Sistemas de amostragem automatizados estão transformando como os bioprocessos são monitorados, especialmente na produção de carne cultivada. Esses sistemas oferecem dados frequentes, precisos e em tempo real sobre fatores críticos como níveis de nutrientes, metabólitos e saúde celular - algo que a amostragem manual não pode igualar. Ao operar a cada 2–3 horas, em comparação com uma vez por dia manualmente, eles fornecem uma imagem mais clara das mudanças metabólicas, ajudando a prevenir erros de produção dispendiosos.
Pontos principais incluem:
- Eficiência: Ciclos de amostragem, análise e limpeza levam menos de 15 minutos.
- Esterilidade: Sistemas mantêm a esterilidade por mais de 370 horas, reduzindo os riscos de contaminação.
- Precisão: As medições de glicose desviam apenas 1,1%, com a análise de aminoácidos oferecendo insights quase em tempo real.
- Economia de Trabalho: Minimiza a intervenção manual, liberando a equipe para outras tarefas.
- Aplicações: Melhora a consistência e a escalabilidade na produção de carne cultivada.
Esses sistemas se integram perfeitamente com ferramentas avançadas como HPLC e espectroscopia Raman, permitindo monitoramento preciso de nutrientes e ajustes de processo em tempo real. Como resultado, eles apoiam um melhor controle de qualidade, redução de variabilidade e fluxos de trabalho de produção mais eficientes.
Sistemas de Amostragem Manual vs Automatizada: Comparação de Desempenho em Bioprocessamento
Pesquisa sobre Tecnologias de Amostragem Automatizada
Métodos e Abordagens de Pesquisa
Avanços recentes em tecnologias de amostragem automatizada refinaram significativamente sua aplicação na produção de carne cultivada. Esses estudos se concentram na integração de sistemas de amostragem automatizada com ferramentas analíticas, mantendo a esterilidade ao longo do processo.Normalmente, os pesquisadores combinam amostradores automatizados com métodos estabelecidos como HPLC e eletroforese capilar para monitorar metabólitos complexos que os sensores em linha muitas vezes têm dificuldade em medir com precisão.
Em maio de 2020, uma equipe da Universidade de Tecnologia de Viena investigou o sistema Numera da Securecell AG, utilizando o software Lucullus PIMS durante a cultura em batelada alimentada de CHO. Eles monitoraram 18 aminoácidos juntamente com os níveis de produto IgG, mantendo a esterilidade por impressionantes 370 horas de operação contínua [2]. Ajustes nas configurações do sistema, como o "Tempo de Expulsão", tornaram-se cruciais à medida que a densidade celular aumentava [2].
Da mesma forma, em agosto de 2017, Rosanne M.Guijt da Universidade da Tasmânia utilizou Eletroforese Capilar de Injeção Sequencial (SI-CE) para monitorar cinco culturas de suspensão paralelas de células Jurkat. Ao longo de quatro dias, o sistema realizou 96 ensaios por cultura, com cada separação eletroforética levando apenas 12 minutos. Notavelmente, foram necessários apenas 5,78 mL por frasco (menos de 60 µL por análise), tornando-o ideal para triagem de alto rendimento sem reduzir significativamente os volumes de cultura [6]. Esses métodos precisos e sistemáticos preparam o terreno para insights mais profundos nos dados de desempenho.
Resultados do Estudo e Dados de Desempenho
Os resultados desses estudos destacam a eficiência e precisão dos sistemas de amostragem automatizados. Por exemplo, a equipe de Viena alcançou um desvio padrão relativo de 1,1% para medições de glicose.Além disso, erros sistemáticos causados pela diluição da amostra foram corrigidos para reduzir desvios para tão baixos quanto 0,1% a 3% dos valores reais [2]. Este nível de precisão é muito superior ao que a amostragem manual normalmente oferece.
A frequência de amostragem é outra vantagem crítica. Enquanto a amostragem manual é frequentemente limitada a uma vez por dia, sistemas automatizados podem amostrar 8 a 24 vezes por dia, capturando mudanças metabólicas que de outra forma poderiam passar despercebidas. No estudo de Viena, a análise de aminoácidos foi concluída com um atraso de 45 minutos desde a coleta da amostra, fornecendo insights quase em tempo real sobre a depleção de nutrientes [2].
O estudo da Tasmânia destacou outro benefício importante: ao normalizar os dados de lactato em relação às medições de densidade celular em tempo real, os pesquisadores puderam diferenciar os efeitos farmacológicos de compostos como rotenona e clioquinol de mudanças simples na biomassa [6]. Esse nível de granularidade seria quase impossível de alcançar com a amostragem manual tradicional, onde os pontos de dados infrequentes muitas vezes obscurecem padrões metabólicos críticos.
Tecnologia de Sensores para Monitoramento de Meios
Tipos de Sensores e Ferramentas Analíticas
A tecnologia de sensores desempenha um papel fundamental no refinamento do monitoramento de meios em tempo real, especialmente na produção de carne cultivada. Vários sensores são empregados para monitorar de perto a composição do meio e a saúde celular.Por exemplo, sensores padrão em linha medem continuamente pH, temperatura e oxigênio dissolvido, garantindo que as condições permaneçam ideais para o crescimento celular [7]. Quando se trata de medir a densidade celular viável, sondas de capacitância são a única solução on-line disponível comercialmente. Essas sondas usam um campo elétrico para detectar células vivas, já que membranas celulares intactas atuam como pequenos capacitores, distinguindo células vivas de células mortas e detritos [7].
Sensores espectroscópicos oferecem uma maneira não invasiva de rastrear a atividade metabólica. Por exemplo, espectroscopia UV–vis analisa a absorção e dispersão de luz (200–740 nm) para estimar a densidade celular e identificar ácidos nucleicos de células danificadas [7].A espectroscopia de fluorescência monitora fluoróforos naturais como NADH, NADPH e triptofano, fornecendo informações valiosas em tempo real sobre o estado metabólico da cultura sem interferir no processo [7]. Enquanto isso, a espectroscopia Raman gera uma impressão digital molecular do meio, permitindo o rastreamento preciso dos níveis de glicose, lactato e aminoácidos com erro mínimo [7][2]. De fato, sensores Raman em linha demonstraram notável precisão, com um erro quadrático médio de 0,41 mM para tirosina e 0,24 mM para triptofano em meios complexos [2]. Essas ferramentas espectroscópicas complementam os sistemas de amostragem automatizados, oferecendo uma análise metabólica rápida e não disruptiva.
Sistemas automatizados aumentam ainda mais a precisão ao conectar biorreatores a analisadores avançados. Este sistema permite o monitoramento em tempo real de nutrientes complexos, como aminoácidos e vitaminas, que os sensores em linha atualmente têm dificuldade em medir com precisão [1][2]. Por exemplo, modelos de espectroscopia de absorção UV-vis alcançaram valores de R² tão altos quanto 0,993 para previsões de densidade celular, demonstrando sua confiabilidade [7].
Exemplos de Integração de Sensores
Colaborações entre desenvolvedores de tecnologia e pesquisadores levaram a avanços impressionantes na integração de sensores. Um exemplo é a parceria entre Sartorius Stedim Biotech e Tornado Spectral Systems. Eles incorporaram um protótipo de célula de fluxo Raman em um sistema de mini biorreator Ambr 250 High Throughput.Ao emparelhá-lo com um analisador BioProfile FLEX2 da Nova Biomedical para medições de referência automatizadas, eles criaram modelos robustos para rastrear glicose, lactato e glutamina em culturas de células CHO. Esta configuração reduziu o intervalo de tempo entre os dados espectrais e de referência para apenas cinco minutos, permitindo uma correlação de dados quase instantânea [8].
"A espectroscopia Raman é uma ferramenta PAT bem adequada para medir não destrutivamente os analitos de cultura celular in-situ... fornecendo informações estruturais sobre as ligações covalentes das moléculas interrogadas com alta especificidade molecular e robustez."
– Marek Hoehse, Sartorius Stedim Biotech [8]
Outro exemplo vem da Universidade de Tecnologia de Viena, onde os pesquisadores demonstraram como a integração de sensores pode melhorar a precisão. Usando um 3.6 L biorreator, eles o conectaram a um Thermo Fisher Ultimate 3000 HPLC e a um Roche Cedex Bio HT analisador via o sistema Numera. Esta configuração permitiu o monitoramento em tempo real de 18 aminoácidos e várias vitaminas, como niacinamida, ácido fólico, B12 e riboflavina, durante a cultivo em batelada alimentada de CHO [2]. O sistema automatizado produziu 528 espectros de 24 vasos em uma única execução, reduzindo custos e economizando tempo em comparação com a construção de modelos tradicionais em escala piloto [8].
Otimização de Processo e Controle de Qualidade
Ajustes de Processo em Tempo Real
Sistemas de amostragem automatizados preenchem a lacuna entre análises laboratoriais e produção ao vivo, permitindo o uso de Tecnologia Analítica de Processos (PAT) em tempo real [2].Esses sistemas fornecem dados a cada duas a três horas, criando uma visão abrangente do metabolismo celular e uso de nutrientes [2]. Esses dados de alta frequência capturam valores cinéticos e eventos críticos, como mudanças de lactato, que muitas vezes são negligenciados com amostragem manual [2][6].
Quando emparelhados com Process Information Management Systems (PIMS), esses resultados analíticos podem ajustar automaticamente as estratégias de alimentação conforme necessário [2]. Algoritmos dinâmicos identificam platôs de reação, permitindo modificações oportunas no processo [5]. Essa capacidade é especialmente valiosa na produção de carne cultivada, onde manter um equilíbrio nutricional ideal é crucial para alcançar alta densidade celular e rendimento.
"A maior frequência de amostragem em comparação com a amostragem manual aumenta o conteúdo de informações geradas, o que permite uma interpretação mais fácil do metabolismo... e uma detecção mais precisa de eventos do processo."
– Paul Kroll, Gerente de Desenvolvimento de Negócios, Securecell AG [1]
Um exemplo notável vem de 2020, quando a Universidade de Tecnologia de Viena conectou um biorreator de 3,6 litros a analisadores HPLC automatizados e Cedex Bio HT via o sistema Numera. Esta configuração monitorou 18 aminoácidos e múltiplas vitaminas ao longo de 370 horas, com desvios tão baixos quanto 0,1% a 3% [2]. A coleta frequente de dados possibilitou a observação de cinéticas de reação que os métodos manuais teriam completamente perdido.
Comparação de Benefícios e Desafios
Aqui está uma análise das principais vantagens e desafios associados aos sistemas de amostragem automatizados:
| Recurso | Vantagens | Desafios |
|---|---|---|
| Precisão &e Exatidão | Oferece alta precisão (1.1% RSD) e elimina erros humanos na preparação de amostras [2] | Requer calibração meticulosa e ajustes para fatores de diluição [2] |
| Frequência de Dados | Permite 8+ amostras diárias, possibilitando modelagem cinética detalhada [2] | Alto volume de dados requer software avançado (PIMS) para gerenciamento [2] |
| Mão de Obra &e Custo | Reduz a carga de trabalho de amostragem manual e derivatização [2] | Altos custos iniciais de equipamentos e instalação complexa [2][5] |
| Volume de Amostra | Consome mídia mínima (<60 µL por análise), preservando o volume do reator para execuções mais longas [6] | Pequenos volumes em tubulações podem ser propensos ao acúmulo de resíduos e efeitos de razão de superfície [2] |
| Controle de Processo | Facilita a alimentação em tempo real e ajustes de nutrientes [2][3] | Exige integração perfeita entre amostradores, analisadores e controladores de biorreatores [2] |
Sistemas automatizados não apenas mantêm a esterilidade por mais de 370 horas, mas também requerem menos de 60 microlitros de mídia por análise [2][6].No entanto, os operadores devem abordar possíveis erros sistemáticos no manuseio de líquidos, embora a calibração automatizada possa reduzir desvios para até 0,1% [2]. Além disso, o "Tempo de Expulsão" (POT) nos módulos de filtração pode precisar ser ajustado com base na densidade celular viável para garantir a entrega consistente de amostras à medida que o processo evolui [2].
Essas estratégias destacam como os sistemas automatizados mudam a produção de carne cultivada de um monitoramento reativo para um processo mais proativo e controlado, complementando os avanços anteriores na tecnologia de sensores e pesquisa.
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Cellbase Recursos para Sistemas de Amostragem Automatizados
Listagens de Fornecedores Verificados
A plataforma também destaca ferramentas especializadas de amostragem asséptica, como o bioPROBE da bbi-biotech.Esta ferramenta ostenta "esterilidade por design", empregando um mecanismo de transporte com almofada de gás patenteado para prevenir a formação de biofilme e entupimento [9]. Além disso,
Aquisição Simplificada de Equipamentos
Além de apresentar listagens verificadas,
Para equipes de P&&D, listagens verificadas oferecem soluções que automatizam tanto a amostragem quanto os ajustes baseados em eventos. Isso é especialmente útil para gerenciar pequenos volumes de amostra - tão pequenos quanto 0,5 ml - ajudando a minimizar a perda de meio [9][10]. O potencial de economia de tempo é significativo: a amostragem automatizada pode reduzir a demanda de mão de obra em aproximadamente 480 horas-homem (equivalente a 12 semanas-homem) anualmente ao processar 1.800 amostras, em comparação com métodos manuais [9].Ao simplificar a aquisição de equipamentos e aumentar a precisão,
Conclusão
Resumo e Perspectivas Futuras
Sistemas de amostragem automatizados estão transformando como os bioprocessos de carne cultivada são monitorados. Ao conectar diretamente biorreatores com ferramentas analíticas, eles fornecem dados de alta qualidade até 12 vezes mais frequentemente - a cada 2–3 horas em comparação com a abordagem tradicional de uma vez por dia [1][2]. Essa coleta frequente de dados permite um entendimento mais profundo do metabolismo celular, identificação mais rápida da depleção de nutrientes e o cálculo de parâmetros cinéticos críticos para otimizar estratégias de alimentação.
Esses sistemas também mantêm a esterilidade por períodos mais longos e oferecem medições altamente precisas, tornando-se um divisor de águas no bioprocessamento.Com essas vantagens firmemente estabelecidas, o cenário está preparado para avanços ainda maiores.
O futuro da produção de carne cultivada está se dirigindo para biomanufatura inteligente. Isso envolve a integração de amostragem automatizada com modelos preditivos e controles de processo em circuito fechado. Tais avanços mudarão o foco da análise de dados após o fato para a otimização de processos em tempo real. Isso significa que as estratégias de alimentação podem ser ajustadas em tempo real, reduzindo o tempo de produção, garantindo qualidade consistente do produto e acelerando o tempo de lançamento no mercado por meio do monitoramento contínuo de atributos críticos de qualidade [2][3]. Para os produtores, esses sistemas estão rapidamente se tornando um alicerce para operações competitivas e escaláveis.
Plataformas como
(English) Numera PAT: amostragem automatizada em bioprocessamento
Perguntas Frequentes
Como os sistemas de amostragem automatizada melhoram a consistência na produção de carne cultivada?
Os sistemas de amostragem automatizada desempenham um papel fundamental na garantia de consistência na produção de carne cultivada ao eliminar a imprevisibilidade associada à amostragem manual. Esses sistemas são projetados para coletar volumes precisos de amostras em intervalos programados, o que reduz o erro humano e garante uniformidade. Essa amostragem constante e precisa fornece insights em tempo real sobre nutrientes, metabólitos e saúde celular, permitindo um melhor controle sobre o processo de produção e melhorando a qualidade do produto.
Ao automatizar tarefas como amostragem, preparação e transferência, as chances de contaminação são significativamente reduzidas. Além disso, a coleta de dados pode continuar mesmo fora do horário de trabalho padrão, oferecendo uma visão mais abrangente do processo de produção. Esse monitoramento contínuo permite ajustes rápidos em parâmetros como alimentação, temperatura ou outros fatores críticos, resultando em qualidade consistente dos lotes e resultados de produção mais confiáveis. Para aqueles que trabalham no setor de carne cultivada,
Como os sensores contribuem para o monitoramento em tempo real na produção de carne cultivada?
Os sensores são essenciais para o monitoramento em tempo real, pois rastreiam continuamente parâmetros chave do processo (CPPs) como oxigênio dissolvido, pH, temperatura, densidade celular e viabilidade celular. Ao fornecer feedback instantâneo, esses sensores ajudam os operadores a identificar desvios rapidamente, fazer ajustes oportunos e evitar problemas que possam comprometer a qualidade do produto.
Tecnologias modernas, como sondas de infravermelho próximo (NIR) e Raman, levam isso um passo adiante ao monitorar nutrientes como glicose e subprodutos como lactato em tempo real, reduzindo a necessidade de amostragem manual. Ferramentas ópticas avançadas, como microscopia in-situ, oferecem até mesmo dados detalhados de células individuais sobre morfologia e viabilidade. Essas inovações são centrais para a Tecnologia Analítica de Processos (PAT), permitindo automação e garantindo controle consistente na produção de carne cultivada.
Plataformas como
Como os sistemas de amostragem automatizados ajudam a reduzir o trabalho na bioprocessamento?
Os sistemas de amostragem automatizados eliminam o trabalho pesado do bioprocessamento ao lidar com tarefas rotineiras, como coletar, preparar e entregar amostras para instrumentos analíticos. Operando em horários predefinidos, esses sistemas eliminam a necessidade de técnicos interagirem manualmente com biorreatores e amostras. O resultado? Menos trabalho repetitivo, menos chances de erro humano e mais tempo para que a equipe qualificada se dedique a tarefas como análise de dados e refinamento de processos.
Além disso, esses sistemas permitem uma amostragem muito mais frequente - às vezes quase contínua - em comparação com métodos manuais. Isso significa que uma riqueza de dados é gerada, permitindo o monitoramento em tempo real e um controle mais rigoroso sobre parâmetros chave. Com ferramentas de gerenciamento de dados integradas, os fluxos de trabalho se tornam ainda mais suaves, organizando automaticamente os metadados das amostras, reduzindo a papelada e a entrada manual de dados.
Para aqueles na indústria de carne cultivada,
