Geautomatiseerde bemonsteringssystemen transformeren hoe bioprocessen worden gemonitord, vooral in de productie van gekweekt vlees. Deze systemen bieden frequente, nauwkeurige en real-time gegevens over kritieke factoren zoals nutriëntenniveaus, metabolieten en celgezondheid - iets wat handmatige bemonstering niet kan evenaren. Door elke 2-3 uur te draaien, vergeleken met eenmaal per dag handmatig, bieden ze een duidelijker beeld van metabole verschuivingen, wat helpt om kostbare productiefouten te voorkomen.
Belangrijke punten zijn onder andere:
- Efficiëntie: Bemonstering, analyseren en reinigingscycli duren minder dan 15 minuten.
- Steriliteit: Systemen behouden steriliteit gedurende meer dan 370 uur, waardoor besmettingsrisico's worden verminderd.
- Nauwkeurigheid: Glucosemetingen wijken slechts 1,1% af, met aminozuuranalyse die bijna real-time inzichten biedt.
- Arbeidsbesparing: Minimaliseert handmatige interventie, waardoor personeel vrijkomt voor andere taken.
- Toepassingen: Verbetert de consistentie en schaalbaarheid in de productie van gekweekt vlees.
Deze systemen integreren naadloos met geavanceerde tools zoals HPLC en Raman-spectroscopie, waardoor nauwkeurige voedingsmonitoring en realtime procesaanpassingen mogelijk zijn. Als resultaat ondersteunen ze een betere kwaliteitscontrole, verminderde variabiliteit en efficiëntere productieprocessen.
Handmatige vs Geautomatiseerde Monstersystemen: Prestatievergelijking in Bioprocessing
Onderzoek naar Geautomatiseerde Monstertechnologieën
Onderzoeksmethoden en Benaderingen
Recente ontwikkelingen in geautomatiseerde monstertechnologieën hebben hun toepassing in de productie van gekweekt vlees aanzienlijk verfijnd. Deze studies richten zich op het integreren van geautomatiseerde monstersystemen met analytische tools, terwijl steriliteit gedurende het proces behouden blijft.Typisch combineren onderzoekers geautomatiseerde monsters met gevestigde methoden zoals HPLC en capillaire elektroforese om complexe metabolieten te monitoren die in-line sensoren vaak moeite hebben om nauwkeurig te meten.
In mei 2020 onderzocht een team van de Technische Universiteit Wenen het Numera systeem van Securecell AG, waarbij ze gebruik maakten van Lucullus PIMS software tijdens CHO fed-batch kweek. Ze monitoren 18 aminozuren naast IgG productniveaus, waarbij ze steriliteit handhaafden gedurende een indrukwekkende 370 uur van continue werking [2]. Aanpassingen aan de systeeminstellingen, zoals de "Push Out Time", werden cruciaal naarmate de celdichtheid toenam [2].
Evenzo, in augustus 2017, Rosanne M.Guijt van de University of Tasmania gebruikte Sequential Injection Capillary Electrophoresis (SI-CE) om vijf parallelle suspensieculturen van Jurkat-cellen te monitoren. Over vier dagen voerde het systeem 96 assays per cultuur uit, waarbij elke elektroforetische scheiding slechts 12 minuten duurde. Opmerkelijk genoeg was er slechts 5,78 mL per kolf nodig (minder dan 60 µL per analyse), waardoor het ideaal is voor high-throughput screening zonder de cultuurvolumes significant te verminderen [6]. Deze precieze en systematische methoden vormen de basis voor diepere inzichten in prestatiegegevens.
Studieresultaten en Prestatiegegevens
De bevindingen van deze studies onderstrepen de efficiëntie en precisie van geautomatiseerde bemonsteringssystemen. Zo behaalde het team in Wenen een 1,1% relatieve standaarddeviatie voor glucosemetingen.Bovendien werden systematische fouten veroorzaakt door monsterverdunning gecorrigeerd om afwijkingen te verminderen tot zo laag als 0,1% tot 3% van de werkelijke waarden [2]. Dit nauwkeurigheidsniveau is veel beter dan wat handmatige bemonstering doorgaans biedt.
Bemonsteringsfrequentie is een ander belangrijk voordeel. Terwijl handmatige bemonstering vaak beperkt is tot eenmaal per dag, kunnen geautomatiseerde systemen 8 tot 24 keer per dag bemonsteren, waardoor metabolische veranderingen worden vastgelegd die anders onopgemerkt zouden blijven. In de Weense studie werd de aminozuuranalyse voltooid met een vertraging van 45 minuten vanaf de monsterverzameling, wat bijna real-time inzichten biedt in nutriëntendepletie [2].
De studie in Tasmanië benadrukte een ander belangrijk voordeel: door lactaatgegevens te normaliseren tegen realtime cel dichtheidsmetingen, konden onderzoekers de farmacologische effecten van verbindingen zoals rotenon en clioquinol onderscheiden van eenvoudige veranderingen in biomassa [6]. Dit niveau van gedetailleerdheid zou bijna onmogelijk te bereiken zijn met traditionele handmatige bemonstering, waarbij de zeldzame gegevenspunten vaak kritieke metabole patronen verdoezelen.
Sensor Technologie voor Media Monitoring
Soorten Sensoren en Analytische Hulpmiddelen
Sensor technologie speelt een sleutelrol in het verfijnen van realtime media monitoring, vooral in de productie van gekweekt vlees. Verschillende sensoren worden ingezet om de mediacompositie en celgezondheid nauwlettend in de gaten te houden.Bijvoorbeeld, standaard in-line sensoren meten continu pH, temperatuur, en opgeloste zuurstof, waardoor de omstandigheden ideaal blijven voor celgroei [7]. Als het gaat om het meten van de levensvatbare celdichtheid, zijn capacitieve sondes de enige commercieel beschikbare on-line oplossing. Deze sondes gebruiken een elektrisch veld om levende cellen te detecteren, aangezien intacte celmembranen fungeren als kleine condensatoren, waardoor levende cellen worden onderscheiden van dode cellen en puin [7].
Spectroscopische sensoren bieden een niet-invasieve manier om de metabole activiteit te volgen. Bijvoorbeeld, UV–vis spectroscopie analyseert lichtabsorptie en verstrooiing (200–740 nm) om de celdichtheid te schatten en nucleïnezuren van beschadigde cellen te identificeren [7].Fluorescentiespectroscopie monitort natuurlijk voorkomende fluoroforen zoals NADH, NADPH en tryptofaan, en biedt waardevolle realtime-inzichten in de metabole toestand van de cultuur zonder het proces te verstoren [7]. Ondertussen genereert Ramanspectroscopie een moleculaire vingerafdruk van het medium, waardoor nauwkeurige tracking van glucose-, lactaat- en aminozuurniveaus met minimale fout mogelijk is [7][2]. In feite hebben in-line Ramansensoren opmerkelijke nauwkeurigheid aangetoond, met een wortelgemiddelde kwadratische fout van 0,41 mM voor tyrosine en 0,24 mM voor tryptofaan in complexe media [2]. Deze spectroscopische hulpmiddelen vullen geautomatiseerde bemonsteringssystemen aan door snelle, niet-verstorende metabole analyse te bieden.
Geautomatiseerde systemen verbeteren de precisie verder door bioreactoren te koppelen aan geavanceerde analysers.Deze opstelling maakt real-time monitoring van complexe voedingsstoffen zoals aminozuren en vitamines mogelijk, die in-line sensoren momenteel moeilijk nauwkeurig kunnen meten [1][2]. Bijvoorbeeld, UV-vis absorptiespectroscopiemodellen hebben R²-waarden tot wel 0,993 bereikt voor cel dichtheidsvoorspellingen, wat hun betrouwbaarheid aantoont [7].
Voorbeelden van Sensorintegratie
Samenwerkingen tussen technologieontwikkelaars en onderzoekers hebben geleid tot indrukwekkende vooruitgangen in sensorintegratie. Een dergelijk voorbeeld is de samenwerking tussen Sartorius Stedim Biotech en Tornado Spectral Systems. Zij hebben een Raman flowcelprototype geïntegreerd in een Ambr 250 High Throughput mini-bioreactorsysteem.Door het te koppelen aan een BioProfile FLEX2 analyser van Nova Biomedical voor geautomatiseerde referentiemetingen, creëerden ze robuuste modellen voor het volgen van glucose, lactaat en glutamine in CHO-celculturen. Deze opstelling verkleinde de tijdsverschil tussen spectrale en referentiegegevens tot slechts vijf minuten, waardoor bijna onmiddellijke gegevenscorrelatie mogelijk werd [8].
"Raman-spectroscopie is een goed geschikt PAT-instrument om celcultuuranalyten in-situ niet-destructief te meten... het levert structurele informatie op over de covalente bindingen van de onderzochte moleculen met hoge moleculaire specificiteit en robuustheid."
– Marek Hoehse, Sartorius Stedim Biotech [8]
Een ander voorbeeld komt van de Technische Universiteit Wenen, waar onderzoekers aantoonden hoe sensorintegratie de precisie kan verbeteren. Met behulp van een 3.6 L bioreactor, ze verbonden het met een Thermo Fisher Ultimate 3000 HPLC en een Roche Cedex Bio HT analyser via het Numera-systeem. Deze opstelling maakte real-time monitoring van 18 aminozuren en verschillende vitaminen, zoals niacinamide, foliumzuur, B12 en riboflavine, mogelijk tijdens CHO fed-batch cultivatie [2]. Het geautomatiseerde systeem produceerde 528 spectra van 24 vaten in één run, waardoor kosten werden bespaard en tijd werd bespaard in vergelijking met traditionele pilootschaal modelbouw [8].
Procesoptimalisatie en kwaliteitscontrole
Real-time procesaanpassingen
Geautomatiseerde bemonsteringssystemen overbruggen de kloof tussen labanalyses en live productie, waardoor het gebruik van Process Analytical Technology (PAT) in real-time mogelijk wordt [2].Deze systemen leveren elke twee tot drie uur gegevens, waardoor een uitgebreid beeld van celmetabolisme en nutriëntengebruik ontstaat [2]. Deze hoogfrequente gegevens leggen kinetische waarden en kritieke gebeurtenissen vast, zoals lactaatverschuivingen, die vaak over het hoofd worden gezien bij handmatige bemonstering [2][6].
Wanneer gecombineerd met Process Information Management Systems (PIMS), kunnen deze analytische resultaten automatisch voedingsstrategieën aanpassen indien nodig [2]. Dynamische algoritmen identificeren reactievlakken, waardoor tijdige aanpassingen aan het proces mogelijk zijn [5]. Deze mogelijkheid is vooral waardevol in de productie van gekweekt vlees, waar het handhaven van een optimale nutriëntenbalans cruciaal is voor het bereiken van een hoge celdichtheid en opbrengst.
"De hogere bemonsteringsfrequentie vergeleken met handmatige bemonstering verhoogt de gegenereerde informatie-inhoud, wat een eenvoudigere interpretatie van het metabolisme mogelijk maakt... en een nauwkeurigere detectie van procesgebeurtenissen."
– Paul Kroll, Business Development Manager, Securecell AG [1]
Een opmerkelijk voorbeeld komt uit 2020, toen de Technische Universiteit van Wenen een 3,6-liter bioreactor verbond met geautomatiseerde HPLC- en Cedex Bio HT-analysers via het Numera-systeem. Deze opstelling monitorde 18 aminozuren en meerdere vitaminen gedurende 370 uur, met afwijkingen van slechts 0,1% tot 3% [2]. De frequente gegevensverzameling maakte het mogelijk om reactiekinetiek te observeren die handmatige methoden volledig zouden hebben gemist.
Voordelen en Uitdagingen Vergelijking
Hier is een overzicht van de belangrijkste voordelen en uitdagingen van geautomatiseerde bemonsteringssystemen:
| Kenmerk | Voordelen | Uitdagingen |
|---|---|---|
| Nauwkeurigheid & Precisie | Levert hoge precisie (1.1% RSD) en elimineert menselijke fouten bij monsterbereiding [2] | Vereist nauwkeurige kalibratie en aanpassingen voor verdunningsfactoren [2] |
| Datafrequentie | Maakt 8+ monsters per dag mogelijk, waardoor gedetailleerde kinetische modellering mogelijk is [2] | Hoge datavolume vereist geavanceerde software (PIMS) voor beheer [2] |
| Arbeid & Kosten | Vermindert de werkdruk van handmatige bemonstering en derivatisatie [2] | Hoge initiële apparatuurkosten en complexe installatie [2][5] |
| Monstervolume | Verbruikt minimale media (<60 µL per analyse), waardoor het reactorklimaat behouden blijft voor langere runs [6] | Kleine volumes in slangen kunnen gevoelig zijn voor residu-opbouw en oppervlakte-ratio-effecten [2] |
| Procescontrole | Vergemakkelijkt real-time voeding en aanpassingen van voedingsstoffen [2][3] | Vereist naadloze integratie tussen monsters, analysers en bioreactorcontrollers [2] |
Geautomatiseerde systemen behouden niet alleen steriliteit voor meer dan 370 uur, maar vereisen ook minder dan 60 microliter media per analyse [2][6].Echter, operators moeten mogelijke systematische fouten in vloeistofverwerking aanpakken, hoewel geautomatiseerde kalibratie afwijkingen kan verminderen tot slechts 0,1% [2]. Bovendien moet de "Push Out Time" (POT) in filtratiemodules mogelijk worden aangepast op basis van de levensvatbare celdichtheid om een consistente monsterlevering te garanderen naarmate het proces zich ontwikkelt [2].
Deze strategieën benadrukken hoe geautomatiseerde systemen de productie van gekweekt vlees verschuiven van reactieve monitoring naar een meer proactief, gecontroleerd proces, ter aanvulling op eerdere ontwikkelingen in sensortechnologie en onderzoek.
sbb-itb-ffee270
Cellbase Bronnen voor Geautomatiseerde Monsternamesystemen
Geverifieerde Leverancierslijsten
Het platform benadrukt ook gespecialiseerde aseptische monsternametools, zoals bbi-biotech's bioPROBE. Dit gereedschap heeft "steriliteit door ontwerp", met een gepatenteerd gas-kussen transportmechanisme om biofilmvorming en verstopping te voorkomen [9]. Bovendien beschikt
Vereenvoudigde Apparatuur Inkoop
Naast het tonen van geverifieerde aanbiedingen, maakt
Voor R&D-teams bieden geverifieerde vermeldingen oplossingen die zowel bemonstering als gebeurtenisgestuurde aanpassingen automatiseren. Dit is vooral nuttig voor het beheren van kleine monstervolumes - slechts 0,5 ml - wat helpt om mediaverlies te minimaliseren [9][10]. Het tijdsbesparende potentieel is aanzienlijk: geautomatiseerde bemonstering kan de arbeidsvraag met ongeveer 480 manuren (gelijk aan 12 manweken) per jaar verminderen bij het verwerken van 1.800 monsters, vergeleken met handmatige methoden [9].Door het stroomlijnen van de aanschaf van apparatuur en het verbeteren van de precisie, ondersteunt
Conclusie
Samenvatting en Toekomstperspectief
Geautomatiseerde bemonsteringssystemen veranderen de manier waarop bioprocessen voor gekweekt vlees worden gemonitord. Door bioreactoren direct te koppelen aan analytische tools, leveren ze tot 12 keer vaker hoogwaardige data - elke 2-3 uur in vergelijking met de traditionele aanpak van één keer per dag [1][2]. Deze frequente dataverzameling zorgt voor een dieper inzicht in het celmetabolisme, snellere identificatie van nutriëntendepletie en de berekening van kinetische parameters die cruciaal zijn voor het optimaliseren van voedingsstrategieën.
Deze systemen behouden ook langer steriliteit en leveren zeer nauwkeurige metingen, waardoor ze een game-changer zijn in bioprocessing.Met deze voordelen stevig verankerd, is het podium gereed voor nog grotere vooruitgangen.
De toekomst van de productie van gekweekt vlees gaat richting slimme bioproductie. Dit houdt in dat geautomatiseerde bemonstering wordt geïntegreerd met voorspellende modellen en gesloten-lus procescontroles. Dergelijke vooruitgangen zullen de focus verschuiven van het analyseren van gegevens achteraf naar real-time procesoptimalisatie. Dit betekent dat voedingsstrategieën direct kunnen worden aangepast, waardoor de productietijd wordt verkort, een consistente productkwaliteit wordt gewaarborgd en de tijd tot marktintroductie wordt versneld door continue monitoring van kritieke kwaliteitskenmerken [2][3]. Voor producenten worden deze systemen snel een hoeksteen voor concurrerende en schaalbare operaties.
Platforms zoals
(English) Numera PAT: geautomatiseerde bemonstering in bioprocessing
Veelgestelde vragen
Hoe verbeteren geautomatiseerde bemonsteringssystemen de consistentie in de productie van gekweekt vlees?
Geautomatiseerde bemonsteringssystemen spelen een sleutelrol in het waarborgen van consistentie in de productie van gekweekt vlees door de onvoorspelbaarheid van handmatige bemonstering weg te nemen. Deze systemen zijn ontworpen om nauwkeurige monsterhoeveelheden op geplande intervallen te verzamelen, wat menselijke fouten vermindert en uniformiteit garandeert. Deze constante en nauwkeurige bemonstering biedt realtime inzichten in voedingsstoffen, metabolieten en celgezondheid, waardoor betere controle over het productieproces mogelijk is en de productkwaliteit wordt verbeterd.
Door taken zoals bemonstering, voorbereiding en overdracht te automatiseren, worden de kansen op besmetting aanzienlijk verminderd. Bovendien kan gegevensverzameling doorgaan, zelfs buiten de standaard werkuren, wat een meer uitgebreid beeld van het productieproces biedt. Deze continue monitoring maakt snelle aanpassingen aan parameters zoals voeding, temperatuur of andere kritieke factoren mogelijk, resulterend in consistente batchkwaliteit en meer betrouwbare productie-uitkomsten. Voor degenen die in de gekweekte vlees sector werken,
Hoe dragen sensoren bij aan real-time monitoring in de productie van gekweekt vlees?
Sensors zijn essentieel voor real-time monitoring, omdat ze continu belangrijke procesparameters (CPPs) zoals opgelost zuurstof, pH, temperatuur, cel dichtheid en cel levensvatbaarheid volgen.Door directe feedback te geven, helpen deze sensoren operators om snel afwijkingen te signaleren, tijdig aanpassingen te maken en problemen te voorkomen die de productkwaliteit in gevaar zouden kunnen brengen.
Moderne technologieën, zoals nabij-infrarood (NIR) en Raman-sondes, gaan nog een stap verder door voedingsstoffen zoals glucose en bijproducten zoals lactaat in real-time te monitoren, waardoor de noodzaak voor handmatige bemonstering wordt verminderd. Geavanceerde optische hulpmiddelen, zoals in-situ microscopie, bieden zelfs gedetailleerde gegevens op enkelcellig niveau over morfologie en levensvatbaarheid. Deze innovaties zijn essentieel voor Process Analytical Technology (PAT), waardoor automatisering mogelijk wordt en consistente controle in de productie van gekweekt vlees wordt gewaarborgd.
Platforms zoals
Hoe helpen geautomatiseerde bemonsteringssystemen bij het verminderen van arbeid in bioprocessing?
Geautomatiseerde bemonsteringssystemen nemen het zware werk uit handen in bioprocessing door routinetaken zoals het nemen, voorbereiden en leveren van monsters aan analytische instrumenten te verzorgen. Door te werken volgens vooraf ingestelde schema's, elimineren deze systemen de noodzaak voor technici om handmatig met bioreactoren en monsters om te gaan. Het resultaat? Minder repetitief werk, minder kans op menselijke fouten en meer tijd voor geschoold personeel om zich te verdiepen in taken zoals data-analyse en het verfijnen van processen.
Bovendien maken deze systemen veel frequentere bemonstering mogelijk - soms bijna continu - vergeleken met handmatige methoden. Dit betekent dat er een schat aan gegevens wordt gegenereerd, wat real-time monitoring en strakkere controle over belangrijke parameters mogelijk maakt. Met ingebouwde datamanagementtools worden workflows nog soepeler door automatisch het organiseren van monster-metadata, waardoor papierwerk en handmatige gegevensinvoer worden verminderd.
Voor degenen in de gekweekte vleesindustrie,
