Spektroskopi menawarkan cara cepat dan akurat untuk memantau media pertumbuhan dalam produksi daging budidaya. Dengan melacak nutrisi seperti glukosa dan glutamin secara real-time, ini membantu mengoptimalkan pertumbuhan sel dan menjaga kualitas. Dua metode utama yang menonjol:
- Spektroskopi NIR: Beroperasi dalam rentang 780–2,500 nm, ideal untuk melacak nutrisi dan metabolit seperti glukosa dan laktat. Ini hemat biaya dan mudah diintegrasikan dengan bioreaktor tetapi mungkin menghadapi gangguan dari sinyal air.
- Spektroskopi Raman: Menggunakan hamburan cahaya inelastis untuk memberikan data molekuler yang sangat spesifik. Ini bekerja dengan baik di lingkungan yang didominasi air, menawarkan presisi untuk metabolit seperti laktat dan glukosa tetapi datang dengan biaya yang lebih tinggi.
Kedua metode mendukung sistem otomatis untuk pengiriman nutrisi dan deteksi kontaminasi, meningkatkan efisiensi dan mengurangi risiko pengambilan sampel manual.Platform seperti
Spektroskopi NIR untuk Analisis Media Pertumbuhan
Cara Kerja Spektroskopi NIR
Spektroskopi dekat-inframerah (NIR) beroperasi dalam rentang panjang gelombang 780 nm hingga 2.500 nm, berfokus pada mendeteksi overtone dan pita kombinasi dari getaran molekul fundamental [7]. Ini membuatnya sangat efektif dalam mengidentifikasi ikatan seperti C-H, O-H, dan N-H, yang umum ditemukan dalam molekul seperti glukosa, asam amino, dan protein.
Proses ini melibatkan penyinaran cahaya NIR melalui media pertumbuhan dan mengukur seberapa banyak cahaya yang diserap pada panjang gelombang yang berbeda. Setiap molekul menghasilkan pola spektral unik, atau "sidik jari", yang memberikan wawasan tentang komposisi media.Namun, karena pita spektral sering tumpang tindih, teknik kemometrik lanjutan seperti regresi Partial Least Squares diperlukan untuk mengekstraksi data kuantitatif yang tepat [1].
Salah satu manfaat menonjol dari spektroskopi NIR adalah sifatnya yang non-invasif. Probe dapat langsung diintegrasikan ke dalam bioreaktor menggunakan port Ingold standar, dan mereka dibangun untuk menahan siklus sterilisasi (SIP/CIP), memastikan mereka sesuai dengan standar kebersihan industri [10]. Kemampuan untuk mengukur tanpa mengganggu proses ini menjadikan NIR alat yang berharga untuk memantau media pertumbuhan.
Aplikasi NIR dalam Pemantauan Media Pertumbuhan
Spektroskopi NIR banyak digunakan untuk melacak nutrisi dan metabolit penting, seperti glukosa, glutamin, asam amino, laktat, amonia, dan total jumlah sel (TCC) [6][8].Dengan menyediakan data real-time, ini membantu produsen mendeteksi penurunan nutrisi lebih awal, mencegah dampak pada kelangsungan hidup sel, atau mengidentifikasi produk sampingan beracun sebelum mereka terakumulasi.
Studi telah menunjukkan manfaat praktis dari NIR. Sebagai contoh, satu investigasi menggunakan NIR untuk pemantauan on-line dalam bioreaktor tangki berpengaduk, mencapai kesalahan prediksi sebesar 1.54 mM untuk glukosa dan 0.83 mM untuk laktat [8]. Untuk proses daging yang dibudidayakan, di mana sel tumbuh pada mikrokorier, kalibrasi spesifik sistem sangat penting karena efek penyebaran cahaya yang disebabkan oleh manik-manik. Penelitian di Sanofi Pasteur berhasil menerapkan NIR untuk memantau sel Vero yang tumbuh pada mikrokorier Cytodex 1, mencapai akurasi prediksi sebesar 0.36 g/l untuk glukosa dan 0.29 g/l untuk laktat [9]. Temuan ini menyoroti pentingnya kalibrasi yang disesuaikan untuk sistem yang berbeda.
"Spektroskopi NIR (NIRS) adalah alat PAT in situ yang menjanjikan... menyediakan spektrum yang mewakili 'tanda tangan' dari semua komponen yang ada dalam larutan yang dianalisis."
- Annie Marc, Proses Biokimia [9]
Penggunaan NIR yang semakin berkembang lainnya adalah dalam membuat profil "batch emas" - tolok ukur yang mewakili kinerja proses optimal. Operator dapat membandingkan proses saat ini dengan profil ini secara real-time. Misalnya, peneliti di Leibniz Universität Hannover menggunakan NIR untuk memantau kultivasi sel CHO-K01 dalam bioreaktor 7,5 liter. Sistem mereka mendeteksi kontaminasi bakteri dalam "Batch 3" hanya 30 jam ke dalam proses, karena pembacaan NIR melebihi batas proses yang ditentukan [4].
Dasar-dasar spektroskopi NIR – Bagaimana cara kerja spektroskopi NIR?
Spektroskopi Raman untuk Analisis Media Pertumbuhan
Sementara spektroskopi NIR sangat baik untuk menguraikan pita serapan yang tumpang tindih, spektroskopi Raman mengambil jalur yang berbeda. Ini menggunakan hamburan cahaya inelastis untuk menyelidiki struktur molekul, menawarkan metode analisis yang saling melengkapi.
Bagaimana Cara Kerja Spektroskopi Raman
Spektroskopi Raman bekerja dengan memancarkan laser 785 nm ke sampel dan menangkap foton yang tersebar secara inelastis. Ketika foton ini berinteraksi dengan molekul, terjadi pergeseran energi akibat gerakan vibrasi. Pergeseran ini menciptakan "sidik jari" spektral yang unik, mengungkapkan struktur molekul dari komponen seperti protein, lipid, asam nukleat, dan gula [12][5].
Perbedaan utama dari spektroskopi NIR terletak pada apa yang diukur oleh Raman.Alih-alih mendeteksi perubahan momen dipol, Raman berfokus pada perubahan polarisabilitas ikatan molekul selama getaran [5]. Perbedaan ini membuatnya sangat berguna untuk aplikasi daging budidaya. Mengapa? Karena air, yang mendominasi media pertumbuhan, hampir tidak terlihat oleh deteksi Raman. Ini berarti Raman dapat "melihat melalui" air untuk mendeteksi sejumlah kecil nutrisi dan metabolit, menghindari gangguan yang sering mempersulit metode inframerah [11][12][5].
Spektroskopi Raman menghasilkan sinyal spesifik analit yang tidak tumpang tindih dengan sinyal air... membuatnya sangat menguntungkan untuk aplikasi dalam kultur sel, di mana matriksnya sebagian besar berair.
- Morandise Rubini, Peneliti, University of Tours [12]
Namun, karena pita spektral dapat tumpang tindih, model matematika lanjutan seperti Partial Least Squares atau Principal Component Analysis sering digunakan untuk mengekstraksi data kuantitatif yang tepat dari spektrum yang tajam dan spesifik [12][13][14].
Aplikasi Raman dalam Pemantauan Media Pertumbuhan
Berkat kemampuannya untuk menghasilkan sidik jari molekuler yang rinci, spektroskopi Raman telah menjadi alat yang kuat untuk pemantauan in-line di lingkungan produksi. Bertindak sebagai sensor optik, ini melacak konsumsi nutrisi - seperti glukosa dan glutamin - dan produksi produk sampingan metabolik, seperti laktat dan amonia [14]. Umpan balik waktu nyata ini memungkinkan penyesuaian otomatis, seperti mengoptimalkan jadwal pemberian nutrisi untuk meningkatkan efisiensi.
Misalnya, pada bulan April 2025, para peneliti memanfaatkan Viserion spektrometer Raman dalam lima kultur sel CHO 10-liter, mencapai prediksi yang sangat akurat (e.g., RMSEP sebesar 0,51 g/l untuk glukosa) [12]. Demikian pula, pada bulan Maret 2018, tim di Cell and Gene Therapy Catapult di London menggunakan sistem Raman in-line (Kaiser Optical Systems RamanRxn2™ analyser) untuk memantau produksi sel T autolog. Mereka melacak kadar glukosa (R = 0,987) dan laktat (R = 0,986) dengan presisi, mengidentifikasi perubahan metabolik spesifik donor dan tingkat proliferasi tanpa perlu pengambilan sampel manual [14].
Selain nutrisi dan produk sampingan, spektroskopi Raman juga memantau konsentrasi sel, mengevaluasi viabilitas sel, dan mendeteksi potensi bahaya seperti Salmonella atau E. coli. Ini memastikan konsistensi di seluruh batch dan menyediakan cara yang andal untuk mengkarakterisasi komponen media [11][1][14][15].
NIR vs Raman: Metode Mana yang Harus Digunakan
Perbandingan Spektroskopi NIR vs Raman untuk Analisis Media Pertumbuhan
Memutuskan antara spektroskopi NIR dan Raman tergantung pada analit spesifik Anda, anggaran, dan pengaturan sistem Anda.
Faktor Perbandingan
Spektroskopi Raman menonjol karena kemampuannya memberikan informasi molekuler yang sangat spesifik.Ini menghasilkan "sidik jari" spektral yang tajam dan jelas, memudahkan untuk mengidentifikasi senyawa individu. Di sisi lain, spektroskopi NIR menghasilkan pita yang lebar dan tumpang tindih yang memerlukan alat kemometrik canggih untuk analisis [1]. Ini membuat Raman sangat berguna untuk melacak metabolit spesifik dengan akurat.
Penyerapan air dalam NIR dapat mengaburkan sinyal nutrisi, sementara sensitivitas rendah Raman terhadap air memastikan deteksi yang lebih jelas. Namun, Raman tidak tanpa tantangan - dapat mengalami gangguan dari fluoresensi latar belakang yang disebabkan oleh senyawa biologis seperti hidrolisat protein [1].
Penelitian yang melibatkan bioreaktor sel CHO telah menunjukkan bahwa Raman melampaui NIR dalam memprediksi glukosa, laktat, dan antibodi, sedangkan NIR lebih efektif untuk ion glutamin dan amonium [2]. Sebuah studi yang dilakukan pada bulan Maret 2017 oleh R.C.Rowland-Jones di University of Leeds lebih mendukung kekuatan Raman, menunjukkan bahwa itu lebih andal untuk mengukur laktat (RMSECV 1.11 g/L) dan glukosa (RMSECV 0.92 g/L) dalam bioreaktor miniatur 15 mL [16].
Dari perspektif biaya, sistem NIR biasanya lebih terjangkau karena sumber cahaya yang lebih sederhana. Namun, sistem Raman memerlukan laser dan detektor canggih, membuatnya lebih mahal [1].Tabel di bawah ini menyoroti perbedaan utama ini:
| Faktor | Spektroskopi NIR | Spektroskopi Raman |
|---|---|---|
| Spesifisitas | Lebih rendah; pita lebar, tumpang tindih [1] | Lebih tinggi; "sidik jari" molekuler yang tajam [1] |
| Gangguan Air | Tinggi; penyerapan air yang kuat [2] | Rendah; air adalah penyebar lemah [2] |
| Terbaik Untuk | Glutamin, amonium, pemantauan biomassa [2] | Glukosa, laktat, titer antibodi [2, 19] |
| Biaya | Umumnya lebih rendah; lampu dan optik sederhana [1] | Umumnya lebih tinggi; memerlukan laser dan detektor [1] |
| Panjang Jalur | Lebih panjang; mengakomodasi dinding wadah [6] | Lebih pendek; memerlukan antarmuka sampel langsung [6] |
| Interferensi Utama | Penyebaran fisik dari sel/partikel [6] | Fluoresensi latar belakang dari bio-molekul [2] |
Selanjutnya, kita akan menjelajahi cara menerapkan data spektroskopi untuk optimasi media secara real-time dalam produksi.
sbb-itb-ffee270
Menggunakan Data Spektroskopi dalam Produksi
Optimisasi Media Real-Time
Spektroskopi mengubah data mentah menjadi wawasan yang dapat ditindaklanjuti, menyederhanakan pengiriman nutrisi dalam proses produksi. Dengan memungkinkan pemantauan simultan dan non-invasif dari parameter kunci seperti glukosa, laktat, glutamin, dan amonium, ini memastikan optimisasi berkelanjutan dari kultur. Misalnya, ketika tingkat glukosa turun di bawah rentang ideal, sistem secara otomatis memicu pemberian nutrisi. Ini mencegah kelaparan sel dan mengurangi risiko akumulasi produk sampingan beracun [2].
Menciptakan lintasan "Golden Batch" dari produksi optimal memungkinkan identifikasi dini masalah, seperti kontaminasi atau masalah aerasi [4].Sistem modern membawa ini lebih jauh - spektroskopi NIR, misalnya, dapat memperkirakan konsentrasi nutrisi dengan presisi dalam 15% dari metode referensi tradisional. Dalam bioreaktor skala besar yang menampung hingga 12.500 liter, Analisis Komponen Utama dari data NIR telah menjelaskan 96% variabilitas proses [17].
Aliran data yang konstan ini terintegrasi dengan mulus dengan sistem bioreaktor, memungkinkan kontrol proses otomatis untuk menjaga konsistensi dan efisiensi.
Menghubungkan Spektroskopi ke Sistem Bioreaktor
Integrasi spektroskopi dengan sistem bioreaktor membawa data real-time ke tingkat berikutnya, memungkinkan kontrol umpan balik otomatis sepenuhnya. Probe yang terendam, mampu menahan siklus sterilisasi dan tekanan tinggi, mengirimkan data real-time langsung ke unit kontrol bioreaktor [6].
Sebuah studi yang dilakukan pada bulan September 2018 di Université de Lorraine membandingkan probe Raman dan NIR in situ yang beroperasi secara paralel dalam bioreaktor sel CHO berkapasitas 2 liter. Hasilnya menunjukkan bahwa spektroskopi Raman unggul dalam mendeteksi glukosa dan laktat, sementara NIR lebih efektif untuk memantau glutamin dan amonium. Menggabungkan kekuatan kedua metode ini memberikan pemantauan waktu nyata yang paling komprehensif untuk produksi daging budidaya [2].
Data spektroskopi juga dimasukkan ke dalam sistem Multivariate Statistical Process Control (MSPC), yang secara terus-menerus membandingkan batch yang sedang berlangsung dengan standar Golden Batch yang telah ditetapkan. Pendekatan ini memungkinkan operator untuk mendeteksi penyimpangan - baik yang disebabkan oleh kontaminasi, kekurangan nutrisi, atau kegagalan peralatan - dalam hitungan jam, bukan hari. Hasilnya adalah efisiensi yang lebih baik dan konsistensi yang lebih tinggi dalam produksi [4].
Mendapatkan Peralatan Spektroskopi melalui Cellbase
Mengapa Menggunakan Cellbase untuk Peralatan Spektroskopi
Memilih peralatan spektroskopi yang tepat untuk produksi daging budidaya bisa terasa seperti menavigasi labirin detail teknis. Dengan spektrometer serbaguna yang menawarkan ribuan konfigurasi [18], mudah merasa kewalahan tanpa keahlian yang tepat.
Di sinilah
Fitur Utama Cellbase untuk Pengadaan Peralatan
Selain itu, keahlian
Kesimpulan
Spektroskopi NIR dan Raman memainkan peran penting dalam menyempurnakan media pertumbuhan untuk daging yang dibudidayakan. Teknik-teknik canggih ini memungkinkan pemantauan real-time dan non-invasif dari analit kunci seperti glukosa, laktat, dan amonium.Ini berarti tim produksi dapat melakukan penyesuaian cepat tanpa mengganggu proses - keuntungan penting mengingat desain media tetap menjadi salah satu tantangan terbesar dalam meningkatkan produksi daging budidaya [16][19].
Setiap metode membawa kekuatannya masing-masing ke meja. NIR spectroscopy unggul dalam menilai biomassa dan komposisi keseluruhan, sementara Raman spectroscopy memberikan wawasan mendetail tentang metabolit spesifik dalam larutan berair [1]. Selama studi bioreaktor miniatur, Raman spectroscopy menunjukkan akurasi prediktif yang mengesankan, menjadikannya pilihan yang andal untuk pengukuran yang tepat [16]. Kedua teknik ini juga mendukung pengembangan profil "golden batch", memungkinkan operator untuk mendeteksi masalah seperti kontaminasi bakteri atau masalah aerasi segera setelah muncul [4].
Ketika memilih peralatan spektroskopi yang tepat, prosesnya bisa menakutkan. Di sinilah
Profesor Alan G. Ryder menyoroti pentingnya metode ini:
Metode spektroskopi cepat jika diterapkan dengan benar dapat digunakan untuk penyaringan cepat dan efektif dari media kultur sel untuk mengidentifikasi variasi molekuler dan potensi masalah dengan pembuatan media [1].
FAQ
Apa manfaat menggunakan spektroskopi dalam produksi daging budidaya?
Teknik spektroskopi seperti near-infrared (NIR) dan Raman membawa alat yang berharga ke industri daging budidaya. Mereka memungkinkan pemantauan waktu nyata dan non-invasif dari media pertumbuhan, memungkinkan pelacakan nutrisi, metabolit, dan kepadatan sel secara terus-menerus - tanpa perlu mengambil sampel atau menggunakan reagen tambahan. Tingkat pemantauan ini membantu menjaga kontrol proses yang lebih ketat dan mempercepat penyesuaian komposisi media, yang penting untuk memastikan kualitas konsisten saat meningkatkan produksi.
Metode ini juga efisien dan hemat biaya. Dengan satu pengukuran, mereka dapat menganalisis beberapa komponen sekaligus - seperti asam amino, gula, dan lipid - menghilangkan kebutuhan untuk tes kimia terpisah.Ini mengurangi biaya tenaga kerja dan material sambil menyediakan data yang dapat meningkatkan model prediktif, membantu menstandarisasi kualitas dan mengurangi variabilitas antar batch.
Keuntungan lain adalah betapa mudahnya spektroskopi dapat terintegrasi dengan sistem otomatis. Misalnya, probe NIR dapat dipasang langsung di bioreaktor untuk memberikan data terus-menerus, memungkinkan penyesuaian otomatis terhadap parameter kritis seperti laju pemberian makan atau suhu. Bagi mereka yang membutuhkan peralatan khusus,
Apa perbedaan utama antara spektroskopi NIR dan Raman untuk menganalisis media pertumbuhan dalam produksi daging budidaya?
Spektroskopi Near-Infrared (NIR) sangat cocok untuk pemantauan cepat dan non-invasif dari komposisi keseluruhan media pertumbuhan.Kemampuannya untuk menyediakan kontrol on-line atau in-line berarti dapat memberikan data waktu nyata, membantu produsen melakukan penyesuaian segera selama proses produksi.
Di sisi lain, spektroskopi Raman menawarkan sidik jari molekuler yang presisi, menjadikannya pilihan yang e
Mengapa pemantauan waktu nyata media pertumbuhan penting untuk produksi daging budidaya?
Pemantauan waktu nyata memainkan peran kunci dalam menjaga media pertumbuhan tetap tepat untuk produksi daging budidaya. Dengan memantau nutrisi, metabolit, dan kesehatan sel secara cermat, produsen dapat dengan cepat menyesuaikan kondisi untuk mempertahankan pertumbuhan sel yang stabil dan meningkatkan kualitas produk akhir.
Metode langsung ini menghilangkan waktu tunggu yang terkait dengan pengujian offline tradisional, menghasilkan hasil yang lebih baik dan lebih sedikit limbah. Ini juga memastikan sumber daya digunakan lebih efektif, merampingkan proses produksi dan meningkatkan keandalan.
