. On the contrary, rapidly growing microorganisms, for example bacteria and yeasts, require faster analytical techniques, such as the in-line capacitance and near-infrared sensors used in the presented studies.

This thesis emphasizes the current needs and the importance of providing new and more advanced sensor technology for upstream bioprocess monitoring. The parallel advancements of bioreactor designs, with both stainless steel and disposable bioreactors, further emphasizes the need for a high degree of adaptability of the sensors. As highlighted in the thesis, the advancement of the sensors should also contribute to improve process stability and quality of the product by applying process control methods that efficiently can handle unexpected variations in biological production systems.

Biotekniska processer svarar för att förse samhället med en rad viktiga produkter inom läkemedels-, livsmedels-, och bioenergiområdena. Det största intresset idag åtnjuter de biologiska läkemedlen som står för en betydande del av utvecklingen av nya läkemedel. För att säkerställa att läkemedel har stabil och hög kvalitet har det amerikanska läkemedelsverket (FDA) utfärdat en rad riktlinjer för läkemedelsproduktion som man benämner Process Analytical Technology (PAT). I riktlinjerna rankar man processövervakning och processkontroll som de främsta medlen för att nå hög produktkvalitet. Särskilt uppmanar man läkemedelsindustrin att utnyttja effektivare sensorteknologi för att öka produktionens säkerhet men också för att förbättra förståelsen för vad som händer i produktionsprocessernas olika delsteg. Vid produktion av biologiska läkemedel är det viktigt att förbättra kunskapen om de celler som används för att kunna uppnå målen i PAT. För att lyckas med det behöver man utveckla de sensorteknologier som används idag och anpassa dem bättre till de biologiska produktionsprocessernas förhållanden.

I avhandlingen görs inledningsvis en noggrann jämförelse av de sensorer som i dag är utvecklade för processövervakning med syftet att hitta de som är mest lämpade för syftena med PAT. Några av dessa har sedan utvalts och testats närmare för processövervakning i odlingskulturer som ofta används vid läkemedelsproduktion. Vid kulturer som används bl.a. för antikroppsproduktion är bildning av laktat en viktig parameter som behöver övervakas i produktionsprocessen. Detta har i avhandlingen lösts genom att först utveckla en enzymbaserad engångssensor och sedan testa den i produktionsmiljö.

Morfologiska förändringar i produktionsorganismerna, exempelvis genmodifierade bakterier och jästceller, kan ha negativa effekter på cellernas produktivitet och överlevnadsförmåga. Det är därför viktigt att kunna mäta och identifiera sådana förändringar. I avhandlingen har det gjorts genom att analysera frekvensspektra från en kapacitanssensor som får mäta cellerna vid olika produktionstillstånd.

Ett viktigt syfte med processövervakning är att använda informationen för att styra bioprocessen och på så vis säkerställa stabil produktkvalitet. I avhandlingen visas hur man kan använda en kontinuerlig sensor för att mäta cellers koncentration med infrarött ljus för att följa cellernas tillväxthastighet. Detta ligger till grund för en återkopplad reglering av cellernas tillväxt i produktionsprocessen. Arbetena som presenteras i avhandlingen spänner över de steg som PAT riktlinjerna rekommenderar - från design av mätsystem till processkontroll – och bidrar på så sätt att få ytterligare förståelse för bioprocesser och för hur man kan uppnå stabil produktivitet och produktkvalitet av biologiska läkemedel.