בייצור בשר מתורבת, חיישנים ומערכות אוטומטיות משנים את האופן שבו מנוהלים ביוריאקטורים. על ידי מעקב אחר גורמים קריטיים כמו pH, חמצן מומס, גלוקוז וטמפרטורה בזמן אמת, טכנולוגיות אלו מבטיחות צמיחת תאים עקבית וממזערות סיכונים כמו זיהום או כשל באצווה. הנה מה שאתה צריך לדעת:
-
סוגי חיישנים:
- בקו: מנטרים ישירות פרמטרים בתוך הביוריאקטור להתאמות בזמן אמת.
- לא פולשני: משתמשים בכלים חיצוניים כמו ספקטרוסקופיית ראמאן לשמירה על סטריליות.
- בקו קרוב: מנתחים דגימות ליד הייצור לתובנות מפורטות.
- מדדים מרכזיים: טמפרטורה, pH, חמצן מומס, גלוקוז, לקטט ורמות אמוניום הם חיוניים לשליטה בתהליך. חיישנים מתקדמים יכולים למדוד את אלו בדיוק גבוה, תומכים בקבלת החלטות טובה יותר.
- יתרונות האוטומציה: חיישנים מבוססי AI מספקים עדכונים מיידיים, מפחיתים דגימה ידנית ומייעלים אסטרטגיות הזנת חומרים מזינים. זה משפר את היעילות ומתאים לסטנדרטים רגולטוריים.
- הגדלת קנה מידה: המעבר מייצור בקנה מידה מעבדתי לייצור מסחרי דורש חיישנים חזקים שמטפלים בנפחים גדולים יותר ובתנאים מורכבים. מערכים מרחביים מרובים ושיטות כיול מתקדמות הם חיוניים.
מעבר זה למערכות אוטומטיות המונעות על ידי חיישנים אינו רק על שיפור היעילות אלא גם על עמידה בדרישות רגולטוריות והבטחת איכות המוצר בקנה מידה. המשיכו לקרוא כדי לחקור טכניקות שילוב חיישנים, טיפים לתחזוקה וכיצד AI מעצב את עתיד הביופרוססינג.
אוטומציה של תהליכים ביולוגיים עבור PAT עם BioProfile FLEX2 ו-Seg-Flow
סוגי חיישנים המשמשים בתהליכים ביולוגיים
סוגי חיישנים בתהליכים ביולוגיים: השוואה בין חיישנים פנימיים, לא פולשניים וחיצוניים
בחירת החיישנים הנכונים לתהליכים ביולוגיים היא עניין של איזון בין ניטור בזמן אמת, סטריליות ורמת הפירוט הנדרשת. שלושת הסוגים העיקריים - פנימיים, לא פולשניים, ו-חיצוניים - כל אחד מהם ממלא תפקיד ייחודי בייצור בשר מתורבת. חיישנים אלו שואפים לספק נתונים מדויקים תוך מזעור סיכוני זיהום, ולהבטיח שהם משתלבים בצורה חלקה בצרכים הספציפיים של תהליכים ביולוגיים.
חיישנים פנימיים
חיישנים פנימיים ממוקמים ישירות בתוך הביוראקטור או זרם הזרימה, ומציעים ניטור רציף בזמן אמת של פרמטרים קריטיים כמו pH, חמצן מומס (DO), גלוקוז ואמוניום.מכיוון שהם שקועים במדיום התרבות, הם חייבים להיות חד-פעמיים או חזקים מספיק כדי להתמודד עם שיטות עיקור כמו אוטוקלאב לשמירה על סביבה סטרילית. במקרים שבהם טבילה ישירה אינה אפשרית, חיישנים לא פולשניים נכנסים כחלופה סטרילית.
חיישנים לא פולשניים
חיישנים לא פולשניים פועלים מחוץ לביוראקטור, תוך שימוש בכלים כמו ספקטרוסקופיית ראמאן כדי לנטר את תנאי התרבות מבלי להפר את הסטריליות. שיטה זו מפחיתה במידה רבה את הסיכונים לזיהום, מה שחשוב במיוחד בעבודה עם קווי תאים יונקים רגישים בייצור בשר מתורבת. לדוגמה, פתרונות ראמאן לתהליך הכל-באחד מאפשרים מעקב ניתן להרחבה ולא הרסני אחר ביומסה והרכב כימי [3].בעוד שהם מצטיינים בשמירה על סטריליות, חיישנים לא פולשניים עשויים לא להתאים בדיוק של אפשרויות אינליין עבור פרמטרים מסוימים, מה שהופך אותם לאידיאליים לתרחישים שבהם הימנעות מזיהום היא בעדיפות עליונה. כאשר נדרשת ניתוח מפורט יותר, חיישנים בקו מספקים השלמה חשובה.
חיישנים בקו
חיישנים בקו משמשים לניתוח דגימות שנלקחו ליד קו הייצור. חיישנים אלה יעילים במיוחד לאימות נתוני אינליין או כאשר ניתוח מפורט חשוב יותר מהצורך בתוצאות מיידיות. בעוד שחיישני אינליין מציעים משוב מיידי להתאמות אוטומטיות, שיטות בקו לוקחות יותר זמן אך מספקות תובנות מקיפות יותר על פרופילי חומרים מזינים ומטבוליטים [1]. זה הופך אותם לשימושיים במיוחד לאופטימיזציה של תהליכים ולעמידה בדרישות רגולטוריות, כאשר תיעוד מפורט הוא קריטי.
פרמטרים מרכזיים לניטור בזמן אמת
בחירת משתנים ספציפיים לתהליך
כדי לנטר תהליכים ביעילות, חשוב להגדיר את המטרות שלך ולבחור את הפרמטרים הנכונים. משתנים נפוצים כמו טמפרטורה, pH, ו-חמצן מומס (DO) עוזרים לשמור על תנאים יציבים, בעוד פרמטרים קריטיים לתהליך (CPPs) - כמו ריכוזי גלוקוז, לקטט ואמוניום - מציעים חלון ישיר למצב המטבולי ולרמות התזונה [4].
מדדי ביצוע מרכזיים (KPIs), כולל צפיפות תאים כוללת (TCD) ו-צפיפות תאים חיים (VCD) , חשובים באותה מידה. מדדים אלו עוקבים אחר צמיחת תאים ועוזרים לקבוע את הזמן הטוב ביותר לפעולות כמו קציר או שינוי מדיה [4].לדוגמה, ספקטרוסקופיית ראמאן יכולה להעריך TCD עם שגיאה מקסימלית של 5% ו-VCD עם שגיאה של 10%. באופן דומה, מדידות מטבוליטים בזמן אמת מראות שגיאות של כ-4% עבור גלוקוז, 8% עבור לקטט, ו-7% עבור אמוניום [4]. רמת דיוק זו מדגימה את היתרון של ניטור בזמן אמת על פני שיטות דגימה ידניות מסורתיות [1].
יתרון נוסף של ניטור אוטומטי בקו הוא יכולתו להפחית דגימה ידנית, מה שמפחית באופן משמעותי את הסיכון לזיהום וכשל פוטנציאלי של אצווה [1][4]. נתונים בזמן אמת גם מקלים על בקרת תזונה אוטומטית, ומאפשרים אסטרטגיות הזנה מדויקות. לדוגמה, שמירה על רמות גלוקוז מעל ספים קריטיים, כגון 4 גרם/ליטר, מובילה לתשואות טובות יותר ועקביות [4].
לאחר זיהוי המשתנים המרכזיים, השלב הבא הוא להבטיח ניטור מדויק באמצעות מיקום נכון של החיישנים.
מיקום חיישנים ודיוק
מיקום החיישנים חשוב לא פחות מבחירתם הנכונה. כדי להבטיח קריאות מדויקות, יש לטבול את הגששים במלואם במדיום התרבות באמצעות מתאמים סטנדרטיים כמו מעברי כבלים PG13.5 [4] . במערכות גדולות יותר, מיקום החיישנים הופך לקריטי עוד יותר, שכן הוא מבטיח שהנתונים ישקפו את כל הכלי ולא רק אזור קטן [4].
פיצוי טמפרטורה משחק תפקיד מרכזי בשמירה על דיוק. מדידות של pH ו-DO רגישות במיוחד לשינויים בטמפרטורה, שניתן לטפל בהם באמצעות להבי משדר שמחברים קלטי RTD (גלאי טמפרטורה בהתנגדות) או תרמיסטורים לתוכנת הבקרה [3] . זה מבטיח ששינויים בטמפרטורה לא מעוותים את הקריאות, ועוזר לעמוד בסטנדרטים האיכותיים הנדרשים לייצור בשר מתורבת.
sbb-itb-ffee270
כיצד לשלב חיישנים עם מערכות בקרה אוטומטיות
חיבור חיישנים לתוכנת בקרת תהליכים ביולוגיים
האופן שבו חיישנים מתקשרים עם התוכנה המרכזית שלך תלוי במבנה מערכת הבקרה שלך. מערכות בקרה היררכיות מסורתיות (HSCS) משתמשות בהגדרה של שלוש שכבות שבהן אותות אנלוגיים עוברים דרך PLC או DCS. מערכות אלו ממירות את הנתונים לדיגיטליים לפני שליחתם לתוכנה המרכזית. למרות שהן אמינות, גישה זו יכולה להוביל לצווארי בקבוק.
מתקני בשר מתורבת מודרניים רבים עוברים למערכות בקרה מבוססות Fieldbus (FCS) ומערכות בקרה מרושתות (NCS). מערכות אלו מפשטות את האינטגרציה על ידי כך שהן מאפשרות לחיישנים להתחבר ישירות למערכת המרכזית דרך ערוץ תקשורת יחיד [5]. חיישנים חכמים של היום יכולים לעבד נתונים ולבצע אבחון עצמי, ובכך מבטלים את הצורך במכשירי מחשוב ביניים [5]. לדוגמה, מעבר ל-FCS לתסיסת L-asparaginase II הביא לעלייה של 100% בתפוקה בהשוואה לשיטות בקרה ישנות יותר [5].
בעת התקנת חיישנים, ודא שהם עומדים בתקנים דיגיטליים ובפרוטוקולי פיצוי טמפרטורה. חיישנים ומפעילים צריכים להיות תואמים לתקנים דיגיטליים מקובלים כמו Profibus, Foundation Fieldbus, או Ethernet. זה מבטיח החלפה קלה של מכשירים ומפחית עלויות תחזוקה [5].תוכנת בקרת ביופרוסס מתמחה, כגון TruBio (מופעלת על ידי Emerson DeltaV), תומכת בהגדלה ומבטיחה שלמות נתונים ללא צורך בתכנות ידני [3].
לרכישת חיישנים ורכיבים איכותיים העומדים בסטנדרטים אלו, ניתן לחקור אפשרויות מאומתות ב-
עם מערכות יעילות אלו, בינה מלאכותית מתקדמת וניתוחי נתונים יכולים לשפר עוד יותר את בקרת הביופרוסס.
שימוש בבינה מלאכותית וניתוחי נתונים
בהתבסס על ניטור בזמן אמת, חיישנים ביולוגיים מונעי בינה מלאכותית משנים את אופן ניהול הביופרוסס של בשר מתורבת. בפברואר 2025, The Cultivated B הציגה מערכת חיישנים ביולוגיים מרובת ערוצים המופעלת על ידי בינה מלאכותית, שמשלבת ניטור רציף עם ניתוחי נתונים בזמן אמת. מערכת זו עוקבת אחר צמיחת תאים ופעילות מטבולית - כגון גלוקוז, חומצות אמינו וחומצה לקטית - בריכוזים של פיקומולר. התוצאה? המלצות בזמן אמת להתאמות מדיה ואסטרטגיות בקרה, המבטלות את הצורך בדגימה ידנית או גששים פיזיים [6] [7]. חמיד נורי, מייסד ומנכ"ל The Cultivated B, הדגיש את השפעתו:
"טכנולוגיית החיישנים שלנו לביוראקטורים מאיצה את עקומת הלמידה של עיבוד ביולוגי, ומבטיחה תפוקה איכותית גבוהה ואיכות מוצר יוצאת דופן. אני בטוח שזה יאפשר לתעשיות לייעל תהליכי עבודה ולאפשר תהליכים ניתנים להרחבה באמצעות אוטומציה משופרת." [6]
כדי לייעל התאמות תהליך דינמיות, השתמשו בחיישנים ביולוגיים רב-ערוציים המסוגלים לזהות מולקולות ברמות פיקומולר.החיישנים הללו מספקים נתונים ברזולוציה גבוהה שמערכות AI יכולות לנתח [6]. שילוב חיישנים חכמים עם מפעילים במערכות לולאה סגורה מקומיות ושימוש בלוגיקה מטושטשת לאופטימיזציה של חומרים מזינים יכול להפחית את התלות ברשתות מרכזיות [5].
תחזוקה והרחבת מערכות חיישנים
כיול ותחזוקת חיישנים
כיול הוא עמוד השדרה להבטחת קריאות מדויקות בייצור בשר מתורבת. תהליך זה מיישר את פלטי החיישנים - כמו אלו של מדחומים, מדי לחץ, חיישני pH וגלאי חמצן מומס - עם תקנים מבוססים. כיול קבוע אינו רק נוהג טוב; הוא חיוני לעמידה בדרישות GMP ותקנות בטיחות מזון כמו תקנה (EC) 853/2004 [1].כדי להשיג זאת, קביעת לוחות זמנים עקביים לכיול ושימוש במערכות ניטור אוטומטיות לרישום נתונים הם צעדים מרכזיים הן לצורך עמידה בתקנים והן ליעילות התהליך.
תוכנה אוטומטית לתהליכים ביולוגיים, בשילוב עם RTDs משולבים (גלאי טמפרטורה בהתנגדות), מסייעת לשמור על כיול מדויק, גם כאשר הטמפרטורות משתנות.
לאפשרות נוחה יותר, חיישנים חד-פעמיים צוברים פופולריות. אלה מפחיתים את הצורך בניקוי נרחב וכיול מחדש. לדוגמה, מערכות כמו Thermo Scientific DynaDrive יכולות להתרחב מ-5 ל-5,000 ליטרים תוך שמירה על אוטומציה ויעילות [3]. מצד שני, חיישנים לשימוש חוזר, למרות שדורשים יותר תחזוקה, עשויים להציע עמידות לאורך זמן.
ברגע שזרימות העבודה של הכיול והתחזוקה שלך מוצקות, הרחבת מערכות החיישנים הללו לייצור מסחרי מציגה סט חדש לגמרי של אתגרים.
מעבר לייצור מסחרי
כאשר עוברים לייצור בקנה מידה גדול יותר, מערכות חיישנים חייבות להסתגל כדי להתמודד עם שונות מרחבית. חיישן שעובד בצורה מושלמת בכלי קטן של 50 מ"ל עשוי לא לספק נתונים מדויקים בשקית תאים של 2 ליטר - או ביו-ריאקטור גדול בהרבה [2]. ככל שנפחי הביו-ריאקטור גדלים, חיישנים בנקודה אחת לעיתים קרובות אינם מצליחים ללכוד את המורכבות המלאה של הסביבה.
כדי להתמודד עם זה, מערכי חיישנים מרחביים מרובים וחיישני סרט דק מתקדמים הם יעילים. מערכות אלו מספקות ניטור אחיד, עם פחות מ-2% שונות בביצועים על פני תקופה של 30 יום [2]. עבור ביו-ריאקטורים מתנדנדים, החיישנים חייבים גם לעמוד בלחץ מכני משמעותי. עיצובים גמישים של חיישנים נבדקו כדי לשרוד מעל 1,498,110 מחזורי כיפוף לפני שמופיעים סימני בלאי [2].הוספת ממברנות מגן, כמו פוליאתרסולפון (PES), יכולה להקטין את הביופולינג ולהאריך את חיי החיישן.
לפני הגדלת היקף, כדאי לבדוק את ביצועי החיישן על מודלים מיקרופלואידיים מוקטנים. גישה זו עוזרת לזהות בעיות פוטנציאליות מוקדם, ומבטיחה מעבר חלק יותר לחומרה מסחרית [8]. בנוסף, בחירת בקרי ביופרוסס המאפשרים העברת נתונים חלקה מהמעבדה לייצור בקנה מידה גדול היא קריטית. פלטפורמות כמו Emerson DeltaV מתוכננות לשמור על שלמות הנתונים ולהקל על תהליך העברת הטכנולוגיה מ-R&D לייצור בקנה מידה מלא [3].
סיכום
שילוב חיישנים עם מערכות ביופרוסס אוטומטיות מהפך את ייצור הבשר המתורבת, ומעביר אותו ממחקר ניסיוני לייצור בקנה מידה גדול.על ידי הפעלת ניטור בזמן אמת של גורמים מרכזיים כמו pH, חמצן מומס, גלוקוז וטמפרטורה, מערכות אלו מספקות תובנות מיידיות על תנאי התרבות. זה מאפשר התאמות מהירות, מפחית את הסיכון לכשלים ומקדם צמיחה אופטימלית. כפי שג'ובאני קמפולונגו, מנהל מגזר שוק בכיר ב-
"שימוש בחיישנים אינליין לניטור ושליטה בתנאי התהליך יהיה חיוני להצלחה בייצור מסחרי" [9].
סינרגיה זו תומכת בכל שלב של הייצור, מהתאמת תהליכים ועד עמידה בדרישות רגולטוריות מחמירות.
מערכות אוטומטיות גם ממזערות התערבות ידנית תוך יצירת יומני נתונים מפורטים - מרכיב חיוני לעמידה בתקני GMP ובתקני בטיחות מזון בבריטניה.בקרים מתקדמים, כגון Thermo Scientific DynaDrive, יכולים להתמודד עם נפחים הנעים בין 5 ל-5,000 ליטרים [3], ומבטיחים מעבר חלק מפעולות בקנה מידה מעבדתי לפעולות בקנה מידה מסחרי.
השילוב של ניטור מונע על ידי AI מוסיף שכבה נוספת של יעילות. בעוד ששיטות מסורתיות עשויות לקחת ימים לזיהוי בעיות, חיישנים ביולוגיים מופעלים על ידי AI מספקים עדכונים מיידיים על תנאי הביוראקטור [1]. רמת תגובה זו היא קריטית במגזר שבו עלויות הייצור צנחו - מכ-£250,000 להמבורגר בשנים 2000–2001 ל-£7.40 בלבד בתחילת 2022 [9]. עם למעלה מ-150 חברות ברחבי העולם שעובדות כיום על בשר מתורבת, שילוב מערכות חיישנים יעילות הפך ממותרות לדרישה תחרותית [9].
ככל שהטכנולוגיות הללו ממשיכות להתפתח, פלטפורמות כמו
שאלות נפוצות
כיצד חיישנים לא פולשניים מסייעים בשמירה על סטריליות במערכות ביופרוססינג?
חיישנים לא פולשניים ממלאים תפקיד מרכזי בשמירה על סטריליות במערכות ביופרוססינג על ידי ניטורן מבלי לבוא במגע ישיר עם סביבת תרבית התאים. חיישנים אלו ממוקמים בדרך כלל מחוץ לביוראקטור או מסתמכים על מערכות מיקרופלואידיות, מה שמאפשר להם לאסוף נתונים בזמן אמת על גורמים כמו חמצן מומס, רמות pH ומטבוליטים - כל זאת מבלי להפר את הביוראקטור.
שיטה זו מפחיתה באופן משמעותי את הסיכון לזיהום בהשוואה לגששים פולשניים ישנים יותר. טכנולוגיות כמו חיישנים אופטיים וביוסנסורים המופעלים על ידי בינה מלאכותית לוקחות זאת צעד קדימה על ידי שיפור הן של בקרת התהליך והן של דיוק הנתונים תוך שמירה על סטריליות. התקדמויות כאלה הן קריטיות להגנה על שלמות מערכות ייצור בשר מתורבת.
כיצד משפרת הבינה המלאכותית את בקרת הביופרוסס בייצור בשר מתורבת?
הבינה המלאכותית משחקת תפקיד מהפכני בשיפור בקרת הביופרוסס לייצור בשר מתורבת, ומציעה ניהול מדויק, יעיל ואוטומטי של הייצור. היא משיגה זאת על ידי ניתוח נתונים בזמן אמת שנאספים מחיישנים המנטרים פרמטרים קריטיים כמו pH, רמות חמצן, טמפרטורה וצמיחת תאים. בעזרת אלגוריתמים של למידת מכונה, הבינה המלאכותית מעבדת נתונים אלה כדי לחזות תוצאות, לזהות אי-סדירויות ולכוונן תנאים, ובכך להבטיח איכות עקבית תוך מזעור בזבוז.
כאשר משלבים עם חיישנים פנימיים, מערכות ביופרוסס מונעות בינה מלאכותית יכולות להתאים אוטומטית את ההגדרות כדי לשמור על תנאי גידול אידיאליים, ובכך לבטל את הצורך בהתערבות ידנית. גישה זו לא רק משפרת את יכולת ההרחבה והאמינות אלא גם מסייעת לעמוד בדרישות הרגולציה, ומקדמת את הכדאיות המסחרית של ייצור בשר מתורבת.
כיצד ניתן להרחיב חיישנים ביעילות לייצור מסחרי של בשר מתורבת?
הרחבת חיישנים לייצור בשר מתורבת ברמה מסחרית דורשת מערכות מתקדמות המסוגלות לניטור ובקרה מדויקים ככל שנפחי הייצור גדלים. טכנולוגיות חיישנים מודרניות, כגון חיישנים אלחוטיים ו-גלאים רב-פרמטריים, מתוכננות לנטר משתנים חיוניים כמו pH, חמצן מומס, רמות גלוקוז וטמפרטורה לאורך הביוראקטורים.חיישנים אלה מגיעים לעיתים קרובות עם עיצובים גמישים ומוטמעים המאפשרים איסוף נתונים בזמן אמת ובמיקום מדויק, ומבטיחים תנאים עקביים לצמיחת תאים אופטימלית.
לפעולות בקנה מידה גדול, חיישנים אלה חייבים לעבוד בצורה חלקה עם מערכות משוב אוטומטיות. אינטגרציה זו מאפשרת רישום נתונים רציף והתאמות בזמן אמת לגורמים קריטיים כמו אספקת חומרים מזינים ורמות חמצן. האוטומציה מפחיתה את הצורך בהתערבות ידנית, משפרת את השחזוריות ומגבירה את היעילות הכוללת. בינתיים, התקדמויות כמו גששים מרובי ערוצים ואלקטרוניקה אלחוטית מספקות דרך חסכונית להתרחב מבלי להתפשר על דיוק או אמינות. על ידי אימוץ טכנולוגיות אלה, יצרנים יכולים לשמור על תהליכים יציבים, להבטיח איכות מוצר עקבית ולשפר את היעילות התפעולית כשהם מתרחבים לייצור בקנה מידה מסחרי.
