Zautomatyzowane systemy pobierania próbek rewolucjonizują monitorowanie bioprocesów, zwłaszcza w produkcji mięsa hodowlanego. Te systemy oferują częste, precyzyjne i w czasie rzeczywistym dane na temat kluczowych czynników, takich jak poziomy składników odżywczych, metabolity i zdrowie komórek - coś, czego ręczne pobieranie próbek nie może dorównać. Działając co 2–3 godziny, w porównaniu do raz dziennie ręcznie, zapewniają wyraźniejszy obraz zmian metabolicznych, pomagając zapobiegać kosztownym błędom produkcyjnym.
Kluczowe punkty obejmują:
- Wydajność: Cykl pobierania próbek, analizy i czyszczenia trwa poniżej 15 minut.
- Jałowość: Systemy utrzymują jałowość przez ponad 370 godzin, zmniejszając ryzyko zanieczyszczeń.
- Dokładność: Pomiar glukozy odbiega tylko o 1,1%, a analiza aminokwasów oferuje niemal natychmiastowe wglądy.
- Oszczędność pracy: Minimalizuje ręczną interwencję, uwalniając personel do innych zadań.
- Zastosowania: Poprawia spójność i skalowalność w produkcji mięsa hodowlanego.
Te systemy integrują się bezproblemowo z zaawansowanymi narzędziami, takimi jak HPLC i spektroskopia Ramana, umożliwiając precyzyjne monitorowanie składników odżywczych i dostosowywanie procesów w czasie rzeczywistym. W rezultacie wspierają lepszą kontrolę jakości, zmniejszoną zmienność i bardziej efektywne przepływy pracy produkcyjnej.
Systemy pobierania próbek ręczne vs zautomatyzowane: Porównanie wydajności w bioprocesach
Badania nad technologiami zautomatyzowanego pobierania próbek
Metody i podejścia badawcze
Ostatnie postępy w technologiach zautomatyzowanego pobierania próbek znacznie udoskonaliły ich zastosowanie w produkcji mięsa hodowlanego. Badania te koncentrują się na integracji zautomatyzowanych systemów pobierania próbek z narzędziami analitycznymi, przy jednoczesnym zachowaniu sterylności w całym procesie.Zazwyczaj badacze łączą automatyczne próbniki z ustalonymi metodami, takimi jak HPLC i elektroforeza kapilarna, aby monitorować złożone metabolity, które czujniki in-line często mają trudności z dokładnym pomiarem.
W maju 2020 roku zespół z Technische Universität Wien zbadał system Numera firmy Securecell AG, wykorzystując oprogramowanie Lucullus PIMS podczas hodowli wsadowej CHO. Monitorowali 18 aminokwasów wraz z poziomami produktu IgG, utrzymując sterylność przez imponujące 370 godzin ciągłej pracy [2]. Dostosowania ustawień systemu, takie jak "Push Out Time", stały się kluczowe wraz ze wzrostem gęstości komórek [2].
Podobnie, w sierpniu 2017 roku, Rosanne M.Guijt z University of Tasmania zastosował Sequential Injection Capillary Electrophoresis (SI-CE) do monitorowania pięciu równoległych kultur zawiesinowych komórek Jurkat. Przez cztery dni system przeprowadził 96 testów na kulturę, przy czym każde rozdzielenie elektroforetyczne trwało zaledwie 12 minut. Co niezwykłe, wymagało to tylko 5,78 mL na kolbę (mniej niż 60 µL na analizę), co czyniło go idealnym do badań przesiewowych o wysokiej przepustowości bez znaczącego zmniejszania objętości kultur [6]. Te precyzyjne i systematyczne metody tworzą podstawy do głębszego zrozumienia danych dotyczących wydajności.
Wyniki badań i dane dotyczące wydajności
Wyniki tych badań podkreślają efektywność i precyzję zautomatyzowanych systemów pobierania próbek. Na przykład zespół z Wiednia osiągnął 1,1% względne odchylenie standardowe dla pomiarów glukozy.Ponadto, systematyczne błędy spowodowane rozcieńczeniem próbek zostały skorygowane, aby zmniejszyć odchylenia do poziomu tak niskiego jak 0,1% do 3% od wartości rzeczywistych [2]. Ten poziom dokładności jest znacznie lepszy niż to, co zazwyczaj oferuje ręczne pobieranie próbek.
Częstotliwość pobierania próbek to kolejna kluczowa zaleta. Podczas gdy ręczne pobieranie próbek jest często ograniczone do raz dziennie, zautomatyzowane systemy mogą pobierać próbki 8 do 24 razy dziennie, rejestrując zmiany metaboliczne, które w przeciwnym razie mogłyby pozostać niezauważone. W badaniu wiedeńskim analiza aminokwasów została zakończona z 45-minutowym opóźnieniem od momentu pobrania próbki, dostarczając niemal w czasie rzeczywistym wgląd w wyczerpywanie się składników odżywczych [2].
Badanie na Tasmanii podkreśliło kolejny kluczowy korzyść: poprzez normalizację danych dotyczących mleczanu w odniesieniu do pomiarów gęstości komórek w czasie rzeczywistym, badacze mogli odróżnić farmakologiczne efekty związków takich jak rotenon i kliochinol od prostych zmian biomasy [6]. Taki poziom szczegółowości byłby niemal niemożliwy do osiągnięcia przy tradycyjnym ręcznym pobieraniu próbek, gdzie rzadkie punkty danych często zaciemniają krytyczne wzorce metaboliczne.
Technologia czujników do monitorowania mediów
Rodzaje czujników i narzędzi analitycznych
Technologia czujników odgrywa kluczową rolę w udoskonalaniu monitorowania mediów w czasie rzeczywistym, zwłaszcza w produkcji mięsa hodowlanego. Różne czujniki są stosowane do ścisłego monitorowania składu mediów i zdrowia komórek.Na przykład standardowe czujniki liniowe ciągle mierzą pH, temperaturę i rozpuszczony tlen, zapewniając idealne warunki do wzrostu komórek [7]. Jeśli chodzi o pomiar gęstości żywych komórek, sondy pojemnościowe są jedynym dostępnym komercyjnie rozwiązaniem online. Te sondy wykorzystują pole elektryczne do wykrywania żywych komórek, ponieważ nienaruszone błony komórkowe działają jak małe kondensatory, odróżniając żywe komórki od martwych i zanieczyszczeń [7].
Czujniki spektroskopowe oferują nieinwazyjny sposób śledzenia aktywności metabolicznej. Na przykład spektroskopia UV–vis analizuje absorpcję i rozpraszanie światła (200–740 nm), aby oszacować gęstość komórek i zidentyfikować kwasy nukleinowe z uszkodzonych komórek [7]. Spektroskopia fluorescencyjna monitoruje naturalnie występujące fluorofory, takie jak NADH, NADPH i tryptofan, dostarczając cennych informacji w czasie rzeczywistym o stanie metabolicznym kultury bez ingerencji w proces [7]. Tymczasem, spektroskopia Ramana generuje molekularny odcisk palca medium, umożliwiając precyzyjne śledzenie poziomów glukozy, mleczanu i aminokwasów z minimalnym błędem [7][2]. W rzeczywistości, czujniki Ramana w linii wykazały niezwykłą dokładność, z błędem średniokwadratowym wynoszącym 0,41 mM dla tyrozyny i 0,24 mM dla tryptofanu w złożonych mediach [2]. Te narzędzia spektroskopowe uzupełniają zautomatyzowane systemy pobierania próbek, oferując szybką, nieinwazyjną analizę metaboliczną.
Zautomatyzowane systemy dodatkowo zwiększają precyzję, łącząc bioreaktory z zaawansowanymi analizatorami.Ten system umożliwia monitorowanie w czasie rzeczywistym złożonych składników odżywczych, takich jak aminokwasy i witaminy, które czujniki w linii obecnie mają trudności z dokładnym pomiarem [1][2]. Na przykład modele spektroskopii absorpcyjnej UV–vis osiągnęły wartości R² aż do 0,993 dla przewidywań gęstości komórek, co świadczy o ich niezawodności [7].
Przykłady integracji czujników
Współprace między twórcami technologii a badaczami doprowadziły do imponujących postępów w integracji czujników. Jednym z takich przykładów jest partnerstwo między Sartorius Stedim Biotech a Tornado Spectral Systems. Włączyli prototyp komórki przepływowej Ramana do systemu mini bioreaktorów Ambr 250 High Throughput. By pairing it with a BioProfile FLEX2 analyser from Nova Biomedical for automated reference measurements, they created robust models for tracking glucose, lactate, and glutamine in CHO cell cultures. This setup reduced the time gap between spectral and reference data to just five minutes, enabling near-instantaneous data correlation [8].
"Raman spectroscopy is a well-suited PAT tool to nondestructively measure cell culture analytes in-situ... yielding structural information regarding the covalent bonds of the interrogated molecules with high molecular specificity and robustness."
– Marek Hoehse, Sartorius Stedim Biotech [8]
Another example comes from the Vienna University of Technology, where researchers demonstrated how sensor integration can improve precision. Using a 3.6 L bioreaktor, połączyli go z Thermo Fisher Ultimate 3000 HPLC i Roche Cedex Bio HT analizatorem za pomocą systemu Numera. Ta konfiguracja umożliwiła monitorowanie w czasie rzeczywistym 18 aminokwasów i kilku witamin, takich jak niacynamid, kwas foliowy, B12 i ryboflawina, podczas hodowli wsadowej CHO [2]. Zautomatyzowany system wygenerował 528 widm z 24 naczyń w jednym cyklu, obniżając koszty i oszczędzając czas w porównaniu z tradycyjnym modelem budowy na skalę pilotażową [8].
Optymalizacja Procesu i Kontrola Jakości
Dostosowania Procesu w Czasie Rzeczywistym
Zautomatyzowane systemy pobierania próbek wypełniają lukę między analizą laboratoryjną a produkcją na żywo, umożliwiając wykorzystanie Technologii Analityki Procesowej (PAT) w czasie rzeczywistym [2].Te systemy dostarczają dane co dwie do trzech godzin, tworząc kompleksowy obraz metabolizmu komórek i wykorzystania składników odżywczych [2]. Te dane o wysokiej częstotliwości rejestrują wartości kinetyczne i kluczowe zdarzenia, takie jak zmiany poziomu mleczanu, które często są pomijane przy ręcznym pobieraniu próbek [2][6].
W połączeniu z Systemami Zarządzania Informacjami Procesowymi (PIMS), te wyniki analityczne mogą automatycznie dostosowywać strategie żywienia w razie potrzeby [2]. Dynamiczne algorytmy identyfikują plateau reakcji, umożliwiając terminowe modyfikacje procesu [5]. Ta zdolność jest szczególnie cenna w produkcji mięsa hodowlanego, gdzie utrzymanie optymalnej równowagi składników odżywczych jest kluczowe dla osiągnięcia wysokiej gęstości komórek i wydajności.
"Wyższa częstotliwość próbkowania w porównaniu z próbkowaniem ręcznym zwiększa zawartość generowanych informacji, co umożliwia łatwiejszą interpretację metabolizmu... i dokładniejsze wykrywanie zdarzeń procesowych."
– Paul Kroll, Menedżer ds. Rozwoju Biznesu, Securecell AG [1]
Jednym z godnych uwagi przykładów jest rok 2020, kiedy to Uniwersytet Techniczny w Wiedniu połączył bioreaktor o pojemności 3,6 litra z automatycznymi analizatorami HPLC i Cedex Bio HT za pomocą systemu Numera. Ta konfiguracja monitorowała 18 aminokwasów i wiele witamin przez 370 godzin, z odchyleniami od 0,1% do 3% [2]. Częste zbieranie danych umożliwiło obserwację kinetyki reakcji, które metody ręczne całkowicie by przeoczyły.
htmlZalety i Wyzwania Porównanie
Oto podział głównych zalet i wyzwań związanych z automatycznymi systemami próbkowania:
| Funkcja | Zalety | Wyzwania | |
|---|---|---|---|
| Precyzja & Dokładność | Zapewnia wysoką precyzję (1. | 1% RSD) i eliminuje błędy ludzkie w przygotowaniu próbek [2] | Wymaga dokładnej kalibracji i dostosowań dla współczynników rozcieńczenia [2] |
| Częstotliwość danych | Pozwala na 8+ próbek dziennie, umożliwiając szczegółowe modelowanie kinetyczne [2] | Duża ilość danych wymaga zaawansowanego oprogramowania (PIMS) do zarządzania [2] | |
| Praca &i Koszt | Zmniejsza obciążenie związane z ręcznym pobieraniem próbek i derywatyzacją [2] | Wysokie koszty początkowe sprzętu i skomplikowana instalacja [2][5] | |
| Objętość próbki | Zużywa minimalną ilość medium (<60 µL na analizę), co pozwala na dłuższe działanie reaktora [6] | Małe objętości w rurkach mogą być podatne na gromadzenie się osadów i efekty stosunku powierzchni [2] | |
| Kontrola Procesu | Ułatwia dostosowanie podaży i składników odżywczych w czasie rzeczywistym [2][3] | Wymaga bezproblemowej integracji między próbkownikami, analizatorami i kontrolerami bioreaktorów [2] |
Zautomatyzowane systemy nie tylko utrzymują sterylność przez ponad 370 godzin, ale także wymagają mniej niż 60 mikrolitrów medium na analizę [2][6].Jednak operatorzy muszą zająć się potencjalnymi błędami systematycznymi w obsłudze cieczy, chociaż automatyczna kalibracja może zmniejszyć odchylenia do zaledwie 0,1% [2]. Dodatkowo, "Czas Wypychania" (POT) w modułach filtracyjnych może wymagać dostosowania w oparciu o gęstość komórek żywych, aby zapewnić spójne dostarczanie próbek w miarę rozwoju procesu [2].
Te strategie podkreślają, jak zautomatyzowane systemy przesuwają produkcję mięsa hodowlanego z reaktywnego monitorowania do bardziej proaktywnego, kontrolowanego procesu, uzupełniając wcześniejsze osiągnięcia w technologii czujników i badaniach.
sbb-itb-ffee270
Cellbase Zasoby dla Zautomatyzowanych Systemów Pobierania Próbek
Zweryfikowane Listy Dostawców
Platforma również podkreśla specjalistyczne narzędzia do aseptycznego pobierania próbek, takie jak bioPROBE firmy bbi-biotech.To narzędzie szczyci się "sterylnością z założenia", wykorzystując opatentowany mechanizm transportu gazowego, aby zapobiec tworzeniu się biofilmu i zatorom [9]. Dodatkowo,
Uproszczone Zaopatrzenie w Sprzęt
Poza prezentacją zweryfikowanych ofert,
Dla zespołów R&D, zweryfikowane oferty zapewniają rozwiązania, które automatyzują zarówno pobieranie próbek, jak i dostosowania oparte na zdarzeniach. Jest to szczególnie przydatne do zarządzania małymi objętościami próbek - już od 0,5 ml - pomagając zminimalizować straty medium [9][10]. Potencjał oszczędności czasu jest znaczący: zautomatyzowane pobieranie próbek może zmniejszyć zapotrzebowanie na pracę o około 480 roboczogodzin (równoważne 12 tygodniom pracy) rocznie przy przetwarzaniu 1 800 próbek, w porównaniu z metodami ręcznymi [9].Poprzez usprawnienie nabywania sprzętu i zwiększenie precyzji,
Wniosek
Podsumowanie i Perspektywy na Przyszłość
Zautomatyzowane systemy pobierania próbek zmieniają sposób monitorowania bioprocesów mięsa hodowlanego. Poprzez bezpośrednie łączenie bioreaktorów z narzędziami analitycznymi, dostarczają dane wysokiej jakości do 12 razy częściej - co 2–3 godziny w porównaniu do tradycyjnego podejścia raz dziennie [1][2]. Ta częsta zbiórka danych pozwala na głębsze zrozumienie metabolizmu komórek, szybsze identyfikowanie wyczerpania składników odżywczych oraz obliczanie parametrów kinetycznych kluczowych dla optymalizacji strategii żywienia.
Te systemy również utrzymują sterylność przez dłuższe okresy i dostarczają bardzo precyzyjne pomiary, co czyni je przełomem w bioprocesach.Dzięki tym zaletom mocno ugruntowanym, scena jest gotowa na jeszcze większe postępy.
Przyszłość produkcji mięsa hodowlanego zmierza w kierunku inteligentnej bioprodukcji. Obejmuje to integrację automatycznego pobierania próbek z modelami predykcyjnymi i sterowaniem procesem w zamkniętej pętli. Takie postępy przesuną fokus z analizy danych po fakcie na optymalizację procesu w czasie rzeczywistym. Oznacza to, że strategie karmienia mogą być dostosowywane na bieżąco, co skraca czas produkcji, zapewnia spójną jakość produktu i przyspiesza wprowadzenie na rynek poprzez ciągłe monitorowanie kluczowych atrybutów jakości [2][3]. Dla producentów te systemy szybko stają się fundamentem konkurencyjnych i skalowalnych operacji.
htmlPlatformy takie jak
(English) Numera PAT: zautomatyzowane pobieranie próbek w bioprocesach
FAQs
W jaki sposób zautomatyzowane systemy pobierania próbek zwiększają spójność w produkcji mięsa hodowlanego?
Zautomatyzowane systemy pobierania próbek odgrywają kluczową rolę w zapewnieniu spójności w produkcji mięsa hodowlanego poprzez eliminację nieprzewidywalności związanej z ręcznym pobieraniem próbek. Systemy te są zaprojektowane do zbierania precyzyjnych objętości próbek w zaplanowanych odstępach czasu, co zmniejsza błędy ludzkie i zapewnia jednolitość. To stałe i dokładne pobieranie próbek dostarcza w czasie rzeczywistym informacji o składnikach odżywczych, metabolitach i zdrowiu komórek, umożliwiając lepszą kontrolę nad procesem produkcji i poprawę jakości produktu.
Automatyzując zadania takie jak pobieranie próbek, przygotowanie i transfer, szanse na zanieczyszczenie są znacznie zmniejszone. Dodatkowo, zbieranie danych może odbywać się nawet poza standardowymi godzinami pracy, oferując bardziej kompleksowy obraz procesu produkcji. To ciągłe monitorowanie pozwala na szybkie dostosowanie parametrów, takich jak podawanie, temperatura czy inne krytyczne czynniki, co skutkuje spójną jakością partii i bardziej niezawodnymi wynikami produkcji. Dla osób pracujących w sektorze mięsa hodowlanego,
W jaki sposób czujniki przyczyniają się do monitorowania w czasie rzeczywistym w produkcji mięsa hodowlanego?
Czujniki są niezbędne do monitorowania w czasie rzeczywistym, ponieważ ciągle śledzą kluczowe parametry procesu (CPP) takie jak rozpuszczony tlen, pH, temperatura, gęstość komórek i żywotność komórek.Dzięki zapewnieniu natychmiastowej informacji zwrotnej, te czujniki pomagają operatorom szybko wykrywać odchylenia, dokonywać terminowych korekt i unikać problemów, które mogłyby zagrozić jakości produktu.
Nowoczesne technologie, takie jak sondy bliskiej podczerwieni (NIR) i Ramana, idą o krok dalej, monitorując w czasie rzeczywistym składniki odżywcze, takie jak glukoza, oraz produkty uboczne, takie jak mleczan, co zmniejsza potrzebę ręcznego pobierania próbek. Zaawansowane narzędzia optyczne, takie jak mikroskopia in-situ, oferują nawet szczegółowe dane dotyczące pojedynczych komórek na temat morfologii i żywotności. Te innowacje są kluczowe dla Process Analytical Technology (PAT), umożliwiając automatyzację i zapewniając spójne sterowanie w produkcji mięsa hodowlanego.
Platformy takie jak
W jaki sposób zautomatyzowane systemy pobierania próbek pomagają zmniejszyć nakład pracy w bioprocesach?
Zautomatyzowane systemy pobierania próbek odciążają bioprocesy, obsługując rutynowe zadania, takie jak pobieranie, przygotowywanie i dostarczanie próbek do instrumentów analitycznych. Działając według wcześniej ustalonych harmonogramów, systemy te eliminują potrzebę ręcznej interakcji techników z bioreaktorami i próbkami. Rezultat? Mniej powtarzalnej pracy, mniejsze ryzyko błędów ludzkich i więcej czasu dla wykwalifikowanego personelu na zajmowanie się analizą danych i udoskonalaniem procesów.
Co więcej, systemy te umożliwiają znacznie częstsze pobieranie próbek - czasami niemal ciągłe - w porównaniu z metodami ręcznymi. Oznacza to generowanie ogromnej ilości danych, co umożliwia monitorowanie w czasie rzeczywistym i ściślejszą kontrolę nad kluczowymi parametrami. Dzięki wbudowanym narzędziom do zarządzania danymi, przepływy pracy stają się jeszcze bardziej płynne poprzez automatyczne organizowanie metadanych próbek, co redukuje ilość dokumentacji i ręcznego wprowadzania danych.
htmlDla osób z branży mięsa hodowlanego,
