מערכות דגימה אוטומטיות משנות את האופן שבו תהליכי ביולוגיה מנוטרים, במיוחד בייצור בשר מתורבת. מערכות אלו מציעות נתונים תכופים, מדויקים ובזמן אמת על גורמים קריטיים כמו רמות תזונה, מטבוליטים ובריאות תאים - משהו שדגימה ידנית לא יכולה להתאים לו. על ידי הפעלה כל 2–3 שעות, בהשוואה לפעם ביום באופן ידני, הן מספקות תמונה ברורה יותר של שינויים מטבוליים, ועוזרות למנוע טעויות ייצור יקרות.
נקודות מפתח כוללות:
- יעילות: מחזורי דגימה, ניתוח וניקוי לוקחים פחות מ-15 דקות.
- סטריליות: מערכות שומרות על סטריליות ליותר מ-370 שעות, ומפחיתות סיכוני זיהום.
- דיוק: מדידות גלוקוז סוטות רק ב-1.1%, עם ניתוח חומצות אמינו המציע תובנות כמעט בזמן אמת.
- חיסכון בעבודה: ממזער התערבות ידנית, ומשחרר צוות למשימות אחרות. html
- יישומים: משפר עקביות ויכולת הרחבה בייצור בשר מתורבת.
מערכות אלו משתלבות בצורה חלקה עם כלים מתקדמים כמו HPLC וספקטרוסקופיית ראמאן, ומאפשרות ניטור מדויק של חומרים מזינים והתאמות תהליך בזמן אמת. כתוצאה מכך, הן תומכות בבקרת איכות טובה יותר, הפחתת שונות וזרימות עבודה ייצור יעילות יותר.
מערכות דגימה ידניות מול אוטומטיות: השוואת ביצועים בתהליכי ביופרוססינג
מחקר על טכנולוגיות דגימה אוטומטיות
שיטות מחקר וגישות
ההתקדמות האחרונה בטכנולוגיות דגימה אוטומטיות שיפרה משמעותית את יישומן בייצור בשר מתורבת. מחקרים אלו מתמקדים בשילוב מערכות דגימה אוטומטיות עם כלים אנליטיים תוך שמירה על סטריליות לאורך כל התהליך.
בדרך כלל, חוקרים משלבים דוגמים אוטומטיים עם שיטות מבוססות כמו HPLC ו-אלקטרופורזה נימית כדי לנטר מטבוליטים מורכבים שחיישנים מקוונים מתקשים לעיתים למדוד במדויק.
במאי 2020, צוות ב-אוניברסיטת הטכנולוגיה של וינה חקר את מערכת Numera של Securecell AG, תוך שימוש בתוכנת Lucullus PIMS במהלך גידול CHO בפד-באטץ'. הם ניטרו 18 חומצות אמינו לצד רמות מוצר IgG, תוך שמירה על סטריליות למשך 370 שעות של פעולה רציפה [2]. התאמות להגדרות המערכת, כמו "זמן דחיפה החוצה", הפכו לקריטיות ככל שצפיפות התאים עלתה [2].
באופן דומה, באוגוסט 2017, רוזאן מ.גויט מאוניברסיטת טסמניה השתמש ב-Sequential Injection Capillary Electrophoresis (SI-CE) כדי לנטר חמישה תרביות השעיה מקבילות של תאי ג'ורקט. במשך ארבעה ימים, המערכת ביצעה 96 בדיקות לכל תרבית, כאשר כל הפרדה אלקטרופורטית ארכה רק 12 דקות. באופן מרשים, היא דרשה רק 5.78 מ"ל לכל בקבוק (פחות מ-60 µL לכל ניתוח), מה שהופך אותה לאידיאלית לסריקה בתפוקה גבוהה מבלי להפחית באופן משמעותי את נפחי התרבית [6]. שיטות מדויקות ומערכתיות אלו מכינות את הקרקע לתובנות מעמיקות יותר בנתוני הביצועים.
תוצאות המחקר ונתוני ביצועים
הממצאים ממחקרים אלו מדגישים את היעילות והדיוק של מערכות דגימה אוטומטיות. לדוגמה, הצוות מווינה השיג סטיית תקן יחסית של 1.1% למדידות גלוקוז.בנוסף, שגיאות שיטתיות שנגרמו על ידי דילול דגימה תוקנו כדי להפחית סטיות לרמה נמוכה של 0.1% עד 3% מערכים אמיתיים [2]. רמת דיוק זו עולה בהרבה על מה שדגימה ידנית מציעה בדרך כלל.
תדירות הדגימה היא יתרון קריטי נוסף. בעוד שדגימה ידנית מוגבלת לעיתים קרובות לפעם ביום, מערכות אוטומטיות יכולות לדגום 8 עד 24 פעמים ביום, וללכוד שינויים מטבוליים שעשויים אחרת להישאר בלתי נראים. במחקר בווינה, ניתוח חומצות אמינו הושלם עם עיכוב של 45 דקות מאיסוף הדגימה, ומספק תובנות כמעט בזמן אמת על דלדול חומרים מזינים [2].
המחקר בטסמניה הדגיש יתרון מרכזי נוסף: על ידי נרמול נתוני לקטט מול מדידות צפיפות תאים בזמן אמת, החוקרים יכלו להבחין בין ההשפעות הפרמקולוגיות של תרכובות כמו רוטנון וקליאוקינול לבין שינויים פשוטים בביו-מסה [6]. רמת גרנולריות זו תהיה כמעט בלתי אפשרית להשגה עם דגימה ידנית מסורתית, שבה נקודות נתונים נדירות לעיתים קרובות מסתירות דפוסים מטבוליים קריטיים.
טכנולוגיית חיישנים לניטור מדיה
סוגי חיישנים וכלים אנליטיים
טכנולוגיית חיישנים משחקת תפקיד מרכזי בשיפור ניטור מדיה בזמן אמת, במיוחד בייצור בשר מתורבת. חיישנים שונים משמשים למעקב צמוד אחר הרכב המדיה ובריאות התאים.לדוגמה, חיישנים סטנדרטיים בקו מודדים באופן רציף pH, טמפרטורה, ו-חמצן מומס, ומבטיחים שהתנאים יישארו אידיאליים לצמיחת תאים [7]. כאשר מדובר במדידת צפיפות תאים חיים, גששי קיבוליות הם הפתרון היחיד הזמין מסחרית למדידה מקוונת. גששים אלה משתמשים בשדה חשמלי כדי לזהות תאים חיים, שכן ממברנות תאים שלמות פועלות כקבלים זעירים, ומבדילות תאים חיים מתאים מתים ופסולת [7].
חיישנים ספקטרוסקופיים מציעים דרך לא פולשנית לעקוב אחר פעילות מטבולית. לדוגמה, ספקטרוסקופיית UV–vis מנתחת בליעה ופיזור של אור (200–740 ננומטר) כדי להעריך צפיפות תאים ולזהות חומצות גרעין מתאים פגועים [7].ספקטרוסקופיית פלואורסצנציה מנטרת פלואורופורים טבעיים כמו NADH, NADPH וטריפטופן, ומספקת תובנות חשובות בזמן אמת על מצב המטבולי של התרבות מבלי להפריע לתהליך [7]. בינתיים, ספקטרוסקופיית ראמאן יוצרת טביעת אצבע מולקולרית של המדיום, ומאפשרת מעקב מדויק אחר רמות גלוקוז, לקטט וחומצות אמינו עם שגיאה מינימלית [7][2]. למעשה, חיישני ראמאן אינליין הראו דיוק מרשים, עם שגיאת שורש ממוצעת של 0.41 mM לטירוזין ו-0.24 mM לטריפטופן במדיום מורכב [2]. כלים ספקטרוסקופיים אלו משלימים מערכות דגימה אוטומטיות על ידי הצעת ניתוח מטבולי מהיר ולא מפריע.
מערכות אוטומטיות משפרות עוד יותר את הדיוק על ידי קישור ביוריאקטורים למנתחים מתקדמים.ההגדרה הזו מאפשרת ניטור בזמן אמת של חומרים מזינים מורכבים כמו חומצות אמינו וויטמינים, שאותם חיישנים פנימיים מתקשים למדוד במדויק [1][2]. לדוגמה, מודלים של ספקטרוסקופיית ספיגה UV–vis השיגו ערכי R² גבוהים עד 0.993 לניבוי צפיפות תאים, מה שמדגים את האמינות שלהם [7].
דוגמאות לשילוב חיישנים
שיתופי פעולה בין מפתחי טכנולוגיה וחוקרים הובילו להתקדמות מרשימה בשילוב חיישנים. דוגמה אחת כזו היא השותפות בין Sartorius Stedim Biotech ו-Tornado Spectral Systems. הם שילבו אבטיפוס של תא זרימה רמאן במערכת Ambr 250 High Throughput mini bioreactor system. על ידי צימודו עם BioProfile FLEX2 מנתח מ-Nova Biomedical למדידות ייחוס אוטומטיות, הם יצרו מודלים חזקים למעקב אחר גלוקוז, לקטט וגלוטמין בתרביות תאי CHO. תצורה זו צמצמה את פער הזמן בין נתוני הספקטרום לנתוני הייחוס לחמש דקות בלבד, מה שמאפשר התאמת נתונים כמעט מיידית [8].
"ספקטרוסקופיית ראמאן היא כלי PAT מתאים היטב למדידה לא הרסנית של אנליטים בתרביות תאים במקום... מספקת מידע מבני לגבי הקשרים הקוולנטיים של המולקולות הנחקרות עם ספציפיות מולקולרית גבוהה ועמידות."
– מארק הוהסה, Sartorius Stedim Biotech [8]
דוגמה נוספת מגיעה מ-האוניברסיטה הטכנולוגית של וינה, שם חוקרים הדגימו כיצד שילוב חיישנים יכול לשפר את הדיוק. באמצעות 3.ביוריאקטור בנפח 6 ליטר, הם חיברו אותו ל-Thermo Fisher Ultimate 3000 HPLC ול-Roche Cedex Bio HT מנתח דרך מערכת Numera. תצורה זו אפשרה ניטור בזמן אמת של 18 חומצות אמינו וכמה ויטמינים, כגון ניאצינמיד, חומצה פולית, B12 וריבופלאבין, במהלך גידול CHO בתהליך fed-batch [2]. המערכת האוטומטית ייצרה 528 ספקטרות מ-24 כלים בהרצה אחת, מה שחסך בעלויות ובזמן בהשוואה לבניית מודלים בקנה מידה פיילוט מסורתי [8].
אופטימיזציה של תהליכים ובקרת איכות
התאמות תהליך בזמן אמת
מערכות דגימה אוטומטיות מגשרות על הפער בין אנליטיקה במעבדה לייצור חי, ומאפשרות שימוש ב-טכנולוגיית ניתוח תהליכים (PAT) בזמן אמת [2].מערכות אלו מספקות נתונים כל שעתיים עד שלוש שעות, ויוצרות תמונה מקיפה של חילוף החומרים בתאים ושימוש בחומרים מזינים [2]. נתונים בתדירות גבוהה זו לוכדים ערכים קינטיים ואירועים קריטיים, כגון שינויים בלקטט, שלעיתים קרובות מתעלמים מהם בדגימה ידנית [2][6].
כאשר הם משולבים עם מערכות ניהול מידע תהליכי (PIMS), תוצאות אנליטיות אלו יכולות להתאים אוטומטית אסטרטגיות הזנה לפי הצורך [2]. אלגוריתמים דינמיים מזהים רמות תגובה, ומאפשרים שינויים בתהליך בזמן [5]. יכולת זו חשובה במיוחד בייצור בשר מתורבת, שבו שמירה על איזון חומרים מזינים אופטימלי היא קריטית להשגת צפיפות תאים גבוהה ותפוקה.
"תדירות הדגימה הגבוהה יותר בהשוואה לדגימה ידנית מגדילה את תוכן המידע שנוצר, מה שמאפשר פרשנות קלה יותר של המטבוליזם... וזיהוי מדויק יותר של אירועי תהליך."
– פול קרול, מנהל פיתוח עסקי, Securecell AG [1]
דוגמה בולטת אחת מגיעה משנת 2020, כאשר אוניברסיטת וינה לטכנולוגיה חיברה ביוריאקטור בנפח 3.6 ליטר למנתחי HPLC אוטומטיים ו-Cedex Bio HT דרך מערכת Numera. תצורה זו עקבה אחר 18 חומצות אמינו ומספר ויטמינים במשך 370 שעות, עם סטיות נמוכות עד 0.1% עד 3% [2]. איסוף הנתונים התכוף אפשר לצפות בקינטיקה של תגובות שהשיטות הידניות היו מפספסות לחלוטין.
השוואת יתרונות ואתגרים
להלן פירוט של היתרונות והאתגרים העיקריים הקשורים למערכות דגימה אוטומטיות:
| תכונה | יתרונות | אתגרים |
|---|---|---|
| דיוק &ו; אמינות | מספק דיוק גבוה (1.1% RSD) ומבטל טעויות אנוש בהכנת דגימות [2] | דורש כיול מדויק והתאמות לגורמי דילול [2] |
| תדירות נתונים | מאפשר 8+ דגימות יומיות, מאפשר מודלים קינטיים מפורטים [2] | נפח נתונים גבוה מחייב תוכנה מתקדמת (PIMS) לניהול [2] |
| עבודה &ו עלות | מפחית את עומס העבודה של דגימה ידנית ודריבטיזציה [2] | עלויות ציוד ראשוניות גבוהות והתקנה מורכבת [2][5] |
| נפח דגימה | צורך מינימלי במדיה (<60 µL לכל ניתוח), שומר על נפח הריאקטור לריצות ארוכות יותר [6] | נפחים קטנים בצינורות יכולים להיות נוטים להצטברות שאריות והשפעות יחס שטח [2] |
| בקרת תהליך | מאפשר התאמות בזמן אמת של הזנה וחומרים מזינים [2][3] | דורש אינטגרציה חלקה בין דוגמים, מנתחים ובקרי ביוריאקטור [2] |
מערכות אוטומטיות לא רק שומרות על סטריליות ליותר מ-370 שעות אלא גם דורשות פחות מ-60 מיקרוליטר של מדיה לכל ניתוח [2][6].עם זאת, על המפעילים לטפל בשגיאות מערכתיות פוטנציאליות בטיפול בנוזלים, אם כי כיול אוטומטי יכול להפחית סטיות עד ל-0.1% [2]. בנוסף, ייתכן שיהיה צורך להתאים את "זמן הדחיפה החוצה" (POT) במודולי סינון בהתבסס על צפיפות תאים חיה כדי להבטיח אספקת דגימות עקבית ככל שהתהליך מתפתח [2].
אסטרטגיות אלו מדגישות כיצד מערכות אוטומטיות מעבירות את ייצור הבשר המתורבת מניטור תגובתי לתהליך יותר פרואקטיבי ומבוקר, ומשלימות התקדמות מוקדמת בטכנולוגיית חיישנים ומחקר.
sbb-itb-ffee270
Cellbase משאבים למערכות דגימה אוטומטיות
רשימות ספקים מאומתות
הפלטפורמה גם מדגישה כלים מיוחדים לדגימה אספטית, כמו bioPROBE של bbi-biotech.כלי זה מתהדר ב"סטריליות בעיצוב", תוך שימוש במנגנון תובלה עם כרית גז פטנטית למניעת היווצרות ביופילם וסתימות [9]. בנוסף,
רכישת ציוד פשוטה
מעבר להצגת רישומים מאומתים,
עבור צוותי מחקר ופיתוח, רישומים מאומתים מציעים פתרונות שמאוטומטים גם את הדגימה וגם את ההתאמות המבוססות על אירועים. זה במיוחד שימושי לניהול נפחי דגימה קטנים - עד 0.5 מ"ל - ועוזר למזער אובדן מדיה [9][10]. הפוטנציאל לחיסכון בזמן הוא משמעותי: דגימה אוטומטית יכולה להפחית את דרישות העבודה בכ-480 שעות אדם (שווה ערך ל-12 שבועות עבודה) בשנה כאשר מעבדים 1,800 דגימות, בהשוואה לשיטות ידניות [9].על ידי ייעול רכישת ציוד ושיפור הדיוק,
סיכום
סיכום ומבט לעתיד
מערכות דגימה אוטומטיות משנות את האופן שבו מנוטרים תהליכי ביופרוסס של בשר מתורבת. על ידי קישור ישיר של ביוריאקטורים עם כלים אנליטיים, הן מספקות נתונים באיכות גבוהה עד 12 פעמים יותר - כל 2–3 שעות בהשוואה לגישה המסורתית של פעם ביום [1][2]. איסוף נתונים תכוף זה מאפשר הבנה מעמיקה יותר של חילוף החומרים של התאים, זיהוי מהיר יותר של דלדול חומרים מזינים, וחישוב פרמטרים קינטיים הקריטיים לאופטימיזציה של אסטרטגיות האכלה.
מערכות אלו גם שומרות על סטריליות למשך תקופות ארוכות יותר ומספקות מדידות מדויקות ביותר, מה שהופך אותן לשוברות שוויון בתחום הביופרוססינג.עם יתרונות אלו מבוססים היטב, הבמה מוכנה להישגים גדולים עוד יותר.
עתיד ייצור הבשר המתורבת מתקדם לעבר ביו-ייצור חכם. זה כולל שילוב של דגימה אוטומטית עם מודלים חיזויים ובקרות תהליך בלולאה סגורה. הישגים כאלה יעבירו את המיקוד מניתוח נתונים לאחר מעשה לאופטימיזציה של תהליכים בזמן אמת. משמעות הדבר היא שניתן להתאים אסטרטגיות הזנה בזמן אמת, להפחית את זמן הייצור, להבטיח איכות מוצר עקבית ולהאיץ את זמן ההגעה לשוק באמצעות ניטור מתמשך של תכונות איכות קריטיות [2][3]. עבור היצרנים, מערכות אלו הופכות במהירות לאבן יסוד לפעולות תחרותיות וניתנות להרחבה.
פלטפורמות כמו
(English) Numera PAT: דגימה אוטומטית בתהליכי ביופרוססינג
שאלות נפוצות
כיצד מערכות דגימה אוטומטיות משפרות את העקביות בייצור בשר מתורבת?
מערכות דגימה אוטומטיות ממלאות תפקיד מרכזי בהבטחת עקביות בייצור בשר מתורבת על ידי הסרת חוסר הוודאות הקשור לדגימה ידנית. מערכות אלו מתוכננות לאסוף נפחי דגימה מדויקים במרווחי זמן מתוזמנים, מה שמפחית את טעויות האנוש ומבטיח אחידות. דגימה יציבה ומדויקת זו מספקת תובנות בזמן אמת על חומרים מזינים, מטבוליטים ובריאות התאים, ומאפשרת שליטה טובה יותר על תהליך הייצור ושיפור איכות המוצר.
על ידי אוטומציה של משימות כמו דגימה, הכנה והעברה, הסיכויים לזיהום מופחתים באופן משמעותי. בנוסף, איסוף הנתונים יכול להימשך גם מחוץ לשעות העבודה הסטנדרטיות, מה שמציע מבט מקיף יותר על תהליך הייצור. ניטור מתמשך זה מאפשר התאמות מהירות לפרמטרים כמו הזנה, טמפרטורה או גורמים קריטיים אחרים, מה שמוביל לאיכות אצווה עקבית ולתוצאות ייצור אמינות יותר. עבור אלו העובדים בתחום הבשר המתורבת,
כיצד חיישנים תורמים לניטור בזמן אמת בייצור בשר מתורבת?
חיישנים חיוניים לניטור בזמן אמת, שכן הם עוקבים באופן רציף אחר פרמטרי תהליך מרכזיים (CPPs) כמו חמצן מומס, pH, טמפרטורה, צפיפות תאים וחיות תאים.על ידי מתן משוב מיידי, חיישנים אלו עוזרים למפעילים לזהות סטיות במהירות, לבצע התאמות בזמן ולהימנע מבעיות שעלולות לפגוע באיכות המוצר.
טכנולוגיות מודרניות, כגון חיישני אינפרא אדום קרוב (NIR) וחיישני ראמאן, לוקחות זאת צעד קדימה על ידי ניטור בזמן אמת של חומרים מזינים כמו גלוקוז ותוצרי לוואי כמו לקטט, מה שמפחית את הצורך בדגימה ידנית. כלים אופטיים מתקדמים, כמו מיקרוסקופיה במקום, מציעים אפילו נתונים מפורטים על תא בודד בנוגע למורפולוגיה וחיות. חידושים אלו הם מרכזיים ל-טכנולוגיית ניתוח תהליכים (PAT), המאפשרת אוטומציה ומבטיחה שליטה עקבית בייצור בשר מתורבת.
פלטפורמות כמו
כיצד מערכות דגימה אוטומטיות מסייעות להפחתת עבודה בתהליכי ביופרוססינג?
מערכות דגימה אוטומטיות מסירות את העומס הכבד מתהליכי ביופרוססינג על ידי טיפול במשימות שגרתיות כמו שאיבת, הכנת והעברת דגימות למכשירים אנליטיים. על ידי פעולה על פי לוחות זמנים מוגדרים מראש, מערכות אלו מבטלות את הצורך בטכנאים להתערב ידנית עם ביוריאקטורים ודגימות. התוצאה? פחות עבודה חוזרת, פחות סיכויים לטעויות אנוש, ויותר זמן לצוות מיומן להתעמק במשימות כמו ניתוח נתונים ושיפור תהליכים.
יתרה מכך, מערכות אלו מאפשרות דגימה בתדירות גבוהה הרבה יותר - לפעמים כמעט רציפה - בהשוואה לשיטות ידניות. המשמעות היא שנוצר שפע של נתונים, המאפשרים ניטור בזמן אמת ושליטה הדוקה יותר על פרמטרים מרכזיים. עם כלים מובנים לניהול נתונים, תהליכי העבודה הופכים לחלקים יותר על ידי ארגון אוטומטי של מטא-דאטה של דגימות, מה שמפחית את הצורך בניירת והזנת נתונים ידנית.
htmlעבור אלו בתעשיית הבשר המתורבת,
