Los sistemas de muestreo automatizados están transformando cómo se monitorean los bioprocesos, especialmente en la producción de carne cultivada. Estos sistemas ofrecen datos frecuentes, precisos y en tiempo real sobre factores críticos como los niveles de nutrientes, metabolitos y la salud celular, algo que el muestreo manual no puede igualar. Al funcionar cada 2-3 horas, en comparación con una vez al día manualmente, proporcionan una imagen más clara de los cambios metabólicos, ayudando a prevenir errores de producción costosos.
Los puntos clave incluyen:
- Eficiencia: Los ciclos de muestreo, análisis y limpieza toman menos de 15 minutos.
- Esterilidad: Los sistemas mantienen la esterilidad por más de 370 horas, reduciendo los riesgos de contaminación.
- Precisión: Las mediciones de glucosa se desvían solo un 1.1%, con el análisis de aminoácidos ofreciendo información casi en tiempo real.
- Ahorro de mano de obra: Minimiza la intervención manual, liberando al personal para otras tareas.
- Aplicaciones: Mejora la consistencia y escalabilidad en la producción de carne cultivada.
Estos sistemas se integran perfectamente con herramientas avanzadas como HPLC y espectroscopía Raman, permitiendo un monitoreo preciso de nutrientes y ajustes en tiempo real del proceso. Como resultado, apoyan un mejor control de calidad, reducen la variabilidad y mejoran los flujos de trabajo de producción.
Sistemas de Muestreo Manual vs Automatizado: Comparación de Rendimiento en Bioprocesos
Investigación sobre Tecnologías de Muestreo Automatizado
Métodos y Enfoques de Investigación
Los avances recientes en tecnologías de muestreo automatizado han refinado significativamente su aplicación en la producción de carne cultivada. Estos estudios se centran en integrar sistemas de muestreo automatizado con herramientas analíticas mientras se mantiene la esterilidad durante todo el proceso.Normalmente, los investigadores combinan muestreadores automáticos con métodos establecidos como HPLC y electroforesis capilar para monitorear metabolitos complejos que los sensores en línea a menudo tienen dificultades para medir con precisión.
En mayo de 2020, un equipo de la Universidad Tecnológica de Viena investigó el sistema Numera de Securecell AG, utilizando el software Lucullus PIMS durante el cultivo en lote alimentado de CHO. Monitorearon 18 aminoácidos junto con los niveles de producto IgG, manteniendo la esterilidad durante un impresionante 370 horas de operación continua [2]. Los ajustes en la configuración del sistema, como el "Tiempo de Expulsión", se volvieron cruciales a medida que aumentaba la densidad celular [2].
De manera similar, en agosto de 2017, Rosanne M.Guijt de la Universidad de Tasmania empleó Electroforesis Capilar de Inyección Secuencial (SI-CE) para monitorear cinco cultivos de suspensión paralelos de células Jurkat. Durante cuatro días, el sistema realizó 96 ensayos por cultivo, con cada separación electroforética tomando solo 12 minutos. Notablemente, requirió solo 5.78 mL por matraz (menos de 60 µL por análisis), haciéndolo ideal para el cribado de alto rendimiento sin reducir significativamente los volúmenes de cultivo [6]. Estos métodos precisos y sistemáticos preparan el escenario para obtener conocimientos más profundos sobre los datos de rendimiento.
Resultados del Estudio y Datos de Rendimiento
Los hallazgos de estos estudios subrayan la eficiencia y precisión de los sistemas de muestreo automatizados. Por ejemplo, el equipo de Viena logró una desviación estándar relativa del 1.1% para las mediciones de glucosa.Además, los errores sistemáticos causados por la dilución de muestras fueron corregidos para reducir las desviaciones a tan solo 0.1% a 3% de los valores reales [2]. Este nivel de precisión es muy superior a lo que típicamente ofrece el muestreo manual.
La frecuencia de muestreo es otra ventaja crítica. Mientras que el muestreo manual a menudo se limita a una vez al día, los sistemas automatizados pueden muestrear 8 a 24 veces al día, capturando cambios metabólicos que de otro modo podrían pasar desapercibidos. En el estudio de Viena, el análisis de aminoácidos se completó con un retraso de 45 minutos desde la recolección de la muestra, proporcionando información casi en tiempo real sobre el agotamiento de nutrientes [2].
El estudio de Tasmania destacó otro beneficio clave: al normalizar los datos de lactato contra las mediciones de densidad celular en tiempo real, los investigadores pudieron diferenciar los efectos farmacológicos de compuestos como la rotenona y el clioquinol de los simples cambios de biomasa [6]. Este nivel de granularidad sería casi imposible de lograr con el muestreo manual tradicional, donde los puntos de datos infrecuentes a menudo oscurecen patrones metabólicos críticos.
Tecnología de Sensores para el Monitoreo de Medios
Tipos de Sensores y Herramientas Analíticas
La tecnología de sensores juega un papel clave en el refinamiento del monitoreo de medios en tiempo real, especialmente en la producción de carne cultivada. Se emplean varios sensores para vigilar de cerca la composición del medio y la salud celular.Por ejemplo, los sensores estándar en línea miden continuamente pH, temperatura y oxígeno disuelto, asegurando que las condiciones permanezcan ideales para el crecimiento celular [7]. Cuando se trata de medir la densidad celular viable, las sondas de capacitancia son la única solución en línea disponible comercialmente. Estas sondas utilizan un campo eléctrico para detectar células vivas, ya que las membranas celulares intactas actúan como pequeños capacitores, distinguiendo las células vivas de las muertas y los desechos [7].
Los sensores espectroscópicos ofrecen una forma no invasiva de rastrear la actividad metabólica. Por ejemplo, la espectroscopía UV–vis analiza la absorción y dispersión de la luz (200–740 nm) para estimar la densidad celular e identificar ácidos nucleicos de células dañadas [7].La espectroscopía de fluorescencia monitorea fluoróforos naturales como NADH, NADPH y triptófano, proporcionando valiosos conocimientos en tiempo real sobre el estado metabólico del cultivo sin interferir con el proceso [7]. Mientras tanto, la espectroscopía Raman genera una huella molecular del medio, permitiendo un seguimiento preciso de los niveles de glucosa, lactato y aminoácidos con un error mínimo [7][2]. De hecho, los sensores Raman en línea han demostrado una precisión notable, con un error cuadrático medio de 0.41 mM para tirosina y 0.24 mM para triptófano en medios complejos [2]. Estas herramientas espectroscópicas complementan los sistemas de muestreo automatizados al ofrecer un análisis metabólico rápido y no disruptivo.
Los sistemas automatizados mejoran aún más la precisión al conectar biorreactores con analizadores avanzados.Este sistema permite la monitorización en tiempo real de nutrientes complejos como aminoácidos y vitaminas, que los sensores en línea actualmente tienen dificultades para medir con precisión [1][2]. Por ejemplo, los modelos de espectroscopía de absorción UV-vis han alcanzado valores de R² tan altos como 0.993 para predicciones de densidad celular, demostrando su fiabilidad [7].
Ejemplos de Integración de Sensores
Las colaboraciones entre desarrolladores de tecnología e investigadores han llevado a avances impresionantes en la integración de sensores. Un ejemplo de ello es la asociación entre Sartorius Stedim Biotech y Tornado Spectral Systems. Incorporaron un prototipo de celda de flujo Raman en un sistema de mini biorreactor de alto rendimiento Ambr 250.Al emparejarlo con un analizador BioProfile FLEX2 de Nova Biomedical para mediciones de referencia automatizadas, crearon modelos robustos para rastrear glucosa, lactato y glutamina en cultivos celulares CHO. Esta configuración redujo el intervalo de tiempo entre los datos espectrales y de referencia a solo cinco minutos, permitiendo una correlación de datos casi instantánea [8].
"La espectroscopía Raman es una herramienta PAT bien adaptada para medir no destructivamente los analitos de cultivos celulares in-situ... proporcionando información estructural sobre los enlaces covalentes de las moléculas interrogadas con alta especificidad molecular y robustez."
– Marek Hoehse, Sartorius Stedim Biotech [8]
Otro ejemplo proviene de la Universidad Tecnológica de Viena, donde los investigadores demostraron cómo la integración de sensores puede mejorar la precisión. Usando un 3.6 L biorreactor, lo conectaron a un Thermo Fisher Ultimate 3000 HPLC y un Roche Cedex Bio HT analizador a través del sistema Numera. Esta configuración permitió el monitoreo en tiempo real de 18 aminoácidos y varias vitaminas, como niacinamida, ácido fólico, B12 y riboflavina, durante el cultivo fed-batch de CHO [2]. El sistema automatizado produjo 528 espectros de 24 recipientes en una sola ejecución, reduciendo costos y ahorrando tiempo en comparación con la construcción de modelos a escala piloto tradicional [8].
Optimización de Procesos y Control de Calidad
Ajustes de Proceso en Tiempo Real
Los sistemas de muestreo automatizados cierran la brecha entre la analítica de laboratorio y la producción en vivo, permitiendo el uso de Tecnología Analítica de Procesos (PAT) en tiempo real [2].Estos sistemas proporcionan datos cada dos a tres horas, creando una visión integral del metabolismo celular y el uso de nutrientes [2]. Estos datos de alta frecuencia capturan valores cinéticos y eventos críticos, como cambios en el lactato, que a menudo se pasan por alto con el muestreo manual [2][6].
Cuando se combinan con Process Information Management Systems (PIMS), estos resultados analíticos pueden ajustar automáticamente las estrategias de alimentación según sea necesario [2]. Los algoritmos dinámicos identifican mesetas de reacción, permitiendo modificaciones oportunas al proceso [5]. Esta capacidad es especialmente valiosa en la producción de carne cultivada, donde mantener un equilibrio óptimo de nutrientes es crucial para lograr una alta densidad celular y rendimiento.
"La mayor frecuencia de muestreo en comparación con el muestreo manual aumenta el contenido de información generado, lo que permite una interpretación más fácil del metabolismo... y una detección más precisa de los eventos del proceso."
– Paul Kroll, Gerente de Desarrollo de Negocios, Securecell AG [1]
Un ejemplo notable proviene de 2020, cuando la Universidad Tecnológica de Viena conectó un biorreactor de 3.6 litros a analizadores automáticos HPLC y Cedex Bio HT a través del sistema Numera. Esta configuración monitoreó 18 aminoácidos y múltiples vitaminas durante 370 horas, con desviaciones tan bajas como 0.1% a 3% [2]. La recolección frecuente de datos hizo posible observar cinéticas de reacción que los métodos manuales habrían pasado por alto por completo.
htmlComparación de Beneficios y Desafíos
A continuación se presenta un desglose de las principales ventajas y desafíos asociados con los sistemas de muestreo automatizados:
| Característica | Ventajas | Desafíos |
|---|---|---|
| Precisión &y Exactitud | Ofrece alta precisión (1. 1% RSD) y elimina el error humano en la preparación de muestras [2] | Requiere calibración meticulosa y ajustes para factores de dilución [2] |
| Frecuencia de Datos | Permite más de 8 muestras diarias, habilitando un modelado cinético detallado [2] | El alto volumen de datos requiere software avanzado (PIMS) para la gestión [2] |
| Trabajo &y Costo | Reduce la carga de trabajo de muestreo manual y derivatización [2] | Altos costos iniciales de equipo e instalación compleja [2][5] |
| Volumen de Muestra | Consume un mínimo de medio (<60 µL por análisis), preservando el volumen del reactor para corridas más largas [6] | Los pequeños volúmenes en los tubos pueden ser propensos a la acumulación de residuos y efectos de relación de superficie [2] |
| Control de Procesos | Facilita la alimentación en tiempo real y los ajustes de nutrientes [2][3] | Exige una integración perfecta entre muestreadores, analizadores y controladores de biorreactores [2] |
Los sistemas automatizados no solo mantienen la esterilidad por más de 370 horas, sino que también requieren menos de 60 microlitros de medio por análisis [2][6].Sin embargo, los operadores deben abordar los posibles errores sistemáticos en el manejo de líquidos, aunque la calibración automatizada puede reducir las desviaciones a tan solo 0.1% [2]. Además, el "Tiempo de Expulsión" (POT) en los módulos de filtración puede necesitar ajustes basados en la densidad celular viable para asegurar una entrega de muestras consistente a medida que el proceso evoluciona [2].
Estas estrategias destacan cómo los sistemas automatizados transforman la producción de carne cultivada de un monitoreo reactivo a un proceso más proactivo y controlado, complementando los avances anteriores en tecnología de sensores e investigación.
sbb-itb-ffee270
Cellbase Recursos para Sistemas de Muestreo Automatizado
Listados de Proveedores Verificados
La plataforma también destaca herramientas especializadas de muestreo aséptico, como el bioPROBE de bbi-biotech.Esta herramienta cuenta con "esterilidad por diseño", empleando un mecanismo de transporte con cojín de gas patentado para prevenir la formación de biopelículas y obstrucciones [9]. Además,
Adquisición Simplificada de Equipos
Más allá de mostrar listados verificados,
Para los equipos de I&D, las listas verificadas ofrecen soluciones que automatizan tanto el muestreo como los ajustes basados en eventos. Esto es especialmente útil para gestionar volúmenes de muestra pequeños - tan solo 0.5 ml - ayudando a minimizar la pérdida de medios [9][10]. El potencial de ahorro de tiempo es significativo: el muestreo automatizado puede reducir las demandas de mano de obra en aproximadamente 480 horas-hombre (equivalente a 12 semanas-hombre) anualmente al procesar 1,800 muestras, en comparación con los métodos manuales [9].Al simplificar la adquisición de equipos y mejorar la precisión,
Conclusión
Resumen y Perspectivas Futuras
Los sistemas de muestreo automatizados están transformando cómo se monitorean los bioprocesos de carne cultivada. Al vincular directamente los biorreactores con herramientas analíticas, proporcionan datos de alta calidad hasta 12 veces más a menudo - cada 2–3 horas en comparación con el enfoque tradicional de una vez al día [1][2]. Esta recolección de datos frecuente permite una comprensión más profunda del metabolismo celular, una identificación más rápida del agotamiento de nutrientes y el cálculo de parámetros cinéticos críticos para optimizar las estrategias de alimentación.
Estos sistemas también mantienen la esterilidad por períodos más largos y ofrecen mediciones altamente precisas, convirtiéndolos en un cambio de juego en el bioprocesamiento.Con estas ventajas firmemente establecidas, el escenario está preparado para avances aún mayores.
El futuro de la producción de carne cultivada se dirige hacia la biomanufactura inteligente. Esto implica integrar el muestreo automatizado con modelos predictivos y controles de proceso en bucle cerrado. Tales avances cambiarán el enfoque de analizar datos después del hecho a la optimización del proceso en tiempo real. Esto significa que las estrategias de alimentación se pueden ajustar sobre la marcha, reduciendo el tiempo de producción, asegurando una calidad de producto consistente y acelerando el tiempo de comercialización mediante el monitoreo continuo de atributos críticos de calidad [2][3]. Para los productores, estos sistemas se están convirtiendo rápidamente en una piedra angular para operaciones competitivas y escalables.
Plataformas como
(English) Numera PAT: muestreo automatizado en bioprocesamiento
Preguntas Frecuentes
¿Cómo mejoran los sistemas de muestreo automatizado la consistencia en la producción de carne cultivada?
Los sistemas de muestreo automatizado desempeñan un papel clave en garantizar la consistencia en la producción de carne cultivada al eliminar la imprevisibilidad asociada al muestreo manual. Estos sistemas están diseñados para recoger volúmenes de muestra precisos en intervalos programados, lo que reduce el error humano y asegura la uniformidad. Este muestreo constante y preciso proporciona información en tiempo real sobre nutrientes, metabolitos y salud celular, lo que permite un mejor control sobre el proceso de producción y mejora la calidad del producto.
Al automatizar tareas como el muestreo, la preparación y la transferencia, las posibilidades de contaminación se reducen significativamente. Además, la recopilación de datos puede continuar incluso fuera del horario laboral estándar, ofreciendo una visión más completa del proceso de producción. Este monitoreo continuo permite ajustes rápidos a parámetros como la alimentación, la temperatura u otros factores críticos, resultando en una calidad de lote consistente y resultados de producción más confiables. Para aquellos que trabajan en el sector de la carne cultivada,
¿Cómo contribuyen los sensores al monitoreo en tiempo real en la producción de carne cultivada?
Los sensores son esenciales para el monitoreo en tiempo real, ya que rastrean continuamente parámetros clave del proceso (CPPs) como el oxígeno disuelto, el pH, la temperatura, la densidad celular y la viabilidad celular.Al proporcionar retroalimentación instantánea, estos sensores ayudan a los operadores a detectar desviaciones rápidamente, realizar ajustes oportunos y evitar problemas que podrían comprometer la calidad del producto.
Tecnologías modernas, como las sondas de infrarrojo cercano (NIR) y Raman, llevan esto un paso más allá al monitorear nutrientes como la glucosa y subproductos como el lactato en tiempo real, reduciendo la necesidad de muestreo manual. Herramientas ópticas avanzadas, como la microscopía in-situ, incluso ofrecen datos detallados de una sola célula sobre morfología y viabilidad. Estas innovaciones son centrales para Tecnología Analítica de Procesos (PAT), permitiendo la automatización y asegurando un control consistente en la producción de carne cultivada.
Plataformas como
¿Cómo ayudan los sistemas de muestreo automatizados a reducir la mano de obra en el bioprocesamiento?
Los sistemas de muestreo automatizados eliminan el trabajo pesado del bioprocesamiento al manejar tareas rutinarias como extraer, preparar y entregar muestras a los instrumentos analíticos. Operando en horarios preestablecidos, estos sistemas eliminan la necesidad de que los técnicos interactúen manualmente con los biorreactores y las muestras. ¿El resultado? Menos trabajo repetitivo, menos posibilidades de error humano y más tiempo para que el personal calificado se dedique a tareas como el análisis de datos y la mejora de procesos.
Además, estos sistemas permiten un muestreo mucho más frecuente - a veces casi continuo - en comparación con los métodos manuales. Esto significa que se genera una gran cantidad de datos, lo que permite un monitoreo en tiempo real y un control más estricto sobre los parámetros clave. Con herramientas de gestión de datos integradas, los flujos de trabajo se vuelven aún más fluidos al organizar automáticamente los metadatos de las muestras, reduciendo el papeleo y la entrada manual de datos.
Para aquellos en la industria de la carne cultivada,
