أنظمة أخذ العينات الآلية تحول كيفية مراقبة العمليات الحيوية، خاصة في إنتاج اللحوم المزروعة. تقدم هذه الأنظمة بيانات متكررة ودقيقة وفي الوقت الفعلي عن العوامل الحرجة مثل مستويات المغذيات، والمنتجات الأيضية، وصحة الخلايا - وهو ما لا يمكن أن يضاهيه أخذ العينات اليدوي. من خلال التشغيل كل 2-3 ساعات، مقارنةً مرة واحدة يوميًا يدويًا، فإنها توفر صورة أوضح عن التحولات الأيضية، مما يساعد في منع الأخطاء الإنتاجية المكلفة.
تشمل النقاط الرئيسية:
- الكفاءة: تستغرق دورات أخذ العينات والتحليل والتنظيف أقل من 15 دقيقة.
- التعقيم: تحافظ الأنظمة على التعقيم لأكثر من 370 ساعة، مما يقلل من مخاطر التلوث.
- الدقة: تنحرف قياسات الجلوكوز بنسبة 1.1% فقط، مع تقديم تحليل الأحماض الأمينية رؤى شبه فورية.
- توفير العمالة: يقلل من التدخل اليدوي، مما يتيح للموظفين القيام بمهام أخرى.
- التطبيقات: تحسين التناسق والقابلية للتوسع في إنتاج اللحوم المستزرعة.
تتكامل هذه الأنظمة بسلاسة مع الأدوات المتقدمة مثل HPLC و Raman spectroscopy، مما يتيح مراقبة دقيقة للمغذيات وتعديلات عملية في الوقت الفعلي. ونتيجة لذلك، تدعم هذه الأنظمة تحسين مراقبة الجودة، وتقليل التباين، وتحسين كفاءة سير العمل في الإنتاج.
الأنظمة اليدوية مقابل الأنظمة الآلية لأخذ العينات: مقارنة الأداء في معالجة العمليات الحيوية
البحث في تقنيات أخذ العينات الآلية
طرق البحث والمناهج
لقد حسنت التطورات الأخيرة في تقنيات أخذ العينات الآلية بشكل كبير من تطبيقها في إنتاج اللحوم المستزرعة. تركز هذه الدراسات على دمج أنظمة أخذ العينات الآلية مع الأدوات التحليلية مع الحفاظ على التعقيم طوال العملية.عادةً ما يقترن الباحثون بأجهزة أخذ العينات الآلية مع طرق معروفة مثل HPLC والتحليل الكهربائي الشعري لمراقبة المستقلبات المعقدة التي غالبًا ما تكافح أجهزة الاستشعار المدمجة لقياسها بدقة.
في مايو 2020، قامت فريق في جامعة فيينا للتكنولوجيا بالتحقيق في نظام Numera بواسطة Securecell AG، باستخدام برنامج Lucullus PIMS خلال زراعة CHO fed-batch. قاموا بمراقبة 18 حمضًا أمينيًا إلى جانب مستويات منتج IgG، مع الحفاظ على التعقيم لمدة 370 ساعة من التشغيل المستمر [2]. أصبحت التعديلات على إعدادات النظام، مثل "وقت الدفع للخارج"، ضرورية مع زيادة كثافة الخلايا [2].
وبالمثل، في أغسطس 2017، Rosanne M.Guijt من جامعة تسمانيا استخدم الحقن المتسلسل الكهربائي الشعري (SI-CE) لمراقبة خمس مزارع تعليق متوازية لخلايا جوركات. على مدى أربعة أيام، نفذ النظام 96 اختبارًا لكل ثقافة، مع استغراق كل فصل كهربائي 12 دقيقة فقط. ومن اللافت للنظر أنه تطلب فقط 5.78 مل لكل قارورة (أقل من 60 ميكرولتر لكل تحليل)، مما يجعله مثاليًا للفحص عالي الإنتاجية دون تقليل كبير في أحجام الثقافات [6]. هذه الأساليب الدقيقة والمنهجية تمهد الطريق لفهم أعمق لبيانات الأداء.
نتائج الدراسة وبيانات الأداء
تؤكد النتائج من هذه الدراسات على كفاءة ودقة أنظمة أخذ العينات الآلية. على سبيل المثال، حقق فريق فيينا انحرافًا معياريًا نسبيًا بنسبة 1.1% لقياسات الجلوكوز.علاوة على ذلك، تم تصحيح الأخطاء النظامية الناتجة عن تخفيف العينة لتقليل الانحرافات إلى أقل من 0.1% إلى 3% من القيم الحقيقية [2]. هذا المستوى من الدقة يتفوق بكثير على ما تقدمه العينات اليدوية عادةً.
وتيرة أخذ العينات هي ميزة حاسمة أخرى. بينما يقتصر أخذ العينات اليدوي غالبًا على مرة واحدة في اليوم، يمكن للأنظمة الآلية أخذ العينات 8 إلى 24 مرة يوميًا، مما يلتقط التغيرات الأيضية التي قد تمر دون ملاحظة. في دراسة فيينا، تم الانتهاء من تحليل الأحماض الأمينية مع تأخير 45 دقيقة من جمع العينة، مما يوفر رؤى شبه فورية حول استنفاد المغذيات [2].
أبرزت دراسة تسمانيا فائدة رئيسية أخرى: من خلال تطبيع بيانات اللاكتات مقابل قياسات كثافة الخلايا في الوقت الفعلي، تمكن الباحثون من التمييز بين التأثيرات الدوائية للمركبات مثل الروتينون والكلوكينول من التغيرات البسيطة في الكتلة الحيوية [6]. سيكون من شبه المستحيل تحقيق هذا المستوى من الدقة باستخدام أخذ العينات اليدوي التقليدي، حيث غالبًا ما تخفي نقاط البيانات النادرة الأنماط الأيضية الحرجة.
تقنية الاستشعار لمراقبة الوسائط
أنواع المستشعرات والأدوات التحليلية
تلعب تقنية الاستشعار دورًا رئيسيًا في تحسين مراقبة الوسائط في الوقت الفعلي، خاصة في إنتاج اللحوم المزروعة. يتم استخدام مستشعرات متنوعة لمراقبة تكوين الوسائط وصحة الخلايا عن كثب.على سبيل المثال، تقيس المستشعرات القياسية المدمجة باستمرار درجة الحموضة، درجة الحرارة، والأكسجين المذاب، لضمان بقاء الظروف مثالية لنمو الخلايا [7]. عندما يتعلق الأمر بقياس كثافة الخلايا الحية، فإن مجسات السعة هي الحل الوحيد المتاح تجارياً عبر الإنترنت. تستخدم هذه المجسات مجالاً كهربائياً لاكتشاف الخلايا الحية، حيث تعمل أغشية الخلايا السليمة كمكثفات صغيرة، مما يميز الخلايا الحية عن الميتة والحطام [7].
تقدم المستشعرات الطيفية طريقة غير جراحية لتتبع النشاط الأيضي. على سبيل المثال، التحليل الطيفي للأشعة فوق البنفسجية والمرئية يحلل امتصاص الضوء وتشتته (200–740 نانومتر) لتقدير كثافة الخلايا وتحديد الأحماض النووية من الخلايا التالفة [7].تراقب مطيافية التألق الفلوروفورات الطبيعية مثل NADH وNADPH والتريبتوفان، مما يوفر رؤى قيمة في الوقت الحقيقي حول الحالة الأيضية للثقافة دون التدخل في العملية [7]. في الوقت نفسه، تولد مطيافية رامان بصمة جزيئية للوسط، مما يتيح تتبع دقيق لمستويات الجلوكوز واللاكتات والأحماض الأمينية مع حد أدنى من الخطأ [7][2]. في الواقع، أظهرت أجهزة استشعار رامان المدمجة دقة ملحوظة، مع خطأ الجذر التربيعي المتوسط 0.41 ملي مول للتايروسين و0.24 ملي مول للتريبتوفان في الوسائط المعقدة [2]. تكمل هذه الأدوات الطيفية أنظمة أخذ العينات الآلية من خلال تقديم تحليل أيضي سريع وغير معطل.
تعزز الأنظمة الآلية الدقة بشكل أكبر من خلال ربط المفاعلات الحيوية بالمحللات المتقدمة.هذا الإعداد يسمح بمراقبة في الوقت الحقيقي للمغذيات المعقدة مثل الأحماض الأمينية والفيتامينات، والتي تكافح أجهزة الاستشعار الحالية لقياسها بدقة [1][2]. على سبيل المثال، حققت نماذج التحليل الطيفي لامتصاص الأشعة فوق البنفسجية والمرئية قيم R² تصل إلى 0.993 لتنبؤات كثافة الخلايا، مما يثبت موثوقيتها [7].
أمثلة على تكامل أجهزة الاستشعار
أدت التعاونات بين مطوري التكنولوجيا والباحثين إلى تقدمات مثيرة للإعجاب في تكامل أجهزة الاستشعار. أحد هذه الأمثلة هو الشراكة بين Sartorius Stedim Biotech و Tornado Spectral Systems. لقد دمجوا نموذجًا أوليًا لخلية تدفق رامان في نظام Ambr 250 عالي الإنتاجية للمفاعلات الحيوية الصغيرة.من خلال إقرانه مع محلل BioProfile FLEX2 من Nova Biomedical لقياسات مرجعية آلية، قاموا بإنشاء نماذج قوية لتتبع الجلوكوز واللاكتات والجلوتامين في مزارع خلايا CHO. قلل هذا الإعداد الفجوة الزمنية بين البيانات الطيفية والمرجعية إلى خمس دقائق فقط، مما يتيح ارتباط البيانات بشكل شبه فوري [8].
"يعتبر التحليل الطيفي رامان أداة PAT مناسبة لقياس محاليل زراعة الخلايا بشكل غير مدمر في الموقع... مما يوفر معلومات هيكلية تتعلق بالروابط التساهمية للجزيئات المستجوبة مع دقة جزيئية عالية وقوة."
– مارك هوهسي، سارتوريوس ستيديم بيوتك [8]
يأتي مثال آخر من جامعة فيينا للتكنولوجيا، حيث أظهر الباحثون كيف يمكن أن يحسن تكامل المستشعرات الدقة. باستخدام 3.6 L مفاعل حيوي، قاموا بتوصيله إلى Thermo Fisher Ultimate 3000 HPLC و Roche Cedex Bio HT محلل عبر نظام Numera. سمح هذا الإعداد بمراقبة في الوقت الحقيقي لـ 18 حمض أميني والعديد من الفيتامينات، مثل النياسيناميد، وحمض الفوليك، وB12، والريبوفلافين، أثناء زراعة CHO fed-batch [2]. أنتج النظام الآلي 528 طيفًا من 24 وعاء في تشغيل واحد، مما قلل التكاليف ووفّر الوقت مقارنة ببناء نموذج تجريبي تقليدي [8].
تحسين العمليات ومراقبة الجودة
تعديلات العملية في الوقت الحقيقي
تعمل أنظمة أخذ العينات الآلية على سد الفجوة بين تحليلات المختبر والإنتاج الحي، مما يتيح استخدام تقنية التحليل العملياتي (PAT) في الوقت الحقيقي [2].توفر هذه الأنظمة بيانات كل ساعتين إلى ثلاث ساعات، مما يخلق رؤية شاملة لعملية الأيض الخلوي واستخدام المغذيات [2]. تلتقط هذه البيانات عالية التردد القيم الحركية والأحداث الحرجة، مثل تحولات اللاكتات، التي غالبًا ما يتم تجاهلها مع أخذ العينات اليدوي [2][6].
عند الاقتران مع أنظمة إدارة معلومات العمليات (PIMS)، يمكن لهذه النتائج التحليلية تعديل استراتيجيات التغذية تلقائيًا حسب الحاجة [2]. تحدد الخوارزميات الديناميكية هضاب التفاعل، مما يسمح بإجراء تعديلات في الوقت المناسب على العملية [5]. هذه القدرة ذات قيمة خاصة في إنتاج اللحوم المزروعة، حيث أن الحفاظ على توازن غذائي مثالي أمر حاسم لتحقيق كثافة خلوية عالية وعائد مرتفع.
"يزيد التردد العالي لأخذ العينات مقارنة بأخذ العينات اليدوي من محتوى المعلومات المولدة، مما يسمح بتفسير أسهل لعملية الأيض... واكتشاف أكثر دقة لأحداث العملية."
– بول كرول، مدير تطوير الأعمال، Securecell AG [1]
يأتي مثال بارز من عام 2020، عندما قامت جامعة فيينا للتكنولوجيا بتوصيل مفاعل حيوي بسعة 3.6 لتر بمحللات HPLC وCedex Bio HT الآلية عبر نظام Numera. راقب هذا الإعداد 18 حمضًا أمينيًا والعديد من الفيتامينات على مدار 370 ساعة، مع انحرافات منخفضة تصل إلى 0.1% إلى 3% [2]. جعل جمع البيانات المتكرر من الممكن ملاحظة حركيات التفاعل التي كانت الطرق اليدوية ستفوتها تمامًا.
مقارنة الفوائد والتحديات
إليك تحليل للمزايا الرئيسية والتحديات المرتبطة بأنظمة أخذ العينات الآلية:
| الميزة | المزايا | التحديات |
|---|---|---|
| الدقة &والضبط | يوفر دقة عالية (1.1% RSD) ويقضي على الخطأ البشري في تحضير العينات [2] | يتطلب معايرة دقيقة وتعديلات لعوامل التخفيف [2] |
| تكرار البيانات | يسمح بأكثر من 8 عينات يوميًا، مما يمكن من نمذجة حركية مفصلة [2] | حجم البيانات الكبير يتطلب برامج متقدمة (PIMS) للإدارة [2] |
| العمل &والتكلفة | يقلل من عبء العمل اليدوي لأخذ العينات والتشتق [2] | تكاليف المعدات الأولية العالية والتركيب المعقد [2][5] |
| حجم العينة | يستهلك كمية قليلة من الوسائط (<60 ميكرولتر لكل تحليل)، مما يحافظ على حجم المفاعل لفترات تشغيل أطول [6] | يمكن أن تكون الأحجام الصغيرة في الأنابيب عرضة لتراكم الرواسب وتأثيرات نسبة السطح [2] |
| التحكم في العملية | يسهل التغذية في الوقت الحقيقي وتعديلات المغذيات [2][3] | يتطلب تكاملاً سلسًا بين أجهزة أخذ العينات والمحللات ووحدات التحكم في المفاعلات الحيوية [2] |
لا تحافظ الأنظمة الآلية على التعقيم لأكثر من 370 ساعة فحسب، بل تتطلب أيضًا أقل من 60 ميكرولتر من الوسائط لكل تحليل [2][6].ومع ذلك، يجب على المشغلين معالجة الأخطاء النظامية المحتملة في التعامل مع السوائل، على الرغم من أن المعايرة الآلية يمكن أن تقلل الانحرافات إلى 0.1% [2]. بالإضافة إلى ذلك، قد يحتاج "وقت الدفع للخارج" (POT) في وحدات الترشيح إلى التعديل بناءً على كثافة الخلايا الحية لضمان توصيل العينة بشكل متسق مع تطور العملية [2].
تسلط هذه الاستراتيجيات الضوء على كيفية تحويل الأنظمة الآلية إنتاج اللحوم المزروعة من المراقبة التفاعلية إلى عملية أكثر استباقية وتحكمًا، مما يكمل التقدم السابق في تكنولوجيا المستشعرات والبحث.
sbb-itb-ffee270
Cellbase موارد لأنظمة أخذ العينات الآلية
قوائم الموردين المعتمدين
تسلط المنصة الضوء أيضًا على أدوات أخذ العينات المعقمة المتخصصة، مثل bioPROBE من bbi-biotech.يتميز هذا الأداة بـ "التعقيم حسب التصميم"، حيث تستخدم آلية نقل بوسادة غازية حاصلة على براءة اختراع لمنع تكوين الأغشية الحيوية والانسداد [9]. بالإضافة إلى ذلك،
تبسيط شراء المعدات
إلى جانب عرض القوائم الموثوقة،
بالنسبة لفرق البحث والتطوير، تقدم القوائم الموثوقة حلولاً لأتمتة كل من أخذ العينات والتعديلات القائمة على الأحداث. هذا مفيد بشكل خاص لإدارة أحجام العينات الصغيرة - بقدر 0.5 مل - مما يساعد على تقليل فقدان الوسائط [9][10]. إمكانات توفير الوقت كبيرة: يمكن لأتمتة أخذ العينات تقليل متطلبات العمل بحوالي 480 ساعة عمل (ما يعادل 12 أسبوع عمل) سنويًا عند معالجة 1,800 عينة، مقارنة بالطرق اليدوية [9].من خلال تبسيط عملية اقتناء المعدات وتعزيز الدقة، يدعم
الخاتمة
الملخص والتوقعات المستقبلية
تعمل أنظمة أخذ العينات الآلية على إعادة تشكيل كيفية مراقبة عمليات تصنيع اللحوم المزروعة. من خلال ربط المفاعلات الحيوية مباشرة بالأدوات التحليلية، فإنها توفر بيانات عالية الجودة تصل إلى 12 مرة أكثر - كل 2-3 ساعات مقارنة بالنهج التقليدي مرة واحدة في اليوم [1][2]. يتيح هذا الجمع المتكرر للبيانات فهماً أعمق لعملية الأيض الخلوي، وتحديد أسرع لنفاد المغذيات، وحساب المعلمات الحركية الضرورية لتحسين استراتيجيات التغذية.
تحافظ هذه الأنظمة أيضًا على التعقيم لفترات أطول وتقدم قياسات دقيقة للغاية، مما يجعلها تغييرًا جذريًا في عمليات المعالجة الحيوية.مع هذه المزايا الراسخة، تم إعداد المسرح لتحقيق تقدم أكبر.
يتجه مستقبل إنتاج اللحوم المزروعة نحو التصنيع الحيوي الذكي. يتضمن ذلك دمج أخذ العينات الآلي مع النماذج التنبؤية وعناصر التحكم في العمليات المغلقة. ستؤدي هذه التطورات إلى تحويل التركيز من تحليل البيانات بعد وقوعها إلى تحسين العمليات في الوقت الفعلي. وهذا يعني أنه يمكن تعديل استراتيجيات التغذية أثناء التشغيل، مما يقلل من وقت الإنتاج، ويضمن جودة منتج متسقة، ويسرع الوقت للوصول إلى السوق من خلال المراقبة المستمرة للسمات الحرجة للجودة [2][3]. بالنسبة للمنتجين، أصبحت هذه الأنظمة بسرعة حجر الزاوية للعمليات التنافسية والقابلة للتوسع.
تلعب المنصات مثل
(English) Numera PAT: أخذ العينات الآلي في معالجة العمليات الحيوية
الأسئلة الشائعة
كيف تعزز أنظمة أخذ العينات الآلية الاتساق في إنتاج اللحوم المزروعة؟
تلعب أنظمة أخذ العينات الآلية دورًا رئيسيًا في ضمان الاتساق في إنتاج اللحوم المزروعة من خلال إزالة عدم التنبؤ المرتبط بأخذ العينات اليدوي. تم تصميم هذه الأنظمة لجمع أحجام عينات دقيقة في فترات مجدولة، مما يقلل من الخطأ البشري ويضمن التوحيد. يوفر هذا أخذ العينات المستمر والدقيق رؤى في الوقت الفعلي حول العناصر الغذائية والمواد الأيضية وصحة الخلايا، مما يتيح تحكمًا أفضل في عملية الإنتاج وتحسين جودة المنتج.
من خلال أتمتة المهام مثل أخذ العينات، التحضير، والنقل، يتم تقليل فرص التلوث بشكل كبير. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يستمر جمع البيانات حتى خارج ساعات العمل القياسية، مما يوفر نظرة أكثر شمولية على عملية الإنتاج. يتيح هذا المراقبة المستمرة إجراء تعديلات سريعة على المعايير مثل التغذية، درجة الحرارة، أو العوامل الحرجة الأخرى، مما يؤدي إلى جودة دفعات متسقة ونتائج إنتاج أكثر موثوقية. بالنسبة لأولئك الذين يعملون في قطاع اللحوم المزروعة،
كيف تساهم المستشعرات في المراقبة في الوقت الحقيقي في إنتاج اللحوم المزروعة؟
تعتبر المستشعرات ضرورية للمراقبة في الوقت الحقيقي، حيث تقوم بتتبع معايير العملية الرئيسية (CPPs) مثل الأكسجين المذاب، الرقم الهيدروجيني، درجة الحرارة، كثافة الخلايا، وحيوية الخلايا بشكل مستمر.من خلال توفير ردود فعل فورية، تساعد هذه المستشعرات المشغلين على اكتشاف الانحرافات بسرعة، وإجراء التعديلات في الوقت المناسب، وتجنب المشكلات التي قد تؤثر على جودة المنتج.
تأخذ التقنيات الحديثة، مثل الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR) ومجسات رامان، هذا الأمر إلى مستوى أبعد من خلال مراقبة المغذيات مثل الجلوكوز والمنتجات الثانوية مثل اللاكتات في الوقت الفعلي، مما يقلل من الحاجة إلى أخذ العينات اليدوية. توفر الأدوات البصرية المتقدمة، مثل المجهر في الموقع، حتى بيانات مفصلة عن الخلايا الفردية من حيث الشكل والحيوية. هذه الابتكارات هي جوهر تقنية التحليل العملياتي (PAT)، مما يتيح الأتمتة ويضمن التحكم المستمر في إنتاج اللحوم المزروعة.
تسهل المنصات مثل
كيف تساعد أنظمة أخذ العينات الآلية في تقليل العمل اليدوي في معالجة العمليات الحيوية؟
تقوم أنظمة أخذ العينات الآلية بتخفيف العبء عن معالجة العمليات الحيوية من خلال التعامل مع المهام الروتينية مثل سحب العينات وتحضيرها وتوصيلها إلى الأجهزة التحليلية. تعمل هذه الأنظمة وفق جداول زمنية محددة مسبقًا، مما يلغي الحاجة إلى تفاعل الفنيين يدويًا مع المفاعلات الحيوية والعينات. النتيجة؟ عمل أقل تكرارًا، فرص أقل للخطأ البشري، ووقت أكثر للموظفين المهرة للانغماس في مهام مثل تحليل البيانات وتحسين العمليات.
علاوة على ذلك، تتيح هذه الأنظمة أخذ العينات بشكل أكثر تكرارًا - أحيانًا بشكل شبه مستمر - مقارنة بالطرق اليدوية. وهذا يعني توليد ثروة من البيانات، مما يتيح المراقبة في الوقت الحقيقي والتحكم الأكثر دقة في المعايير الرئيسية. مع أدوات إدارة البيانات المدمجة، تصبح سير العمل أكثر سلاسة من خلال تنظيم بيانات العينات تلقائيًا، مما يقلل من الأعمال الورقية وإدخال البيانات اليدوي.
بالنسبة لأولئك في صناعة اللحوم المزروعة،
