Spektroskopi menawarkan cara yang cepat dan tepat untuk memantau media pertumbuhan dalam pengeluaran daging yang diternak. Dengan menjejaki nutrien seperti glukosa dan glutamin secara masa nyata, ia membantu mengoptimumkan pertumbuhan sel dan mengekalkan kualiti. Dua kaedah utama menonjol:
- NIR Spectroscopy: Beroperasi dalam julat 780–2,500 nm, sesuai untuk menjejaki nutrien dan metabolit seperti glukosa dan laktat. Ia kos efektif dan mudah diintegrasikan dengan bioreaktor tetapi mungkin menghadapi gangguan daripada isyarat air.
- Raman Spectroscopy: Menggunakan penyebaran cahaya tidak anjal untuk memberikan data molekul yang sangat spesifik. Ia berfungsi dengan baik dalam persekitaran yang didominasi air, menawarkan ketepatan untuk metabolit seperti laktat dan glukosa tetapi datang dengan kos yang lebih tinggi.
Kedua-dua kaedah menyokong sistem automatik untuk penghantaran nutrien dan pengesanan pencemaran, meningkatkan kecekapan dan mengurangkan risiko pensampelan manual.Platform seperti
NIR Spektroskopi untuk Analisis Media Pertumbuhan
Bagaimana NIR Spektroskopi Berfungsi
Spektroskopi dekat-inframerah (NIR) beroperasi dalam julat panjang gelombang 780 nm hingga 2,500 nm, memfokuskan pada pengesanan overtone dan jalur gabungan getaran molekul asas [7]. Ini menjadikannya sangat berkesan dalam mengenal pasti ikatan seperti C-H, O-H, dan N-H, yang biasanya ditemui dalam molekul seperti glukosa, asid amino, dan protein.
Proses ini melibatkan penyinaran cahaya NIR melalui media pertumbuhan dan mengukur berapa banyak cahaya yang diserap pada panjang gelombang yang berbeza. Setiap molekul menghasilkan corak spektrum unik, atau "cap jari", yang memberikan pandangan tentang komposisi media tersebut.Namun, kerana jalur spektrum sering bertindih, teknik kemometrik lanjutan seperti regresi Partial Least Squares diperlukan untuk mengekstrak data kuantitatif yang tepat [1].
Salah satu manfaat menonjol dari spektroskopi NIR adalah ia tidak invasif. Probe boleh diintegrasikan secara langsung ke dalam bioreaktor menggunakan port Ingold standard, dan ia dibina untuk menahan kitaran pensterilan (SIP/CIP), memastikan ia selaras dengan piawaian kebersihan industri [10]. Keupayaan ini untuk mengukur tanpa mengganggu proses menjadikan NIR alat yang berharga untuk memantau media pertumbuhan.
Aplikasi NIR dalam Pemantauan Media Pertumbuhan
Spektroskopi NIR digunakan secara meluas untuk menjejaki nutrien dan metabolit kritikal, seperti glukosa, glutamin, asid amino, laktat, ammonia, dan jumlah kiraan sel (TCC) [6][8].Dengan menyediakan data masa nyata, ia membantu pengeluar mengesan kekurangan nutrien lebih awal, mencegah kesan terhadap daya tahan sel, atau mengenal pasti produk sampingan toksik sebelum ia terkumpul.
Kajian telah menunjukkan manfaat praktikal NIR. Sebagai contoh, satu penyelidikan menggunakan NIR untuk pemantauan dalam talian dalam bioreaktor tangki kacau, mencapai ralat ramalan sebanyak 1.54 mM untuk glukosa dan 0.83 mM untuk laktat [8]. Untuk proses daging yang ditanam, di mana sel tumbuh pada mikropembawa, penentukuran khusus sistem adalah penting disebabkan oleh kesan penyebaran cahaya yang disebabkan oleh manik. Penyelidikan di Sanofi Pasteur berjaya menggunakan NIR untuk memantau sel Vero yang ditanam pada mikropembawa Cytodex 1, mencapai ketepatan ramalan sebanyak 0.36 g/l untuk glukosa dan 0.29 g/l untuk laktat [9]. Penemuan ini menekankan kepentingan penentukuran yang disesuaikan untuk sistem yang berbeza.
"Spektroskopi NIR (NIRS) adalah alat PAT in situ yang menjanjikan... menyediakan spektrum yang mewakili 'tandatangan' semua komponen yang terdapat dalam larutan yang dianalisis."
- Annie Marc, Biokimia Proses [9]
Satu lagi penggunaan NIR yang semakin berkembang adalah dalam mencipta profil "batch emas" - penanda aras yang mewakili prestasi proses yang optimum. Operator boleh membandingkan larian semasa dengan profil ini dalam masa nyata. Sebagai contoh, penyelidik di Leibniz Universität Hannover menggunakan NIR untuk memantau penanaman sel CHO-K01 dalam bioreaktor 7.5 liter. Sistem mereka mengesan pencemaran bakteria dalam "Batch 3" hanya 30 jam ke dalam proses, apabila bacaan NIR melebihi had proses yang ditetapkan [4].
Asas spektroskopi NIR – Bagaimana spektroskopi NIR berfungsi?
Spektroskopi Raman untuk Analisis Media Pertumbuhan
Walaupun spektroskopi NIR hebat untuk mentafsirkan jalur serapan yang bertindih, spektroskopi Raman mengambil laluan yang berbeza. Ia menggunakan penyebaran cahaya tidak anjal untuk menyelidiki struktur molekul, menawarkan kaedah analisis yang pelengkap.
Bagaimana Spektroskopi Raman Berfungsi
Spektroskopi Raman berfungsi dengan memancarkan laser 785 nm ke atas sampel dan menangkap foton yang tersebar secara tidak anjal. Apabila foton ini berinteraksi dengan molekul, peralihan tenaga berlaku disebabkan oleh pergerakan getaran. Peralihan ini mencipta "cap jari" spektrum yang unik, mendedahkan struktur molekul komponen seperti protein, lipid, asid nukleik, dan gula [12][5].
Perbezaan utama dari spektroskopi NIR terletak pada apa yang diukur oleh Raman.Sebaliknya daripada mengesan perubahan momen dipol, Raman memberi tumpuan kepada perubahan kebolehpalaran ikatan molekul semasa getaran [5]. Perbezaan ini menjadikannya sangat berguna untuk aplikasi daging yang ditanam. Kenapa? Kerana air, yang mendominasi media pertumbuhan, hampir tidak kelihatan kepada pengesanan Raman. Ini bermakna Raman boleh "melihat melalui" air untuk mengesan sejumlah kecil nutrien dan metabolit, mengelakkan gangguan yang sering merumitkan kaedah inframerah [11][12][5].
Spektroskopi Raman menjana isyarat khusus analit yang tidak bertindih dengan isyarat air... menjadikannya sangat bermanfaat untuk aplikasi dalam kultur sel, di mana matriksnya kebanyakannya berair.
- Morandise Rubini, Penyelidik, University of Tours [12]
Walau bagaimanapun, kerana jalur spektrum boleh bertindih, model matematik lanjutan seperti Partial Least Squares atau Principal Component Analysis sering digunakan untuk mengekstrak data kuantitatif yang tepat daripada spektrum yang tajam dan spesifik [12][13][14].
Aplikasi Raman dalam Pemantauan Media Pertumbuhan
Terima kasih kepada keupayaannya untuk menghasilkan cap jari molekul yang terperinci, spektroskopi Raman telah menjadi alat yang berkuasa untuk pemantauan dalam talian dalam persekitaran pengeluaran. Bertindak sebagai sensor optik, ia menjejaki penggunaan nutrien - seperti glukosa dan glutamin - dan pengeluaran hasil sampingan metabolik, seperti laktat dan ammonia [14]. Maklum balas masa nyata ini membolehkan penyesuaian automatik, seperti mengoptimumkan jadual pemberian nutrien untuk meningkatkan kecekapan.
Contohnya, pada April 2025, penyelidik menggunakan Viserion spektrometer Raman dalam lima kultur sel CHO 10-liter, mencapai ramalan yang sangat tepat (e.g., RMSEP sebanyak 0.51 g/l untuk glukosa) [12]. Begitu juga, pada Mac 2018, satu pasukan di Cell and Gene Therapy Catapult di London menggunakan sistem Raman dalam talian (Kaiser Optical Systems RamanRxn2™ analyser) untuk memantau pengeluaran sel T autologous. Mereka menjejaki tahap glukosa (R = 0.987) dan laktat (R = 0.986) dengan ketepatan, mengenal pasti perubahan metabolik khusus penderma dan kadar percambahan tanpa memerlukan pensampelan manual [14].
Selain nutrien dan produk sampingan, spektroskopi Raman juga memantau kepekatan sel, menilai daya hidup sel, dan mengesan bahaya berpotensi seperti Salmonella atau E. coli. Ini memastikan konsistensi di seluruh kumpulan dan menyediakan cara yang boleh dipercayai untuk mencirikan komponen media [11][1][14][15].
NIR vs Raman: Kaedah Mana yang Perlu Digunakan
Perbandingan Spektroskopi NIR vs Raman untuk Analisis Media Pertumbuhan
Memilih antara spektroskopi NIR dan Raman bergantung pada analit khusus anda, bajet, dan susunan sistem anda.
Faktor Perbandingan
Spektroskopi Raman menonjol kerana kemampuannya untuk memberikan maklumat molekul yang sangat spesifik.Ia menghasilkan "cap jari" spektrum yang tajam dan jelas, memudahkan untuk mengenal pasti sebatian individu. Sebaliknya, spektroskopi NIR menghasilkan jalur yang luas dan bertindih yang memerlukan alat kemometrik canggih untuk analisis [1]. Ini menjadikan Raman sangat berguna untuk menjejaki metabolit tertentu dengan tepat.
Penyerapan air dalam NIR boleh mengaburkan isyarat nutrien, manakala kepekaan rendah Raman terhadap air memastikan pengesanan yang lebih jelas. Walau bagaimanapun, Raman tidak terlepas daripada cabarannya - ia boleh menghadapi gangguan daripada pendarfluor latar belakang yang disebabkan oleh sebatian biologi seperti hidrolisat protein [1].
Penyelidikan yang melibatkan bioreaktor sel CHO telah menunjukkan bahawa Raman mengatasi NIR dalam meramalkan glukosa, laktat, dan antibodi, manakala NIR lebih berkesan untuk glutamin dan ion ammonium [2]. Satu kajian yang dijalankan pada Mac 2017 oleh R.C.Rowland-Jones di University of Leeds menyokong lagi kekuatan Raman, menunjukkan ia lebih boleh dipercayai untuk mengukur laktat (RMSECV 1.11 g/L) dan glukosa (RMSECV 0.92 g/L) dalam bioreaktor miniatur 15 mL [16].
Dari perspektif kos, sistem NIR biasanya lebih berpatutan kerana sumber cahaya yang lebih mudah. Sistem Raman, bagaimanapun, memerlukan laser dan pengesan yang canggih, menjadikannya lebih mahal [1].Jadual di bawah menyoroti perbezaan utama ini:
| Faktor | Spektroskopi NIR | Spektroskopi Raman |
|---|---|---|
| Spesifisiti | Lebih rendah; jalur yang luas dan bertindih [1] | Lebih tinggi; "cap jari" molekul yang tajam [1] |
| Gangguan Air | Tinggi; penyerapan air yang kuat [2] | Rendah; air adalah penyebar yang lemah [2] |
| Terbaik Untuk | Glutamin, ammonium, pemantauan biojisim [2] | Glukosa, laktat, titer antibodi [2, 19] |
| Kos | Umumnya lebih rendah; lampu dan optik yang mudah [1] | Umumnya lebih tinggi; memerlukan laser dan pengesan [1] |
| Panjang Laluan | Lebih panjang; menampung dinding bekas [6] | Lebih pendek; memerlukan antara muka sampel langsung [6] |
| Gangguan Utama | Penyebaran fizikal dari sel/zarah [6] | Pendarfluor latar belakang dari bio-molekul [2] |
Seterusnya, kami akan meneroka cara menerapkan data spektroskopi untuk pengoptimuman media masa nyata dalam pengeluaran.
sbb-itb-ffee270
Menggunakan Data Spektroskopi dalam Pengeluaran
Pengoptimuman Media Masa Nyata
Spektroskopi mengubah data mentah menjadi wawasan yang boleh diambil tindakan, mempermudah penghantaran nutrien dalam proses pengeluaran. Dengan membolehkan pemantauan serentak dan tidak invasif terhadap parameter utama seperti glukosa, laktat, glutamin, dan amonium, ia memastikan pengoptimuman berterusan kultur. Sebagai contoh, apabila tahap glukosa menurun di bawah julat ideal, sistem secara automatik mencetuskan pemberian nutrien. Ini menghalang kebuluran sel dan mengurangkan risiko pengumpulan produk sampingan toksik [2].
Mewujudkan trajektori "Golden Batch" daripada larian pengeluaran yang optimum membolehkan pengenalan awal isu, seperti pencemaran atau masalah pengudaraan [4].Sistem moden membawa ini lebih jauh - spektroskopi NIR, sebagai contoh, boleh menganggarkan kepekatan nutrien dengan ketepatan dalam 15% daripada kaedah rujukan tradisional. Dalam bioreaktor berskala besar yang memegang sehingga 12,500 liter, Analisis Komponen Utama data NIR telah menjelaskan 96% daripada kebolehubahan proses [17].
Aliran data yang berterusan ini berintegrasi dengan lancar dengan sistem bioreaktor, membolehkan kawalan proses automatik untuk mengekalkan konsistensi dan kecekapan.
Menghubungkan Spektroskopi kepada Sistem Bioreaktor
Integrasi spektroskopi dengan sistem bioreaktor membawa data masa nyata ke tahap seterusnya, membolehkan kawalan maklum balas automatik sepenuhnya. Probe yang terendam, mampu menahan kitaran pensterilan dan tekanan tinggi, menghantar data masa nyata terus kepada unit kawalan bioreaktor [6].
Satu kajian yang dijalankan pada September 2018 di Université de Lorraine membandingkan probe Raman dan NIR in situ yang beroperasi secara selari dalam bioreaktor sel CHO 2-liter. Keputusan menunjukkan bahawa spektroskopi Raman cemerlang dalam mengesan glukosa dan laktat, manakala NIR lebih berkesan untuk memantau glutamin dan amonium. Menggabungkan kekuatan kedua-dua kaedah ini menyediakan pemantauan masa nyata yang paling komprehensif untuk pengeluaran daging yang ditanam [2].
Data spektroskopi juga dimasukkan ke dalam sistem Kawalan Proses Statistik Multivariat (MSPC), yang secara berterusan membandingkan kumpulan yang sedang berjalan dengan piawaian Golden Batch yang telah ditetapkan. Pendekatan ini membolehkan pengendali mengesan penyimpangan - sama ada disebabkan oleh pencemaran, kekurangan nutrien, atau kegagalan peralatan - dalam masa beberapa jam dan bukannya hari. Hasilnya adalah peningkatan kecekapan dan konsistensi yang lebih besar dalam pengeluaran [4].
Mendapatkan Peralatan Spektroskopi melalui Cellbase
Mengapa Menggunakan Cellbase untuk Peralatan Spektroskopi
Memilih peralatan spektroskopi yang tepat untuk pengeluaran daging yang ditanam boleh terasa seperti menavigasi labirin butiran teknikal. Dengan spektrometer tujuan umum yang menawarkan ribuan konfigurasi [18], mudah untuk merasa terharu tanpa kepakaran yang tepat.
Di sinilah
Ciri-ciri Utama Cellbase untuk Perolehan Peralatan
Selain itu, kepakaran
Kesimpulan
Spektroskopi NIR dan Raman memainkan peranan penting dalam memperhalusi media pertumbuhan untuk daging yang diternak. Teknik-teknik canggih ini membolehkan pemantauan masa nyata, tidak invasif bagi analit utama seperti glukosa, laktat, dan amonium.Ini bermakna pasukan pengeluaran boleh membuat penyesuaian cepat tanpa mengganggu proses - satu kelebihan penting memandangkan reka bentuk media kekal sebagai salah satu cabaran terbesar dalam meningkatkan pengeluaran daging yang diternak [16][19].
Setiap kaedah membawa kekuatan tersendiri ke meja. NIR spectroscopy cemerlang dalam menilai biomassa dan komposisi keseluruhan, manakala Raman spectroscopy memberikan pandangan terperinci tentang metabolit tertentu dalam larutan akueus [1]. Semasa kajian bioreaktor miniatur, Raman spectroscopy menunjukkan ketepatan ramalan yang mengagumkan, menjadikannya pilihan yang boleh dipercayai untuk pengukuran tepat [16]. Kedua-dua teknik ini juga menyokong pembangunan profil "golden batch", membolehkan pengendali mengesan isu seperti pencemaran bakteria atau masalah pengudaraan sebaik sahaja ia timbul [4].
Apabila memilih peralatan spektroskopi yang sesuai, prosesnya boleh menjadi menakutkan. Di sinilah
Profesor Alan G. Ryder menekankan kepentingan kaedah-kaedah ini:
Kaedah spektroskopi pantas jika diterapkan dengan betul boleh digunakan untuk pemeriksaan pantas dan berkesan media kultur sel untuk mengenal pasti variasi molekul dan isu berpotensi dengan pembuatan media [1].
Soalan Lazim
Apakah manfaat menggunakan spektroskopi dalam pengeluaran daging yang ditanam?
Teknik spektroskopi seperti inframerah dekat (NIR) dan Raman membawa alat yang berharga kepada industri daging yang ditanam. Mereka membenarkan pemantauan masa nyata, tidak invasif terhadap media pertumbuhan, menjadikannya mungkin untuk menjejaki nutrien, metabolit, dan ketumpatan sel secara berterusan - tanpa perlu mengambil sampel atau menggunakan reagen tambahan. Tahap pemantauan ini membantu mengekalkan kawalan proses yang lebih ketat dan mempercepatkan penyesuaian kepada komposisi media, yang penting untuk memastikan kualiti konsisten apabila meningkatkan pengeluaran.
Kaedah ini juga efisien dan menjimatkan kos. Dengan satu pengukuran, mereka boleh menganalisis pelbagai komponen sekaligus - seperti asid amino, gula, dan lipid - menghapuskan keperluan untuk ujian kimia berasingan.Ini mengurangkan kedua-dua kos buruh dan bahan sambil menyediakan data yang boleh meningkatkan model ramalan, membantu menyeragamkan kualiti dan mengurangkan variabiliti antara kumpulan.
Satu lagi kelebihan adalah betapa mudahnya spektroskopi boleh diintegrasikan dengan sistem automatik. Sebagai contoh, probe NIR boleh dipasang terus dalam bioreaktor untuk memberikan data berterusan, membolehkan pelarasan automatik kepada parameter kritikal seperti kadar suapan atau suhu. Bagi mereka yang memerlukan peralatan khusus,
Apakah perbezaan utama antara spektroskopi NIR dan Raman untuk menganalisis media pertumbuhan dalam pengeluaran daging yang ditanam?
Spektroskopi Near-Infrared (NIR) adalah sempurna untuk pemantauan cepat dan tidak invasif komposisi keseluruhan media pertumbuhan.Kemampuannya untuk menyediakan kawalan dalam talian atau sebaris bermakna ia boleh memberikan data masa nyata, membantu pengeluar membuat penyesuaian segera semasa proses pengeluaran.
Sebaliknya, spektroskopi Raman menawarkan cap jari molekul yang tepat, menjadikannya pilihan yang cemerlang untuk mengenal pasti dan mengukur metabolit tertentu seperti glukosa dan laktat. Tahap ketepatan ini amat berguna untuk menyelaraskan komposisi media agar sesuai dengan keperluan khusus pengeluaran daging yang diternak.
Mengapa pemantauan masa nyata media pertumbuhan penting untuk pengeluaran daging yang diternak?
Pemantauan masa nyata memainkan peranan penting dalam memastikan media pertumbuhan tepat untuk pengeluaran daging yang diternak. Dengan memantau rapat nutrien, metabolit, dan kesihatan sel, pengeluar boleh dengan cepat menyesuaikan keadaan untuk mengekalkan pertumbuhan sel yang stabil dan meningkatkan kualiti produk akhir.
Kaedah praktikal ini mengurangkan masa menunggu yang dikaitkan dengan ujian luar talian tradisional, membawa kepada hasil yang lebih baik dan kurang pembaziran. Ia juga memastikan sumber digunakan dengan lebih berkesan, memperkemas proses pengeluaran dan meningkatkan kebolehpercayaan.
