A espectroscopia oferece uma maneira rápida e precisa de monitorar o meio de crescimento na produção de carne cultivada. Ao rastrear nutrientes como glicose e glutamina em tempo real, ajuda a otimizar o crescimento celular e manter a qualidade. Dois métodos principais se destacam:
- Espectroscopia NIR: Opera na faixa de 780–2.500 nm, ideal para rastrear nutrientes e metabólitos como glicose e lactato. É econômica e se integra facilmente com biorreatores, mas pode enfrentar interferência de sinais de água.
- Espectroscopia Raman: Usa espalhamento de luz inelástica para fornecer dados moleculares altamente específicos. Funciona bem em ambientes dominados por água, oferecendo precisão para metabólitos como lactato e glicose, mas vem com custos mais altos.
Ambos os métodos suportam sistemas automatizados para entrega de nutrientes e detecção de contaminação, melhorando a eficiência e reduzindo os riscos de amostragem manual.Plataformas como
Espectroscopia NIR para Análise de Meio de Crescimento
Como Funciona a Espectroscopia NIR
A espectroscopia no infravermelho próximo (NIR) opera dentro da faixa de comprimento de onda de 780 nm a 2.500 nm, focando na detecção de sobretons e bandas de combinação de vibrações moleculares fundamentais [7]. Isso a torna particularmente eficaz na identificação de ligações como C-H, O-H e N-H, que são comumente encontradas em moléculas como glicose, aminoácidos e proteínas.
O processo envolve a passagem de luz NIR através do meio de crescimento e a medição de quanto dessa luz é absorvida em diferentes comprimentos de onda. Cada molécula produz um padrão espectral único, ou "impressão digital", que fornece insights sobre a composição do meio.No entanto, como as bandas espectrais frequentemente se sobrepõem, técnicas quimiométricas avançadas, como a regressão de Mínimos Quadrados Parciais, são necessárias para extrair dados quantitativos precisos [1].
Um dos principais benefícios da espectroscopia NIR é que ela é não invasiva. As sondas podem ser diretamente integradas em biorreatores usando portas padrão Ingold, e são construídas para suportar ciclos de esterilização (SIP/CIP), garantindo que estejam alinhadas com os padrões de higiene industrial [10]. Essa capacidade de medir sem interromper o processo torna o NIR uma ferramenta valiosa para monitorar meios de crescimento.
Aplicações de NIR no Monitoramento de Meios de Crescimento
A espectroscopia NIR é amplamente utilizada para rastrear nutrientes e metabólitos críticos, como glicose, glutamina, aminoácidos, lactato, amônia e contagem total de células (TCC) [6][8].Ao fornecer dados em tempo real, ajuda os produtores a detectar a depleção de nutrientes precocemente, prevenindo impactos na viabilidade celular, ou a identificar subprodutos tóxicos antes que se acumulem.
Estudos demonstraram os benefícios práticos do NIR. Por exemplo, uma investigação usou NIR para monitoramento on-line em um biorreator de tanque agitado, alcançando erros de previsão de 1,54 mM para glicose e 0,83 mM para lactato [8]. Para processos de carne cultivada, onde as células crescem em microcarregadores, a calibração específica do sistema é crucial devido aos efeitos de dispersão de luz causados pelas esferas. Pesquisas na Sanofi Pasteur aplicaram com sucesso o NIR para monitorar células Vero cultivadas em microcarregadores Cytodex 1, alcançando precisões de previsão de 0,36 g/l para glicose e 0,29 g/l para lactato [9]. Esses achados destacam a importância da calibração personalizada para diferentes sistemas.
"A espectroscopia NIR (NIRS) é uma ferramenta PAT in situ promissora... fornecendo um espectro representativo da 'assinatura' de todos os componentes presentes na solução analisada."
- Annie Marc, Process Biochemistry [9]
Outro uso crescente do NIR é na criação de perfis de "lote dourado" - referências que representam o desempenho ideal do processo. Os operadores podem comparar execuções atuais com esses perfis em tempo real. Por exemplo, pesquisadores da Leibniz Universität Hannover usaram NIR para monitorar cultivos de células CHO-K01 em um biorreator de 7,5 litros. O sistema deles detectou contaminação bacteriana no "Lote 3" apenas 30 horas após o início do processo, quando as leituras de NIR excederam os limites de processo definidos [4].
Noções básicas de espectroscopia NIR – Como funciona a espectroscopia NIR?
Espectroscopia Raman para Análise de Meios de Crescimento
Enquanto a espectroscopia NIR é excelente para decifrar bandas de absorção sobrepostas, a espectroscopia Raman segue um caminho diferente. Ela utiliza a dispersão inelástica de luz para explorar a estrutura molecular, oferecendo um método complementar de análise.
Como Funciona a Espectroscopia Raman
A espectroscopia Raman funciona ao incidir um laser de 785 nm sobre uma amostra e capturar os fótons que se dispersam inelasticamente. Quando esses fótons interagem com moléculas, ocorrem mudanças de energia devido a movimentos vibracionais. Essas mudanças criam uma "impressão digital" espectral única, revelando a estrutura molecular de componentes como proteínas, lipídios, ácidos nucleicos e açúcares [12][5].
A principal distinção da espectroscopia NIR reside no que a Raman mede.Em vez de detectar mudanças no momento dipolar, Raman foca nas mudanças na polarizabilidade das ligações moleculares durante a vibração [5]. Essa diferença o torna especialmente útil para aplicações em carne cultivada. Por quê? Porque a água, que domina os meios de crescimento, é quase invisível à detecção de Raman. Isso significa que Raman pode "ver através" da água para detectar pequenas quantidades de nutrientes e metabólitos, evitando a interferência que muitas vezes complica os métodos infravermelhos [11][12][5].
A espectroscopia Raman gera sinais específicos do analito que não se sobrepõem aos sinais da água... tornando-a particularmente vantajosa para aplicações em culturas celulares, onde a matriz é predominantemente aquosa.
- Morandise Rubini, Pesquisador, Universidade de Tours [12]
No entanto, como as bandas espectrais podem se sobrepor, modelos matemáticos avançados como Mínimos Quadrados Parciais ou Análise de Componentes Principais são frequentemente usados para extrair dados quantitativos precisos dos espectros nítidos e específicos [12][13][14].
Aplicações de Raman no Monitoramento de Meios de Crescimento
Graças à sua capacidade de produzir impressões digitais moleculares detalhadas, a espectroscopia Raman tornou-se uma ferramenta poderosa para monitoramento em linha em ambientes de produção. Atuando como um sensor óptico, ela rastreia o consumo de nutrientes - como glicose e glutamina - e a produção de subprodutos metabólicos, como lactato e amônia [14]. Este feedback em tempo real permite ajustes automáticos, como a otimização dos cronogramas de alimentação de nutrientes para melhorar a eficiência.
Por exemplo, em abril de 2025, pesquisadores utilizaram um espectrômetro Raman Viserion em cinco culturas de células CHO de 10 litros, alcançando previsões altamente precisas (e.g., RMSEP de 0,51 g/l para glicose) [12]. Da mesma forma, em março de 2018, uma equipe no Cell and Gene Therapy Catapult em Londres usou um sistema Raman em linha (Kaiser Optical Systems analisador RamanRxn2™) para monitorar a produção de células T autólogas. Eles monitoraram os níveis de glicose (R = 0,987) e lactato (R = 0,986) com precisão, identificando mudanças metabólicas específicas do doador e taxas de proliferação sem a necessidade de amostragem manual [14] .
Além de nutrientes e subprodutos, a espectroscopia Raman também monitora a concentração celular, avalia a viabilidade celular e detecta potenciais perigos como Salmonella ou E. coli. Isso garante consistência entre os lotes e fornece uma maneira confiável de caracterizar os componentes do meio [11][1][14][15].
NIR vs Raman: Qual Método Usar
Comparação entre Espectroscopia NIR e Raman para Análise de Meio de Crescimento
Decidir entre espectroscopia NIR e Raman depende dos seus analitos específicos, orçamento e configuração do seu sistema.
Fatores de Comparação
A espectroscopia Raman se destaca por sua capacidade de fornecer informações moleculares altamente específicas.Gera "impressões digitais" espectrais nítidas e distintas, facilitando a identificação de compostos individuais. Por outro lado, a espectroscopia NIR produz bandas amplas e sobrepostas que exigem ferramentas quimiométricas avançadas para análise [1]. Isso torna o Raman particularmente útil para rastrear com precisão metabólitos específicos.
A absorção de água no NIR pode obscurecer sinais de nutrientes, enquanto a baixa sensibilidade do Raman à água garante uma detecção mais clara. No entanto, o Raman não está isento de desafios - pode encontrar interferência de fluorescência de fundo causada por compostos biológicos como hidrolisados de proteínas [1].
Pesquisas envolvendo biorreatores de células CHO demonstraram que o Raman supera o NIR na previsão de glicose, lactato e anticorpos, enquanto o NIR é mais eficaz para glutamina e íons de amônio [2]. Um estudo realizado em março de 2017 por R.C.Rowland-Jones na Universidade de Leeds apoiou ainda mais as forças de Raman, mostrando que era mais confiável para medir lactato (RMSECV 1,11 g/L) e glicose (RMSECV 0,92 g/L) em biorreatores em miniatura de 15 mL [16] .
Do ponto de vista de custo, os sistemas NIR são tipicamente mais acessíveis devido às suas fontes de luz mais simples. Os sistemas Raman, no entanto, requerem lasers e detectores avançados, tornando-os mais caros [1].A tabela abaixo destaca essas principais diferenças:
| Fator | Espectroscopia NIR | Espectroscopia Raman |
|---|---|---|
| Especificidade | Menor; bandas amplas e sobrepostas [1] | Maior; "impressões digitais" moleculares nítidas [1] |
| Interferência da Água | Alta; forte absorção de água [2] | Baixa; a água é um dispersor fraco [2] |
| Melhor Para | Monitoramento de glutamina, amônio, biomassa [2] | Glicose, lactato, títulos de anticorpos [2, 19] |
| Custo | Geralmente mais baixo; lâmpadas simples e ópticas [1] | Geralmente mais alto; requer lasers e detectores [1] |
| Comprimento do Caminho | Mais longo; acomoda paredes de contêineres [6] | Mais curto; requer uma interface direta com a amostra [6] |
| Interferência Principal | Dispersão física de células/partículas [6] | Fluorescência de fundo de biomoléculas [2] |
Em seguida, exploraremos como aplicar dados de espectroscopia para otimização de mídia em tempo real na produção.
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Usando Dados de Espectroscopia na Produção
Otimização de Mídia em Tempo Real
A espectroscopia transforma dados brutos em insights acionáveis, simplificando a entrega de nutrientes nos processos de produção. Ao permitir o monitoramento simultâneo e não invasivo de parâmetros-chave como glicose, lactato, glutamina e amônio, garante a otimização contínua das culturas. Por exemplo, quando os níveis de glicose caem abaixo do intervalo ideal, o sistema aciona automaticamente a alimentação de nutrientes. Isso previne a inanição celular e reduz o risco de acúmulo de subprodutos tóxicos [2].
Criar trajetórias de "Lote Dourado" a partir de execuções de produção ótimas permite a identificação precoce de problemas, como contaminação ou problemas de aeração [4].Sistemas modernos levam isso adiante - a espectroscopia NIR, por exemplo, pode estimar concentrações de nutrientes com uma precisão dentro de 15% dos métodos de referência tradicionais. Em biorreatores de grande escala com capacidade de até 12.500 litros, a Análise de Componentes Principais dos dados NIR explicou 96% da variabilidade do processo [17].
Esse fluxo constante de dados se integra perfeitamente com os sistemas de biorreatores, permitindo o controle automatizado do processo para manter a consistência e a eficiência.
Conectando a Espectroscopia aos Sistemas de Biorreatores
A integração da espectroscopia com sistemas de biorreatores leva os dados em tempo real para o próximo nível, permitindo o controle de feedback totalmente automatizado. Sondas imersas, capazes de suportar ciclos de esterilização e alta pressão, transmitem dados em tempo real diretamente para as unidades de controle do biorreator [6].
Um estudo realizado em setembro de 2018 na Université de Lorraine comparou sondas Raman e NIR in situ operando em paralelo dentro de um biorreator de células CHO de 2 litros. Os resultados mostraram que a espectroscopia Raman e
Os dados de espectroscopia também alimentam sistemas de Controle Estatístico de Processo Multivariado (MSPC), que comparam continuamente lotes em andamento com os padrões estabelecidos de Lote Dourado. Essa abordagem permite que os operadores detectem desvios - sejam eles causados por contaminação, escassez de nutrientes ou falhas de equipamentos - em questão de horas em vez de dias. O resultado é uma eficiência aprimorada e maior consistência na produção [4].
Fonte de Equipamentos de Espectroscopia via Cellbase
Por que Usar Cellbase para Equipamentos de Espectroscopia
Escolher o equipamento de espectroscopia certo para a produção de carne cultivada pode parecer como navegar em um labirinto de detalhes técnicos. Com espectrômetros de uso geral oferecendo milhares de configurações [18] , é fácil se sentir sobrecarregado sem a expertise adequada.
É aqui que
Características Principais de Cellbase para Aquisição de Equipamentos
Além disso, a expertise de
Conclusão
A espectroscopia NIR e Raman desempenha um papel crítico no refinamento dos meios de crescimento para carne cultivada. Essas técnicas avançadas permitem monitoramento em tempo real e não invasivo de analitos chave como glicose, lactato e amônio.Isso significa que as equipes de produção podem fazer ajustes rápidos sem interromper o processo - uma vantagem vital, dado que o design de mídia continua sendo um dos maiores desafios na escalabilidade da produção de carne cultivada [16][19] .
Cada método traz suas próprias forças para a mesa. Espectroscopia NIR se destaca na avaliação de biomassa e composição geral, enquanto espectroscopia Raman fornece insights detalhados sobre metabólitos específicos em soluções aquosas [1] . Durante estudos com biorreatores em miniatura, a espectroscopia Raman demonstrou uma precisão preditiva impressionante, tornando-se uma escolha confiável para medições precisas [16] . Ambas as técnicas também apoiam o desenvolvimento de um perfil de "lote dourado", permitindo que os operadores identifiquem problemas como contaminação bacteriana ou problemas de aeração assim que surgirem [4].
htmlQuando se trata de selecionar o equipamento de espectroscopia certo, o processo pode ser assustador. É aqui que
O Professor Alan G. Ryder destaca a importância desses métodos:
Métodos espectroscópicos rápidos, se aplicados corretamente, podem ser usados para a triagem rápida e eficaz de meios de cultura celular para identificar variações moleculares e potenciais problemas na fabricação de meios [1].
Perguntas Frequentes
Quais são os benefícios do uso da espectroscopia na produção de carne cultivada?
Técnicas de espectroscopia como infravermelho próximo (NIR) e Raman trazem ferramentas valiosas para a indústria de carne cultivada. Elas permitem monitoramento em tempo real e não invasivo do meio de crescimento, possibilitando o acompanhamento contínuo de nutrientes, metabólitos e densidade celular - sem a necessidade de coletar amostras ou usar reagentes extras. Esse nível de monitoramento ajuda a manter um controle de processo mais rigoroso e acelera os ajustes na composição do meio, o que é essencial para garantir qualidade consistente ao aumentar a produção.
Esses métodos também são eficientes e econômicos. Com uma única medição, eles podem analisar múltiplos componentes de uma vez - como aminoácidos, açúcares e lipídios - eliminando a necessidade de testes químicos separados. Isso reduz tanto os custos de mão de obra quanto de materiais, enquanto fornece dados que podem melhorar modelos preditivos, ajudando a padronizar a qualidade e reduzir a variabilidade entre lotes.
Outra vantagem é a facilidade com que a espectroscopia pode se integrar a sistemas automatizados. Por exemplo, sondas NIR podem ser instaladas diretamente em biorreatores para fornecer dados contínuos, permitindo ajustes automáticos de parâmetros críticos como taxas de alimentação ou temperatura. Para aqueles que precisam de equipamentos especializados,
Quais são as principais diferenças entre a espectroscopia NIR e Raman para analisar meios de crescimento na produção de carne cultivada?
A espectroscopia de Infravermelho Próximo (NIR) é perfeita para monitoramento rápido e não invasivo da composição geral dos meios de crescimento.Sua capacidade de fornecer controle on-line ou em linha significa que pode entregar dados em tempo real, ajudando os produtores a fazer ajustes imediatos durante o processo de produção.
Por outro lado, a espectroscopia Raman oferece uma impressão digital molecular precisa, tornando-se uma escolha e
Por que o monitoramento em tempo real do meio de crescimento é importante para a produção de carne cultivada?
O monitoramento em tempo real desempenha um papel fundamental em manter o meio de crescimento ideal para a produção de carne cultivada. Ao monitorar de perto os nutrientes, metabólitos e a saúde das células, os produtores podem rapidamente ajustar as condições para manter o crescimento celular constante e melhorar a qualidade do produto final.
Este método prático elimina o tempo de espera associado aos testes offline tradicionais, levando a melhores rendimentos e menos desperdício. Também garante que os recursos sejam usados de forma mais eficaz, otimizando o processo de produção e aumentando a confiabilidade.
