每次運作成本高且耗時（灌註生物反應器中的低通量過程優化）時的 DoE你好，
我希望透過 DoE 來優化灌註生物反應器（使用酵母）內的製程條件。我使用的系統的吞吐量基本上是 1，每次運行需要 1-2 週。由於這些限制，我正在考慮進行一次運行並在運行過程中改變我的因素。我可以透過採樣並獲得瞬時指標甚至每日體積產量來監測我的反應（產品滴度和細胞特定生產力）。我希望優化溶解氧 (DO)、溫度、pH 值等條件，這些條件在運行中期很容易改變，但其他因素（如培養基成分）則更難，因為變化不會立即發生。
我認為我可能會遇到這種設計類型的問題是，一個步驟中細胞狀態的改變可能會影響後續步驟。我想知道是否有人曾經使用過 JMP 設計過這類實驗，並且能提供一些關於如何最好地規劃實驗的建議。或者，如果有人對如何在生物反應器中執行這種低通量 DoE 有其他想法，我願意聽取新想法。
謝謝您的幫忙！
實驗設計回覆：每次運行都成本高昂且耗時（灌註生物反應器中的低通量過程優化）的 DoE你好@Ben2 ，
我對您描述的低通量生物反應器的實驗設置不太熟悉，但這裡有一些問題、意見和建議可以幫助您：
- 你的目標是什麼？系統理解/探索和/或優化？你的測量系統有多準確？你的實驗有多「吵雜」？
根據您對目標（理解/優化）的重視程度，如果您的主要目標是優化系統，您可以使用 DoE 方法（了解哪些因素有助於改進/響應）或使用模型驅動的順序實驗的貝葉斯優化方法。但請注意，根據實驗系統的維度（因素和等級的數量）以及實驗的「雜訊」程度，貝葉斯最佳化可能不適合高雜訊系統和/或高維繫統，因為模型可能很難找出最佳化系統的「方向」。
- 如果你打算在實驗過程中改變因子水平，並且擔心改變順序可能會影響結果（「一步中細胞狀態的改變可能會影響後續步驟」），則可能有兩種選擇：
- 將步驟的順序儲存為資料表中可用於分析的新不受控制的因素，但考慮到時間趨勢/變化順序的設計穩健性，它可能不是最佳的。您的時間趨勢和因素之間可能存在關聯，但無法區分兩者中的哪一個對回應負責。
- 在設計中包含時間/順序作為協變量（並包括線性和二次效應）：這是具有協變量的 DoE 的一個特例（“時間趨勢穩健設計”），您可以在 Peter GOOS 和 Bradley JONES 撰寫的“實驗的最佳設計：案例研究方法”（第 9 章）中找到。有關這些討論的更多資訊：
客製化設計中依定義順序排列的協變量
將時間延遲納入 DoE
- 此外，根據因素變化的難易程度（例如，您提到「溶解氧 (DO)、溫度、pH 值，這些因素在運行中期很容易發生變化，但其他因素（如介質組成）則更難改變，因為變化不會立即發生。」），您可以使用分割區設計結構，這樣可以創建一個完整的圖/「宏觀因素」，如介質組成，您可以在其上進行多次試驗並響應介質。請注意，這個想法可以與先前的時間趨勢穩健設計的想法一起補充使用，使用“宏觀因素”/整個圖，您可以在其中進行幾個實驗，其中將變化順序作為協變量考慮在內。
我希望這些問題、評論和建議對你有幫助，
回覆：每次運行都成本高昂且耗時，DoE（灌註生物反應器中的低通量過程優化）你好@Ben2 ，
我有進行生物反應器優化的經驗 - 您將遇到的挑戰之一是改變攪拌、pH 值控制、生物反應器中期運行中的曝氣，這會在決定整個批次的“最佳”條件時造成混亂。中途改變條件會對細胞活動產生不同的壓力，並可能對發酵過程產生更持久的影響。
需要考慮的一件事是，如果您可以縮小規模（即搖動燒瓶）進行培養基優化，假設最佳培養基組成在小規模和生物反應器規模下是相同的 - 這為您提供了實驗廣度和實驗可用性以進行 DoE 方法。然後，您可以轉而單獨控制生物反應器設定（攪拌、pH、曝氣），在 DoE 設定中，每次運行都是對多種因素的組合進行測試，例如，我將在 24 小時時將 DO% 設定為 40%，在 48 小時時設定為 50%，等等。
如果您有任何疑問，我很樂意對此發表更多評論。
謝謝，
本
回覆：每次運行都成本高昂且耗時，DoE（灌註生物反應器中的低通量過程優化）嗨，維克多，
謝謝您的回覆！先回答你的問題：
1) 目的不是優化系統本身，而是針對我正在表達的特定重組蛋白優化系統條件。
2) 由於溶解氧、pH 值和溫度等參數受回饋迴路控制，因此係統測量結果相當穩定，但培養基成分等參數會隨著時間推移而變化，取決於細胞如何消耗營養物質（培養基在整個過程中不斷被供給）。產品響應是一種更有限的測量方法，因為它需要由人們進行物理採樣
我想我可能會使用時間作為協變量因素。將我沒有研究過的其他過程條件納入作為協變量因素是否有意義？我不完全確定貝葉斯優化的相關性有多大，因為我實際上只有 1 個實驗，並且試圖使用實驗中的不同步驟（不同因素）進行優化（但如果我錯了，你可以告訴我）。就裂區設計而言，這是我在實驗完成後在分析中主要做的事情嗎？只是想確認一下，您是否是說要將媒體視為一個整體，而不是其組成成分？
感謝您的提問和建議，這非常有幫助！
回覆：每次運行都成本高昂且耗時，DoE（灌註生物反應器中的低通量過程優化）嗨，本，
謝謝您的回覆！
只是為了澄清一下，我正在操作的反應器是一個灌注反應器，它有恆定的培養基流入和恆定的「用過的」培養基流出（包含用於表達的分泌蛋白）。反應器和搖瓶之間的進料策略的差異是我想在生物反應器規模上研究它的部分原因。我們在生物反應器中獲得的細胞密度也明顯高於在搖瓶中獲得的細胞密度。
我非常同意這個說法（「中途改變條件會對細胞活動產生不同的壓力，並可能對發酵過程產生更持久的影響。」），但沒有選擇在獨立實驗中進行最佳化。我打算嘗試在實際收集「運行」（第 1 個實驗中的步驟）的數據之前允許過渡步驟使細胞進入穩定狀態，我認為這可以減輕一些負擔。如果您對如何盡量減少早期步驟對後續步驟的影響有其他建議，我將洗耳恭聽！
再次感謝您的回饋，它非常有幫助！
回覆：每次運行都成本高昂且耗時，DoE（灌註生物反應器中的低通量過程優化）你好@Ben2 ，
是的，我認為使用其他製程條件是有意義的，可以作為協變量因素或不受控制的因素（以便能夠使用這些因素進行分析，即使未包含在設計生成中）。
我不知道貝葉斯優化，如果你能考慮因素變化的順序/時間依賴性（而不僅僅是因素變化/值）以快速優化因素，可能會有所幫助。
裂區試驗是隨機化受到實驗條件約束的一種情況（參見具有隨機化限制的設計），這在設計和分析中都有體現。如果您只有一個實驗（並且僅在該實驗中變化的因素），我不知道這種設置有多大相關性，但如果您要考慮幾個實驗，您可以建立一個裂區設計，其中整個圖是考慮的運行（具有特定的酵母類型或任何在運行期間不會改變的因素），並且“易於更改”的因素/子圖是運行期間可以更改的順序變量。
希望這個回答能給你一些啟發，
回覆：每次運行都成本高昂且耗時，DoE（灌註生物反應器中的低通量過程優化）哇，聽起來很有趣！我不是您流程的中小企業，所以我必須與您討論才能真正了解情況和限制。但以下是我的一些想法：
1. 計劃迭代。不要試圖透過一次實驗來分配和優化一切。想想你需要什麼知識才能有效地繼續你的調查。擁有一個昨天還有效的優秀模型並不是很有效。
2. 花足夠的時間來識別噪音（您將來不願意控制的因素，要么是因為您沒有技術，要么是沒有資金，或者認為控制它們不方便）。那麼，您將使用什麼策略來最大化推理空間，同時不犧牲設計精確度（例如，阻塞，重複，裂區）。
3. 我認為您可能有機會使用裂區試驗（不一定採用傳統方式）。我強烈建議你閱讀：
Box、GEP、Stephen Jones (1992)，《穩健產品實驗的裂區設計》， 《應用統計雜誌》 ，第 13 卷。 19，第1號
在連續步驟情況下，這些可能非常有效,
4. 設計多個實驗（在 JMP 中很容易做到）。對於每個實驗，比較和對比每個實驗將為您帶來什麼（例如，您將獲得什麼潛在知識（設計和噪聲分辨率，線性，重複性））與所需的資源。預測每個實驗的所有可能結果並準備處理其中的任何一個（例如，您運行實驗並且性能指標沒有改變，或者您在性能指標中創建了很多變化，但這些都不能分配給因素效應等）
5. 最後，也是最重要的一點，無論結果如何，沒有人事先知道最好的實驗！反思您在實驗過程中學到的知識，並利用這些經驗來更好地設計下一個實驗。
回覆：每次運行都成本高昂且耗時，DoE（灌註生物反應器中的低通量過程優化）你好@Ben2 ，
抱歉，我錯過了連續灌注 - 是的，讓它們回到酵母的穩定狀態然後在每次“穩定”後運行你的條件是一個好主意 - 需要考慮的一件事是你每次“運行”的時間長度：你會在設定的時間段內（即 72 小時）或設定的目標（即細胞密度為 X，產品量為 Y）每次迭代運行嗎？
為了進一步豐富您的想法，請嘗試考慮一種方法來測量細胞恢復到穩定狀態時的壽命/壓力狀態，您可以在每個穩定狀態下執行哪些測試來表明「這與上次運行的健康狀況相同」 - 可能是 OD600 值、死/活比率或針對某些代謝物的測試（如果您足夠幸運能夠使用 類HPLC 或 Flex 監測器之東西的測試）。由此，您可以決定是否要繼續使用該批細胞，或者是否最好將其廢棄並採用新的冷凍/種子繼續使用。
對於迭代方法來說，貝葉斯優化無疑是一個不錯的選擇，但您也可以考慮使用範圍界定設計之類的方法來幫助您起步。
您提到了 DO - 這是要控制的目標嗎，還是最好將其分成控制攪拌和曝氣的速率？我通常認為 DO 是細胞對生物反應器條件變化的反應的產物，而不是您控制的參數（儘管您可以爭辯說，您控制保持在一定水平以上的生產階段的目標 DO 值是一個受控參數）。
希望有幫助！
本
