Automatisierte Probensysteme revolutionieren die Überwachung von Bioprozessen, insbesondere in der Produktion von kultiviertem Fleisch. Diese Systeme bieten häufige, präzise und Echtzeitdaten zu kritischen Faktoren wie Nährstoffgehalt, Metaboliten und Zellgesundheit - etwas, das manuelle Probenahme nicht leisten kann. Durch den Betrieb alle 2–3 Stunden, im Vergleich zu einmal täglich manuell, bieten sie ein klareres Bild von Stoffwechselveränderungen und helfen, kostspielige Produktionsfehler zu vermeiden.
Wichtige Punkte sind:
- Effizienz: Probenahme-, Analyse- und Reinigungszyklen dauern weniger als 15 Minuten.
- Sterilität: Systeme halten die Sterilität über 370 Stunden aufrecht und reduzieren das Kontaminationsrisiko.
- Genauigkeit: Glukosemessungen weichen nur um 1,1 % ab, wobei die Aminosäureanalyse nahezu Echtzeiteinblicke bietet.
- Arbeitsersparnis: Minimiert manuelle Eingriffe und entlastet das Personal für andere Aufgaben.
- Anwendungen: Verbessert die Konsistenz und Skalierbarkeit in der Produktion von kultiviertem Fleisch.
Diese Systeme integrieren sich nahtlos mit fortschrittlichen Werkzeugen wie HPLC und Raman-Spektroskopie, was eine präzise Nährstoffüberwachung und Echtzeitanpassungen des Prozesses ermöglicht. Dadurch unterstützen sie eine bessere Qualitätskontrolle, reduzierte Variabilität und effizientere Produktionsabläufe.
Manuelle vs. Automatisierte Probenahmesysteme: Leistungsvergleich in der Bioprozessierung
Forschung zu automatisierten Probenahmetechnologien
Forschungsmethoden und -ansätze
Jüngste Fortschritte in automatisierten Probenahmetechnologien haben ihre Anwendung in der Produktion von kultiviertem Fleisch erheblich verfeinert. Diese Studien konzentrieren sich darauf, automatisierte Probenahmesysteme mit analytischen Werkzeugen zu integrieren und dabei die Sterilität während des gesamten Prozesses aufrechtzuerhalten.Typischerweise kombinieren Forscher automatisierte Probenehmer mit etablierten Methoden wie HPLC und Kapillarelektrophorese, um komplexe Metaboliten zu überwachen, die von Inline-Sensoren oft nicht genau gemessen werden können.
Im Mai 2020 untersuchte ein Team der Technischen Universität Wien das Numera-System von Securecell AG und nutzte dabei die Lucullus PIMS-Software während der CHO-Fed-Batch-Kultivierung. Sie überwachten 18 Aminosäuren neben den IgG-Produktionsniveaus und hielten die Sterilität für beeindruckende 370 Stunden kontinuierlichen Betriebs aufrecht [2]. Anpassungen der Systemeinstellungen, wie die "Push Out Time", wurden entscheidend, als die Zelldichte zunahm [2].
Ähnlich, im August 2017, Rosanne M.Guijt von der Universität von Tasmanien nutzte Sequential Injection Capillary Electrophoresis (SI-CE), um fünf parallele Suspensionskulturen von Jurkat-Zellen zu überwachen. Über vier Tage führte das System 96 Tests pro Kultur durch, wobei jede elektrophoretische Trennung nur 12 Minuten dauerte. Bemerkenswerterweise benötigte es nur 5,78 mL pro Kolben (weniger als 60 µL pro Analyse), was es ideal für Hochdurchsatz-Screening macht, ohne die Kulturvolumina signifikant zu reduzieren [6]. Diese präzisen und systematischen Methoden bereiten den Weg für tiefere Einblicke in Leistungsdaten.
Studienergebnisse und Leistungsdaten
Die Ergebnisse dieser Studien unterstreichen die Effizienz und Präzision automatisierter Probensysteme. Zum Beispiel erreichte das Wiener Team eine relative Standardabweichung von 1,1% bei Glukosemessungen.Darüber hinaus wurden systematische Fehler, die durch Probenverdünnung verursacht wurden, korrigiert, um Abweichungen auf so niedrig wie 0,1% bis 3% von den tatsächlichen Werten [2] zu reduzieren. Dieses Maß an Genauigkeit ist weit überlegen gegenüber dem, was manuelle Probenahme typischerweise bietet.
Die Probenahmefrequenz ist ein weiterer entscheidender Vorteil. Während die manuelle Probenahme oft auf einmal täglich beschränkt ist, können automatisierte Systeme 8 bis 24 Mal täglich Proben entnehmen und so Stoffwechselveränderungen erfassen, die sonst unbemerkt bleiben könnten. In der Wiener Studie wurde die Aminosäureanalyse mit einer 45-minütigen Verzögerung nach der Probenentnahme abgeschlossen, was nahezu Echtzeiteinblicke in den Nährstoffabbau [2] bietet.
Die Tasmanien-Studie hob einen weiteren wichtigen Vorteil hervor: Durch die Normalisierung von Laktatdaten anhand von Echtzeit-Zelldichtemessungen konnten Forscher die pharmakologischen Effekte von Verbindungen wie Rotenon und Clioquinol von einfachen Biomasseveränderungen unterscheiden [6]. Dieses Maß an Granularität wäre mit herkömmlicher manueller Probenahme, bei der die seltenen Datenpunkte oft kritische Stoffwechselmuster verschleiern, nahezu unmöglich zu erreichen.
Sensor-Technologie für Medienüberwachung
Arten von Sensoren und Analytischen Werkzeugen
Die Sensortechnologie spielt eine Schlüsselrolle bei der Verfeinerung der Echtzeit-Medienüberwachung, insbesondere in der Produktion von kultiviertem Fleisch. Verschiedene Sensoren werden eingesetzt, um die Medienzusammensetzung und die Zellgesundheit genau zu überwachen.Zum Beispiel messen Standard-Inline-Sensoren kontinuierlich pH, Temperatur und gelösten Sauerstoff, um sicherzustellen, dass die Bedingungen für das Zellwachstum ideal bleiben [7]. Wenn es um die Messung der lebensfähigen Zelldichte geht, sind Kapazitätsmesssonden die einzige kommerziell verfügbare Online-Lösung. Diese Sonden verwenden ein elektrisches Feld, um lebende Zellen zu erkennen, da intakte Zellmembranen als winzige Kondensatoren wirken und lebende Zellen von toten Zellen und Ablagerungen unterscheiden [7].
Spektroskopische Sensoren bieten eine nicht-invasive Möglichkeit, die Stoffwechselaktivität zu verfolgen. Zum Beispiel analysiert UV–vis-Spektroskopie die Lichtabsorption und -streuung (200–740 nm), um die Zelldichte zu schätzen und Nukleinsäuren aus beschädigten Zellen zu identifizieren [7]. Fluoreszenzspektroskopie überwacht natürlich vorkommende Fluorophore wie NADH, NADPH und Tryptophan und bietet wertvolle Echtzeiteinblicke in den metabolischen Zustand der Kultur, ohne den Prozess zu stören [7]. Gleichzeitig erzeugt Raman-Spektroskopie einen molekularen Fingerabdruck des Mediums, der eine präzise Verfolgung der Glukose-, Laktat- und Aminosäurespiegel mit minimalem Fehler ermöglicht [7][2]. Tatsächlich haben Inline-Raman-Sensoren eine bemerkenswerte Genauigkeit gezeigt, mit einem mittleren quadratischen Fehler von 0,41 mM für Tyrosin und 0,24 mM für Tryptophan in komplexen Medien [2]. Diese spektroskopischen Werkzeuge ergänzen automatisierte Probensysteme, indem sie eine schnelle, nicht störende metabolische Analyse bieten.
Automatisierte Systeme erhöhen die Präzision weiter, indem sie Bioreaktoren mit fortschrittlichen Analysegeräten verbinden.Dieses Setup ermöglicht die Echtzeitüberwachung komplexer Nährstoffe wie Aminosäuren und Vitamine, die von Inline-Sensoren derzeit nur schwer genau gemessen werden können [1][2]. Zum Beispiel haben UV-Vis-Absorptionsspektroskopiemodelle R²-Werte von bis zu 0,993 für Zelldichtevorhersagen erreicht, was ihre Zuverlässigkeit demonstriert [7].
Beispiele für Sensorintegration
Zusammenarbeiten zwischen Technologieentwicklern und Forschern haben zu beeindruckenden Fortschritten in der Sensorintegration geführt. Ein solches Beispiel ist die Partnerschaft zwischen Sartorius Stedim Biotech und Tornado Spectral Systems. Sie integrierten einen Raman-Durchflusszellenprototyp in ein Ambr 250 High Throughput Mini-Bioreaktorsystem.Durch die Kombination mit einem BioProfile FLEX2 Analysator von Nova Biomedical für automatisierte Referenzmessungen, entwickelten sie robuste Modelle zur Überwachung von Glukose, Laktat und Glutamin in CHO-Zellkulturen. Diese Einrichtung reduzierte die Zeitspanne zwischen spektralen und Referenzdaten auf nur fünf Minuten, was eine nahezu sofortige Datenkorrelation ermöglichte [8].
"Die Raman-Spektroskopie ist ein gut geeignetes PAT-Werkzeug, um Zellkulturanalytik in-situ zerstörungsfrei zu messen... und liefert strukturelle Informationen über die kovalenten Bindungen der untersuchten Moleküle mit hoher molekularer Spezifität und Robustheit."
– Marek Hoehse, Sartorius Stedim Biotech [8]
Ein weiteres Beispiel stammt von der Technischen Universität Wien, wo Forscher demonstrierten, wie die Sensorintegration die Präzision verbessern kann. Mit einem 3.6 L Bioreaktor, sie verbanden ihn mit einem Thermo Fisher Ultimate 3000 HPLC und einem Roche Cedex Bio HT Analysator über das Numera-System. Diese Einrichtung ermöglichte die Echtzeitüberwachung von 18 Aminosäuren und mehreren Vitaminen, wie Niacinamid, Folsäure, B12 und Riboflavin, während der CHO-Fed-Batch-Kultivierung [2]. Das automatisierte System erzeugte 528 Spektren aus 24 Gefäßen in einem einzigen Durchlauf, wodurch Kosten gesenkt und Zeit im Vergleich zum traditionellen Modellaufbau im Pilotmaßstab gespart wurden [8].
Prozessoptimierung und Qualitätskontrolle
Echtzeit-Prozessanpassungen
Automatisierte Probensysteme überbrücken die Lücke zwischen Laboranalytik und Live-Produktion und ermöglichen den Einsatz von Process Analytical Technology (PAT) in Echtzeit [2].Diese Systeme liefern alle zwei bis drei Stunden Daten und schaffen so einen umfassenden Überblick über den Zellstoffwechsel und die Nährstoffnutzung [2]. Diese hochfrequenten Daten erfassen kinetische Werte und kritische Ereignisse, wie z. B. Laktatverschiebungen, die bei manueller Probenahme oft übersehen werden [2][6].
In Kombination mit Process Information Management Systems (PIMS) können diese Analyseergebnisse automatisch die Fütterungsstrategien nach Bedarf anpassen [2]. Dynamische Algorithmen identifizieren Reaktionsplateaus und ermöglichen rechtzeitige Anpassungen des Prozesses [5]. Diese Fähigkeit ist besonders wertvoll in der Produktion von kultiviertem Fleisch, wo die Aufrechterhaltung eines optimalen Nährstoffgleichgewichts entscheidend für das Erreichen einer hohen Zelldichte und Ausbeute ist.
"Die höhere Abtastfrequenz im Vergleich zur manuellen Probenahme erhöht den generierten Informationsgehalt, was eine einfachere Interpretation des Stoffwechsels ermöglicht... und eine genauere Erkennung von Prozessereignissen."
– Paul Kroll, Business Development Manager, Securecell AG [1]
Ein bemerkenswertes Beispiel stammt aus dem Jahr 2020, als die Technische Universität Wien einen 3,6-Liter-Bioreaktor über das Numera-System mit automatisierten HPLC- und Cedex Bio HT-Analysatoren verband. Diese Einrichtung überwachte 18 Aminosäuren und mehrere Vitamine über 370 Stunden, mit Abweichungen von nur 0,1% bis 3% [2]. Die häufige Datenerfassung ermöglichte es, Reaktionskinetiken zu beobachten, die manuelle Methoden vollständig übersehen hätten.
Vergleich von Vorteilen und Herausforderungen
Hier ist eine Aufschlüsselung der Hauptvorteile und Herausforderungen im Zusammenhang mit automatisierten Probensystemen:
| Merkmal | Vorteile | Herausforderungen |
|---|---|---|
| Präzision & Genauigkeit | Liefert hohe Präzision (1.1% RSD) und eliminiert menschliche Fehler bei der Probenvorbereitung [2] | Erfordert sorgfältige Kalibrierung und Anpassungen für Verdünnungsfaktoren [2] |
| Datenfrequenz | Ermöglicht 8+ Proben täglich, was detaillierte kinetische Modellierung ermöglicht [2] | Hohes Datenvolumen erfordert fortschrittliche Software (PIMS) für das Management [2] |
| Arbeit & Kosten | Reduziert den manuellen Probenahme- und Derivatisierungsaufwand [2] | Hohe Anschaffungskosten für Geräte und komplexe Installation [2][5] |
| Probenvolumen | Verbraucht minimal Medien (<60 µL pro Analyse), wodurch das Reaktorvolumen für längere Läufe erhalten bleibt [6] | Kleine Volumina in Schläuchen können anfällig für Rückstandsbildung und Oberflächenverhältnis-Effekte sein [2] |
| Prozesskontrolle | Ermöglicht Echtzeit-Fütterung und Nährstoffanpassungen [2][3] | Erfordert nahtlose Integration zwischen Probenahmegeräten, Analysatoren und Bioreaktorkontrollern [2] |
Automatisierte Systeme halten nicht nur die Sterilität über 370 Stunden aufrecht, sondern benötigen auch weniger als 60 Mikroliter Medien pro Analyse [2][6].Allerdings müssen Betreiber potenzielle systematische Fehler bei der Flüssigkeitshandhabung angehen, obwohl eine automatisierte Kalibrierung Abweichungen auf bis zu 0,1 % reduzieren kann [2]. Zusätzlich muss die "Push Out Time" (POT) in Filtrationsmodulen möglicherweise basierend auf der lebensfähigen Zelldichte angepasst werden, um eine konsistente Probenabgabe sicherzustellen, während sich der Prozess entwickelt [2].
Diese Strategien verdeutlichen, wie automatisierte Systeme die Produktion von kultiviertem Fleisch von reaktiver Überwachung zu einem proaktiveren, kontrollierten Prozess verschieben und frühere Fortschritte in der Sensortechnologie und Forschung ergänzen.
sbb-itb-ffee270
Cellbase Ressourcen für automatisierte Probensysteme
Verifizierte Lieferantenlisten
Die Plattform hebt auch spezialisierte aseptische Probentools hervor, wie bbi-biotechs bioPROBE.Dieses Werkzeug rühmt sich mit "Sterilität durch Design" und verwendet einen patentierten Gaspolster-Transportmechanismus, um die Bildung von Biofilmen und Verstopfungen zu verhindern [9]. Zusätzlich verfügt
Vereinfachte Beschaffung von Ausrüstung
Über die Präsentation verifizierter Angebote hinaus macht
Für F&E-Teams bieten verifizierte Angebote Lösungen, die sowohl die Probenahme als auch ereignisbasierte Anpassungen automatisieren. Dies ist besonders nützlich für die Verwaltung kleiner Probenvolumina - so wenig wie 0,5 ml - und hilft, den Medienverlust zu minimieren [9][10]. Das Einsparpotenzial an Zeit ist erheblich: Automatisierte Probenahme kann den Arbeitsaufwand um etwa 480 Mannstunden (entspricht 12 Mannwochen) jährlich reduzieren, wenn 1.800 Proben verarbeitet werden, verglichen mit manuellen Methoden [9].Durch die Rationalisierung der Gerätebeschaffung und die Verbesserung der Präzision unterstützt
Fazit
Zusammenfassung und Zukunftsausblick
Automatisierte Probensysteme verändern die Überwachung von Bioprozessen für kultiviertes Fleisch. Durch die direkte Verbindung von Bioreaktoren mit Analysewerkzeugen liefern sie bis zu 12 Mal häufiger hochwertige Daten - alle 2–3 Stunden im Vergleich zum traditionellen Ansatz einmal täglich [1][2]. Diese häufige Datenerfassung ermöglicht ein tieferes Verständnis des Zellstoffwechsels, eine schnellere Identifizierung von Nährstoffmangel und die Berechnung kinetischer Parameter, die für die Optimierung von Fütterungsstrategien entscheidend sind.
Diese Systeme gewährleisten auch über längere Zeiträume Sterilität und liefern hochpräzise Messungen, was sie zu einem Wendepunkt in der Bioprozessierung macht.Mit diesen Vorteilen fest etabliert, ist die Bühne für noch größere Fortschritte bereitet.
Die Zukunft der Produktion von kultiviertem Fleisch bewegt sich in Richtung intelligente Bioproduktion. Dies beinhaltet die Integration von automatisierten Probenahmen mit prädiktiven Modellen und geschlossenen Prozesskontrollen. Solche Fortschritte werden den Fokus von der nachträglichen Datenanalyse auf die Echtzeit-Prozessoptimierung verlagern. Das bedeutet, dass Fütterungsstrategien spontan angepasst werden können, um die Produktionszeit zu verkürzen, eine gleichbleibende Produktqualität zu gewährleisten und die Markteinführungszeit durch kontinuierliche Überwachung kritischer Qualitätsmerkmale zu beschleunigen [2][3]. Für Produzenten werden diese Systeme schnell zu einem Eckpfeiler für wettbewerbsfähige und skalierbare Operationen.
Plattformen wie
(English) Numera PAT: automatisierte Probenahme in der Bioprozessierung
FAQs
Wie verbessern automatisierte Probenahmesysteme die Konsistenz in der Produktion von kultiviertem Fleisch?
Automatisierte Probenahmesysteme spielen eine Schlüsselrolle bei der Sicherstellung der Konsistenz in der Produktion von kultiviertem Fleisch, indem sie die Unvorhersehbarkeit manueller Probenahmen beseitigen. Diese Systeme sind darauf ausgelegt, präzise Probenvolumina in festgelegten Intervallen zu sammeln, was menschliche Fehler reduziert und Einheitlichkeit gewährleistet. Diese stetige und genaue Probenahme bietet Echtzeiteinblicke in Nährstoffe, Metaboliten und Zellgesundheit, was eine bessere Kontrolle über den Produktionsprozess ermöglicht und die Produktqualität verbessert.
Durch die Automatisierung von Aufgaben wie Probenahme, Vorbereitung und Transfer wird die Wahrscheinlichkeit einer Kontamination erheblich reduziert. Außerdem kann die Datenerfassung auch außerhalb der regulären Arbeitszeiten fortgesetzt werden, was einen umfassenderen Überblick über den Produktionsprozess bietet. Diese kontinuierliche Überwachung ermöglicht schnelle Anpassungen von Parametern wie Futter, Temperatur oder anderen kritischen Faktoren, was zu einer gleichbleibenden Chargenqualität und zuverlässigeren Produktionsergebnissen führt. Für diejenigen, die im Bereich der kultivierten Fleischproduktion tätig sind, dient
Wie tragen Sensoren zur Echtzeitüberwachung in der Produktion von kultiviertem Fleisch bei?
Sensoren sind für die Echtzeitüberwachung unerlässlich, da sie kontinuierlich wichtige Prozessparameter (CPPs) wie gelösten Sauerstoff, pH-Wert, Temperatur, Zelldichte und Zellviabilität überwachen.Durch die Bereitstellung von sofortigem Feedback helfen diese Sensoren den Bedienern, Abweichungen schnell zu erkennen, rechtzeitige Anpassungen vorzunehmen und Probleme zu vermeiden, die die Produktqualität beeinträchtigen könnten.
Moderne Technologien wie Nahinfrarot- (NIR) und Raman-Sonden gehen noch einen Schritt weiter, indem sie Nährstoffe wie Glukose und Nebenprodukte wie Laktat in Echtzeit überwachen und so den Bedarf an manuellen Probenahmen reduzieren. Fortschrittliche optische Werkzeuge wie In-situ-Mikroskopie bieten sogar detaillierte Einzelzelldaten zur Morphologie und Lebensfähigkeit. Diese Innovationen sind zentral für Process Analytical Technology (PAT), ermöglichen Automatisierung und gewährleisten eine konsistente Kontrolle in der Produktion von kultiviertem Fleisch.
Plattformen wie
Wie helfen automatisierte Probensysteme, den Arbeitsaufwand in der Bioprozessierung zu reduzieren?
Automatisierte Probensysteme nehmen der Bioprozessierung die schwere Arbeit ab, indem sie Routineaufgaben wie das Entnehmen, Vorbereiten und Liefern von Proben an Analysegeräte übernehmen. Diese Systeme arbeiten nach voreingestellten Zeitplänen und eliminieren die Notwendigkeit, dass Techniker manuell mit Bioreaktoren und Proben interagieren. Das Ergebnis? Weniger repetitive Arbeit, geringere Fehleranfälligkeit und mehr Zeit für qualifiziertes Personal, um sich Aufgaben wie Datenanalyse und Prozessoptimierung zu widmen.
Darüber hinaus ermöglichen diese Systeme viel häufigere Probenahmen - manchmal fast kontinuierlich - im Vergleich zu manuellen Methoden. Dies bedeutet, dass eine Fülle von Daten generiert wird, die eine Echtzeitüberwachung und eine engere Kontrolle über wichtige Parameter ermöglichen. Mit integrierten Datenmanagement-Tools werden Arbeitsabläufe noch reibungsloser, indem Probenmetadaten automatisch organisiert werden, was den Papierkram und die manuelle Dateneingabe reduziert.
Für diejenigen in der kultivierten Fleischindustrie bietet
