Jos minun pitäisi tiivistää tämä artikkeli yhteen kohtaan, se olisi tämä: bioreaktorin mittakaavassa yksittäinen monitorointi ei enää riitä. Kun siirrytään pienistä penkkialuksista eteenpäin, sekoittuminen hidastuu, gradientit muodostuvat, anturien viiveellä on enemmän merkitystä ja ajautuminen voi vaarantaa koko ajon. Joissakin kokoonpanoissa integroitu PAT on laskenut poikkeamariskit alle 2% ja lyhentänyt erän käsittelyaikaa jopa 30%.
Jos työskentelet viljellyn lihan R&D:ssä, bioprosessitekniikassa tai skaalaamisessa, keskittyisin ensin neljään asiaan:
- Ydinohjausanturit: lämpötila, pH, DO, liuennut CO2, paine, vaahto, taso ja virtaus
- Prosessitilan työkalut: Raman ja NIR spektroskopia ravinteille ja metaboliiteille
- Biomassatyökalut: OD/sameus, kapasitanssi, poistokaasu ja online-metaboliittianalysaattorit
- Skaalaustarkistukset: anturin sijoittelu, vasteviive, likaantuminen, ajautuminen, porttirajoitukset ja ohjausjärjestelmän sopivuus
Artikkelin pääviesti on yksinkertainen: anturin valinta on ohjauspäätös, ei vain laitepäätös. Järjestely, joka toimii ~3 L voi epäonnistua 15 L, 1,000 L, tai yli, koska astia ei enää käyttäydy yhtenä sekoitettuna vyöhykkeenä.
Anturit bioreaktoreissa
Tehokas skaalaus vaatii edistyneiden antureiden ja valvontajärjestelmien integroimista tarkan ympäristön hallinnan ylläpitämiseksi.
sbb-itb-ffee270
Nopea vertailu
| Seurantakerros | Päätehtävä | Tyypilliset työkalut | Mikä muuttuu mittakaavassa |
|---|---|---|---|
| Ydinvalvonta | Pidä kulttuuriolosuhteet alueella | Lämpötila, pH, DO, dCO2, paine, vaahto, taso, virtaus | Gradientit, viive ja anturin sijainti merkitsevät enemmän |
| Koostumus | Seuraa ravinteita ja sivutuotteita | NIR, Raman | Mallin siirto ja anturin sijainti rajoittavat enemmän |
| Biomassa/elinkelpoisuus | Seuraa kasvua ja eläviä soluja | OD, sameus ja kapasitanssi | Likaisuus, mikrokantajat ja näytteenoton viiveet merkitsevät enemmän |
| Hengitys/metabolia | Seuraa kysyntää ja hävikkiä reaaliajassa | Poistokaasu, online-metaboliittianalysaattorit, pehmeät sensorit | Syötön ja kaasun hallinnan on oltava tiiviimmin yhteydessä reaaliaikaisiin tietoihin |
Lukisin loput artikkelista oppaana, joka auttaa rakentamaan valvontajärjestelmän, joka vastaa solubiologiaa, astian kokoa ja ohjauslogiikkaa - ja tarkistaisin sitten, että bioreaktori, portit ja ohjelmisto voivat todella tukea sitä.
Mitä muuttuu, kun valvonta on skaalattava bioreaktorin kanssa
Bioreaktorin valvontapino: Laboratorio vs. pilotti/tuotantomittakaava
Noin 3 L, sekoitus on yleensä tarpeeksi nopeaa, jotta yksi anturi voi edustaa koko astiaa. Kun siirrytään 15 L tai enemmän, se alkaa hajota. Sekoitus kestää kauemmin, ja säiliössä voi esiintyä jyrkkiä gradientteja liuennut happi, pH ja ravinnepitoisuus. Joten yhdessä paikassa oleva anturi ei välttämättä vastaa sitä, mitä solut kokevat muualla bioreaktorissa [2].
Anturin viiveestä tulee myös suurempi ongelma mittakaavassa. Jos ohjausjärjestelmä lisää pH-puskuria tai lisää spargausta, anturi ei raportoi muutosta heti. Pienessä astiassa viive on usein tarpeeksi pieni, jotta sen voi jättää huomiotta.Suuremmassa astiassa ohjaimen liike voi olla liian pitkä, mikä johtaa värähtelyihin ennen kuin järjestelmä asettuu. Solut tuntevat tämän epävakauden ensimmäisenä [2]. Kun tilavuus kasvaa, hapensiirto, leikkaus ja vasteaika voivat kaikki muuttaa tapaa, jolla prosessi käyttäytyy suuressa mittakaavassa.
Yksi ensimmäisistä pullonkauloista, joka ilmenee, on usein hapensiirto. Suuremmissa työtilavuuksissa hapensiirron ylläpitäminen vaikeutuu, mikä lisää hapenpuutteen ja solujen elinkelpoisuuden heikkenemisen riskiä [3]. Samanaikaisesti elävien metaboliittien, kuten glukoosin, laktaatin ja ammoniakin, seuranta on tärkeämpää, koska ravinnegradientit ja sivutuotteiden kertyminen voivat ilmetä nopeammin suuremmissa astioissa [2] . Viljellyn lihan prosesseissa tämä voi vaikuttaa kasvuun, elinkelpoisuuteen ja lopputuotteen laatuun.
Drifti lisää toisen riskikerroksen.Pitkät ajot - usein useita viikkoja pilotti- ja tuotantomittakaavassa - antavat in-situ-antureille enemmän aikaa siirtyä kalibroidusta lähtötasostaan. Penkkimittakaavassa ajelehtiva anturi voi vaikuttaa yhteen pieneen erään. Tuotantomittakaavassa sama ongelma voi vaarantaa koko ajon [2].
| Parametri | Laboratoriomittakaava (≈3 L) | Pilotti/tuotantomittakaava (≥15 L) |
|---|---|---|
| Sekoittumisen tasaisuus | Nopea; lähes välitön homogeenisuus | Hitaampi; gradientteja muodostuu astian sisällä |
| Anturin viive | Vähäinen | Merkittävä; riski hallinnan heilahteluille |
| Anturin sijoittelu | Vähemmän kriittinen | Erittäin kriittinen; kuolleet alueet merkitsevät enemmän |
| Driftin seuraukset | Pienempi vaikutus; pienemmät erät | Suuri vaikutus; koko suurten erien riski |
| Seurannan monimutkaisuus | Yksinkertainen; usein luottaa yksipisteantureihin | Monimutkainen; saattaa vaatia moniparametrisia in-situ-työkaluja |
Nämä mittakaavavaikutukset määrittävät, mitkä anturit ovat tärkeimpiä ja mihin niiden tulee sijoittua.Seurantaohjelmat on validoitava uudelleen, kun volyymi kasvaa; 3 L toimivat anturijärjestelyt tarvitsevat usein lisämittauspisteitä tai erilaisia anturityyppejä suuremmassa mittakaavassa [2] [3].
1. Cellbase
Mittakaavan kasvattaminen vaatii myös selkeän polun seurantahardwareen, joka toimii prosessin ja muun ohjausjärjestelmän kanssa.
Tiimit voivat selata suoraan prosessinseurantaan liittyviä kategorioita, mukaan lukien elektrokemialliset ja optiset anturit, PAT-instrumentit, kuten lähi-infrapuna- ja Raman-spektroskopiajärjestelmät, sekä kapasitanssianturit elävien solujen tiheyden mittaamiseen.
Kun hankinta on hoidettu, seuraava vaihe on antureiden valinta, jotka pitävät jokaisen keskeisen muuttujan oikealla alueella.
2. Lämpötila-anturit
Lämpötila on keskeinen kriittinen prosessiparametri bioreaktoreissa. Viljellyssä lihassa jopa pienet muutokset voivat vaikuttaa kasvuun, aineenvaihduntaan ja tuotteen laatuun. Kun työskentelytilavuus kasvaa, yksi lämpötilalukema voi peittää paikalliset gradientit. Suuremmassa mittakaavassa ongelmana ei ole vain lämpötilan mittaaminen. On varmistettava, että lämpötila on tasainen koko astiassa.
Parametrin kattavuus
Lämpötila-anturit mittaavat astian lämpötilaa. Astian mittaamiseen käytä Pt100 tai Pt1000 RTD:tä. Ne antavat tarvittavan tarkkuuden bioprosessinohjaukseen. Pidä termoelementit apulaitteissa, joissa laajempi käyttöalue on tärkeämpi kuin tiukka tarkkuus.
Reaaliaikainen tai automatisoitu datan saatavuus
Lämpötila-anturit lähettävät jatkuvaa signaalia bioprosessinohjausohjelmistoon. joka tukee hälytyksiä, trendianalyysiä ja automaattisia takki- tai jäähdytysmuutoksia. Lämpötilakäyrät tallennetaan myös sähköisiin erärekistereihin, mikä auttaa poikkeamien käsittelyssä, mallin rakentamisessa ja prosessin karakterisoinnissa skaalausvaiheessa.
Skaalausohjauksen arvo
Skaalassa suurempi lämpökuorma ja pienempi pinta-ala-tilavuus-suhde tekevät lämpötilagradientit todennäköisemmiksi. Monipisteinen mittaus insinööriajojen aikana on skaalausvalidointityökalu, ei pelkästään instrumentointipäätös. Se voi paljastaa kuumia tai viileitä alueita, jotka yksi anturi jättää huomaamatta.Kun lämpötila on hallinnassa, pH ja liuenneen hapen pitoisuus ovat yleensä seuraavat rajoitukset, joita on valvottava.
Yhteensopivuus viljellyn lihan bioprosessien kanssa
Materiaalien on kestettävä sterilointia ja pidettävä liukenevat aineet alhaisina. Kertakäyttöiset vs uudelleenkäytettävät bioreaktorit, sensoristrategia eroaa. Kertakäyttöisissä järjestelmissä käytetään esikalibroituja kertakäyttöisiä antureita tai pussiin integroitavia antureita. Uudelleenkäytettävissä järjestelmissä kalibrointi tarkistetaan jäljitettävään viitteeseen määritellyin väliajoin. Anturin sopivuus ja kalibrointi tulisi lukita ennen siirtymistä seuraavaan anturityyppiin.
3. pH-anturit
Lämpötilan jälkeen pH on yleensä seuraava parametri, joka on lukittava. Viljellyn lihan bioprosessoinnissa se on myös yksi tiukimmin valvotuista muuttujista. Useimmat viljelmät toimivat pH 6,8–7,4, ja jopa lyhyt poikkeama voi muuttaa solujen kasvua ja erilaistumista. Kontrollivyöhykkeet ovat usein vain ±0,05–0.1 pH-yksikköä. Siirry tämän ikkunan ulkopuolelle, ja voit häiritä lisääntymistä, muuttaa erilaistumispolkuja ja muuttaa lopputuotteen laatua.
Parametrin kattavuus
Käytä elektrokemiallisia lasiyhdistelmäelektrodeja pH 6,0–8,0 alueella. Tässä sovelluksessa haluat ±0,01–0,02 pH-yksikön tarkkuuden, 30–60 sekunnin vasteajan , ja sisäänrakennetun lämpötilakompensaation. Yli kymmenen päivän pituisissa ajoissa anturin ajautuminen voi saavuttaa 0,1–0,2 pH-yksikköä . Siksi kaksipistekalibrointi ennen jokaista kampanjaa on standardi, ja kesken ajon offline-viite tarkistukset ovat mahdollisia.
Inline- tai automaattinen tietojen saatavuus
Jatkuvien pH-tietojen tulisi syöttää SCADA/DCS-järjestelmään, jotta voit suorittaa suljetun silmukan happo/emäs ja CO₂-ohjauksen. Lisää hälytyksiä, kuolleita alueita ja nopeusrajoituksia paikallisten pH-piikkien välttämiseksi.Mutta on yksi mutta: ohjaussilmukka on vain niin hyvä kuin mittaus. Jos anturi ei lue bulkkiliemen olosuhteita, ohjain toimii väärän signaalin perusteella.
Skaalausohjausarvo
Tuotantomittakaavassa - 1 000 L ja enemmän - pH voi muuttua 0,3–0,4 yksikköä astian sisällä. Tämä tekee anturin sijoittelusta ja PID-virityksestä erittäin tärkeän. Pidä anturit poissa ilmastimista ja syöttöaukoista, joissa paikallinen pH voi näyttää täysin erilaiselta kuin muualla säiliössä.
Varhaisissa skaalauskokeissa on hyödyllistä verrata linjassa olevia lukemia offline-näytteisiin, jotka on otettu useista astian paikoista. Tämä antaa sinulle kartan pH-gradientista bioreaktorin sisällä. Sen perusteella voit säätää anturin sijaintia ja virittää ohjainta sen perusteella, mitä astia todellisuudessa tekee, ei sen perusteella, mitä toivoit sen tekevän.
Yhteensopivuus viljellyn lihan bioprosessien kanssa
Anturin valinta on yhtä tärkeää kuin ohjausstrategia.Viljeltyjen lihamedioiden käyttö voi ajan myötä tukkia lasikalvot ja referenssiliitokset. Kun näin tapahtuu, drift lisääntyy ja anturin käyttöikä lyhenee. Tarkista, puhdista ja vaihda anturit ennen kuin niistä tulee ongelma.
Yhden käyttökerran bioreaktorijärjestelmissä, esikalibroidut optiset pH-laastarit voivat helpottaa elämää. Nämä laastarit ovat gammasäteilysteriloituja ja rakennettu pussin seinämään, joten höyrysterilointia tai puhdistusta ei tarvita. Vaihtokauppana on tarkkuus: ne ovat yleensä ±0,05–0,1 pH-yksikön tarkkuudella, mikä on hieman alhaisempi kuin standardilasielektrodeilla.
Perfusio- tai korkean solutiheyden asetelmissa kannattaa harkita sisäänvedettäviä koteloita, koska niiden avulla voit vaihtaa antureita rikkomatta steriiliyttä. Ja kaikissa elintarvikelaatuisissa toiminnoissa kalibrointitiedot, huoltolokit ja offline-varmennustiedot tulisi pitää ajan tasalla.
4. Liuenneen hapen anturit
Kun pH on hallinnassa, liuennut happi on usein seuraava pullonkaula. Happi ei liukene hyvin viljelyväliaineeseen, ja DO:n pitäminen vakaana vaikeutuu bioreaktorin tilavuuden kasvaessa.
Parametrin kattavuus
Korkean tiheyden perfuusiokäytöissä solupitoisuudet voivat saavuttaa 2,0 × 10^7 - 7,0 × 10^7 solua/ml käytettäessä suorituskykyisiä primaarisia lihassoluja, ja hapenkulutus kasvaa nopeasti[5] . Tässä vaiheessa tärkein skaalausmittari on k_La. Se mitataan yleensä dynaamisella menetelmällä: poista happi typellä ja seuraa palautumista, kun ilmastus alkaa uudelleen[5].
Reaaliaikainen tai automaattinen datan saatavuus
Reaaliaikaiset DO-anturit lähettävät jatkuvia lukemia automaattisille tuotantojärjestelmille. Tämä järjestelmä voi suorittaa DO-kaskadin pitääkseen asetusarvon, yleensä lisäämällä ensin sekoitusta, sitten ilmavirtausta ja lopuksi puhtaan hapen injektiota[4]. Nämä reaaliaikaiset lukemat ovat se, mikä saa kaskadin toimimaan. Anturin vasteaika on myös tärkeä. Jos anturi viivästyy, myös ohjauspiiri viivästyy. Modernit optiset anturit käsittelevät tätä yleensä paremmin kuin polarografiset anturit[5] .
Skaalausohjauksen arvo
Tämä on syy, miksi anturin vakaus on yhtä tärkeää kuin hapensiirto. Suurissa bioreaktoreissa voi muodostua vähähappisia alueita kaukana juoksupyörästä. Reaaliaikainen DO-data osoittaa, milloin hapen saanti ei enää vastaa solujen kysyntää, ennen kuin näet kasvun tai aineenvaihdunnan poikkeaman[5].
Yhteensopivuus viljellyn lihan bioprosessien kanssa
Viljellyn lihan kohdalla tätä kompromissia on vaikea sivuuttaa. Solut ovat leikkausherkkiä, joten et voi vain lisätä sekoitusta saadaksesi enemmän happea sisään[4][5]. DO-anturit antavat reaaliaikaista palautetta vähimmäissekoituksesta, joka tarvitaan pysymään alueella.
Optiset, fluoresenssipohjaiset anturit ovat tulossa suositummaksi vaihtoehdoksi polarografisille antureille, koska ne tarjoavat paremman vakauden, nopeamman vasteen ja vähemmän huoltoa. Sen sijaan polarografiset anturit saattavat tarvita kalvon vaihtoa joka neljästä kahdeksaan viikkoon[4]. Ravinteikkaissa järjestelmissä likaantumista estävät anturisuojat tai säännölliset puhdistusjaksot voivat myös vähentää biomassan kertymistä anturin pinnalle ja auttaa pitämään lukemat luotettavina[4].
5.Dissolved CO2 -anturit
CO2 on aineenvaihdunnan sivutuote, ja sen poistaminen vaikeutuu bioreaktorien kasvaessa. Tämä tarkoittaa, että dCO₂ voi alkaa ajautua ennen kuin operaattorit huomaavat ongelman muiden prosessisignaalien kautta.
Parametrien kattavuus
Nämä anturit mittaavat liuenneen CO2:n pitoisuutta viljelyliemessä. Kun dCO₂ nousee, se voi vaikuttaa pH-arvoon ja lisätä solujen stressiä, joten tämä ei ole lukema, jonka haluat jättää huomiotta kojelaudalla. Käytitpä sitten pöytäbioreaktoreita tutkimus- ja kehitystyöhön tai suurempia astioita, nämä tiedot on syötettävä suoraan ohjauslogiikkaan. Se on syötettävä suoraan ohjauslogiikkaan.
Kaksi yleistä anturityyppiä käytetään täällä. Severinghaus-tyyppiset elektrokemialliset anturit päättelevät dCO₂:n pH-muutoksesta CO2-läpäisevän kalvon yli. Optiset tai fluoresoivat anturit käyttävät CO2-herkkiä väriaineita signaalin tuottamiseen.Eri laitteistovalinnat tuovat mukanaan erilaisia ylläpito- ja driftiprofiileja, mutta tehtävä on sama: seurata liuennutta CO2:ta riittävän tarkasti prosessinohjauksen tukemiseksi.
Reaaliaikainen tai automatisoitu datan saatavuus
Reaaliaikaiset ja in-situ-asennukset mahdollistavat jatkuvan mittauksen ilman manuaalista näytteenottoa, mikä on koko pointti dynaamisessa viljelyssä. Ohjausjärjestelmässä dCO₂-signaalin tulisi tehdä muutakin kuin kirjata tietoja. Sen tulisi laukaista hälytyksiä ja säätää kaasuttamista tai poistoa, kun prosessi ylittää asetetut rajat.
Yksinkertaisesti sanottuna, dCO₂ on suora syöte kaasunsiirron ohjaukseen, ei itsenäinen mittari.
Skaalausohjauksen arvo
Kun pilottimittakaavan järjestelmät kasvavat tilavuudeltaan, CO2:n poisto tehostuu vähemmän. Pidemmät diffuusiopolut, pienempi pinta-ala-tilavuus-suhde ja muutokset sekoituskäyttäytymisessä voivat kaikki johtaa dCO₂-gradientteihin astiassa. Tässä kohtaa reaaliaikainen mittaus alkaa ansaita paikkansa.
Jos voit nähdä dCO₂:n liikkeen reaaliajassa, voit havaita ne gradientit ennen kuin ne alkavat vaikuttaa elinkelpoisuuteen tai erän johdonmukaisuuteen. Skaalaustyössä tuo varhainen varoitus on tärkeä. Säiliö voi näyttää hyvältä pH:n tai liuenneen hapen osalta, kun paikallinen CO2:n kertyminen jo rasittaa soluja.
Yhteensopivuus viljellyn lihan bioprosessien kanssa
Viljellyn lihan osalta dCO₂-antureiden on säilytettävä kalibrointi ravinteikkaassa väliaineessa, käsiteltävä aseptista toimintaa ja yhdistettävä puhtaasti ohjausalustaan. Tämä ohjauskerros liittyy myös paine-, vaahto- ja tasosignaaleihin, sillä kaikki kolme voivat vaikuttaa kaasun poistoon prosessin seuraavassa vaiheessa.
6. Paine-, vaahto- ja tasoanturit
Liuenneen CO2:n jälkeen seuraava ohjauskerros on paine, vaahto ja taso. Nämä signaalit muokkaavat kaasunvaihtoa, steriiliyttä ja tilavuustasapainoa.Käytännössä paine-, vaahto- ja tasoanturit auttavat pitämään vastapaineen vakaana, estämään vaahdon kulkeutumisen ja pitämään syöttö- ja sadonkorjuumäärät oikeina.
Parametrien kattavuus
Paine seuraa vastapainetta ja kaasutasapainoa. Nestetaso seuraa syöttö-, sadonkorjuu- ja perfuusiomäärää. Vaahtoanturi liittyy suoraan prosessin vakauteen. Jos vaahtoa kertyy, se voi häiritä kaasunvaihtoa, tukkia tuuletusaukkoja ja lisätä kontaminaatioriskiä, jos se saavuttaa ylätilan tai poistosuodattimet.
Paineenhallinta vaikuttaa myös strippauksen ja spargauksen tehokkuuteen, joten tämä anturisarja liittyy suoraan edellisissä osioissa käsiteltyyn CO2- ja liuenneen hapen hallintaan. Yhdessä nämä signaalit tukevat yhtä ohjausstrategiaa kaasun virtaukselle, vaahdon tukahduttamiselle ja tilavuuden tasapainolle.[6]
Reaaliaikainen tai automaattinen tiedon saatavuus
Nämä anturit asennetaan linjaan tai integroidaan pussiin, jolloin ne ovat jatkuvassa kosketuksessa bioreaktorin sisällön kanssa. Suuremmilla työskentelytilavuuksilla nämä muuttujat voivat muuttua nopeammin kuin operaattori voi korjata käsin. Kun ne on yhdistetty ohjausohjelmistoon, ne voivat laukaista nopeita automaattisia toimintoja, kuten kaasun virtausnopeuden, sekoitusnopeuden tai pumppunopeuksien muuttamisen reaaliajassa. [6]
Skaalausohjauksen arvo
Skaalassa nämä signaalit auttavat estämään ylivuotoa, vähentämään vaahtoon liittyvää kontaminaatioriskiä ja pitämään kaasunsiirron ja nestekäsittelyn määritellyissä rajoissa. [6]
Yhteensopivuus viljellyn lihan bioprosessien kanssa
Tasotiedot tukevat syötteen lisäyksiä, sadonkorjuun ajoitusta ja perfuusiotasapainoa, mikä tekee siitä suoran syötteen fed-batch- ja perfuusiokontrolliin viljellyn lihan prosesseissa. Paine- ja vaahtosignaalit ovat yhtä tärkeitä. Yhdessä ne sulkevat silmukan kaasun virtauksessa, vaahdon hallinnassa ja tilavuustasapainossa, ja syöttävät sitten koko ohjausjärjestelmään, jossa hälytykset ja automaattiset toiminnot pitävät astian vakaana.
7. Virtausmittarit
Paineen, vaahdon ja tason jälkeen seuraava tarkistettava asia on kuinka nopeasti media-, kaasu- ja sadonkorjuuvirrat liikkuvat.
Virtausmittarit mittaavat nesteen ja kaasun virtausnopeuksia bioreaktorijärjestelmän. läpi. Paine, vaahto ja taso kertovat, mitä astiassa tapahtuu. Virtausmittarit kertovat kuinka paljon menee sisään, kuinka paljon tulee ulos ja kuinka nopeasti.
Parametrin kattavuus
Virtausmittarit mittaavat väliaineen, kaasun ja sadon liikkumisnopeutta järjestelmän läpi. Se kuulostaa yksinkertaiselta, mutta sillä on suuri merkitys käytännössä. Jos syötön virtaus muuttuu, perfuusiotasapaino muuttuu. Jos sadon virtaus muuttuu, viipymäaika ja solujen pidätys voivat muuttua sen mukana.
Suoran virtauksen mittauksen lisäksi virtausjakajat voivat ohjata näytevirtoja online-analysaattoreihin. Tämä tukee reaalinaikaista titterin ja keskeisten metaboliittien mittausta.[7]
In-line tai automatisoitu datan saatavuus
Automaattiset näytteenottimet ja virtausjakajat voivat yhdistää bioreaktorin online-analysaattoreihin keskeyttämättä viljelmää. Toisin sanoen, voit kerätä dataa pysäyttämättä prosessia tai avaamatta järjestelmää.
Tämä on tärkeintä jatkuvissa prosesseissa, joissa virtausdatan on tuettava suljetun kierron ohjausta.Jos prosessi on käynnissä pitkään, pienet virheet virtauksessa eivät pysy pieninä pitkään.
Skaalausohjausarvo
Viljellyn lihan skaalaamisessa virtausmittarit tukevat syöttönopeuden hallintaa, perfuusiotasapainoa ja sadonkorjuun ajoitusta pidempien ajanjaksojen aikana. Tämä auttaa suunnittelun mukaisessa laadunhallinnassa pitämällä virtaus, näytteenotto ja syöttönopeudet hallintarajojen sisällä.
Yksinkertaisesti sanottuna, virtausmittaus sijoittuu astian tilan ja prosessin toiminnan väliin. Se yhdistää bioreaktorin toiminnan seuraavaan kerrokseen online-analyysia ja -ohjausta.
Yhteensopivuus viljellyn lihan bioprosessien kanssa
Viljellyn lihan skaalaamisessa tarkka virtausmittaus median, perfuusion ja sadonkorjuun virroissa auttaa pitämään pidemmät ajot vakaina. Tämä on erityisen hyödyllistä, kun useiden virtojen on pysyttävä linjassa ajan myötä, ei vain yhdessä ajankohdassa.
Virtauksen jakaminen mahdollistaa yhden virtauksen syöttämisen useille analysaattoreille samanaikaisesti, yhdistäen aluksen olosuhteet suoraan ohjauspinoon.[7]
8. Lähi-infrapunaspektroskopia
Siinä missä virtausmittarit näyttävät liikettä, NIR näyttää nestemäisen vaiheen koostumuksen.
NIR-spektroskopia mittaa liemen koostumusta reaaliajassa ilman manuaalista näytteenottoa.
Parametrien kattavuus
NIR lukee yläsäveliä, yhdistelmänauhoja ja sirontaa liemessä [8]. Se ei mittaa pitoisuutta suoraan. Sen sijaan se päättelee pitoisuudet monimuuttujakalibrointimallien avulla, jotka on koulutettu vertailudatan perusteella. Käytännössä tämä tarkoittaa, että yksi NIR-virta voi seurata biomassaa, substraatteja ja metaboliitteja samanaikaisesti [8][9][10] .
Suuri etu pitkille juoksuille on mallin pitkäikäisyys. Eräässä tapauksessa kalibrointimallit säilyttivät tarkkuutensa jopa 274 päivää kalibroinnin jälkeen [9]. Tämä on tärkeää laajennetuissa skaalauskampanjoissa, joissa mallien usein tapahtuva uudelleenrakentaminen voi muodostua taakaksi.
Reaaliaikainen tai automatisoitu datan saatavuus
NIR voidaan ottaa käyttöön in situ steriloitavilla kuituoptisilla upotettavilla antureilla tai ex situ lasiastioiden seinämien tai läpivirtauslenkkien kautta [8][10]. In situ anturit tarjoavat suoran reaaliaikaisen lukeman, mutta niiden on kestettävä paikallaan tapahtuva sterilointi (SIP). Ex situ järjestelmät lasiseinillä ovat helpompia ylläpitää, vaikka ne voivat vääristää lukemaa, jos seinän lähellä oleva neste ei vastaa pääliemen koostumusta [8].
Kuituoptisille antureille on parasta keskittää signaalin hankinta ensimmäisen ja toisen yliovertonealueen ympärille. Kuitukaapelit voivat lisätä kohinaa yli 2,100 nm yhdistelmäalueella [8] .
Skaalausohjausarvo
Kun astian tilavuus kasvaa, NIR tarjoaa jatkuvan näkymän prosessin kulkuun, mikä tukee automaattista ohjausta ja prosessin optimointia [8] [9]. Kuitenkin anturin sijoittelu on tärkeää. Suurissa astioissa sekoitusgradientit ja keskipakoisvoimat voivat vääristää biomassalukemia, jos anturi on liian lähellä seinää. Bioreaktorin koon kasvaessa anturin sijainti tulisi tarkistaa näytteenoton teorian (TOS) mukaisesti [8].
Tämä tekee NIR:stä hyödyllisen linkin prosessinohjauksen ja molekyylispesifisen spektroskopian välillä.
Yhteensopivuus viljellyn lihan bioprosessien kanssa
NIR sopii hyvin nisäkässoluviljelmiin, joita käytetään viljellyn lihan tuotannossa. Se voi seurata ravinteiden ottoa ja sivutuotteiden kertymistä samanaikaisesti. Glutamiini on keskeinen substraatti, ja ammoniakki on yleinen estävä sivutuote, joten molempien seuraaminen reaaliajassa on hyödyllistä [2][10].
Biomassan seuranta välillä 1–60 g/L on osoitettu [8], mikä kattaa tiheysalueet, jotka ovat tärkeitä viljellyn lihan laajentamisessa.
NIR yhdistyy myös hyvin kaasuanalyysin ja Raman-spektroskopian kanssa. Kaasuanalyysidata auttaa hahmottamaan metabolista tilaa, kun taas Raman lisää kemiallista tarkkuutta. Raman-spektroskopia kattaa seuraavan kerroksen kemiallisesta yksityiskohdasta.
9. Raman-spektroskopia
Siinä missä NIR näyttää laajan prosessiliikkeen, Raman antaa tarkempaa kemiallista yksityiskohtaa.
Parametrin kattavuus
Raman tarjoaa paremman kemiallisen spesifisyyden kuin NIR ja voi seurata glukoosia, glutamiinia, laktaattia, ammoniakkia, glutamaattia, solujen kokonaismäärää ja elinkelpoisten solujen määrää yhdellä in-line-lukemalla [2]. Se voi myös valvoa prosessin laatuominaisuuksia, kuten glykosylaatiota ja titteriä [11] .
Tyypilliset havaitsemisrajat ovat 0,20–0,46 g/L glukoosille ja laktaatille [11] . Monimutkaisissa väliaineissa fluoresenssi voi häiritä. Tämä on erityisen merkityksellistä käytettäessä erikoistuneita perusväliaine-formulointeja. Näissä tapauksissa aikaporttinen Raman auttaa vähentämään väliaineen fluoresenssihäiriöitä [11] .
Inline tai automaattinen datan saatavuus
Ramania käytetään in situ upotusanturien kautta, jotka on sijoitettu suoraan bioreaktorin väliaineeseen. Spektrilähtö yhdistetään sitten analyyttien pitoisuuteen käyttäen PLS-malleja [2].
Skaalausohjauksen arvo
Yksi Ramanin tärkeimmistä vahvuuksista skaalausvaiheessa on mallinsiirto . Tutkijat University College Dublinissa rakensivat PLS-malleja 3 L bioreaktoreissa ja siirsivät ne sitten 15 L pilottimittakaavan bioreaktoriin glukoosin, glutamiinin, laktaatin, ammoniakin, glutamaatin ja solutiheyden reaaliaikaista seurantaa varten [2]. Kuusi seitsemästä analyyttimallista siirrettiin, kun taas VCD osoitti vaihtelevaa siirrettävyyttä mittakaavojen välillä [2].
Sillä on merkitystä käytännössä.Voit rakentaa malleja penkkitasolla, sitten tarkistaa ne pilottitasolla samalla kun skaalaat solulinjoja bioreaktoriviljelyä varten ennen kuin asetat ne ohjausstrategiaan. Jos siirto pitää, Raman antaa sinulle varhaisen varoituksen ennen kuin glukoosin ehtyminen tai laktaatin ja ammoniakin kertyminen alkaa heikentää erän suorituskykyä. Tästä syystä se sopii hyvin ravinteiden hallintaan. Biomassan ja suspensiotilan seuranta voi sitten toimia toisena kerroksena.
Yhteensopivuus viljellyn lihan bioprosessien kanssa
Raman seuraa sekä substraatin ehtymistä että sivutuotteiden kertymistä, mikä auttaa havaitsemaan aineenvaihdunnan stressin aikaisin [11] [2]. Tämä profiili sopii hyvin viljellyn lihan soluviljelyyn, jossa syötön tila ja jätteen kertyminen voivat nopeasti muuttaa solujen käyttäytymistä.Kulttuurin täydellisemmän näkymän saamiseksi yhdistä Raman optiseen tiheyteen ja sameusantureihin.
10. Optinen Tiheys ja Sameusanturit
Kun Raman antaa sinulle kemiallisen koostumuksen, OD ja sameus lisäävät biomassan näkymän seurantapinoon.
Parametrikattavuus
Molemmat anturityypit mittaavat, miten valo käyttäytyy solususpensiossa. OD-anturit seuraavat valon vaimenemista - yksinkertaisesti sanottuna, kuinka paljon valoa pääsee kulttuurin läpi - ja muuntavat sen signaaliksi, joka vastaa offline-spektrofotometriaa. Sameusanturit mittaavat hajavaloa tietyssä kulmassa, mikä auttaa seuraamaan suspendoituneiden hiukkasten määrää ja liemen kirkkautta.[12]
Ne ovat molemmat optisia välillisiä mittauksia, joten signaali sisältää kaiken, mikä vaikuttaa valoon: elinkelpoiset solut, kuolleet solut, mikrokantajat ja jätteet.[13] Tämä tekee niistä hyödyllisiä biomassatrendien seuraamiseen, kasvunopeuden muutosten havaitsemiseen, aggregaation alkamisen merkitsemiseen ja kontaminaatiotapahtumien tunnistamiseen. Se tarkoittaa myös, että ne ovat vähemmän hyödyllisiä, kun sinun täytyy erottaa elinkelpoisuus kokonais solumäärästä. Jos elinkelpoisuus on tärkeää, yhdistä ne kapasitanssiantureihin tai offline-tarkistuksiin.
| Ominaisuus | OD-anturit | Samentuma-anturit |
|---|---|---|
| Ensisijainen signaali | Valon vaimeneminen/absorptio-tyylinen proxy | Valon sironta suspendoituneista hiukkasista |
| Paras käyttö | Kasvutrendien seuranta ja biomassan valvonta | Kirkkauden ja hiukkaskuorman valvonta |
| Pääasiallinen rajoitus | Tulkinta vaihtelee viljelyolosuhteiden mukaan | Vaikuttaa kuplat, roskat ja aggregaatit |
Reaaliaikainen tai automaattinen datan saatavuus
Nämä anturit kytkeytyvät suoraan bioreaktorin ohjausjärjestelmään analogisten (4–20 mA) tai digitaalisten protokollien, kuten Modbus tai Profibus, kautta, jolloin data saapuu muutaman sekunnin tai minuutin välein.[12] Tämä live stream voidaan integroida SCADA-järjestelmiin tai valmistuksen ohjausalustoihin, jolloin operaattorit voivat asettaa hälytyksiä kasvun poikkeamille sen sijaan, että odottaisivat manuaalisia näytteitä.
On myös käytännöllinen etu, joka on usein tärkeämpi kuin ihmiset odottavat: automaattinen kirjaaminen helpottaa kasvukäyrien vertailua penkki-, pilotti- ja tuotantomittakaavassa ilman manuaalista kopiointia. Kun rakennat skaalausdatan joukkoja, se säästää aikaa ja vähentää vältettävissä olevia käsittelyvirheitä.[12]
Skaalauksen ohjausarvo
Skaalassa biomassa ei ole vain jotain, mitä tarkkaillaan. Siitä tulee elävä ohjausmuuttuja.
Glukoosin, aminohappojen tai kasvutekijöiden syöttönopeuksia voidaan säätää reaaliajassa nykyisen kasvuvaiheen perusteella. Sadonkorjuun ajoitus, väliaineen vaihto tai erilaistumiskytkimet voidaan myös laukaista, kun OD tai sameus saavuttaa asetetun kynnyksen. [12]
Yhtä hyödyllistä on se, mitä signaali osoittaa, kun prosessi alkaa poiketa. Jos OD nousee odotettua hitaammin pilottimittakaavassa, vaikka kylvötiheys ja kasvatusalusta vastaavat penkkitasoa, tämä ero voi viitata sekoitusrajoituksiin, ravinnegradientteihin tai hapensiirtorajoituksiin. Nämä eivät ole pieniä ongelmia, ja niiden havaitseminen pelkästään jaksottaisen näytteenoton avulla vie usein paljon kauemmin.[12] Tämä varhaisvaroitusrooli on suuri syy siihen, miksi nämä anturit pysyvät skaalauspinossa.
Yhteensopivuus viljellyn lihan bioprosessien kanssa
Viljellyn lihan osalta OD- ja sameusanturit sopivat hyvin suspensio- ja mikrokantajapohjaisiin viljelmiin, mutta ne tarvitsevat huolellista kalibrointia kullekin prosessiasetukselle. Mikrokantajajärjestelmissä signaali heijastaa sekä soluja että kantajia, joten kalibrointikäyrien on otettava huomioon mikrokantajakuorma ja optiset ominaisuudet.[12] Sijoittelu on myös tärkeää. Anturit tulisi asentaa hyvin sekoitettuihin alueisiin ja pitää poissa juoksupyöristä ja spargereista, joissa kuplat voivat lisätä signaaliin kohinaa.[12]
Kemiallisesti määritellyt ja seerumittomat väliaineet auttavat usein antamalla puhtaamman signaalitaustan. Siitä huolimatta jotkin lisäaineet, väri-indikaattorit tai kasvutekijät voivat silti siirtää lähtötasoa, joten kalibrointi offline-solulaskentojen tai DNA-pitoisuuden perusteella on tarpeen jokaiselle solulinjalle ja väliaineyhdistelmälle.[12] Tiimeille, jotka hankkivat antureita näille prosessimuodoille,
Elinkelpoisuuden ja elävien solujen seurannan osalta seuraava kerros on kapasitanssi.
11.Kapasitanssi- ja dielektrisyysspektroskopiatunnistimet
Jos OD ja sameus kertovat sinulle kokonaisbiomassan , kapasitanssi kertoo, kuinka paljon siitä biomassasta on vielä elossa.
Parametrikattavuus
Kapasitanssitunnistimet havaitsevat elinkelpoiset solut mittaamalla, kuinka ehjät kalvot polarisoituvat vaihtovirrassa. Solut, joilla on ehjät plasmamembraanit, varastoivat varausta ja lisäävät väliaineen permittiivisyyttä. Kuolleet tai vaurioituneet solut eivät voi tehdä sitä, joten ne eivät lisää signaalia. Käytännössä tulos antaa suoran, reaaliaikaisen lukeman elinkelpoisen solutilavuuden (VCV) tai elinkelpoisen solutiheyden (VCD). Siksi kapasitanssi on optisten menetelmien rinnalla eikä korvaa niitä.
Monitaajuusskannaus noin 0,1–20 MHz auttaa erottamaan muutokset väliaineen johtavuudessa solusignaalista.Se on tärkeää keskittyneiden ravinnebolusruokintojen aikana tai pH:n säätämisen jälkeen, kun liemen kemia voi muuttua nopeasti. Sama skannaus voi myös tuottaa Cole-Cole-parametreja, jotka voivat antaa lisätietoa solujen koosta ja kalvon kunnosta erilaistumisen aikana.
Reaaliaikainen tai automatisoitu tietojen saatavuus
Kapasitanssianturit kytkeytyvät suoraan bioreaktorin ohjausjärjestelmiin ja tarjoavat jatkuvan signaalin. Tämä tekee niistä hyvän valinnan automatisoidulle ruokinnan ohjaukselle, joka perustuu viljelmän todelliseen kasvuvaiheeseen, ei vain ennalta asetettuun aikatauluun.
Ne ovat myös hyödyllisiä havaittaessa siirtymiä viive-, eksponentiaali- ja stationaarivaiheiden välillä. Jos yrität saavuttaa erilaistumiskytkimen tai sadonkorjuuikkunan oikeaan aikaan, ajoitus on tärkeää.
Skaalausohjauksen arvo
Pilotti- tai tuotantomittakaavassa, offline-elinkelpoisuuden näytteenotto on hidasta ja jättää aukkoja kuvaan. Kapasitanssi täyttää nämä aukot.
Tämä on erityisen hyödyllistä perfuusiossa. Perfusiokampanjat kestävät pitkään, ja jokainen manuaalinen näyte lisää kontaminaatioriskiä, kun portti avataan. Jatkuvasti toimiva kapasitanssiprobe poistaa tämän toistuvan altistuksen samalla kun se näyttää elävän biomassan reaaliajassa.
Yksi huomio: pitkäkestoisissa ajoissa biofouling voi muodostua ongelmaksi. Proteiinit ja solujätteet voivat kerääntyä elektrodin pinnalle ja aiheuttaa signaalin siirtymää. Kertakäyttöiset kapasitanssianturit, nyt myydään valmiiksi integroituna bioreaktoripusseihin, mikä auttaa tässä poistamalla puhdistus- ja sterilointivaiheen erien välillä ja vähentämällä likaantumisesta johtuvaa siirtymää.
Yhteensopivuus viljellyn lihan bioprosessien kanssa
Kapasitanssi käsittelee yleensä mikrokantajakulttuureja paremmin kuin optiset menetelmät, koska se lukee elinkelpoisia kalvoja eikä hajavaloa.Silti, korkeissa mikrokantajapitoisuuksissa kantajat voivat fyysisesti häiritä sähköistä kenttää. Joten tarvitset edelleen kalibroinnin, joka on sovitettu mikrokantajatyypille ja kuormitukselle.
Aggregaateille ja sfääreille dielektrinen spektroskopia antaa suoremman lukeman kokonaiskelpoisesta tilavuudesta kuin optiset anturit.
Kun otetaan käyttöön uusi solulinja - esimerkiksi naudan tai sian myosyytit - tavallinen käytäntö on ensin kalibroida anturi soluttomassa väliaineessa. Syynä on yksinkertainen: viljellyn lihan väliaineen ionivahvuus voi siirtää aloitusdielektristä signaalia melko paljon. Se auttaa myös vertaamaan varhaisia kapasitanssitietoja offline-metabolisiin lukemiin, kuten glukoosi ja laktaatti. Tämä ristivertailu osoittaa, seuraako VCV-signaali todellista kasvuvaihetta ennen kuin tiimi alkaa käyttää sitä automaattiseen ohjaukseen.
Tuo elinkelpoisuussignaali sopii hyvin yhteen myös kaasunpoistoanalyysin kanssa, joka osoittaa, näkyykö biomassan kasvu myös aineenvaihdunnassa.
12. Kaasunpoisto- ja online-metaboliittianalysaattorit
Biomassan ja elinkelpoisuuden jälkeen kaasunpoisto- ja metaboliittianalysaattorit kertovat jotain suorempaa: tukeeko viljelmä edelleen kasvua vai alkaako se ajautua? Yhdessä nämä työkalut osoittavat, miten hengitys, ravinteiden väheneminen ja jätteen kertyminen muuttuvat reaaliajassa.
Parametrien kattavuus
Kaasunpoistoanalyysit mittaavat hiilidioksidin kehitysnopeutta (CER) ja hapenkulutusnopeutta (OUR) poistovirrasta, useimmiten massaspektrometrian avulla [14]. Online-metaboliittianalysaattorit seuraavat keskeisiä ravinteita, kuten glukoosia ja glutamiinia, sekä jätelajeja, kuten laktaattia, ammoniakkia ja glutamaattia.Käytännössä glukoosi, glutamiini, laktaatti ja ammoniakki ovat tärkeimmät reaaliaikaiset merkkiaineet syöttötilanteelle ja jätteen kertymiselle.
Nämä lukemat ovat paljon hyödyllisempiä, kun ne ovat samassa ohjauskerroksessa lämpötilan, pH:n ja liuenneen hapen kanssa. Poistokaasudata osoittaa hengityksen tarpeen. Verkkometaboliittidata osoittaa, onko ravinteiden ja jätteen tasapaino edelleen alueella.
Inline- tai automaattinen datan saatavuus
Modernit entsymaattiset anturit tukevat nyt jatkuvaa inline-metaboliittien seurantaa [6]. Poistokaasujen seuranta on jatkuvaa suunnittelultaan, koska se ottaa näytteitä poistovirrasta, mikä tekee siitä käytännöllisen reaaliaikaisen hengitysdatan lähteen [14].
Skaalauksen ohjausarvo
Reaaliaikainen kaasu- ja metaboliittidata voi tukea suljetun kierron ohjausta ilmavirtaukselle, sekoitukselle ja syöttönopeudelle, kun viljelmän tarve muuttuu [6]. Sillä on merkitystä laajassa mittakaavassa.Glukoosin lasku, laktaatin nousu tai muutos hengitystoiminnassa voi kehittyä nopeasti, ja nämä signaalit antavat operaattoreille mahdollisuuden reagoida ennen kuin prosessi poikkeaa liikaa tavoitteesta.
"Prosessointivirheet voidaan havaita niiden tapahtuessa ja lieventää ennen kuin niistä tulee katastrofaalisia." - Christopher Kistler, Fellow Scientist, Catalent Biologics [6]
Mallipohjaiset pehmeät sensorit voivat myös arvioida biomassaa, kun suora mittaus on vaikeaa, mukaan lukien kiinteän petin bioreaktoreissa [6].
Yhteensopivuus viljellyn lihan bioprosessien kanssa
Adherenttien soluviljelmien osalta viljellyn lihan tuotannossa kiinteän petin bioreaktorit voivat hyötyä glukoosin ja laktaatin inline-seurannasta, erityisesti kun tavoitteena on ylläpitää vakaa ravintoympäristö perfuusion aikana [6]. Sensorivalinta on myös tärkeä, kun arvioidaan kertakäyttöisiä vs uudelleenkäytettäviä järjestelmiä. Tiimien on varmistettava, että anturit pysyvät tarkkoina steriloinnin jälkeen, mukaan lukien gammasäteilytys tai röntgensterilointi [6].
Pussiin integroidut anturit vähentävät käsittelyvaiheita ja auttavat suojaamaan steriiliyttä. Yhdessä käytettynä kaasunpoisto- ja metaboliittisignaalit muuttavat astian tilan sellaiseksi, johon operaattorit voivat reagoida, eivät vain seurata.
Kuinka työkalut toimivat yhdessä koko valvontapinon läpi
Mikään yksittäinen anturi ei voi kertoa kaikkea, mitä bioreaktorin sisällä tapahtuu. Lämpötila, pH, liuennut happi, paine ja virtaus ovat prosessinohjauksen selkäranka, mutta ne näyttävät vain osan kuvasta. Ne auttavat pitämään prosessin vakaana. Ne eivät yksinään kuvaa biologian koko tilaa tai kriittisiä laatuominaisuuksia.
Pino toimii, koska kukin kerros täyttää muiden jättämiä aukkoja.Laajassa mittakaavassa tämä seikka on vaikea sivuuttaa: nämä työkalut eivät toimi parhaiten itsenäisinä laitteina. Ne toimivat järjestelmänä.
Hyödyllinen tapa jäsentää pino on neljässä kerroksessa. Ydintason inline-ohjausanturit kattavat lämpötilan, pH:n, liuenneen hapen, paineen ja virtauksen. Nämä antavat sinulle tarvittavan ympäristön perustason lukeman prosessin vakaana pitämiseksi. Optiset ja spektroskooppiset työkalut, kuten Raman- ja lähi-infrapunaspektroskopia, lisäävät reaaliaikaisen molekyylisormenjäljen ravinteille ja metaboliiteille. Elinkelpoisen biomassan ja metaboliittien seuranta tuo mukaan kapasitanssianturit, kaasuanalysaattorit ja pehmeät anturit elinkelpoisen solutiheyden ja metaboliittitrendien seuraamiseksi. Viimeinen kerros on ohjelmistointegraatio: SCADA-järjestelmät, digitaaliset kaksoset ja AI/ML-mallit yhdistävät nämä signaalit yhdeksi ohjauskehykseksi.
Tämä on tärkeää, kun signaalit tulkitaan ohjausmallien kautta, jotka heijastavat mittakaavaan perustuvia gradientteja. Tuotantobioreaktorissa sekoittuminen on hitaampaa ja gradientit kehittyvät astian poikki. Yksipisteanturi voi ohittaa nämä paikalliset erot. Tässä kohtaa digitaaliset kaksoset ja CFD ovat hyödyllisiä. Ne auttavat ennustamaan tilallista vaihtelua ja tiukentamaan ohjauslogiikkaa ennen kuin insinööriajot alkavat.
Joten työkalun valinta ei ole vain antureiden valitsemista yksi kerrallaan. Se on järjestelmän suunnittelupäätös, joka liittyy mittakaavaan, sekoituskäyttäytymiseen ja siihen, mitä prosessi todennäköisesti piilottaa sinulta.
Vertailutaulukot oikean valvontayhdistelmän valitsemiseksi
Antureiden valinta on ohjauspäätös, joka vaikuttaa laitteistokustannusennusteisiisi. Paras yhdistelmä riippuu niistä päätöksistä, joita anturit antavat sinun tehdä: suljetun piirin ohjaus, prosessinäkemykset tai molemmat.
Ensimmäinen taulukko kattaa ohjausselkänojan.Toinen tarkastelee työkaluja, jotka lisäävät prosessinäkemystä.
Klassiset anturit: Ohjausselkänoja
Nämä anturit toimivat jatkuvasti ja syöttävät suoraan suljettuun ohjauspiiriin. Liuennut CO2 tulee tärkeämmäksi signaaliksi, kun kaasunpoisto vaikeutuu suuremmassa mittakaavassa.
| Anturi | Mitatut parametrit | Vasteaika | Skaalausrooli |
|---|---|---|---|
| Lämpötila | Liemen lämpötila | Nopea | Ylläpidä vakaat viljelyolosuhteet |
| pH | Happamuus/emäksisyys | Nopea | Hallitse emäksen lisäyksestä ja laktaatin kertymisestä johtuvia gradientteja |
| Liuennut happi (DO) | Happijännite | Nopea | Tasapainota hapensiirto ja -otto; hallitse gradientteja |
| Liuennut CO2 | CO2:n osapaine | Kohtalainen | Seuraa poistotehokkuutta; prioriteetti kasvaa suuremmissa tilavuuksissa |
| Paine | Astian paine | Nopea | Turvallisuuden hallinta ja kaasun liukoisuuden hallinta |
| Vaahdon/pinnan taso | Nesteen korkeus ja vaahdon muodostuminen | Nopea | Estä pakokaasusuodattimen likaantuminen ja steriliteetin menetys |
| Virtausmittarit | Kaasun/nesteen syöttönopeudet | Nopea | Tarkka ravinteiden annostelu ja spargauksen hallinta syöttöerissä |
Nämä signaalit pitävät astian vakaana.Seuraava kerros kertoo sinulle enemmän siitä, mitä solut tekevät.
Edistyneet PAT-työkalut: Prosessin ymmärtäminen
Nämä työkalut sijaitsevat klassisen kerroksen päällä ja laajentavat sitä. Raman ja NIR tulevat hyödyllisiksi vasta, kun kemometriset mallit ovat paikoillaan. Tämä on tärkein vaihtokauppa: kalibrointiponnistus verrattuna reaaliaikaiseen metaboliittien näkyvyyteen, jota klassiset anturit eivät voi tarjota.
| Työkalu | Mitatut muuttujat | Kalibrointitaakka | Integraatiotila | Parhaiten sopivat muodot (viljelty liha) |
|---|---|---|---|---|
| NIR-spektroskopia | Ravinteet, metaboliitit, kosteus | Korkea (monimutkaiset kemometriset mallit) | In-line-ikkuna/virtausläpi | Suurimittakaavainen sekoitettu säiliö; korkean tiheyden syöttöerä |
| Raman-spektroskopia | Glukoosi, laktaatti, glutamiini, ammoniakki, glutamaatti, TCD, VCD [2] | Korkea (PLS-regressio; vaatii vertailutietoja) [2] | In-line upotusanturi [2] | Sekoitetut säiliöt; perfuusio; pilotti- ja tuotantomittakaava |
| Optinen tiheys | Kokonais solutiheys (TCD), sameus | Matala (yksinkertainen lineaarinen korrelaatio) | In-line | Siemenlinjat ja biomassan laajennus |
| Kapasitanssi | Elinkelpoinen solutiheys (VCD), solutilavuus | Keskitaso (solukohtainen korrelaatio) | In-line | Sekoitetutankki; mikrokantajapohjaiset järjestelmät |
| Automaattiset metaboliittianalysaattorit | Tietyt metaboliitit, aminohapot | Matala (standardi kemiallinen kalibrointi) | At-line (automaattinen näytteenotto/suodatus) | Prosessikehitys; suurimittakaavainen sekoitetankin validointi |
Kertakäyttöisissä bioreaktoreissa on rajoitetusti portteja, joten anturien määrä on rajallinen [6]. Käytännössä tämä tarkoittaa, että et voi mitata kaikkea. Sinun on priorisoitava ne signaalit, jotka ovat tärkeimpiä hallinnan ja prosessin ymmärtämisen kannalta todellisessa mittakaavassasi.
Nämä kompromissit johtavat suoraan bioreaktorin valintapäätöksiin, jotka seuraavat.
Seurantalaitteiden sovittaminen bioreaktorin valintaan
Valitse bioreaktori seurantaratkaisun ympärille, ei toisinpäin. Laitteiden valinta ja seurannan suunnittelu on tehtävä yhdessä. Tämä tarkoittaa, että astian muoto, porttien määrä ja ohjelmistointegraatio ovat osa samaa päätöstä.
Aloita CQAs:sta ja CPPs:stä. Sitten kartoita anturit ja astian ominaisuudet, joita nämä tavoitteet edellyttävät. Valitse astia, joka voi tukea prosessisi tarvitsemia signaaleja sekä fyysisesti että ohjauskerroksen kautta - mukaan lukien lämpötila, pH, DO, poiskaasu ja elinkelpoisuus. Kun tämä lista on valmis, bioreaktorin valinta muuttuu yhteensopivuuden tarkistukseksi arvailun sijaan.
Suurin laitteistovalinta tässä on kertakäyttöinen versus ruostumaton teräs. Kertakäyttöiset järjestelmät rajoittavat anturien määrää ja lukitsevat kalibroinnin kokoonpanoon, joten jokaisen portin on perusteltava paikkansa. Ruostumaton teräs antaa enemmän tilaa antureille ja helpottaa anturien vaihtoa, mutta tuo myös SIP/CIP-validoinnin kuvaan. Porttimäärän jälkeen pakokaasun käsittelystä tulee seuraava rajoite, koska kaasun poisto vaikeutuu työtilavuuden kasvaessa.
Yli 2 000 litran tilavuuksissa tarkista, että bioreaktori tukee kaasunpoistomonitorointia [15]. Perfusiossa, tarkista, että ohjausjärjestelmä voi käsitellä biokapasitanssidataa syötön ja sadonkorjuun ohjaukseen [1]. Suuremmissa astioissa pakokaasun käsittely ja analytiikan tarjoaminen on suunniteltava alusta alkaen.
Viimeinen tarkistus on ohjausjärjestelmän yhteensopivuus.Anturi on hyödytön, jos alusta ei voi lukea sitä, seurata sen trendejä tai toimia sen perusteella. Heikko ohjelmistointegraatio voi estää koko valvontajärjestelmän toiminnan, vaikka anturit itsessään olisivat tarkoitukseen sopivia [1].
Hankinta yksinkertaistuu, kun aluksen muoto ja anturien yhteensopivuus tarkastellaan yhdessä.
Päätelmä
Laajentaminen toimii, kun valvonta sopii biologian, ohjausstrategian ja bioreaktorin muodon kanssa. Suuremmassa mittakaavassa se tarkoittaa yleensä viljely-ympäristön tiukkaa hallintaa yhdessä prosessianalytiikan kanssa, joka voi seurata solujen toimintaa reaaliajassa.
Vahvimmat valvontapaketit yhdistävät yleensä kapasitanssin elinkelpoisen solutiheyden mittaamiseen, Raman- tai NIR-tekniikan metaboliittien seurantaan ja inline-pH- sekä liuennut happi -anturit ympäristön hallintaan. Nämä työkalut ovat vielä tärkeämpiä, kun ne on yhdistetty SCADA- tai MES, -järjestelmiin, jotta järjestelmä voi reagoida, kun prosessi alkaa poiketa. Kaupallisessa mittakaavassa integroidut PAT-järjestelmät ovat osoittaneet vähentävän poikkeamien määrää alle 2% ja lyhentävän erien vapautusaikoja jopa 30% verrattuna perinteisempiin kampanjoihin [1] .
Tämä paketti on todistettava ennen siirtymistä suurempiin astioihin. Vahvista se pilottimittakaavassa, rakenna mallit siellä ja vie eteenpäin vain ne ohjausasetukset, jotka ovat jo toimineet prosessiin liittyvissä olosuhteissa.Käytännössä tämä tarkoittaa myös sitä, että anturivalinta ja ohjelmistoyhteensopivuus selvitetään aikaisin, jotta valvontajärjestelmä voi edetä prosessin mukana sen sijaan, että hidastaisi mittakaavan kasvattamista myöhemmin.
Sama ajattelutapa pätee hankintaan.
Usein kysytyt kysymykset
Milloin minun pitäisi lisätä PAT mittakaavan kasvattamisessa?
Lisää PAT mittakaavan kasvattamisen aikana, kun prosessiparametrit alkavat vaikuttaa suoraan viljelmän vakauteen ja tuotteen laatuun.
Seuraa jatkuvasti keskeisiä parametreja, mukaan lukien solutiheys, metaboliitit, ja ympäristöolosuhteet , auttaaksesi pitämään prosessin johdonmukaisena ja tukemaan säädösten noudattamista.
Kuinka valitsen Ramanin, NIR:n ja kapasitanssin välillä?
Se riippuu siitä, mitä sinun täytyy seurata mittakaavan kasvattamisen aikana.
- Raman on paras, kun tarvitset yksityiskohtaista molekyylitietoa ja haluat seurata useita analyytejä reaaliajassa.
- NIR toimii laajassa online-seurannassa, mutta sitä on validoitu vähemmän soluviljelmissä ja se saattaa vaatia enemmän kalibrointia.
- Kapasitanssi on paras yksinkertaiseen, kestävään elinkelpoisten solujen pitoisuuden online-seurantaan, vaikka tarkkuus voi heikentyä solukuoleman vaiheissa.
Miksi anturi voi epäonnistua suuremmassa mittakaavassa?
Anturi voi epäonnistua suuremmassa mittakaavassa, koska suurempi sekoitus, enemmän tärinää ja yleinen kuluminen aiheuttavat sille enemmän mekaanista rasitusta. Tällöin olosuhteisiin sopimattomat anturit voivat vaurioitua.
