Les systèmes d'échantillonnage automatisés transforment la manière dont les bioprocédés sont surveillés, en particulier dans la production de viande cultivée. Ces systèmes offrent des données fréquentes, précises et en temps réel sur des facteurs critiques tels que les niveaux de nutriments, les métabolites et la santé cellulaire - quelque chose que l'échantillonnage manuel ne peut égaler. En fonctionnant toutes les 2 à 3 heures, par rapport à une fois par jour manuellement, ils fournissent une image plus claire des changements métaboliques, aidant à prévenir les erreurs de production coûteuses.
Les points clés incluent :
- Efficacité : Les cycles d'échantillonnage, d'analyse et de nettoyage prennent moins de 15 minutes.
- Stérilité : Les systèmes maintiennent la stérilité pendant plus de 370 heures, réduisant les risques de contamination.
- Précision : Les mesures de glucose dévient de seulement 1,1 %, avec une analyse des acides aminés offrant des informations presque en temps réel.
- Économies de main-d'œuvre : Minimise l'intervention manuelle, libérant le personnel pour d'autres tâches. html
- Applications: Améliore la cohérence et l'évolutivité dans la production de viande cultivée.
Ces systèmes s'intègrent parfaitement avec des outils avancés comme la HPLC et la spectroscopie Raman, permettant une surveillance précise des nutriments et des ajustements de processus en temps réel. En conséquence, ils soutiennent un meilleur contrôle de la qualité, réduisent la variabilité et rendent les flux de production plus efficaces.
Systèmes d'échantillonnage manuels vs automatisés : Comparaison des performances en biotraitement
Recherche sur les technologies d'échantillonnage automatisé
Méthodes et approches de recherche
Les récents progrès dans les technologies d'échantillonnage automatisé ont considérablement affiné leur application dans la production de viande cultivée. Ces études se concentrent sur l'intégration des systèmes d'échantillonnage automatisé avec des outils analytiques tout en maintenant la stérilité tout au long du processus. Typiquement, les chercheurs associent des échantillonneurs automatisés à des méthodes établies comme HPLC et l'électrophorèse capillaire pour surveiller des métabolites complexes que les capteurs en ligne ont souvent du mal à mesurer avec précision.
En mai 2020, une équipe de l'Université de Technologie de Vienne a étudié le système Numera par Securecell AG, en utilisant le logiciel Lucullus PIMS lors de la culture en batch alimenté de CHO. Ils ont surveillé 18 acides aminés ainsi que les niveaux de produit IgG, en maintenant la stérilité pendant une impressionnante 370 heures d'opération continue [2]. Les ajustements des paramètres du système, tels que le "Push Out Time", sont devenus cruciaux à mesure que la densité cellulaire augmentait [2].
De même, en août 2017, Rosanne M.Guijt de l'Université de Tasmanie a utilisé l'électrophorèse capillaire par injection séquentielle (SI-CE) pour surveiller cinq cultures en suspension parallèles de cellules Jurkat. Sur quatre jours, le système a effectué 96 essais par culture, chaque séparation électrophorétique ne prenant que 12 minutes. Remarquablement, il ne nécessitait que 5,78 mL par flacon (moins de 60 µL par analyse), ce qui le rend idéal pour le criblage à haut débit sans réduire significativement les volumes de culture [6]. Ces méthodes précises et systématiques ouvrent la voie à des analyses plus approfondies des données de performance.
Résultats de l'étude et données de performance
Les résultats de ces études soulignent l'efficacité et la précision des systèmes d'échantillonnage automatisés. Par exemple, l'équipe de Vienne a atteint une déviation standard relative de 1,1% pour les mesures de glucose.De plus, les erreurs systématiques causées par la dilution des échantillons ont été corrigées pour réduire les écarts à aussi bas que 0,1 % à 3 % par rapport aux valeurs réelles [2]. Ce niveau de précision est bien supérieur à ce que l'échantillonnage manuel offre généralement.
La fréquence d'échantillonnage est un autre avantage crucial. Alors que l'échantillonnage manuel est souvent limité à une fois par jour, les systèmes automatisés peuvent échantillonner 8 à 24 fois par jour, capturant des changements métaboliques qui pourraient autrement passer inaperçus. Dans l'étude de Vienne, l'analyse des acides aminés a été complétée avec un retard de 45 minutes par rapport à la collecte des échantillons, fournissant des informations quasi en temps réel sur l'épuisement des nutriments [2].
L'étude de la Tasmanie a mis en évidence un autre avantage clé : en normalisant les données de lactate par rapport aux mesures de densité cellulaire en temps réel, les chercheurs ont pu différencier les effets pharmacologiques de composés comme la roténone et le clioquinol des simples changements de biomasse [6]. Ce niveau de granularité serait presque impossible à atteindre avec un échantillonnage manuel traditionnel, où les points de données peu fréquents obscurcissent souvent des schémas métaboliques critiques.
Technologie des capteurs pour la surveillance des médias
Types de capteurs et outils analytiques
La technologie des capteurs joue un rôle clé dans l'affinement de la surveillance des médias en temps réel, en particulier dans la production de viande cultivée. Divers capteurs sont utilisés pour surveiller de près la composition des médias et la santé cellulaire. Par exemple, les capteurs en ligne standard mesurent en continu le pH, la température, et l'oxygène dissous, garantissant que les conditions restent idéales pour la croissance cellulaire [7]. En ce qui concerne la mesure de la densité cellulaire viable, les sondes de capacitance sont la seule solution en ligne disponible dans le commerce. Ces sondes utilisent un champ électrique pour détecter les cellules vivantes, car les membranes cellulaires intactes agissent comme de minuscules condensateurs, distinguant les cellules vivantes des cellules mortes et des débris [7].
Les capteurs spectroscopiques offrent un moyen non invasif de suivre l'activité métabolique. Par exemple, la spectroscopie UV–vis analyse l'absorption et la diffusion de la lumière (200–740 nm) pour estimer la densité cellulaire et identifier les acides nucléiques des cellules endommagées [7]. La spectroscopie de fluorescence surveille les fluorophores naturellement présents comme le NADH, le NADPH et le tryptophane, fournissant des informations précieuses en temps réel sur l'état métabolique de la culture sans interférer avec le processus [7]. Pendant ce temps, la spectroscopie Raman génère une empreinte moléculaire du milieu, permettant un suivi précis des niveaux de glucose, de lactate et d'acides aminés avec une erreur minimale [7][2]. En fait, les capteurs Raman en ligne ont montré une précision remarquable, avec une erreur quadratique moyenne de 0,41 mM pour la tyrosine et de 0,24 mM pour le tryptophane dans des milieux complexes [2]. Ces outils spectroscopiques complètent les systèmes d'échantillonnage automatisés en offrant une analyse métabolique rapide et non perturbatrice.
Les systèmes automatisés améliorent encore la précision en reliant les bioréacteurs à des analyseurs avancés. Ce système permet la surveillance en temps réel de nutriments complexes tels que les acides aminés et les vitamines, que les capteurs en ligne ont actuellement du mal à mesurer avec précision [1][2]. Par exemple, les modèles de spectroscopie d'absorption UV-vis ont atteint des valeurs de R² aussi élevées que 0,993 pour les prédictions de densité cellulaire, démontrant leur fiabilité [7].
Exemples d'Intégration de Capteurs
Les collaborations entre les développeurs de technologies et les chercheurs ont conduit à des avancées impressionnantes dans l'intégration des capteurs. Un tel exemple est le partenariat entre Sartorius Stedim Biotech et Tornado Spectral Systems. Ils ont intégré un prototype de cellule de flux Raman dans un système de mini-bioréacteur Ambr 250 à haut débit.En le jumelant avec un analyseur BioProfile FLEX2 de Nova Biomedical pour des mesures de référence automatisées, ils ont créé des modèles robustes pour suivre le glucose, le lactate et la glutamine dans les cultures cellulaires CHO. Cette configuration a réduit l'écart de temps entre les données spectrales et de référence à seulement cinq minutes, permettant une corrélation des données quasi instantanée [8].
"La spectroscopie Raman est un outil PAT bien adapté pour mesurer de manière non destructive les analytes de culture cellulaire in-situ... fournissant des informations structurelles concernant les liaisons covalentes des molécules interrogées avec une spécificité moléculaire et une robustesse élevées."
– Marek Hoehse, Sartorius Stedim Biotech [8]
Un autre exemple vient de l'Université de Technologie de Vienne, où les chercheurs ont démontré comment l'intégration de capteurs peut améliorer la précision. En utilisant un 3.6 L bioréacteur, ils l'ont connecté à un Thermo Fisher Ultimate 3000 HPLC et un Roche Cedex Bio HT analyseur via le système Numera. Cette configuration a permis la surveillance en temps réel de 18 acides aminés et de plusieurs vitamines, telles que la niacinamide, l'acide folique, B12 et la riboflavine, pendant la culture en fed-batch de CHO [2]. Le système automatisé a produit 528 spectres à partir de 24 récipients en une seule exécution, réduisant les coûts et économisant du temps par rapport à la construction de modèles à l'échelle pilote traditionnelle [8].
Optimisation des processus et contrôle de la qualité
Ajustements des processus en temps réel
Les systèmes d'échantillonnage automatisés comblent le fossé entre l'analyse en laboratoire et la production en direct, permettant l'utilisation de la Technologie Analytique de Procédé (PAT) en temps réel [2].Ces systèmes fournissent des données toutes les deux à trois heures, créant une vue d'ensemble du métabolisme cellulaire et de l'utilisation des nutriments [2]. Ces données à haute fréquence capturent des valeurs cinétiques et des événements critiques, tels que les variations de lactate, qui sont souvent négligés avec l'échantillonnage manuel [2][6].
Lorsqu'ils sont associés à des systèmes de gestion de l'information de processus (PIMS), ces résultats analytiques peuvent ajuster automatiquement les stratégies d'alimentation selon les besoins [2]. Des algorithmes dynamiques identifient les plateaux de réaction, permettant des modifications opportunes du processus [5]. Cette capacité est particulièrement précieuse dans la production de viande cultivée, où le maintien d'un équilibre nutritionnel optimal est crucial pour atteindre une densité cellulaire et un rendement élevés.
"La fréquence d'échantillonnage plus élevée par rapport à l'échantillonnage manuel augmente le contenu d'information généré, ce qui permet une interprétation plus facile du métabolisme... et une détection plus précise des événements de processus."
– Paul Kroll, Responsable du développement commercial, Securecell AG [1]
Un exemple notable vient de 2020, lorsque l'Université de Technologie de Vienne a connecté un bioréacteur de 3,6 litres à des analyseurs HPLC automatisés et Cedex Bio HT via le système Numera. Cette configuration a surveillé 18 acides aminés et plusieurs vitamines sur 370 heures, avec des écarts aussi faibles que 0,1% à 3% [2]. La collecte fréquente de données a permis d'observer des cinétiques de réaction que les méthodes manuelles auraient complètement manquées.
Comparaison des Avantages et des Défis
Voici un aperçu des principaux avantages et défis associés aux systèmes d'échantillonnage automatisés :
| Caractéristique | Avantages | Défis |
|---|---|---|
| Précision &et Exactitude | Fournit une haute précision (1.1% RSD) et élimine les erreurs humaines dans la préparation des échantillons [2] | Nécessite un étalonnage méticuleux et des ajustements pour les facteurs de dilution [2] |
| Fréquence des données | Permet 8+ échantillons par jour, permettant une modélisation cinétique détaillée [2] | Le volume élevé de données nécessite un logiciel avancé (PIMS) pour la gestion [2] |
| Travail &et Coût | Réduit la charge de travail de l'échantillonnage manuel et de la dérivatisation [2] | Coûts initiaux élevés de l'équipement et installation complexe [2][5] |
| Volume d'échantillon | Consomme un minimum de milieu (<60 µL par analyse), préservant le volume du réacteur pour des cycles plus longs [6] | Les petits volumes dans les tubulures peuvent être sujets à l'accumulation de résidus et aux effets de rapport de surface [2] |
| Contrôle de Processus | Facilite l'alimentation en temps réel et les ajustements de nutriments [2][3] | Exige une intégration transparente entre les échantillonneurs, les analyseurs et les contrôleurs de bioréacteur [2] |
Les systèmes automatisés non seulement maintiennent la stérilité pendant plus de 370 heures mais nécessitent également moins de 60 microlitres de milieu par analyse [2][6].Cependant, les opérateurs doivent aborder les erreurs systématiques potentielles dans la manipulation des liquides, bien que l'étalonnage automatisé puisse réduire les écarts à aussi peu que 0,1% [2]. De plus, le "temps d'expulsion" (POT) dans les modules de filtration peut nécessiter un ajustement en fonction de la densité cellulaire viable pour garantir une livraison d'échantillons cohérente à mesure que le processus évolue [2].
Ces stratégies soulignent comment les systèmes automatisés transforment la production de viande cultivée d'une surveillance réactive à un processus plus proactif et contrôlé, complétant les avancées antérieures dans la technologie des capteurs et la recherche.
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Cellbase Ressources pour les systèmes d'échantillonnage automatisés
Listes de fournisseurs vérifiés
La plateforme met également en avant des outils d'échantillonnage aseptiques spécialisés, tels que le bioPROBE de bbi-biotech.Cet outil se vante d'une "stérilité par conception", utilisant un mécanisme de transport à coussin de gaz breveté pour prévenir la formation de biofilm et le colmatage [9]. De plus,
Approvisionnement Simplifié en Équipements
Au-delà de la présentation de listes vérifiées,
Pour les équipes de R&D, les listes vérifiées offrent des solutions qui automatisent à la fois l'échantillonnage et les ajustements basés sur les événements. Cela est particulièrement utile pour gérer de petits volumes d'échantillons - aussi peu que 0,5 ml - aidant à minimiser la perte de milieu [9][10]. Le potentiel d'économie de temps est significatif : l'échantillonnage automatisé peut réduire les besoins en main-d'œuvre d'environ 480 heures-homme (équivalent à 12 semaines-homme) par an lors du traitement de 1 800 échantillons, par rapport aux méthodes manuelles [9].En rationalisant l'acquisition d'équipements et en améliorant la précision,
Conclusion
Résumé et Perspectives d'Avenir
Les systèmes d'échantillonnage automatisés transforment la manière dont les bioprocédés de viande cultivée sont surveillés. En reliant directement les bioréacteurs aux outils analytiques, ils fournissent des données de haute qualité jusqu'à 12 fois plus souvent - toutes les 2 à 3 heures par rapport à l'approche traditionnelle d'une fois par jour [1][2]. Cette collecte de données fréquente permet une compréhension plus approfondie du métabolisme cellulaire, une identification plus rapide de l'épuisement des nutriments, et le calcul de paramètres cinétiques essentiels pour optimiser les stratégies d'alimentation.
Ces systèmes maintiennent également la stérilité pendant de plus longues périodes et fournissent des mesures très précises, ce qui en fait un atout majeur dans le biotraitement.Avec ces avantages fermement établis, la scène est prête pour des avancées encore plus grandes.
L'avenir de la production de viande cultivée se dirige vers la bioproduction intelligente. Cela implique l'intégration de l'échantillonnage automatisé avec des modèles prédictifs et des contrôles de processus en boucle fermée. De telles avancées déplaceront l'accent de l'analyse des données après coup vers l'optimisation des processus en temps réel. Cela signifie que les stratégies d'alimentation peuvent être ajustées à la volée, réduisant le temps de production, assurant une qualité de produit constante et accélérant le temps de mise sur le marché grâce à une surveillance continue des attributs critiques de qualité [2][3]. Pour les producteurs, ces systèmes deviennent rapidement une pierre angulaire pour des opérations compétitives et évolutives.
Les plateformes comme
(English) Numera PAT : échantillonnage automatisé dans le biotraitement
FAQs
Comment les systèmes d'échantillonnage automatisés améliorent-ils la cohérence dans la production de viande cultivée ?
Les systèmes d'échantillonnage automatisés jouent un rôle clé pour assurer la cohérence dans la production de viande cultivée en éliminant l'imprévisibilité liée à l'échantillonnage manuel. Ces systèmes sont conçus pour collecter des volumes d'échantillons précis à des intervalles programmés, ce qui réduit l'erreur humaine et assure l'uniformité. Cet échantillonnage régulier et précis fournit des informations en temps réel sur les nutriments, les métabolites et la santé des cellules, permettant un meilleur contrôle du processus de production et améliorant la qualité du produit.
En automatisant des tâches telles que l'échantillonnage, la préparation et le transfert, les risques de contamination sont considérablement réduits. De plus, la collecte de données peut se poursuivre même en dehors des heures de travail standard, offrant une vue plus complète du processus de production. Cette surveillance continue permet des ajustements rapides des paramètres tels que l'alimentation, la température ou d'autres facteurs critiques, ce qui se traduit par une qualité de lot constante et des résultats de production plus fiables. Pour ceux qui travaillent dans le secteur de la viande cultivée,
Comment les capteurs contribuent-ils à la surveillance en temps réel dans la production de viande cultivée ?
Les capteurs sont essentiels pour la surveillance en temps réel, car ils suivent en continu les paramètres clés du processus (CPP) tels que l'oxygène dissous, le pH, la température, la densité cellulaire et la viabilité cellulaire.En fournissant un retour d'information instantané, ces capteurs aident les opérateurs à repérer rapidement les écarts, à effectuer des ajustements en temps opportun et à éviter les problèmes qui pourraient compromettre la qualité du produit.
Les technologies modernes, telles que les sondes proche infrarouge (NIR) et Raman, vont plus loin en surveillant en temps réel des nutriments comme le glucose et des sous-produits comme le lactate, réduisant ainsi le besoin d'échantillonnage manuel. Des outils optiques avancés, comme la microscopie in-situ, offrent même des données détaillées sur la morphologie et la viabilité des cellules individuelles. Ces innovations sont au cœur de la technologie analytique des procédés (PAT), permettant l'automatisation et assurant un contrôle constant dans la production de viande cultivée.
Des plateformes telles que
Comment les systèmes d'échantillonnage automatisés aident-ils à réduire le travail dans le biotraitement ?
Les systèmes d'échantillonnage automatisés simplifient le biotraitement en gérant des tâches routinières telles que le prélèvement, la préparation et la livraison d'échantillons aux instruments d'analyse. Fonctionnant selon des horaires prédéfinis, ces systèmes éliminent le besoin pour les techniciens d'interagir manuellement avec les bioréacteurs et les échantillons. Le résultat ? Moins de travail répétitif, moins de risques d'erreur humaine et plus de temps pour le personnel qualifié pour se consacrer à des tâches comme l'analyse des données et l'amélioration des processus.
De plus, ces systèmes permettent un échantillonnage beaucoup plus fréquent - parfois presque continu - par rapport aux méthodes manuelles. Cela signifie qu'une richesse de données est générée, permettant une surveillance en temps réel et un contrôle plus strict des paramètres clés. Avec des outils de gestion des données intégrés, les flux de travail deviennent encore plus fluides en organisant automatiquement les métadonnées des échantillons, réduisant ainsi la paperasse et la saisie manuelle des données.
Pour ceux de l'industrie de la viande cultivée,
