Spectroscopie biedt een snelle, nauwkeurige manier om groeimedia in de productie van gekweekt vlees te monitoren. Door in real-time voedingsstoffen zoals glucose en glutamine te volgen, helpt het bij het optimaliseren van celgroei en het behouden van kwaliteit. Twee belangrijke methoden vallen op:
- NIR Spectroscopie: Werkt in het bereik van 780–2.500 nm, ideaal voor het volgen van voedingsstoffen en metabolieten zoals glucose en lactaat. Het is kosteneffectief en integreert gemakkelijk met bioreactoren, maar kan interferentie ondervinden van watersignalen.
- Raman Spectroscopie: Maakt gebruik van inelastische lichtverstrooiing om zeer specifieke moleculaire gegevens te verschaffen. Het werkt goed in watergedomineerde omgevingen en biedt precisie voor metabolieten zoals lactaat en glucose, maar brengt hogere kosten met zich mee.
Beide methoden ondersteunen geautomatiseerde systemen voor voedingsstoftoevoer en detectie van besmetting, waardoor de efficiëntie wordt verbeterd en de risico's van handmatige bemonstering worden verminderd. Platforms like
NIR-spectroscopie voor analyse van groeimedia
Hoe NIR-spectroscopie werkt
Nabij-infrarood (NIR) spectroscopie werkt binnen het 780 nm tot 2.500 nm golflengtebereik, en richt zich op het detecteren van boventonen en combinaties van fundamentele moleculaire trillingen [7]. Dit maakt het bijzonder effectief bij het identificeren van bindingen zoals C-H, O-H, en N-H, die vaak voorkomen in moleculen zoals glucose, aminozuren en eiwitten.
Het proces omvat het schijnen van NIR-licht door het groeimedium en het meten van hoeveel licht wordt geabsorbeerd bij verschillende golflengten. Elk molecuul produceert een uniek spectraal patroon, of "vingerafdruk", dat inzicht geeft in de samenstelling van het medium.Echter, omdat de spectrale banden vaak overlappen, zijn geavanceerde chemometrische technieken zoals Partial Least Squares-regressie vereist om nauwkeurige kwantitatieve gegevens te extraheren [1].
Een van de opvallende voordelen van NIR-spectroscopie is dat het niet-invasief is. Probes kunnen direct in bioreactoren worden geïntegreerd met behulp van standaard Ingold-poorten, en ze zijn gebouwd om sterilisatiecycli (SIP/CIP) te doorstaan, waardoor ze voldoen aan industriële hygiënestandaarden [10]. Deze mogelijkheid om te meten zonder het proces te verstoren maakt NIR een waardevol hulpmiddel voor het monitoren van groeimedia. Dit is een cruciale stap bij het selecteren van sensors voor gekweekte vleesbioreactoren om processtabiliteit te waarborgen.
NIR-toepassingen in groeimedia monitoring
NIR-spectroscopie wordt veel gebruikt om kritieke voedingsstoffen en metabolieten te volgen, zoals glucose, glutamine, aminozuren, lactaat, ammoniak en totaal aantal cellen (TCC) [6][8]. Door realtime gegevens te verstrekken, helpt het producenten om vroegtijdig nutriëntendepletie te detecteren, waardoor de impact op de levensvatbaarheid van cellen wordt voorkomen, of om toxische bijproducten te identificeren voordat ze zich ophopen.
Studies hebben de praktische voordelen van NIR aangetoond. Bijvoorbeeld, een onderzoek gebruikte NIR voor online monitoring in een roertankbioreactor, waarbij voorspellingsfouten werden bereikt van 1,54 mM voor glucose en 0,83 mM voor lactaat [8]. Voor gekweekte vleesprocessen, waarbij cellen groeien op microcarriers, is systeem-specifieke kalibratie cruciaal vanwege lichtverstrooiingseffecten veroorzaakt door de microcarrier kralen.Onderzoek bij Sanofi Pasteur paste NIR met succes toe om Vero-cellen te monitoren die op Cytodex 1 microcarriers werden gekweekt, met voorspellingsnauwkeurigheden van 0,36 g/l voor glucose en 0,29 g/l voor lactaat [9]. Deze bevindingen benadrukken het belang van op maat gemaakte kalibratie voor verschillende systemen.
"NIR-spectroscopie (NIRS) is een veelbelovend alternatief in situ PAT-instrument... dat een spectrum biedt dat representatief is voor de 'handtekening' van alle componenten die aanwezig zijn in de geanalyseerde oplossing."
- Annie Marc, Proces Biochemie [9]
Een andere groeiende toepassing van NIR is het creëren van "gouden batch" profielen - benchmarks die optimale procesprestaties vertegenwoordigen. Operators kunnen huidige runs in realtime vergelijken met deze profielen. Bijvoorbeeld, onderzoekers aan de Leibniz Universität Hannover gebruikten NIR om CHO-K01 celkweken te monitoren in een 7,5-liter bioreactor.Hun systeem detecteerde bacteriële besmetting in "Batch 3" al na 30 uur in het proces, aangezien de NIR-metingen de gedefinieerde proceslimieten overschreden [4].
Basisprincipes van NIR-spectroscopie – Hoe werkt NIR-spectroscopie?
Raman-spectroscopie voor groeimedia-analyse
Hoewel NIR-spectroscopie uitstekend is voor het ontcijferen van overlappende absorptiebanden, volgt Raman-spectroscopie een andere route. Het maakt gebruik van inelastische lichtverstrooiing om in de moleculaire structuur te duiken, wat een aanvullende analysemethode biedt.
Hoe Raman-spectroscopie werkt
Raman-spectroscopie werkt door een 785 nm laser op een monster te schijnen en de fotonen vast te leggen die inelastisch verstrooien. Wanneer deze fotonen met moleculen interageren, treden er energieverschuivingen op als gevolg van vibratiebewegingen.Deze verschuivingen creëren een unieke spectrale "vingerafdruk", die de moleculaire structuur onthult van componenten zoals eiwitten, lipiden, nucleïnezuren en suikers [12][5].
Het belangrijkste onderscheid met NIR-spectroscopie ligt in wat Raman meet. In plaats van veranderingen in dipoolmomenten te detecteren, richt Raman zich op veranderingen in polariseerbaarheid van moleculaire bindingen tijdens vibratie [5]. Dit verschil maakt het bijzonder nuttig voor toepassingen in gekweekt vlees. Waarom? Omdat water, dat het groeimedium domineert, bijna onzichtbaar is voor Raman's detectie. Dit betekent dat Raman "door" het water kan "kijken" om kleine hoeveelheden voedingsstoffen en metabolieten te detecteren, waardoor de interferentie wordt vermeden die vaak infraroodmethoden bemoeilijkt [11][12][5].
Raman-spectroscopie genereert analiet-specifieke signalen die niet overlappen met watersignalen... waardoor het bijzonder voordelig is voor toepassingen in celculturen, waar de matrix overwegend waterig is.
- Morandise Rubini, Onderzoeker, Universiteit van Tours [12]
Echter, omdat spectrale banden kunnen overlappen, worden geavanceerde wiskundige modellen zoals Partial Least Squares of Principal Component Analysis vaak gebruikt om nauwkeurige kwantitatieve gegevens te extraheren uit de scherpe, specifieke spectra [12][13][14].
Raman-toepassingen in groeimedia-monitoring
Dankzij het vermogen om gedetailleerde moleculaire vingerafdrukken te produceren, is Raman-spectroscopie een krachtig hulpmiddel geworden voor in-line monitoring in productieomgevingen.Werkt als een optische sensor voor benchtop bioreactoren, het volgt het voedingsstoffenverbruik - zoals glucose en glutamine - en de productie van metabolische bijproducten, zoals lactaat en ammoniak [14]. Deze feedback in real-time maakt geautomatiseerde aanpassingen mogelijk, zoals het optimaliseren van voedingsschema's om de efficiëntie te verbeteren.
In april 2025 gebruikten onderzoekers bijvoorbeeld een Viserion Raman-spectrometer in vijf 10-liter CHO-celculturen, waarbij ze zeer nauwkeurige voorspellingen bereikten (e.g. , RMSEP van 0,51 g/l voor glucose) [12]. Evenzo gebruikte een team in maart 2018 bij de Cell and Gene Therapy Catapult in Londen een in-line Raman-systeem (Kaiser Optical Systems RamanRxn2™ analyser) om de productie van autologe T-cellen te monitoren. Ze volgden glucose (R = 0,987) en lactaat (R = 0.986) niveaus met precisie, het identificeren van donor-specifieke metabole veranderingen en proliferatiesnelheden zonder handmatige bemonstering [14].
Naast voedingsstoffen en bijproducten, controleert Raman-spectroscopie ook de celconcentratie, beoordeelt het de levensvatbaarheid van cellen en detecteert het potentiële gevaren zoals Salmonella of E. coli . Dit zorgt voor consistentie tussen batches en biedt een betrouwbare manier om mediacomponenten te karakteriseren [11][1][14][15].
NIR vs Raman: Welke Methode te Gebruiken
NIR vs Raman Spectroscopie Vergelijking voor Groeimedia-analyse
De keuze tussen NIR en Raman-spectroscopie hangt af van uw specifieke analyten, budget en de opstelling van uw systeem. Deze keuze is cruciaal bij het plannen van het opschalen van gekweekte vleesprocessen.
Vergelijkingsfactoren
Raman-spectroscopie valt op door zijn vermogen om zeer specifieke moleculaire informatie te leveren. Het genereert scherpe, onderscheidende spectrale "vingerafdrukken", waardoor het gemakkelijker is om individuele verbindingen te identificeren. Aan de andere kant produceert NIR-spectroscopie brede, overlappende banden die geavanceerde chemometrische hulpmiddelen vereisen voor analyse [1]. Dit maakt Raman bijzonder nuttig voor het nauwkeurig volgen van specifieke metabolieten.
Waterabsorptie in NIR kan voedingssignalen verdoezelen, terwijl Raman's lage gevoeligheid voor water zorgt voor een duidelijkere detectie. Echter, Raman is niet zonder uitdagingen - het kan interferentie ondervinden van achtergrondfluorescentie veroorzaakt door biologische verbindingen zoals eiwithydrolysaten [1].
Onderzoek met CHO-celbioreactoren heeft aangetoond dat Raman NIR overtreft in het voorspellen van glucose, lactaat en antilichamen, terwijl NIR effectiever is voor glutamine en ammoniumionen [2]. Een studie uitgevoerd in maart 2017 door R.C. Rowland-Jones aan de Universiteit van Leeds ondersteunde verder de sterke punten van Raman, waarbij werd aangetoond dat het betrouwbaarder was voor het meten van lactaat (RMSECV 1,11 g/L) en glucose (RMSECV 0,92 g/L) in 15 mL miniatuurbioreactoren [16] .
Vanuit kostenoogpunt zijn NIR-systemen doorgaans betaalbaarder vanwege hun eenvoudigere lichtbronnen. Raman-systemen vereisen echter geavanceerde lasers en detectoren, waardoor ze duurder zijn [1]. De onderstaande tabel benadrukt deze belangrijke verschillen:
| Factor | NIR Spectroscopie | Raman Spectroscopie |
|---|---|---|
| Specificiteit | Lager; brede, overlappende banden [1] | Hoger; scherpe moleculaire "vingerafdrukken" [1] |
| Waterinterferentie | Hoog; sterke waterabsorptie [2] | Laag; water is een zwakke verstrooiing [2] |
| Beste Voor | Glutamine, ammonium, biomassa monitoring [2] | Glucose, lactaat, antilichaamtiters [2, 19] |
| Kosten | Over het algemeen lager; eenvoudige lampen en optica [1] | Over het algemeen hoger; vereist lasers en detectoren [1] |
| Padlengte | Langere; past in containerwanden [6] | Korter; vereist een directe monsterinterface [6] |
| Belangrijkste interferentie | Fysieke verstrooiing door cellen/deeltjes [6] | Achtergrondfluorescentie van biomoleculen [2] |
Vervolgens zullen we onderzoeken hoe spectroscopiegegevens kunnen worden toegepast voor realtime media-optimalisatie in productie.
sbb-itb-ffee270
Gebruik van Spectroscopiegegevens in Productie
Realtime Media Optimalisatie
Spectroscopie transformeert ruwe gegevens in bruikbare inzichten, waardoor de levering van voedingsstoffen in productieprocessen wordt gestroomlijnd. Door gelijktijdige, niet-invasieve monitoring van belangrijke parameters zoals glucose, lactaat, glutamine en ammonium mogelijk te maken, zorgt het voor continue optimalisatie van culturen. Bijvoorbeeld, wanneer de glucosespiegels onder het ideale bereik dalen, activeert het systeem automatisch voedingsstoffen. Dit voorkomt celverhongering en vermindert het risico op ophoping van giftige bijproducten [2].
Het creëren van "Golden Batch"-trajecten uit optimale productieruns maakt vroege identificatie van problemen mogelijk, zoals besmetting of beluchtingsproblemen [4]. Moderne systemen gaan nog verder - NIR-spectroscopie, bijvoorbeeld, kan nutriëntenconcentraties schatten met een precisie binnen 15% van traditionele referentiemethoden. In grootschalige bioreactoren met een capaciteit tot 12.500 liter heeft Principale Componenten Analyse van NIR-gegevens 96% van de procesvariabiliteit verklaard [17].
Deze constante stroom van gegevens integreert naadloos met bioreactorsystemen, waardoor geautomatiseerde procescontrole mogelijk wordt om consistentie en efficiëntie te behouden, wat cruciaal is bij het gebruik van een productieschaalplanner om groei te beheren.
Verbinding van Spectroscopie met Bioreactorsystemen
De integratie van spectroscopie met bioreactorsystemen tilt realtime gegevens naar een hoger niveau, waardoor volledig geautomatiseerde feedbackcontrole mogelijk wordt.Ondergedompelde sondes, die bestand zijn tegen sterilisatiecycli en hoge druk, sturen real-time gegevens direct naar de bioreactorbesturingseenheden [6].
Een studie uitgevoerd in september 2018 aan de Université de Lorraine vergeleek in situ Raman- en NIR-sondes die parallel werkten in een 2-liter CHO-celbioreactor. De resultaten toonden aan dat Raman-spectroscopie uitblonk in het detecteren van glucose en lactaat, terwijl NIR effectiever was voor het monitoren van glutamine en ammonium. Het combineren van de sterke punten van beide methoden biedt de meest uitgebreide real-time monitoring voor de productie van gekweekt vlees [2] .
Spectroscopiegegevens worden ook ingevoerd in Multivariate Statistical Process Control (MSPC)-systemen, die continu lopende batches vergelijken met vastgestelde Golden Batch-standaarden.Deze aanpak stelt operators in staat om afwijkingen te detecteren - of deze nu worden veroorzaakt door besmetting, voedingsstoffentekorten of uitrustingsstoringen - binnen enkele uren in plaats van dagen. Het resultaat is verbeterde efficiëntie en grotere consistentie in de productie [4].
Inkoop van Spectroscopieapparatuur via Cellbase
Waarom Cellbase gebruiken voor Spectroscopieapparatuur
Het kiezen van de juiste spectroscopieapparatuur voor de productie van gekweekt vlees kan aanvoelen als het navigeren door een doolhof van technische details. Met spectrometers voor algemeen gebruik die duizenden configuraties bieden [18] , is het gemakkelijk om overweldigd te raken zonder de juiste expertise.
Dit is waar
Belangrijkste Kenmerken van Cellbase voor Apparatuuraanbesteding
Bovendien helpt de expertise van
Conclusie
NIR- en Raman-spectroscopie spelen een cruciale rol bij het verfijnen van de groeimedia voor gekweekt vlees. Deze geavanceerde technieken maken real-time, niet-invasieve monitoring van belangrijke analyten zoals glucose, lactaat en ammonium mogelijk.Dit betekent dat productieteams snel aanpassingen kunnen maken zonder het proces te onderbreken - een cruciaal voordeel gezien het feit dat mediadesign een van de grootste uitdagingen blijft bij het opschalen van de productie van gekweekt vlees [16] [19].
Elke methode brengt zijn eigen sterke punten met zich mee. NIR-spectroscopie blinkt uit in het beoordelen van biomassa en de algehele samenstelling, terwijl Raman-spectroscopie gedetailleerde inzichten biedt in specifieke metabolieten in waterige oplossingen [1] . Tijdens studies met miniatuurbioreactoren toonde Raman-spectroscopie indrukwekkende voorspellende nauwkeurigheid, waardoor het een betrouwbare keuze is voor precieze metingen [16]. Beide technieken ondersteunen ook de ontwikkeling van een "gouden batch" profiel, waardoor operators problemen zoals bacteriële besmetting of beluchtingsproblemen kunnen herkennen zodra ze zich voordoen [4].
Als het gaat om het selecteren van de juiste spectroscopie-apparatuur, kan het proces ontmoedigend zijn. Dit is waar
Professor Alan G. Ryder benadrukt het belang van deze methoden:
Snelle spectroscopische methoden kunnen, indien correct toegepast, worden gebruikt voor de snelle en effectieve screening van celkweekmedia om moleculaire variatie en potentiële problemen met de productie van media te identificeren [1].
Veelgestelde vragen
Wat zijn de voordelen van het gebruik van spectroscopie in de productie van gekweekt vlees?
Spectroscopietechnieken zoals nabij-infrarood (NIR) en Raman bieden waardevolle hulpmiddelen voor de gekweekte vleesindustrie. Ze maken real-time, niet-invasieve monitoring van groeimedia mogelijk, waardoor het mogelijk is om continu voedingsstoffen, metabolieten en cel dichtheid te volgen - zonder monsters te hoeven nemen of extra reagentia te gebruiken. Dit niveau van monitoring helpt bij het handhaven van strakkere procescontrole en versnelt aanpassingen aan de mediacompositie, wat essentieel is voor het waarborgen van consistente kwaliteit bij het opschalen van de productie.
Deze methoden zijn ook efficiënt en kostenbesparend. Met een enkele meting kunnen ze meerdere componenten tegelijk analyseren - zoals aminozuren, suikers en lipiden - waardoor aparte chemische tests overbodig worden. Dit vermindert zowel arbeids- als materiaalkosten en levert gegevens op die voorspellende modellen kunnen verbeteren, wat helpt om de kwaliteit te standaardiseren en de variabiliteit tussen batches te verminderen.
Een ander voordeel is hoe gemakkelijk spectroscopie kan integreren met geautomatiseerde systemen. Zo kunnen NIR-sondes direct in bioreactoren worden geïnstalleerd om continue gegevens te leveren, waardoor geautomatiseerde aanpassingen aan kritieke parameters zoals toevoersnelheden of temperatuur mogelijk zijn. Voor degenen die gespecialiseerd apparatuur nodig hebben,
Wat zijn de belangrijkste verschillen tussen NIR- en Raman-spectroscopie voor het analyseren van groeimedia in de productie van gekweekt vlees?
Nabij-infrarood (NIR) spectroscopie is perfect voor snelle, niet-invasieve monitoring van de algehele samenstelling van groeimedia. Het vermogen om online of inline controle te bieden betekent dat het real-time gegevens kan leveren, waardoor producenten tijdens het productieproces direct aanpassingen kunnen maken.
Aan de andere kant biedt Raman-spectroscopie een nauwkeurige moleculaire vingerafdruk, waardoor het een uitstekende keuze is voor het identificeren en meten van specifieke metabolieten zoals glucose en lactaat. Dit niveau van precisie is bijzonder nuttig voor het verfijnen van de mediacompositie om aan de specifieke behoeften van de productie van gekweekt vlees te voldoen.
Waarom is realtime monitoring van groeimedia belangrijk voor de productie van gekweekt vlees?
Realtime monitoring speelt een cruciale rol bij het optimaal houden van het groeimedium voor de productie van gekweekt vlees. Door nauwlettend te letten op voedingsstoffen, metabolieten en celgezondheid, kunnen producenten snel de omstandigheden aanpassen om een gestage celgroei te behouden en de kwaliteit van het eindproduct te verbeteren.
Deze praktische methode elimineert de wachttijd die gepaard gaat met traditionele offline testen, wat leidt tot betere opbrengsten en minder verspilling. Het zorgt er ook voor dat middelen effectiever worden gebruikt, waardoor het productieproces wordt gestroomlijnd en de betrouwbaarheid wordt verhoogd.
