Automaattiset näytteenottosysteemit muuttavat bioprosessien valvontaa, erityisesti viljellyn lihan tuotannossa. Nämä järjestelmät tarjoavat usein, tarkkaa ja reaaliaikaista dataa kriittisistä tekijöistä, kuten ravintoaineiden tasoista, metaboliiteista ja solujen terveydestä - jotain, mihin manuaalinen näytteenotto ei pysty. Toimimalla 2–3 tunnin välein, verrattuna manuaaliseen kerran päivässä, ne tarjoavat selkeämmän kuvan aineenvaihdunnan muutoksista, auttaen estämään kalliita tuotantovirheitä.
Keskeisiä kohtia ovat:
- Tehokkuus: Näytteenotto-, analysointi- ja puhdistussyklit vievät alle 15 minuuttia.
- Steriiliys: Järjestelmät säilyttävät steriiliyden yli 370 tuntia, vähentäen kontaminaatioriskejä.
- Tarkkuus: Glukoosimittaukset poikkeavat vain 1.1%, ja aminohappoanalyysi tarjoaa lähes reaaliaikaisia näkemyksiä.
- Työvoimasäästöt: Minimoi manuaalisen puuttumisen, vapauttaen henkilöstöä muihin tehtäviin.
- Sovellukset: Parantaa johdonmukaisuutta ja skaalautuvuutta viljellyn lihan tuotannossa.
Nämä järjestelmät integroituvat saumattomasti edistyneisiin työkaluihin, kuten HPLC ja Raman-spektroskopia, mahdollistaen tarkan ravinteiden seurannan ja reaaliaikaiset prosessin säädöt. Tämän seurauksena ne tukevat parempaa laadunvalvontaa, vähentävät vaihtelua ja tehostavat tuotantotyönkulkuja.
Manuaaliset vs. automatisoidut näytteenottosysteemit: Suorituskyvyn vertailu bioprosessoinnissa
Tutkimus automatisoiduista näytteenottoteknologioista
Tutkimusmenetelmät ja -lähestymistavat
Viimeaikaiset edistysaskeleet automatisoiduissa näytteenottoteknologioissa ovat merkittävästi parantaneet niiden soveltamista viljellyn lihan tuotannossa. Nämä tutkimukset keskittyvät automatisoitujen näytteenottosysteemien integrointiin analyyttisten työkalujen kanssa samalla säilyttäen steriiliyden koko prosessin ajan.Tyypillisesti tutkijat yhdistävät automaattiset näytteenottimet vakiintuneisiin menetelmiin, kuten HPLC ja kapillaarielektroforeesi, seuratakseen monimutkaisia metaboliitteja, joita linjaanturit usein kamppailevat mitata tarkasti.
Toukokuussa 2020 Wienin teknillisen yliopiston tiimi tutki Numera-järjestelmää, jonka on kehittänyt Securecell AG, hyödyntäen Lucullus PIMS-ohjelmistoa CHO fed-batch -viljelyn aikana. He seurasivat 18 aminohappoa yhdessä IgG-tuotetason kanssa, ylläpitäen steriiliyttä vaikuttavat 370 tuntia jatkuvaa toimintaa [2]. Järjestelmäasetusten, kuten "Push Out Time", säätämisestä tuli ratkaisevaa solutiheyden kasvaessa [2].
Samoin elokuussa 2017, Rosanne M.Guijt University of Tasmania käytti Sequential Injection Capillary Electrophoresis (SI-CE) -menetelmää viiden rinnakkaisen Jurkat-soluviljelmän seuraamiseen. Neljän päivän aikana järjestelmä suoritti 96 analyysiä per viljelmä, ja jokainen elektroforeettinen erottelu kesti vain 12 minuuttia. Huomionarvoista on, että se vaati vain 5,78 mL per pullo (alle 60 µL per analyysi), mikä tekee siitä ihanteellisen suuren läpimenon seulontaan ilman, että viljelmätilavuudet vähenevät merkittävästi [6]. Nämä tarkat ja systemaattiset menetelmät luovat pohjan syvemmille oivalluksille suorituskykytiedoista.
Tutkimustulokset ja suorituskykytiedot
Nämä tutkimukset korostavat automatisoitujen näytteenottosysteemien tehokkuutta ja tarkkuutta. Esimerkiksi Wienin tiimi saavutti 1.1% suhteellisen keskihajonnan glukoosimittauksille.Lisäksi näytteen laimennuksesta johtuvat systemaattiset virheet korjattiin, jotta poikkeamat saatiin vähennettyä niin pieniksi kuin 0.1% 3% todellisista arvoista [2]. Tämä tarkkuustaso on huomattavasti parempi kuin mitä manuaalinen näytteenotto yleensä tarjoaa.
Näytteenottotiheys on toinen kriittinen etu. Kun manuaalinen näytteenotto on usein rajoitettu kerran päivässä, automatisoidut järjestelmät voivat ottaa näytteitä 8–24 kertaa päivässä, jolloin voidaan havaita aineenvaihdunnan muutoksia, jotka muuten saattaisivat jäädä huomaamatta. Wienin tutkimuksessa aminohappoanalyysi valmistui 45 minuutin viiveellä näytteenotosta, tarjoten lähes reaaliaikaisia näkemyksiä ravinteiden ehtymisestä [2].
Tasmanian tutkimus korosti toista keskeistä etua: normalisoimalla laktaattitiedot reaaliaikaisiin solutiheysmittauksiin nähden, tutkijat pystyivät erottamaan yhdisteiden, kuten rotenonin ja klioquinolin, farmakologiset vaikutukset yksinkertaisista biomassan muutoksista [6]. Tällaisen yksityiskohtaisuuden saavuttaminen olisi lähes mahdotonta perinteisellä manuaalisella näytteenotolla, jossa harvat tietopisteet usein peittävät kriittiset metaboliamallit.
Anturiteknologia median seurantaan
Anturityypit ja analyyttiset työkalut
Anturiteknologia on keskeisessä roolissa reaaliaikaisen median seurannan hienosäätämisessä, erityisesti viljellyn lihan tuotannossa. Erilaisia antureita käytetään tarkkailemaan tarkasti median koostumusta ja solujen terveyttä.Esimerkiksi, vakiomalliset in-line-anturit mittaavat jatkuvasti pH:tä, lämpötilaa ja liuennutta happea, varmistaen, että olosuhteet pysyvät ihanteellisina solujen kasvulle [7]. Kun kyseessä on elinkelpoisen solutiheyden mittaaminen, kapasitanssianturit ovat ainoa kaupallisesti saatavilla oleva on-line-ratkaisu. Nämä anturit käyttävät sähköistä kenttää elävien solujen havaitsemiseen, sillä ehjät solukalvot toimivat pieninä kondensaattoreina, erottaen elävät solut kuolleista ja roskista [7].
Spektroskooppiset anturit tarjoavat ei-invasiivisen tavan seurata aineenvaihduntaa. Esimerkiksi, UV-vis-spektroskopia analysoi valon absorptiota ja sirontaa (200–740 nm) solutiheyden arvioimiseksi ja vaurioituneista soluista peräisin olevien nukleiinihappojen tunnistamiseksi [7]. Fluoresenssispektroskopia seuraa luonnollisesti esiintyviä fluoroforeja, kuten NADH, NADPH ja tryptofaani, tarjoten arvokkaita reaaliaikaisia näkemyksiä viljelmän metabolisesta tilasta häiritsemättä prosessia [7]. Samaan aikaan Raman-spektroskopia luo molekyylisormenjäljen väliaineesta, mahdollistaen glukoosin, laktaatin ja aminohappojen tason tarkan seurannan minimaalisella virheellä [7][2]. Itse asiassa, linjassa olevat Raman-anturit ovat osoittaneet huomattavaa tarkkuutta, tyrosiinin keskineliövirheen ollessa 0,41 mM ja tryptofaanin 0,24 mM monimutkaisessa väliaineessa [2]. Nämä spektroskooppiset työkalut täydentävät automatisoituja näytteenottosysteemejä tarjoamalla nopeaa, häiriötöntä metabolista analyysiä.
Automaattiset järjestelmät parantavat tarkkuutta entisestään yhdistämällä bioreaktorit kehittyneisiin analysaattoreihin.Tämä asennus mahdollistaa monimutkaisten ravintoaineiden, kuten aminohappojen ja vitamiinien, reaaliaikaisen seurannan, joita linjaanturit eivät tällä hetkellä pysty mittaamaan tarkasti [1][2]. Esimerkiksi UV-vis absorptiospektroskopiamallit ovat saavuttaneet R²-arvoja jopa 0,993 solutiheyden ennustamisessa, mikä osoittaa niiden luotettavuuden [7].
Esimerkkejä anturien integroinnista
Teknologian kehittäjien ja tutkijoiden väliset yhteistyöt ovat johtaneet vaikuttaviin edistysaskeliin anturien integroinnissa. Yksi tällainen esimerkki on yhteistyö Sartorius Stedim Biotech ja Tornado Spectral Systems välillä. He sisällyttivät Raman-virtauksen soluprototyypin Ambr 250 High Throughput mini bioreaktorisysteemiin.Yhdistämällä sen BioProfile FLEX2 -analysaattoriin Nova Biomedical -yritykseltä automaattisia vertailumittauksia varten, he loivat vankkoja malleja glukoosin, laktaatin ja glutamiinin seurantaan CHO-soluviljelmissä. Tämä asennus vähensi spektri- ja vertailutietojen välistä aikaväliä vain viiteen minuuttiin, mikä mahdollisti lähes välittömän tietojen korrelaation [8].
"Raman-spektroskopia on hyvin soveltuva PAT-työkalu soluviljelmän analyytien mittaamiseen in-situ... tuottaen rakenteellista tietoa tutkittujen molekyylien kovalenttisista sidoksista korkealla molekyylispesifisyydellä ja vankkuudella."
– Marek Hoehse, Sartorius Stedim Biotech [8]
Toinen esimerkki tulee Wienin teknillisestä yliopistosta, jossa tutkijat osoittivat, kuinka anturien integrointi voi parantaa tarkkuutta. Käyttämällä 3.6 L bioreaktori, he yhdistivät sen Thermo Fisher Ultimate 3000 HPLC ja Roche Cedex Bio HT analysaattoriin Numera-järjestelmän kautta. Tämä kokoonpano mahdollisti 18 aminohapon ja useiden vitamiinien, kuten niasiiniamidin, foolihapon, B12:n ja riboflaviinin, reaaliaikaisen seurannan CHO fed-batch -viljelyn aikana [2]. Automaattinen järjestelmä tuotti 528 spektriä 24 astiasta yhdellä ajolla, mikä vähensi kustannuksia ja säästi aikaa verrattuna perinteiseen pilottimallin rakentamiseen [8].
Prosessin optimointi ja laadunvalvonta
Reaaliaikaiset prosessin säädöt
Automaattiset näytteenottosysteemit yhdistävät laboratoriotason analytiikan ja tuotannon, mahdollistaen prosessianalyyttisen teknologian (PAT) käytön reaaliajassa [2].Nämä järjestelmät tarjoavat tietoja kahden tai kolmen tunnin välein, luoden kattavan näkymän solujen aineenvaihdunnasta ja ravinteiden käytöstä [2]. Tämä korkean taajuuden data tallentaa kineettisiä arvoja ja kriittisiä tapahtumia, kuten laktaattimuutoksia, jotka usein jäävät huomaamatta manuaalisessa näytteenotossa [2][6].
Kun ne yhdistetään Process Information Management Systems (PIMS), nämä analyysitulokset voivat automaattisesti säätää ruokintastrategioita tarpeen mukaan [2]. Dynaamiset algoritmit tunnistavat reaktioplateaut, mikä mahdollistaa prosessin oikea-aikaiset muutokset [5]. Tämä ominaisuus on erityisen arvokas viljellyn lihan tuotannossa, jossa optimaalisen ravintotasapainon ylläpitäminen on ratkaisevan tärkeää korkean solutiheyden ja saannon saavuttamiseksi.
"Korkeampi näytteenottotaajuus verrattuna manuaaliseen näytteenottoon lisää tuotetun informaation sisältöä, mikä mahdollistaa aineenvaihdunnan helpomman tulkinnan... ja prosessitapahtumien tarkemman havaitsemisen."
– Paul Kroll, Business Development Manager, Securecell AG [1]
Yksi merkittävä esimerkki on vuodelta 2020, jolloin Wienin teknillinen yliopisto yhdisti 3,6 litran bioreaktorin automatisoituihin HPLC- ja Cedex Bio HT -analysaattoreihin Numera-järjestelmän kautta. Tämä kokoonpano seurasi 18 aminohappoa ja useita vitamiineja yli 370 tunnin ajan, poikkeamien ollessa niinkin pieniä kuin 0.1% to 3% [2]. Usein tapahtuva tiedonkeruu mahdollisti reaktiokinetiikan havaitsemisen, jonka manuaaliset menetelmät olisivat täysin ohittaneet.
Hyötyjen ja haasteiden vertailu
Tässä on erittely automatisoitujen näytteenottosysteemien tärkeimmistä eduista ja haasteista:
| Ominaisuus | Edut | Haasteet |
|---|---|---|
| Tarkkuus &ja täsmällisyys | Tarjoaa korkean tarkkuuden (1.1% RSD) ja poistaa inhimilliset virheet näytteen valmistelussa [2] | Vaatii huolellista kalibrointia ja säätöjä laimennustekijöille [2] |
| Datataajuus | Mahdollistaa yli 8 näytettä päivässä, mikä mahdollistaa yksityiskohtaisen kineettisen mallinnuksen [2] | Suuri datamäärä vaatii kehittynyttä ohjelmistoa (PIMS) hallintaan [2] |
| Työvoima &ja kustannukset | Vähentää manuaalista näytteenotto- ja derivatisointityötä [2] | Korkeat alkuinvestointikustannukset ja monimutkainen asennus [2][5] |
| Näytemäärä | Kuluttaa minimaalisesti mediaa (<60 µL per analyysi), säilyttäen reaktorin tilavuuden pidempiä ajoja varten [6] | Pienet määrät putkistossa voivat olla alttiita jäämien kertymiselle ja pinta-ala-suhteen vaikutuksille [2] |
| Prosessinohjaus | Mahdollistaa reaaliaikaisen syötön ja ravinteiden säädön [2][3] | Vaatii saumatonta integrointia näytteenottimien, analysaattorien ja bioreaktorin ohjaimien välillä [2] |
Automaattiset järjestelmät eivät ainoastaan ylläpidä steriiliyttä yli 370 tuntia, vaan ne vaativat myös alle 60 mikrolitraa mediaa analyysia kohden [2][6].Kuitenkin, operaattoreiden on käsiteltävä mahdollisia systemaattisia virheitä nesteenkäsittelyssä, vaikka automaattinen kalibrointi voi vähentää poikkeamia jopa niinkin alhaisiksi kuin 0.1% [2]. Lisäksi suodatusmoduulien "Push Out Time" (POT) saattaa vaatia säätöä elinkelpoisen solutiheyden perusteella, jotta näytteen toimitus pysyy johdonmukaisena prosessin kehittyessä [2].
Nämä strategiat korostavat, kuinka automatisoidut järjestelmät siirtävät viljellyn lihan tuotannon reaktiivisesta seurannasta kohti ennakoivampaa, hallittua prosessia, täydentäen aiempia edistysaskeleita anturiteknologiassa ja tutkimuksessa.
sbb-itb-ffee270
Cellbase Resurssit automatisoiduille näytteenottosysteemeille
Varmennetut toimittajalistat
Alusta korostaa myös erikoistuneita aseptisia näytteenottotyökaluja, kuten bbi-biotechin bioPROBE.Tämä työkalu ylpeilee "steriiliydellä suunnittelun kautta", hyödyntäen patentoitua kaasutyyny-kuljetusmekanismia biofilmin muodostumisen ja tukkeutumisen estämiseksi [9]. Lisäksi
Yksinkertaistettu laitteiden hankinta
Varmennettujen listojen esittelyn lisäksi
Tutkimus- ja kehitystiimeille varmennetut listaukset tarjoavat ratkaisuja, jotka automatisoivat sekä näytteenoton että tapahtumapohjaiset säädöt. Tämä on erityisen hyödyllistä hallittaessa pieniä näytemääriä - jopa 0,5 ml - auttaen minimoimaan väliaineen hävikkiä [9][10]. Ajan säästöpotentiaali on merkittävä: automatisoitu näytteenotto voi vähentää työvoimatarpeita noin 480 miestyötunnilla (vastaa 12 työviikkoa) vuosittain, kun käsitellään 1 800 näytettä, verrattuna manuaalisiin menetelmiin [9].Hankintaprosessien tehostamisen ja tarkkuuden parantamisen avulla
Päätelmä
Yhteenveto ja tulevaisuuden näkymät
Automaattiset näytteenottosysteemit muuttavat tapaa, jolla viljellyn lihan bioprosesseja seurataan. Yhdistämällä bioreaktorit suoraan analyyttisiin työkaluihin, ne tarjoavat korkealaatuista dataa jopa 12 kertaa useammin - joka 2–3 tunti verrattuna perinteiseen kerran päivässä tapahtuvaan lähestymistapaan [1][2]. Tämä tiheä datankeruu mahdollistaa syvemmän ymmärryksen solujen aineenvaihdunnasta, ravinteiden ehtymisen nopeamman tunnistamisen ja kineettisten parametrien laskemisen, jotka ovat kriittisiä ruokintastrategioiden optimoinnissa.
Nämä järjestelmät myös ylläpitävät steriiliyttä pidempiä aikoja ja tarjoavat erittäin tarkkoja mittauksia, mikä tekee niistä merkittävän innovaation bioprosessoinnissa.Näiden etujen vakiinnuttua, näyttämö on valmis vielä suuremmille edistysaskeleille.
Viljellyn lihan tuotannon tulevaisuus suuntautuu kohti älykästä biovalmistusta. Tämä tarkoittaa automatisoidun näytteenoton integroimista ennustemallien ja suljetun kierron prosessinohjausten kanssa. Tällaiset edistysaskeleet siirtävät painopisteen tiedon analysoinnista jälkikäteen reaaliaikaiseen prosessin optimointiin. Tämä tarkoittaa, että ruokintastrategioita voidaan säätää lennossa, mikä vähentää tuotantoaikaa, varmistaa tasaisen tuotelaadun ja nopeuttaa markkinoille pääsyä kriittisten laatuominaisuuksien jatkuvan seurannan avulla [2][3]. Tuottajille nämä järjestelmät ovat nopeasti muodostumassa kilpailukykyisten ja laajennettavien toimintojen kulmakiveksi.
Alustat kuten
(English) Numera PAT: automatisoitu näytteenotto bioprosessoinnissa
UKK:t
Kuinka automatisoidut näytteenottojärjestelmät parantavat johdonmukaisuutta viljellyn lihan tuotannossa?
Automatisoidut näytteenottojärjestelmät ovat keskeisessä roolissa varmistamassa johdonmukaisuutta viljellyn lihan tuotannossa poistamalla manuaaliseen näytteenottoon liittyvän ennakoimattomuuden. Nämä järjestelmät on suunniteltu keräämään tarkkoja näytemääriä aikataulutetuilla väleillä, mikä vähentää inhimillisiä virheitä ja varmistaa yhdenmukaisuuden. Tämä tasainen ja tarkka näytteenotto tarjoaa reaaliaikaisia näkemyksiä ravinteista, metaboliiteista ja solujen terveydestä, mahdollistaen paremman hallinnan tuotantoprosessissa ja parantaen tuotteen laatua.
Automaattisten tehtävien, kuten näytteenoton, valmistelun ja siirron, avulla kontaminaation mahdollisuudet vähenevät merkittävästi. Lisäksi tiedonkeruu voi jatkua myös normaalien työaikojen ulkopuolella, tarjoten kattavamman näkymän tuotantoprosessiin. Tämä jatkuva seuranta mahdollistaa nopean säätämisen parametreihin, kuten syöttöön, lämpötilaan tai muihin kriittisiin tekijöihin, mikä johtaa johdonmukaiseen erän laatuun ja luotettavampiin tuotantotuloksiin. Viljellyn lihan alalla työskenteleville
Miten anturit edistävät reaaliaikaista seurantaa viljellyn lihan tuotannossa?
Anturit ovat välttämättömiä reaaliaikaisessa seurannassa, sillä ne seuraavat jatkuvasti keskeisiä prosessiparametreja (CPP), kuten liuennutta happea, pH-arvoa, lämpötilaa, solutiheyttä ja solujen elinkelpoisuutta.Antamalla välitöntä palautetta nämä anturit auttavat operaattoreita havaitsemaan poikkeamat nopeasti, tekemään oikea-aikaisia säätöjä ja välttämään ongelmia, jotka voisivat vaarantaa tuotteen laadun.
Modernit teknologiat, kuten lähi-infrapuna (NIR) ja Raman-anturit, vievät tämän askeleen pidemmälle seuraamalla ravintoaineita, kuten glukoosia, ja sivutuotteita, kuten laktaattia, reaaliajassa, vähentäen manuaalisen näytteenoton tarvetta. Kehittyneet optiset työkalut, kuten in-situ mikroskopia, tarjoavat jopa yksityiskohtaisia tietoja yksittäisten solujen morfologiasta ja elinkelpoisuudesta. Nämä innovaatiot ovat keskeisiä Prosessianalyyttinen teknologia (PAT), mahdollistaen automaation ja varmistamalla johdonmukaisen valvonnan viljellyn lihan tuotannossa.
Alustat, kuten
Miten automatisoidut näytteenottosysteemit auttavat vähentämään työvoimaa bioprosessoinnissa?
Automatisoidut näytteenottosysteemit helpottavat bioprosessointia hoitamalla rutiinitehtäviä, kuten näytteiden ottamista, valmistelua ja toimittamista analyyttisille instrumenteille. Toimimalla ennalta asetettujen aikataulujen mukaisesti, nämä systeemit poistavat tarpeen teknikoiden manuaaliselle vuorovaikutukselle bioreaktoreiden ja näytteiden kanssa. Tuloksena? Vähemmän toistuvaa työtä, vähemmän inhimillisten virheiden mahdollisuuksia ja enemmän aikaa ammattitaitoiselle henkilöstölle keskittyä tehtäviin, kuten data-analyysiin ja prosessien hienosäätöön.
Lisäksi nämä systeemit mahdollistavat paljon tiheämmän näytteenoton - joskus lähes jatkuvan - verrattuna manuaalisiin menetelmiin. Tämä tarkoittaa, että syntyy runsaasti dataa, mikä mahdollistaa reaaliaikaisen seurannan ja tiukemman kontrollin keskeisiin parametreihin. Sisäänrakennettujen datanhallintatyökalujen avulla työnkulut sujuvat entistäkin paremmin järjestämällä näytteiden metatiedot automaattisesti, vähentäen paperityötä ja manuaalista tietojen syöttöä.
Viljellyn lihan teollisuudessa
