Automatiserede prøvetagningssystemer transformerer, hvordan bioprocesser overvåges, især i produktionen af dyrket kød. Disse systemer tilbyder hyppige, præcise og realtidsdata om kritiske faktorer som næringsstofniveauer, metabolitter og cellehelbred - noget manuel prøvetagning ikke kan matche. Ved at køre hver 2-3 timer, sammenlignet med en gang om dagen manuelt, giver de et klarere billede af metaboliske skift, hvilket hjælper med at forhindre dyre produktionsfejl.
Vigtige punkter inkluderer:
- Effektivitet: Prøvetagning, analyse og rengøringscyklusser tager under 15 minutter.
- Renhed: Systemer opretholder renhed i over 370 timer, hvilket reducerer risikoen for kontaminering.
- Nøjagtighed: Glukosemålinger afviger kun med 1,1%, med aminosyreanalyse, der tilbyder næsten realtidsindsigt.
- Arbejdskraftbesparelser: Minimerer manuel indgriben, hvilket frigør personale til andre opgaver.
- Applikationer: Forbedrer konsistens og skalerbarhed i produktionen af dyrket kød.
Disse systemer integrerer problemfrit med avancerede værktøjer som HPLC og Raman-spektroskopi, hvilket muliggør præcis overvågning af næringsstoffer og justeringer af processen i realtid. Som et resultat understøtter de bedre kvalitetskontrol, reduceret variation og mere effektive produktionsarbejdsgange.
Manuelle vs Automatiserede Prøvetagningssystemer: Ydelsessammenligning i Bioprocessering
Forskning i Automatiserede Prøvetagningsteknologier
Forskningsmetoder og Tilgange
De seneste fremskridt inden for automatiserede prøvetagningsteknologier har betydeligt forfinet deres anvendelse i produktionen af dyrket kød. Disse studier fokuserer på at integrere automatiserede prøvetagningssystemer med analytiske værktøjer, samtidig med at steriliteten opretholdes gennem hele processen.Typisk parrer forskere automatiserede samplere med etablerede metoder som HPLC og kapillærelektroforese for at overvåge komplekse metabolitter, som in-line sensorer ofte har svært ved at måle nøjagtigt.
I maj 2020 undersøgte et team ved Wien Tekniske Universitet Numera systemet fra Securecell AG, ved at anvende Lucullus PIMS software under CHO fed-batch dyrkning. De overvågede 18 aminosyrer sammen med IgG produktniveauer, og opretholdt sterilitet i imponerende 370 timer af kontinuerlig drift [2]. Justeringer af systemindstillinger, såsom "Push Out Time", blev afgørende, da celletætheden steg [2].
Ligeledes, i august 2017, Rosanne M.Guijt fra University of Tasmania anvendte Sequential Injection Capillary Electrophoresis (SI-CE) til at overvåge fem parallelle suspensionskulturer af Jurkat-celler. Over fire dage udførte systemet 96 analyser per kultur, hvor hver elektroforetisk separation kun tog 12 minutter. Bemærkelsesværdigt krævede det kun 5,78 mL per kolbe (mindre end 60 µL per analyse), hvilket gør det ideelt til høj-gennemløbsscreening uden væsentlig reduktion af kulturvolumener [6]. Disse præcise og systematiske metoder baner vejen for dybere indsigt i præstationsdata.
Studieresultater og præstationsdata
Resultaterne fra disse studier understreger effektiviteten og præcisionen af automatiserede prøvetagningssystemer. For eksempel opnåede Wien-teamet en 1,1% relativ standardafvigelse for glukosemålinger.Desuden blev systematiske fejl forårsaget af prøvefortynding korrigeret for at reducere afvigelser til så lavt som 0,1% til 3% fra de sande værdier [2]. Dette nøjagtighedsniveau er langt bedre end, hvad manuel prøvetagning typisk tilbyder.
Prøvetagningsfrekvens er en anden kritisk fordel. Mens manuel prøvetagning ofte er begrænset til én gang om dagen, kan automatiserede systemer tage prøver 8 til 24 gange dagligt, hvilket fanger metaboliske ændringer, der ellers kunne gå ubemærket hen. I Wien-studiet blev aminosyreanalysen afsluttet med en 45-minutters forsinkelse fra prøveindsamling, hvilket gav næsten realtidsindsigt i næringsstofudtømning [2].
Tasmania-undersøgelsen fremhævede en anden vigtig fordel: ved at normalisere laktatdata mod realtidsmålinger af celletæthed kunne forskere skelne de farmakologiske effekter af forbindelser som rotenon og clioquinol fra simple ændringer i biomasse [6]. Dette niveau af detaljer ville være næsten umuligt at opnå med traditionel manuel prøvetagning, hvor de sjældne datapunkter ofte skjuler kritiske metaboliske mønstre.
Sensor teknologi til medieovervågning
Typer af sensorer og analytiske værktøjer
Sensor teknologi spiller en nøglerolle i at forfine realtidsmedieovervågning, især i produktionen af dyrket kød. Forskellige sensorer anvendes til nøje at overvåge mediesammensætning og cellehelbred.For eksempel måler standard in-line sensorer kontinuerligt pH, temperatur og opløst ilt, hvilket sikrer, at betingelserne forbliver ideelle for cellevækst [7]. Når det kommer til at måle levedygtig celletæthed, er kapacitansprober den eneste kommercielt tilgængelige on-line løsning. Disse prober bruger et elektrisk felt til at detektere levende celler, da intakte cellemembraner fungerer som små kondensatorer, der skelner levende celler fra døde og affald [7].
Spektroskopiske sensorer tilbyder en ikke-invasiv måde at spore metabolisk aktivitet på. For eksempel analyserer UV–vis spektroskopi lysabsorption og -spredning (200–740 nm) for at estimere celletæthed og identificere nukleinsyrer fra beskadigede celler [7]. Fluorescensspektroskopi overvåger naturligt forekommende fluoroforer som NADH, NADPH og tryptofan, hvilket giver værdifuld indsigt i realtid i kulturens metaboliske tilstand uden at forstyrre processen [7]. I mellemtiden genererer Raman-spektroskopi et molekylært fingeraftryk af mediet, hvilket muliggør præcis sporing af glukose-, laktat- og aminosyreniveauer med minimal fejl [7][2]. Faktisk har in-line Raman-sensorer vist bemærkelsesværdig nøjagtighed med en root mean square fejl på 0,41 mM for tyrosin og 0,24 mM for tryptofan i komplekse medier [2]. Disse spektroskopiske værktøjer supplerer automatiserede prøvetagningssystemer ved at tilbyde hurtig, ikke-forstyrrende metabolisk analyse.
Automatiserede systemer forbedrer yderligere præcisionen ved at forbinde bioreaktorer til avancerede analysatorer.Denne opsætning muliggør realtidsmonitorering af komplekse næringsstoffer som aminosyrer og vitaminer, som in-line sensorer i øjeblikket har svært ved at måle præcist [1][2]. For eksempel har UV–vis absorptionsspektroskopi-modeller opnået R²-værdier så høje som 0,993 for celle tæthedsforudsigelser, hvilket demonstrerer deres pålidelighed [7].
Eksempler på Sensorintegration
Samarbejder mellem teknologiske udviklere og forskere har ført til imponerende fremskridt inden for sensorintegration. Et sådant eksempel er partnerskabet mellem Sartorius Stedim Biotech og Tornado Spectral Systems. De inkorporerede en Raman flow celle prototype i et Ambr 250 High Throughput mini bioreaktor system.Ved at parre det med en BioProfile FLEX2 analysator fra Nova Biomedical til automatiserede referencemålinger, skabte de robuste modeller til at spore glukose, laktat og glutamin i CHO-cellekulturer. Denne opsætning reducerede tidsforskellen mellem spektral- og referencedata til kun fem minutter, hvilket muliggør næsten øjeblikkelig datakorrelations [8].
"Raman-spektroskopi er et velegnet PAT-værktøj til ikke-destruktivt at måle cellekulturanalyt i-situ... hvilket giver strukturel information om de kovalente bindinger af de undersøgte molekyler med høj molekylær specificitet og robusthed."
– Marek Hoehse, Sartorius Stedim Biotech [8]
Et andet eksempel kommer fra Wien Tekniske Universitet, hvor forskere demonstrerede, hvordan sensorintegration kan forbedre præcisionen. Ved hjælp af en 3.6 L bioreaktor, de forbandt den til en Thermo Fisher Ultimate 3000 HPLC og en Roche Cedex Bio HT analysator via Numera-systemet. Denne opsætning tillod realtidsmonitorering af 18 aminosyrer og flere vitaminer, såsom niacinamid, folinsyre, B12 og riboflavin, under CHO fed-batch dyrkning [2]. Det automatiserede system producerede 528 spektre fra 24 beholdere i en enkelt kørsel, hvilket reducerede omkostningerne og sparede tid sammenlignet med traditionel pilot-skala modelbygning [8].
Procesoptimering og kvalitetskontrol
Realtidsprocesjusteringer
Automatiserede prøvetagningssystemer bygger bro mellem laboratorieanalyse og live produktion, hvilket muliggør brugen af Process Analytical Technology (PAT) i realtid [2].Disse systemer leverer data hver to til tre timer, hvilket skaber et omfattende overblik over cellens metabolisme og næringsstofbrug [2]. Disse højfrekvente data fanger kinetiske værdier og kritiske begivenheder, såsom laktatskift, der ofte overses ved manuel prøvetagning [2][6].
Når de kombineres med Process Information Management Systems (PIMS), kan disse analytiske resultater automatisk justere fodringsstrategier efter behov [2]. Dynamiske algoritmer identificerer reaktionsplateauer, hvilket muliggør rettidige ændringer i processen [5]. Denne kapacitet er især værdifuld i produktionen af dyrket kød, hvor det er afgørende at opretholde en optimal næringsstofbalance for at opnå høj celletæthed og udbytte.
"Den højere prøveudtagningsfrekvens sammenlignet med manuel prøveudtagning øger det genererede informationsindhold, hvilket gør det lettere at fortolke metabolismen... og mere præcis detektion af procesbegivenheder."
– Paul Kroll, Business Development Manager, Securecell AG [1]
Et bemærkelsesværdigt eksempel kommer fra 2020, da Wiens Tekniske Universitet forbandt en 3,6-liters bioreaktor til automatiserede HPLC- og Cedex Bio HT-analysatorer via Numera-systemet. Denne opsætning overvågede 18 aminosyrer og flere vitaminer over 370 timer, med afvigelser så lave som 0,1% til 3% [2]. Den hyppige dataindsamling gjorde det muligt at observere reaktionskinetik, som manuelle metoder helt ville have overset.
Fordele og Udfordringer Sammenligning
Her er en oversigt over de vigtigste fordele og udfordringer forbundet med automatiserede prøvetagningssystemer:
| Funktion | Fordele | Udfordringer |
|---|---|---|
| Præcision &og Nøjagtighed | Leverer høj præcision (1.1% RSD) og eliminerer menneskelige fejl i prøveforberedelse [2] | Kræver omhyggelig kalibrering og justeringer for fortyndingsfaktorer [2] |
| Datafrekvens | Muliggør 8+ prøver dagligt, hvilket gør detaljeret kinetisk modellering mulig [2] | Højt datavolumen kræver avanceret software (PIMS) til styring [2] |
| Arbejde &og omkostninger | Reducerer manuel prøveudtagning og derivatiseringsarbejde [2] | Høje indledende udstyrsomkostninger og kompleks installation [2][5] |
| Prøvevolumen | Forbruger minimal medie (<60 µL pr. analyse), hvilket bevarer reaktorvolumen til længere kørsel [6] | Små volumener i slanger kan være tilbøjelige til ophobning af rester og overfladeforholdseffekter [2] |
| Proceskontrol | Muliggør realtidsfodring og justering af næringsstoffer [2][3] | Kræver problemfri integration mellem prøvetagere, analysatorer og bioreaktorkontrollere [2] |
Automatiserede systemer opretholder ikke kun sterilitet i over 370 timer, men kræver også mindre end 60 mikroliter medie pr. analyse [2][6].Men operatører skal adressere potentielle systematiske fejl i væskehåndtering, selvom automatiseret kalibrering kan reducere afvigelser til så lavt som 0,1% [2]. Derudover kan "Push Out Time" (POT) i filtreringsmodulerne muligvis justeres baseret på levedygtig celletæthed for at sikre konsekvent prøvelevering, efterhånden som processen udvikler sig [2].
Disse strategier fremhæver, hvordan automatiserede systemer flytter produktionen af dyrket kød fra reaktiv overvågning til en mere proaktiv, kontrolleret proces, der supplerer tidligere fremskridt inden for sensorteknologi og forskning.
sbb-itb-ffee270
Cellbase Ressourcer til automatiserede prøvetagningssystemer
Verificerede leverandørlister
Platformen fremhæver også specialiserede aseptiske prøvetagningsværktøjer, såsom bbi-biotechs bioPROBE.Dette værktøj praler af "sterilitet ved design", ved at anvende en patenteret gas-pude transportmekanisme for at forhindre biofilm dannelse og tilstopning [9]. Derudover,
Forenklet Udstyrsindkøb
Udover at fremvise verificerede lister, gør
For R&D teams tilbyder verificerede lister løsninger, der automatiserer både prøvetagning og begivenhedsbaserede justeringer. Dette er især nyttigt til håndtering af små prøvevolumener - så lidt som 0,5 ml - hvilket hjælper med at minimere medietab [9][10]. Tidsbesparelsespotentialet er betydeligt: automatiseret prøvetagning kan reducere arbejdsbyrden med cirka 480 mandetimer (svarende til 12 mandeuger) årligt ved behandling af 1.800 prøver, sammenlignet med manuelle metoder [9].Ved at strømline udstyrsanskaffelse og forbedre præcisionen, understøtter
Konklusion
Resumé og Fremtidsperspektiv
Automatiserede prøvetagningssystemer ændrer måden, hvorpå bioprocesser for dyrket kød overvåges. Ved direkte at forbinde bioreaktorer med analytiske værktøjer, leverer de data af høj kvalitet op til 12 gange oftere - hver 2–3 timer sammenlignet med den traditionelle én gang om dagen tilgang [1][2]. Denne hyppige dataindsamling muliggør en dybere forståelse af cellemetabolisme, hurtigere identifikation af næringsstofudtømning og beregning af kinetiske parametre, der er kritiske for optimering af fodringsstrategier.
Disse systemer opretholder også sterilitet i længere perioder og leverer meget præcise målinger, hvilket gør dem til en game-changer inden for bioprocessering.Med disse fordele fast etableret, er scenen sat for endnu større fremskridt.
Fremtiden for produktion af dyrket kød bevæger sig mod smart bioproduktion. Dette indebærer integration af automatiseret prøvetagning med prædiktive modeller og lukkede proceskontroller. Sådanne fremskridt vil flytte fokus fra at analysere data efterfølgende til realtidsprocesoptimering. Dette betyder, at fodringsstrategier kan justeres løbende, hvilket reducerer produktionstiden, sikrer ensartet produktkvalitet og fremskynder tiden til markedet gennem kontinuerlig overvågning af kritiske kvalitetsattributter [2][3]. For producenter bliver disse systemer hurtigt en hjørnesten for konkurrencedygtige og skalerbare operationer.
Platforme som
(English) Numera PAT: automatiseret prøvetagning i bioprocesser
Ofte stillede spørgsmål
Hvordan forbedrer automatiserede prøvetagningssystemer konsistensen i produktionen af dyrket kød?
Automatiserede prøvetagningssystemer spiller en nøglerolle i at sikre konsistens i produktionen af dyrket kød ved at fjerne den uforudsigelighed, der er forbundet med manuel prøvetagning. Disse systemer er designet til at indsamle præcise prøvevolumener på planlagte intervaller, hvilket reducerer menneskelige fejl og sikrer ensartethed. Denne stabile og nøjagtige prøvetagning giver realtidsindsigt i næringsstoffer, metabolitter og cellehelse, hvilket muliggør bedre kontrol over produktionsprocessen og forbedrer produktkvaliteten.
Ved at automatisere opgaver som prøvetagning, forberedelse og overførsel reduceres risikoen for kontaminering betydeligt. Desuden kan dataindsamling fortsætte uden for standard arbejdstider, hvilket giver et mere omfattende billede af produktionsprocessen. Denne kontinuerlige overvågning muliggør hurtige justeringer af parametre som foder, temperatur eller andre kritiske faktorer, hvilket resulterer i ensartet batchkvalitet og mere pålidelige produktionsresultater. For dem, der arbejder inden for sektoren for dyrket kød,
Hvordan bidrager sensorer til realtidsmonitorering i produktionen af dyrket kød?
Sensorer er essentielle for realtidsmonitorering, da de kontinuerligt sporer nøgleprocesparametre (CPP'er) som opløst ilt, pH, temperatur, celletæthed og cellelevedygtighed.Ved at give øjeblikkelig feedback hjælper disse sensorer operatører med hurtigt at opdage afvigelser, foretage rettidige justeringer og undgå problemer, der kunne kompromittere produktkvaliteten.
Moderne teknologier, såsom nær-infrarød (NIR) og Raman-prober, tager dette et skridt videre ved at overvåge næringsstoffer som glukose og biprodukter som laktat i realtid, hvilket reducerer behovet for manuel prøvetagning. Avancerede optiske værktøjer, som in-situ mikroskopi, tilbyder endda detaljerede enkeltcelldata om morfologi og levedygtighed. Disse innovationer er centrale for Process Analytical Technology (PAT), hvilket muliggør automatisering og sikrer konsekvent kontrol i produktionen af dyrket kød.
Platforme som
Hvordan hjælper automatiserede prøvetagningssystemer med at reducere arbejdskraft i bioprocessering?
Automatiserede prøvetagningssystemer fjerner det tunge arbejde fra bioprocessering ved at håndtere rutineopgaver som at tage, forberede og levere prøver til analytiske instrumenter. Ved at operere på forudindstillede tidsplaner eliminerer disse systemer behovet for, at teknikere manuelt interagerer med bioreaktorer og prøver. Resultatet? Mindre gentaget arbejde, færre chancer for menneskelige fejl og mere tid for kvalificeret personale til at dykke ned i opgaver som dataanalyse og forfining af processer.
Desuden tillader disse systemer meget hyppigere prøvetagning - nogle gange næsten kontinuerligt - sammenlignet med manuelle metoder. Dette betyder, at der genereres en rigdom af data, der muliggør realtidsmonitorering og strammere kontrol over nøgleparametre. Med indbyggede datastyringsværktøjer bliver arbejdsgange endnu mere gnidningsløse ved automatisk at organisere prøve-metadata, hvilket reducerer papirarbejde og manuel dataindtastning.
For dem i den dyrkede kødindustri,
