Die Spektroskopie bietet eine schnelle und genaue Möglichkeit, Wachstumsmedien in der Produktion von kultiviertem Fleisch zu überwachen. Durch die Echtzeitverfolgung von Nährstoffen wie Glukose und Glutamin hilft sie, das Zellwachstum zu optimieren und die Qualität zu erhalten. Zwei Schlüsselmethoden stechen hervor:
- NIR-Spektroskopie: Arbeitet im Bereich von 780–2.500 nm, ideal zur Verfolgung von Nährstoffen und Metaboliten wie Glukose und Laktat. Sie ist kostengünstig und lässt sich leicht in Bioreaktoren integrieren, kann jedoch durch Wassersignale gestört werden.
- Raman-Spektroskopie: Nutzt inelastische Lichtstreuung, um hochspezifische molekulare Daten bereitzustellen. Sie funktioniert gut in wasserreichen Umgebungen und bietet Präzision für Metaboliten wie Laktat und Glukose, ist jedoch mit höheren Kosten verbunden.
Beide Methoden unterstützen automatisierte Systeme zur Nährstoffzufuhr und Kontaminationsdetektion, verbessern die Effizienz und reduzieren die Risiken manueller Probenahmen.Plattformen wie
NIR-Spektroskopie zur Analyse von Wachstumsmedien
Wie NIR-Spektroskopie funktioniert
Die Nahinfrarot- (NIR-) Spektroskopie arbeitet im Wellenlängenbereich von 780 nm bis 2.500 nm und konzentriert sich auf die Erkennung von Obertönen und Kombinationsbändern fundamentaler molekularer Schwingungen [7]. Dies macht sie besonders effektiv bei der Identifizierung von Bindungen wie C-H, O-H und N-H, die häufig in Molekülen wie Glukose, Aminosäuren und Proteinen vorkommen.
Der Prozess beinhaltet das Durchleuchten des Wachstumsmediums mit NIR-Licht und das Messen, wie viel Licht bei verschiedenen Wellenlängen absorbiert wird. Jedes Molekül erzeugt ein einzigartiges Spektralmuster oder "Fingerabdruck", das Einblicke in die Zusammensetzung des Mediums bietet.Allerdings erfordern die oft überlappenden Spektralbänder fortschrittliche chemometrische Techniken wie die Partial Least Squares Regression, um präzise quantitative Daten zu extrahieren [1].
Einer der herausragenden Vorteile der NIR-Spektroskopie ist, dass sie nicht-invasiv ist. Sonden können direkt in Bioreaktoren über Standard-Ingold-Anschlüsse integriert werden und sind so gebaut, dass sie Sterilisationszyklen (SIP/CIP) standhalten, um sicherzustellen, dass sie den industriellen Hygienestandards entsprechen [10]. Diese Fähigkeit, ohne Unterbrechung des Prozesses zu messen, macht NIR zu einem wertvollen Werkzeug für die Überwachung von Wachstumsmedien.
NIR-Anwendungen in der Überwachung von Wachstumsmedien
NIR-Spektroskopie wird häufig verwendet, um kritische Nährstoffe und Metaboliten wie Glukose, Glutamin, Aminosäuren, Laktat, Ammoniak und die Gesamtzellzahl (TCC) zu verfolgen [6][8].Durch die Bereitstellung von Echtzeitdaten hilft es den Produzenten, Nährstoffmangel frühzeitig zu erkennen, um Auswirkungen auf die Zellviabilität zu verhindern, oder toxische Nebenprodukte zu identifizieren, bevor sie sich ansammeln.
Studien haben die praktischen Vorteile von NIR gezeigt. Zum Beispiel nutzte eine Untersuchung NIR für die Online-Überwachung in einem Rührkessel-Bioreaktor und erreichte Vorhersagefehler von 1,54 mM für Glukose und 0,83 mM für Laktat [8]. Für kultivierte Fleischprozesse, bei denen Zellen auf Mikrokügelchen wachsen, ist eine systemspezifische Kalibrierung aufgrund der durch die Kügelchen verursachten Lichtstreueffekte entscheidend. Forschung bei Sanofi Pasteur wandte erfolgreich NIR an, um Vero-Zellen zu überwachen, die auf Cytodex 1 Mikrokügelchen wuchsen, und erreichte Vorhersagegenauigkeiten von 0,36 g/l für Glukose und 0,29 g/l für Laktat [9]. Diese Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung einer maßgeschneiderten Kalibrierung für verschiedene Systeme.
"Die NIR-Spektroskopie (NIRS) ist ein vielversprechendes alternatives in situ PAT-Werkzeug... das ein Spektrum liefert, das repräsentativ für die 'Signatur' aller in der analysierten Lösung vorhandenen Komponenten ist."
- Annie Marc, Prozessbiochemie [9]
Ein weiterer wachsender Einsatz von NIR ist die Erstellung von "golden batch"-Profilen - Benchmarks, die eine optimale Prozessleistung darstellen. Betreiber können aktuelle Läufe in Echtzeit mit diesen Profilen vergleichen. Forscher der Leibniz Universität Hannover nutzten beispielsweise NIR, um CHO-K01 Zellkultivierungen in einem 7,5-Liter-Bioreaktor zu überwachen. Ihr System erkannte eine bakterielle Kontamination in "Batch 3" nur 30 Stunden nach Beginn des Prozesses, da die NIR-Messwerte die definierten Prozessgrenzen überschritten [4].
Grundlagen der NIR-Spektroskopie – Wie funktioniert die NIR-Spektroskopie?
Raman-Spektroskopie zur Analyse von Wachstumsmedien
Während die NIR-Spektroskopie hervorragend zum Entschlüsseln überlappender Absorptionsbänder geeignet ist, geht die Raman-Spektroskopie einen anderen Weg. Sie nutzt inelastische Lichtstreuung, um in die molekulare Struktur einzutauchen und bietet eine ergänzende Analysemethode.
Wie funktioniert die Raman-Spektroskopie
Die Raman-Spektroskopie funktioniert, indem ein 785 nm Laser auf eine Probe gerichtet wird und die Photonen erfasst werden, die inelastisch streuen. Wenn diese Photonen mit Molekülen interagieren, treten Energieschübe aufgrund von Schwingungsbewegungen auf. Diese Verschiebungen erzeugen einen einzigartigen spektralen "Fingerabdruck", der die molekulare Struktur von Komponenten wie Proteinen, Lipiden, Nukleinsäuren und Zuckern offenbart [12][5].
Der Hauptunterschied zur NIR-Spektroskopie liegt darin, was Raman misst.Anstatt Änderungen des Dipolmoments zu erkennen, konzentriert sich Raman auf Änderungen der Polarisierbarkeit von Molekülbindungen während der Vibration [5]. Dieser Unterschied macht es besonders nützlich für Anwendungen in der kultivierten Fleischproduktion. Warum? Weil Wasser, das das Wachstumsmedium dominiert, für die Raman-Erkennung fast unsichtbar ist. Das bedeutet, dass Raman "durch" das Wasser hindurchsehen kann, um kleine Mengen an Nährstoffen und Metaboliten zu erkennen und so die Interferenzen zu vermeiden, die bei Infrarotmethoden oft problematisch sind [11][12][5].
Die Raman-Spektroskopie erzeugt analytspezifische Signale, die sich nicht mit Wassersignalen überlappen... was sie besonders vorteilhaft für Anwendungen in Zellkulturen macht, wo die Matrix überwiegend wässrig ist.
- Morandise Rubini, Forscher, Universität Tours [12]
Da sich spektrale Bänder jedoch überlappen können, werden häufig fortgeschrittene mathematische Modelle wie Partial Least Squares oder Hauptkomponentenanalyse verwendet, um präzise quantitative Daten aus den scharfen, spezifischen Spektren zu extrahieren [12][13][14].
Raman-Anwendungen in der Überwachung von Wachstumsmedien
Dank ihrer Fähigkeit, detaillierte molekulare Fingerabdrücke zu erzeugen, ist die Raman-Spektroskopie zu einem leistungsstarken Werkzeug für die Inline-Überwachung in Produktionsumgebungen geworden. Als optischer Sensor fungierend, überwacht sie den Nährstoffverbrauch - wie Glukose und Glutamin - und die Produktion von Stoffwechselnebenprodukten, wie Laktat und Ammoniak [14]. Diese Echtzeit-Feedback ermöglicht automatisierte Anpassungen, wie z.B. die Optimierung von Nährstoffzufuhrplänen zur Verbesserung der Effizienz.
Zum Beispiel nutzten Forscher im April 2025 ein Viserion Raman-Spektrometer in fünf 10-Liter-CHO-Zellkulturen und erzielten hochpräzise Vorhersagen (e.g., RMSEP von 0,51 g/l für Glukose) [12]. Ebenso verwendete ein Team im März 2018 am Cell and Gene Therapy Catapult in London ein Inline-Raman-System (Kaiser Optical Systems RamanRxn2™-Analysator), um die Produktion autologer T-Zellen zu überwachen. Sie verfolgten Glukose- (R = 0,987) und Laktatwerte (R = 0,986) mit Präzision und identifizierten spender-spezifische Stoffwechselveränderungen und Proliferationsraten, ohne dass manuelle Probenahmen erforderlich waren [14] .
Neben Nährstoffen und Nebenprodukten überwacht die Raman-Spektroskopie auch die Zellkonzentration, bewertet die Zellviabilität und erkennt potenzielle Gefahren wie Salmonellen oder E. coli. Dies gewährleistet Konsistenz über Chargen hinweg und bietet eine zuverlässige Möglichkeit, Medienkomponenten zu charakterisieren [11][1][14][15].
NIR vs Raman: Welche Methode verwenden
NIR vs Raman Spektroskopie Vergleich für Wachstumsmedienanalyse
Die Entscheidung zwischen NIR und Raman-Spektroskopie hängt von Ihren spezifischen Analyten, Ihrem Budget und der Einrichtung Ihres Systems ab.
Vergleichsfaktoren
Die Raman-Spektroskopie zeichnet sich durch ihre Fähigkeit aus, hochspezifische molekulare Informationen zu liefern.Es erzeugt scharfe, deutliche spektrale "Fingerabdrücke", die es erleichtern, einzelne Verbindungen zu identifizieren. Andererseits erzeugt die NIR-Spektroskopie breite, überlappende Bänder, die fortschrittliche chemometrische Werkzeuge zur Analyse erfordern [1]. Dies macht Raman besonders nützlich für die genaue Verfolgung spezifischer Metaboliten.
Die Wasserabsorption im NIR kann Nährstoffsignale verdecken, während die geringe Empfindlichkeit von Raman gegenüber Wasser eine klarere Erkennung gewährleistet. Allerdings ist Raman nicht ohne Herausforderungen - es kann zu Interferenzen durch Hintergrundfluoreszenz kommen, die durch biologische Verbindungen wie Proteinhydrolysate verursacht wird [1].
Forschungen mit CHO-Zellbioreaktoren haben gezeigt, dass Raman NIR bei der Vorhersage von Glukose, Laktat und Antikörpern übertrifft, während NIR bei Glutamin und Ammoniumionen effektiver ist [2]. Eine im März 2017 durchgeführte Studie von R.C.Rowland-Jones an der Universität Leeds unterstützte weiter die Stärken von Raman und zeigte, dass es zuverlässiger war, um Laktat (RMSECV 1,11 g/L) und Glukose (RMSECV 0,92 g/L) in 15 mL Miniatur-Bioreaktoren zu messen [16] .
Aus Kostensicht sind NIR-Systeme typischerweise erschwinglicher aufgrund ihrer einfacheren Lichtquellen. Raman-Systeme erfordern jedoch fortschrittliche Laser und Detektoren, was sie teurer macht [1].Die folgende Tabelle hebt diese wesentlichen Unterschiede hervor:
| Faktor | NIR-Spektroskopie | Raman-Spektroskopie |
|---|---|---|
| Spezifität | Niedriger; breite, überlappende Bänder [1] | Höher; scharfe molekulare "Fingerabdrücke" [1] |
| Wasserinterferenz | Hoch; starke Wasserabsorption [2] | Niedrig; Wasser ist ein schwacher Streuer [2] |
| Am besten für | Glutamin, Ammonium, Biomasseüberwachung [2] | Glukose, Laktat, Antikörpertiter [2, 19] |
| Kosten | Generell niedriger; einfache Lampen und Optiken [1] | Generell höher; erfordert Laser und Detektoren [1] |
| Weglänge | Länger; passt sich den Behälterwänden an [6] | Kürzer; erfordert eine direkte Proben-Schnittstelle [6] |
| Hauptinterferenz | Physikalische Streuung von Zellen/Partikeln [6] | Hintergrundfluoreszenz von Biomolekülen [2] |
Als Nächstes werden wir untersuchen, wie Spektroskopiedaten zur Echtzeit-Medienoptimierung in der Produktion angewendet werden können.
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Verwendung von Spektroskopiedaten in der Produktion
Echtzeit-Medienoptimierung
Die Spektroskopie verwandelt Rohdaten in umsetzbare Erkenntnisse und optimiert die Nährstoffzufuhr in Produktionsprozessen. Durch die gleichzeitige, nicht-invasive Überwachung von Schlüsselparametern wie Glukose, Laktat, Glutamin und Ammonium wird eine kontinuierliche Optimierung der Kulturen gewährleistet. Beispielsweise löst das System automatisch Nährstoffzufuhren aus, wenn die Glukosewerte unter den idealen Bereich fallen. Dies verhindert Zellverhungern und reduziert das Risiko der Anhäufung toxischer Nebenprodukte [2].
Die Erstellung von "Golden Batch"-Trajektorien aus optimalen Produktionsläufen ermöglicht die frühzeitige Erkennung von Problemen wie Kontamination oder Belüftungsproblemen [4].Moderne Systeme gehen noch weiter - NIR-Spektroskopie kann beispielsweise Nährstoffkonzentrationen mit einer Genauigkeit von 15 % im Vergleich zu traditionellen Referenzmethoden schätzen. In großtechnischen Bioreaktoren mit einem Fassungsvermögen von bis zu 12.500 Litern hat die Hauptkomponentenanalyse von NIR-Daten 96 % der Prozessvariabilität erklärt [17].
Dieser konstante Datenfluss integriert sich nahtlos in Bioreaktorsysteme und ermöglicht eine automatisierte Prozesssteuerung, um Konsistenz und Effizienz aufrechtzuerhalten.
Verbindung von Spektroskopie mit Bioreaktorsystemen
Die Integration der Spektroskopie mit Bioreaktorsystemen hebt Echtzeitdaten auf die nächste Stufe und ermöglicht eine vollständig automatisierte Rückkopplungssteuerung. Eingetauchte Sonden, die Sterilisationszyklen und hohem Druck standhalten können, übermitteln Echtzeitdaten direkt an die Steuerungseinheiten der Bioreaktoren [6].
Eine im September 2018 an der Université de Lorraine durchgeführte Studie verglich in situ Raman- und NIR-Sonden, die parallel in einem 2-Liter-CHO-Zellbioreaktor betrieben wurden. Die Ergebnisse zeigten, dass die Raman-Spektroskopie bei der Erkennung von Glukose und Laktat überlegen war, während NIR effektiver für die Überwachung von Glutamin und Ammonium war. Die Kombination der Stärken beider Methoden bietet die umfassendste Echtzeitüberwachung für die Produktion von kultiviertem Fleisch [2].
Spektroskopiedaten fließen auch in Multivariate Statistical Process Control (MSPC)-Systeme ein, die kontinuierlich laufende Chargen mit etablierten Golden Batch-Standards vergleichen. Dieser Ansatz ermöglicht es den Betreibern, Abweichungen - sei es durch Kontamination, Nährstoffmangel oder Geräteausfälle - innerhalb von Stunden statt Tagen zu erkennen. Das Ergebnis ist eine verbesserte Effizienz und größere Konsistenz in der Produktion [4].
Beschaffung von Spektroskopie-Ausrüstung über Cellbase
Warum Cellbase für Spektroskopie-Ausrüstung verwenden
Die Wahl der richtigen Spektroskopie-Ausrüstung für die Produktion von kultiviertem Fleisch kann sich anfühlen, als würde man ein Labyrinth technischer Details durchqueren. Mit Allzweck-Spektrometern, die Tausende von Konfigurationen bieten [18], ist es leicht, ohne die richtige Expertise überwältigt zu werden.
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Hauptmerkmale von Cellbase für die Beschaffung von Ausrüstung
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Fazit
NIR- und Raman-Spektroskopie spielen eine entscheidende Rolle bei der Verfeinerung der Wachstumsmedien für kultiviertes Fleisch. Diese fortschrittlichen Techniken ermöglichen Echtzeit-, nicht-invasive Überwachung von wichtigen Analyten wie Glukose, Laktat und Ammonium.Dies bedeutet, dass Produktionsteams schnelle Anpassungen vornehmen können, ohne den Prozess zu unterbrechen - ein entscheidender Vorteil, da das Mediendesign eine der größten Herausforderungen bei der Skalierung der Produktion von kultiviertem Fleisch bleibt [16][19].
Jede Methode bringt ihre eigenen Stärken mit sich. NIR-Spektroskopie ist hervorragend geeignet zur Bewertung von Biomasse und Gesamtzusammensetzung, während Raman-Spektroskopie detaillierte Einblicke in spezifische Metaboliten in wässrigen Lösungen bietet [1]. Während Studien mit Miniatur-Bioreaktoren zeigte die Raman-Spektroskopie eine beeindruckende Vorhersagegenauigkeit, was sie zu einer zuverlässigen Wahl für präzise Messungen macht [16] . Beide Techniken unterstützen auch die Entwicklung eines "goldenen Batch"-Profils, das es den Betreibern ermöglicht, Probleme wie bakterielle Kontamination oder Belüftungsprobleme sofort zu erkennen [4].
Bei der Auswahl der richtigen Spektroskopieausrüstung kann der Prozess entmutigend sein. Hier kommt
Professor Alan G. Ryder hebt die Bedeutung dieser Methoden hervor:
Schnelle spektroskopische Methoden können, wenn sie korrekt angewendet werden, für das schnelle und effektive Screening von Zellkulturmedien verwendet werden, um molekulare Unterschiede und potenzielle Probleme bei der Medienherstellung zu identifizieren [1].
FAQs
Welche Vorteile bietet die Spektroskopie in der Produktion von kultiviertem Fleisch?
Spektroskopietechniken wie Nahinfrarot (NIR) und Raman bieten wertvolle Werkzeuge für die kultivierte Fleischindustrie. Sie ermöglichen eine Echtzeit-, nicht-invasive Überwachung des Wachstumsmediums, wodurch es möglich ist, Nährstoffe, Metaboliten und Zelldichte kontinuierlich zu verfolgen - ohne Proben entnehmen oder zusätzliche Reagenzien verwenden zu müssen. Dieses Maß an Überwachung hilft, eine engere Prozesskontrolle aufrechtzuerhalten und Anpassungen der Medienzusammensetzung zu beschleunigen, was entscheidend ist, um eine gleichbleibende Qualität bei der Skalierung der Produktion sicherzustellen.
Diese Methoden sind auch effizient und kostensparend. Mit einer einzigen Messung können sie mehrere Komponenten gleichzeitig analysieren - wie Aminosäuren, Zucker und Lipide - und somit die Notwendigkeit separater chemischer Tests eliminieren. Dies reduziert sowohl Arbeits- als auch Materialkosten und liefert Daten, die zur Verbesserung von Vorhersagemodellen beitragen können, was zur Standardisierung der Qualität und zur Verringerung der Variabilität zwischen Chargen beiträgt.
Ein weiterer Vorteil ist, wie einfach sich die Spektroskopie in automatisierte Systeme integrieren lässt. Beispielsweise können NIR-Sonden direkt in Bioreaktoren installiert werden, um kontinuierliche Daten zu liefern, die automatisierte Anpassungen kritischer Parameter wie Zufuhrraten oder Temperatur ermöglichen. Für diejenigen, die spezialisierte Ausrüstung benötigen,
Was sind die Hauptunterschiede zwischen NIR- und Raman-Spektroskopie bei der Analyse von Wachstumsmedien in der Produktion von kultiviertem Fleisch?
Die Nahinfrarot- (NIR) Spektroskopie eignet sich perfekt für schnelle, nicht-invasive Überwachung der Gesamtzusammensetzung von Wachstumsmedien.Seine Fähigkeit, eine Online- oder Inline-Kontrolle bereitzustellen, bedeutet, dass es Echtzeitdaten liefern kann, die den Produzenten helfen, während des Produktionsprozesses sofortige Anpassungen vorzunehmen.
Andererseits bietet die Raman-Spektroskopie einen präzisen molekularen Fingerabdruck, was sie zu einer e
Warum ist die Echtzeitüberwachung von Wachstumsmedien für die Produktion von kultiviertem Fleisch wichtig?
Die Echtzeitüberwachung spielt eine Schlüsselrolle dabei, das Wachstumsmedium für die Produktion von kultiviertem Fleisch genau richtig zu halten. Durch die genaue Beobachtung von Nährstoffen, Metaboliten und Zellgesundheit können Produzenten die Bedingungen schnell anpassen, um ein gleichmäßiges Zellwachstum zu gewährleisten und die Qualität des Endprodukts zu verbessern.
Diese praktische Methode eliminiert die Wartezeit, die mit herkömmlichen Offline-Tests verbunden ist, was zu besseren Erträgen und weniger Abfall führt. Sie stellt auch sicher, dass Ressourcen effektiver genutzt werden, was den Produktionsprozess optimiert und die Zuverlässigkeit erhöht.
