ניהול חמצן מומס (DO) הוא קריטי לגידול תאי בעלי חיים בביו-ריאקטורים, במיוחד לייצור בשר מתורבת. רמות DO נכונות מבטיחות גדילת תאים, מטבוליזם ואיכות מוצר, אך הגדלת הייצור מציבה אתגרים כמו חלוקת חמצן לא אחידה ולחץ גזירה. הנה מה שצריך לדעת:
- יסודות DO: תאי בעלי חיים משגשגים ברוויה של 20–40% אוויר. DO נמוך גורם להיפוקסיה, מאט את הגדילה ומגביר את הלקטט, בעוד ש-DO גבוה מוביל ללחץ חמצוני.
- אתגרים בביו-ריאקטורים גדולים: הגדלת הייצור מפחיתה את יעילות העברת החמצן, יוצרת גרדיאנטים של DO ומסכנת את התאים בלחץ גזירה.
-
פתרונות:
- שיטות איוורור: מערכות מיקרובועות וביו-ריאקטורים עם הרמת אוויר משפרים את העברת החמצן עם פחות נזק לתאים.
- חיישנים: חיישנים אופטיים וספקטרוסקופיית ראמאן מספקים ניטור DO מדויק בזמן אמת.
- כלים מתקדמים: דינמיקה חישובית של נוזלים (CFD) ומערכות בקרה אוטומטיות מייעלות את חלוקת החמצן.
-
רכש: פלטפורמות כמו
Cellbase מפשטות את המקור של ציוד מיוחד, מביו-ריאקטורים ועד חיישנים מדויקים.
שמירה על רמות DO עקביות היא מפתח להגדלת ייצור בשר מתורבת תוך הבטחת איכות ויעילות.
אתגרי בקרת חמצן מומס בביו-ריאקטורים של בשר מתורבת
דרישות חמצן תאיות וטווחים אופטימליים
לתאים של בעלי חיים המשמשים בייצור בשר מתורבת יש צרכי חמצן מדויקים.עבור רוב התאים היונקים, רמות החמצן המומס (DO) צריכות להישאר בטווח של 20–40% רווית אוויר כדי לתמוך בנשימה בריאה ולהימנע מהצטברות תוצרי לוואי מטבוליים כמו לקטט [5]. ירידה מתחת לטווח זה יכולה לעכב את צמיחת התאים ולהוביל להצטברות לקטט, מה שמחמיץ את המדיום ומעכב עוד יותר את הצמיחה [5]. מצד שני, רמות חמצן מוגזמות (היפראוקסיה) יכולות לגרום ללחץ חמצוני, לפגוע ברכיבי התא, להפחית את החיות התאית ולשבש תהליכי התמיינות [5][3].
בעיות הנדסיות בניהול DO
מסיסות החמצן הנמוכה במים יוצרת אתגרים משמעותיים בתכנון ביוריאקטורים. ב-25°C ובלחץ אטמוספרי סטנדרטי, חמצן מתמוסס במים בכמות של כ-8 מ"ג/ליטר [6].גם עם אוורור נמרץ, קשה לשמור על רמות DO מספקות לתרביות תאים צפופות. בנוסף, שיטות אוורור וערבול מסורתיות יכולות ליצור לחץ גזירה שפוגע בממברנות השבריריות של תאי בעלי חיים, מה שמפחית את החיוניות שלהם ומפריע להתמיינות [6].
בביוריאקטורים גדולים יותר, חלוקת DO לא אחידה הופכת לבעיה משמעותית. ככל שזמני הערבול מתארכים, נוצרים גרדיאנטים של חמצן, מה שמוביל לתנאים היפוקסיים באזורים מסוימים ותנאים היפרוקסיים באחרים [7]. השונות הזו יכולה לגרום לצמיחת תאים לא עקבית, תנודות באיכות המוצר ותפוקות כוללות נמוכות יותר.
| אתגר | השפעה | אסטרטגיית הפחתה |
|---|---|---|
| מסיסות חמצן נמוכה | זמינות DO מוגבלת | מערכות מיקרובועות, אוורור ממברנה |
| מתח גזירה | נזק לתאים והפחתת חיוניות | ערבוב עדין, מערבלים בעלי גזירה נמוכה |
| חלוקה לא אחידה | צמיחה לא עקבית ואיכות מוצר משתנה | עיצובים מתקדמים לערבוב, מודלים CFD |
בעיות אלו הופכות למודגשות יותר ככל שהביוריאקטורים מתרחבים, מה שמוסיף שכבות של מורכבות לניהול החמצן.
בעיות בהגדלת קנה מידה ממעבדה לייצור מסחרי
הגדלת קנה המידה של ביוריאקטורים מגבירה את הקשיים בשמירה על חלוקת DO אחידה.כלים גדולים יותר חווים זמני ערבוב ארוכים יותר וגרדיאנטים חמצן בולטים יותר, מה שמקשה על הבטחת רמות חמצן עקביות לאורך [7]. טכניקות שעובדות היטב במעבדה לעיתים קרובות נכשלות בקנה מידה מסחרי, ודורשות הנדסה מתקדמת כדי להתאים את קצבי העברת החמצן (kLa) [7]. היחס המופחת בין שטח לנפח בביו-ריאקטורים גדולים יותר מפחית עוד יותר את היעילות של שיטות האוורור המסורתיות. כדי להתמודד עם אתגרים אלו, עיצובים מתקדמים לערבוב ודינמיקת נוזלים חישובית (CFD) הם חיוניים. כלים אלו עוזרים לחזות ולמזער גרדיאנטים של חמצן לפני שהם משבשים את הייצור [7][6].
מערכות ניטור ובקרה בזמן אמת הן גם קריטיות לניהול DO בפעולות בקנה מידה גדול. הדרישות לייצור מסחרי כוללות מערכות אוטומטיות המסוגלות להגיב לשינויים מהירים במטבוליזם של תאים ובצרכי החמצן [1][7]. חיישני DO אופטיים, כמו VisiFerm RS485-ECS, הם בעלי ערך רב בהגדרות אלו, ומציעים ניטור ובקרה מדויקים לאורך כל תהליך הייצור [3].
הסיכונים הפיננסיים של אתגרי הגדלה הם גבוהים. בקרת DO לקויה בקנה מידה מסחרי יכולה לגרום לכך שמנות שלמות לא יעמדו בסטנדרטים האיכותיים, מה שגורם להפסדים כספיים משמעותיים. זה הוביל להשקעה בציוד מיוחד וטכנולוגיות ניטור המותאמות לייצור בשר מתורבת בקנה מידה גדול.
טכנולוגיות לניטור חמצן מומס
טכנולוגיות חיישנים לניטור חמצן מומס
בייצור בשר מתורבת, שלושה סוגים עיקריים של חיישנים משמשים לניטור רמות חמצן מומס (DO) בדיוק:
- חיישנים אלקטרוכימיים (סוג קלארק): חיישנים אלו מודדים זרם חמצון חמצן ומוכרים בזכות אמינותם. עם זאת, הם דורשים תחזוקה שוטפת, כמו החלפת ממברנה, וצורכים כמות קטנה של חמצן במהלך המדידות.
- חיישנים אופטיים: באמצעות צבעים זוהרים המוחלשים על ידי חמצן, חיישנים אופטיים מספקים מדידות מהירות וללא צריכה. דוגמה בולטת היא Hamilton VisiFerm RS485-ECS, המציעה תקשורת דיגיטלית ומבצעת היטב גם בתנאים מאתגרים של ביוריאקטורים [3].
- ספקטרוסקופיית ראמאן: טכנולוגיה זו מאפשרת ניטור בזמן אמת וללא חדירה של מספר פרמטרים - כולל חמצן מומס (DO), גלוקוז ולקטט. לדוגמה, MarqMetrix All-In-One Process Raman Analyzer, המצויד במכשיר טבול, מדגים את יכולתו בניתוח רב-פרמטרי [1]
לכל טכנולוגיה יש את היתרונות שלה. חיישנים מסוג קלארק הם בחירה מבוססת היטב, חיישנים אופטיים מפחיתים את הצורך בתחזוקה, וספקטרוסקופיית ראמאן מספקת תובנות רחבות יותר בעלות התחלתית גבוהה יותר. אפשרויות אלו סוללות את הדרך לשילוב נתונים בזמן אמת במערכות בקרה אוטומטיות.
שילוב חיישנים במערכות בקרה אוטומטיות
לניטור חמצן מומס (DO) יעיל, על החיישנים להשתלב בצורה חלקה עם מערכות הבקרה של הביוראקטור, בין אם באמצעות חיבורים דיגיטליים או אנלוגיים.אינטגרציה זו מאפשרת לולאות משוב בזמן אמת שמתאימות גורמים כמו אוורור, ערבוב או אספקת חמצן כדי לשמור על רמות חמצן אופטימליות לצמיחת תאים.
תוכנת בקרה מודרנית, כמו מערכות המשתמשות ב-OPC UA, תומכת בהתאמות אוטומטיות. לדוגמה, ניסוי ביוריאקטור אחרון הדגים כיצד ניתן לשלב מנתח ראמאן כדי לאוטומט את ויסות ה-DO[1]. התקדמויות אלו מדגישות את חשיבות התאימות של חיישנים עם מערכות בקרה כדי להבטיח ייצור יעיל ועקבי.
השוואת טכנולוגיות חיישנים
בחירת טכנולוגיית החיישן הנכונה דורשת איזון בין דיוק, תחזוקה ויכולת הרחבה.הנה השוואה של התכונות המרכזיות:
| סוג חיישן | דיוק | זמן תגובה | צרכי תחזוקה | יכולת הרחבה | מגבלות עיקריות |
|---|---|---|---|---|---|
| סוג קלארק (אלקטרוכימי) | גבוה | בינוני | גבוה (ממברנה, אלקטרוליט) | בינוני | צריכת חמצן; נוטה לזיהום |
| אופטי (לומינסנציה) | גבוה | מהיר | נמוך | גבוה | רגיש לזיהום; עלות גבוהה יותר |
| ספקטרוסקופיית ראמאן | גבוה (רב-פרמטרי) | מהיר | נמוך | גבוה (עם אוטומציה) | התקנה מורכבת; עלות התחלתית גבוהה |
חיישנים אלקטרוכימיים הם אמינים אך דורשים תחזוקה תכופה.חיישנים אופטיים, עם העיצוב הלא-צרכני שלהם, ממזערים הפרעה לתרביות תאים ומפחיתים תחזוקה. בינתיים, ספקטרוסקופיית ראמאן מתבלטת ביכולתה לנטר מספר אנליטים בו זמנית, אם כי היא כוללת התקנה מורכבת יותר ועלויות גבוהות יותר.
כשהתעשייה של בשר מתורבת מתפתחת, ישנה מגמה בולטת לעבר טכנולוגיות מבוססות אופטיקה וראמאן. אפשרויות אלו מספקות פתרונות ניטור חזקים ודורשי תחזוקה נמוכה, מבטיחות ביצועים עקביים לאורך מחזורי ייצור ממושכים ותומכות במטרה של שמירה על איכות מוצר גבוהה.
שיטות לשליטה ואופטימיזציה של חמצן מומס
שיטות אוורור וערבול
איזון העברת חמצן עם הגנה על תאים הוא מפתח כשמדובר באוורור וערבול. בייצור בשר מתורבת, שלוש שיטות עיקריות מתבלטות: אוורור שטחי, ספארג'ינג ויצירת מיקרובועות.
איוורור פני השטח הוא האפשרות העדינה ביותר, המכניסה חמצן על פני השטח של המדיום עם מתח גזירה מינימלי. עם זאת, כאשר הייצור מתרחב, שיטה זו הופכת לפחות יעילה בשל שטח הפנים המוגבל בהשוואה לנפח המדיום.
ספארג'ינג מסורתי כולל בועות אוויר או חמצן טהור ישירות לתוך מדיום התרבות דרך מפזרים תת-מימיים. גישה זו מספקת שיעורי העברת חמצן מצוינים ומתאימה לייצור בקנה מידה גדול. עם זאת, היא מציגה מתח גזירה גבוה יותר, מה שיכול להשפיע על התאים.
מחוללי מיקרו-בועות יוצרים בועות קטנות בהרבה מאשר ספארג'רים סטנדרטיים, מה שמגדיל את הממשק גז-נוזל. זה מאפשר העברת חמצן טובה יותר תוך הפחתת נזק לתאים, מה שהופך אותו לחלופה חזקה לספארג'ינג מסורתי.
לערבוב, מערכות ערבוב מכניות עם עיצובים אופטימליים של מדחפים משמשות בדרך כלל. מערכות אלו נועדו להבטיח חלוקת חמצן אחידה מבלי לגרום לכוחות גזירה מזיקים. ריאקטורים עם מיכל מעורב הם בחירה פופולרית בשל יכולתם לשמור על שליטה מדויקת על חמצן מומס, pH ופרמטרי ערבוב כאשר הם מכווננים.
ביוריאקטורים עם זרימת אוויר מציעים אפשרות נוספת, תוך שימוש בהזרקת גז ליצירת דפוסי זרימה המשלבים אוורור וערבוב. מערכות אלו חסכוניות באנרגיה ומספקות העברת חמצן משופרת, מה שהופך אותן לאטרקטיביות לפעולות בקנה מידה גדול יותר.
בנוסף לערבוב פיזי, נשאי חמצן יכולים לשפר עוד יותר את אספקת החמצן.
נשאי חמצן
נשאי חמצן הם תוספים שמגדילים את החמצן המומס מבלי להזדקק לאוורור אינטנסיבי יותר.These include haemoglobin-based solutions, perfluorocarbons, and synthetic molecules, all of which can hold and transport much higher oxygen levels than standard culture media.
נשאים אלו שימושיים במיוחד בתרביות בצפיפות גבוהה שבהן שיטות מסורתיות מתקשות לעמוד בדרישות החמצן. על ידי הגברת יכולת נשיאת החמצן של המדיום, הם מפחיתים את הצורך בהזרקה אינטנסיבית או ערבוב נמרץ - דבר חשוב במיוחד לייצור בקנה מידה גדול.
- נשאים מבוססי המוגלובין יעילים מאוד בהעברת חמצן אך עשויים להכניס רכיבים שמקורם בבעלי חיים.
- פרפלואורוקרבונים הם סינתטיים, מציעים מסיסות חמצן גבוהה, אם כי הם יקרים יותר ודורשים טיפול זהיר.
הגורמים המרכזיים ליישום כוללים הבטחת ביוקומפטיביליות עם קווי התאים, עמידה ב-דרישות רגולטוריות, ניהול עלויות לשימוש בקנה מידה גדול, והבטחת הסרה קלה מהמוצר הסופי. מחקרי פיילוט חיוניים לקביעת הריכוזים הנכונים והתאימות עם תהליכים ספציפיים.
גם שיטות אוורור פיזיות וגם שיטות נשיאה נהנות מכלי מידול מתקדמים כדי לכוונן את השימוש בהן.
כלי מידול וחישוב
דינמיקת נוזלים חישובית (CFD) הפכה חיונית לאופטימיזציה של ניהול חמצן מומס בביו-ריאקטורים לבשר מתורבת. מודלים אלו עוזרים לחזות שיעורי העברת חמצן, דפוסי ערבוב והתפלגות מאמץ גזירה, ומאפשרים למהנדסים לשפר את עיצובי הביו-ריאקטורים לפני שהם נבנים פיזית.
סימולציות CFD מאפשרות לבדוק תצורות שונות של ביוריאקטורים, שיטות אוורור ואסטרטגיות ערבוב כדי לראות כיצד הן משפיעות על חלוקת החמצן וצמיחת התאים. זה מפחית את הצורך בניסויים של ניסוי וטעייה, וחוסך זמן וכסף.
לדוגמה, CFD יכול להדגיש אזורים מתים פוטנציאליים שבהם רמות החמצן עשויות לרדת נמוך מדי או לזהות אזורים עם מתח גזירה מוגזם שעלול לפגוע בתאים. תובנות אלו מנחות התאמות במיקום מערבלים, מיקום מפזרים או עיצוב מחיצות לשיפור הביצועים.
תוכנת טכנולוגיה אנליטית של תהליכים (PAT) לוקחת את זה צעד קדימה על ידי שילוב נתונים בזמן אמת מחיישנים. בשילוב עם CFD ואלגוריתמים של למידת מכונה, PAT מאפשרת התאמות אוטומטיות לאוורור וערבוב, ומבטיחה תנאים אופטימליים לאורך כל תהליך הגידול.
יחד, כלים אלה - מודלים CFD, ניטור בזמן אמת ומערכות בקרה אוטומטיות - יוצרים גישה יעילה וניתנת להרחבה לניהול חמצן מומס. זה לא רק תומך באיכות מוצר עקבית אלא גם מייעל את הפעילות ממחקר בקנה מידה מעבדתי ועד לייצור מסחרי מלא.
sbb-itb-ffee270
רכישת ציוד לבקרת חמצן מומס בייצור בשר מתורבת
ציוד וחומרים נדרשים לבקרת חמצן מומס
יישום בקרת חמצן מומס (DO) יעילה בייצור בשר מתורבת תלוי בשימוש בציוד מיוחד המיועד לעמוד בדרישות הייחודיות של תרבית תאי בעלי חיים. בניגוד למערכות מעבדה קונבנציונליות, מערכות אלו חייבות לשמור על תנאי סביבה מדויקים לתמיכה בצמיחת תאים.
ביוריאקטורים הם עמוד השדרה של כל מערכת בקרת חמצן מומס.עיצובים כמו ביוריאקטורים מסוג מיכל מעורב ומעלית אוויר, המצוידים בחיישנים משולבים ובקרות אוטומטיות, הם חיוניים. מערכות אלו חייבות לשמור על רמות DO בין 20–40% רוויית אוויר כדי להתחשב במסיסות החמצן הנמוכה במדיה של תרבית תאים - כ-45 פעמים פחות מאשר בדם. זה הופך את ניהול החמצן המדויק לגורם קריטי בייצור מוצלח [4].
חיישני DO - זמינים בסוגים אמפרומטריים, אופטיים או פאראמגנטיים - משחקים תפקיד מרכזי בניטור רמות החמצן. בחירת החיישן תלויה בגורמים כמו דיוק, קלות שילוב והתאמה עם מערך הייצור [4] [9].
בקרי זרימה מסיבית משמשים לצד נשאי חמצן, כמו פרפלואורוקרבונים, כדי לשפר את מסיסות החמצן במדיה של התרבית.אלה יעילים במיוחד בתרבויות בצפיפות גבוהה, שבהן שיטות מסורתיות לעיתים קרובות אינן מצליחות לעמוד בדרישות החמצן [8] [4].
טכנולוגיות אנליטיות מתקדמות משלימות את רשימת הציוד. מערכות ספקטרוסקופיה ראמאן, למשל, מאפשרות ניטור סימולטני של DO, גלוקוז, לקטט ופרמטרים חיוניים אחרים. מערכות אלו מאפשרות לולאות משוב אוטומטיות לשליטה מדויקת בתהליך [1]. בנוסף, חיישני המילטון - שפותחו במקור ליישומים ביופרמצבטיים - מספקים כעת מדידות אינליין לצפיפות תאים חיים, pH, DO ו-CO₂ מומס, מותאמים במיוחד לייצור בשר מתורבת [9].
בעת בחירת ציוד, שיקולים מרכזיים כוללים התאמה לתרביות תאי בעלי חיים, יכולת הרחבה ממחקר לייצור מסחרי, שילוב עם מערכות אוטומטיות, ועמידה בתקנים רגולטוריים. כל אחד מהמרכיבים הללו הוא קריטי לשמירה על תנאי חמצן מדויקים הנדרשים לייצור בשר מתורבת בקנה מידה רחב [5] [9].
Cellbase כפלטפורמת רכש
איתור הציוד הנכון לשליטה ברמת החמצן המומס (DO) יכול להיות מאתגר בשל הנוף המפוצל של הספקים והצרכים הספציפיים של תעשיית הבשר המתורבת. כאן
בניגוד לפלטפורמות אספקה מעבדתיות גנריות,
עבור חברות מבוססות בבריטניה,
תכונות נוספות כמו הודעות ישירות עם ספקים ומערכת בקשת הצעות מחיר מפשטות את תהליך הרכש. לוחות מחוונים של מודיעין שוק מספקים תובנות על מגמות בתעשייה ודפוסי ביקוש, ועוזרים לחברות לתכנן את צרכי הציוד והתקציבים שלהן להרחבת הפעילות.
הפלטפורמה מציעה גם תמיכה טכנית ונתוני אימות, המאפשרים לצוותי הרכש להעריך את ביצועי הציוד לפני התחייבות להשקעות משמעותיות.This reduces the risk of technical issues and ensures compatibility with existing systems - an essential factor when managing the complex requirements of DO control in cultivated meat production. By streamlining procurement,
הבנת מדידות חמצן מומס (DO) בתהליך ביולוגי
סיכום: אופטימיזציה של בקרת חמצן מומס להצלחה בייצור בשר מתורבת
ניהול חמצן מומס (DO) בצורה יעילה הוא אבן יסוד להצלחה בייצור בשר מתורבת. שמירה על רמות DO בטווח של 20-40% רוויית אוויר מבטיחה צמיחת תאים בריאה, חילוף חומרים יעיל ואיכות מוצר עקבית - גורמים המושפעים ממסיסות החמצן הנמוכה באופן טבעי בתרבית תאים [5][4].
המעבר מסביבות מעבדה לייצור מסחרי, עם זאת, מציג שורה של אתגרים. מערכות גדולות יותר מביאות עמן מורכבויות כמו ירידה ביעילות העברת החמצן, ערבוב לא אחיד והאפשרות לאזורים היפוקסיים, כל אלו יכולים להשפיע באופן חמור על חיות התאים והתפוקה.
כדי להתמודד עם אתגרים אלו, ניטור מדויק הוא חיוני. טכנולוגיות חיישנים מתקדמות, כגון חיישנים אופטיים, ספקטרוסקופיית ראמאן וכלים אנליטיים משולבים בתהליך, מאפשרים התאמות בזמן אמת לרמות החמצן המומס. מערכות אלו מגיבות במהירות לסטיות, ומבטיחות תנאים יציבים [1][3]. בנוסף לכך, כלים חישוביים כמו מודלים של דינמיקת נוזלים וניתוח כימומטרי מספקים תובנות חשובות.הם עוזרים לחזות שיעורי העברת חמצן ומסמנים אזורים בעייתיים פוטנציאליים מוקדם, מה שמפחית את הצורך בגישות יקרות של ניסוי וטעייה במהלך הגדלה [2][1].
התמודדות עם מכשולים טכניים אלו דורשת גם פתרונות ספציפיים לתעשייה. פלטפורמות כמו
עתיד הבשר המתורבת תלוי בשליטה באלמנטים המקושרים הללו: שמירה על רמות DO עקביות, ניצול כלים מתקדמים לניטור, יישום אופטימיזציה מונעת נתונים והשגת הציוד הנכון.חברות שמיישרות קו עם רכיבים אלו בצורה יעילה יהיו בעמדה טובה יותר לעמוד בדרישת התעשייה לייצור בקנה מידה גדול ואיכותי. על ידי שילוב מערכות חיישנים מתקדמות, מודלים חישוביים ורכש מיוחד, יצרני בשר מתורבת יכולים להשיג צמיחה אמינה ויעילה בקנה מידה.
שאלות נפוצות
כיצד מערכות מיקרובועות וביוראקטורים מסוג air-lift ממזערים נזק לתאים תוך הבטחת העברת חמצן יעילה בביוראקטורים בקנה מידה גדול?
מערכות מיקרובועות וביוראקטורים מסוג air-lift מתוכננים לשפר את העברת החמצן תוך מזעור הלחץ המכני על התאים. מערכות מיקרובועות יוצרות בועות קטנות יותר, מה שמגדיל משמעותית את שטח הפנים להחלפת גזים. זה מבטיח אספקת חמצן טובה יותר מבלי להכניס כוחות גזירה מופרזים שעלולים לפגוע בתאים. מצד שני, ביוראקטורים מסוג air-lift מסתמכים על סירקולציה עדינה המונעת על ידי בועות אוויר.גישה זו מסייעת לשמור על סביבה עקבית ולהימנע מנזק לתאים הקשור לעיתים קרובות עם מערבלים או שיטות ערבוב מכניות אחרות.
טכנולוגיות אלו משחקות תפקיד מכריע בייצור בשר מתורבת, שבו שמירה על חיות התאים ועידוד הצמיחה הם חיוניים. על ידי אספקת חמצן ביעילות תוך שמירה על לחץ פיזי למינימום, מערכות אלו מבטיחות את האיזון העדין הנדרש להגדלת הייצור מבלי לפגוע בבריאות התאים או בתפוקה הכוללת.
מהם היתרונות של שימוש בספקטרוסקופיית ראמאן במקום חיישנים אלקטרוכימיים מסורתיים לניטור חמצן מומס בביו-ריאקטורים?ספקטרוסקופיית ראמאן מביאה יתרונות ברורים בהשוואה לחיישנים אלקטרוכימיים מסורתיים כשמדובר בניטור חמצן מומס בביו-ריאקטורים. הבדל מרכזי אחד הוא שספקטרוסקופיית ראמאן היא לא פולשנית.בעוד שחיישנים אלקטרוכימיים צריכים להיות במגע ישיר עם המדיום התרבותי, ספקטרוסקופיית ראמאן מודדת את רמות החמצן מבלי ליצור אינטראקציה פיזית עם סביבת הביוראקטור. גישה זו לא רק מפחיתה את הסיכון לזיהום אלא גם מקטינה את הדרישות לתחזוקה.
יתרון נוסף הוא היכולת שלה לספק נתונים מפורטים בזמן אמת. ספקטרוסקופיית ראמאן לא רק מודדת חמצן - היא יכולה לעקוב גם אחר פרמטרים כימיים אחרים, מה שמעניק לך תמונה מלאה יותר של תנאי הביוראקטור. זה במיוחד שימושי בייצור בשר מתורבת, שבו הסביבה היא גם מורכבת וגם משתנה כל הזמן. שמירה על רמות חמצן מדויקות היא קריטית להבטחת צמיחת תאים בריאה ושמירה על חיותם, וספקטרוסקופיית ראמאן מסייעת להשיג את רמת הדיוק הזו.
מה מקשה על שמירה על רמות חמצן מומס עקביות כאשר מגדילים ביוריאקטורים לייצור בשר מתורבת, וכיצד דינמיקת נוזלים חישובית יכולה לעזור?
כאשר ביוריאקטורים מוגדלים מהגדרות מעבדה לייצור מסחרי בקנה מידה מלא, שמירה על רמות חמצן מומס עקביות הופכת לאתגר קשה יותר. זאת בשל גורמים כמו נפחים גדולים יותר, שיעורי העברת חמצן משתנים ומורכבות דינמיקת הנוזלים. בביוריאקטורים גדולים יותר, חלוקת החמצן לעיתים קרובות הופכת לא אחידה, מה שיכול לפגוע בצמיחת התאים ולהפחית את הפרודוקטיביות.
כאן נכנסת לתמונה דינמיקת נוזלים חישובית (CFD) כמשנה משחק. על ידי סימולציה של זרימת נוזלים, חילופי גזים ותהליכי ערבוב בתוך ביוריאקטורים, CFD מאפשרת לחדד את עיצוב ותנאי ההפעלה. התוצאה? חלוקה אחידה יותר של חמצן, מה שמגביר את היעילות והופך את הגדלת ייצור הבשר המתורבת לחלקה יותר.
