Automatiserade provtagningssystem förändrar hur bioprocesser övervakas, särskilt inom odlat köttproduktion. Dessa system erbjuder frekventa, precisa och realtidsdata om kritiska faktorer som näringsnivåer, metaboliter och cellhälsa - något som manuell provtagning inte kan matcha. Genom att köra var 2–3 timme, jämfört med en gång om dagen manuellt, ger de en tydligare bild av metaboliska förändringar, vilket hjälper till att förhindra kostsamma produktionsfel.
Viktiga punkter inkluderar:
- Effektivitet: Provtagning, analys och rengöringscykler tar under 15 minuter.
- Sterilitet: Systemen bibehåller sterilitet i över 370 timmar, vilket minskar risken för kontaminering.
- Noggrannhet: Glukosmätningar avviker med endast 1,1 %, med aminosyraanalys som erbjuder insikter nära realtid.
- Arbetsbesparing: Minskar manuell intervention, vilket frigör personal för andra uppgifter.
- Tillämpningar: Förbättrar konsistens och skalbarhet i produktionen av odlat kött.
Dessa system integreras sömlöst med avancerade verktyg som HPLC och Ramanspektroskopi, vilket möjliggör exakt näringsövervakning och justeringar av processen i realtid. Som ett resultat stödjer de bättre kvalitetskontroll, minskad variabilitet och mer effektiva produktionsarbetsflöden.
Manuella vs Automatiserade Provtagssystem: Prestandajämförelse i Bioprocessing
Forskning om Automatiserade Provtagningsteknologier
Forskningsmetoder och Tillvägagångssätt
De senaste framstegen inom automatiserade provtagningsteknologier har avsevärt förfinat deras tillämpning i produktionen av odlat kött. Dessa studier fokuserar på att integrera automatiserade provtagssystem med analytiska verktyg samtidigt som sterilitet bibehålls genom hela processen.Typically, researchers pair automated samplers with established methods like HPLC and capillary electrophoresis to monitor complex metabolites that in-line sensors often struggle to measure accurately.
In May 2020, a team at Vienna University of Technology investigated the Numera system by Securecell AG, utilising Lucullus PIMS software during CHO fed-batch cultivation. They monitored 18 amino acids alongside IgG product levels, maintaining sterility for an impressive 370 hours of continuous operation [2]. Adjustments to system settings, such as the "Push Out Time", became crucial as cell density increased [2].
Similarly, in August 2017, Rosanne M.Guijt från University of Tasmania använde Sequential Injection Capillary Electrophoresis (SI-CE) för att övervaka fem parallella suspensionkulturer av Jurkat-celler. Under fyra dagar utförde systemet 96 analyser per kultur, med varje elektroforetisk separation som tog bara 12 minuter. Anmärkningsvärt nog krävdes endast 5,78 mL per kolv (mindre än 60 µL per analys), vilket gör det idealiskt för högkapacitetsscreening utan att avsevärt minska kulturvolymerna [6]. Dessa precisa och systematiska metoder banar väg för djupare insikter i prestandadata.
Studieresultat och prestandadata
Resultaten från dessa studier understryker effektiviteten och precisionen hos automatiserade provtagningssystem. Till exempel uppnådde teamet i Wien en 1,1% relativ standardavvikelse för glukosmätningar.Dessutom korrigerades systematiska fel orsakade av provutspädning för att minska avvikelser till så låga som 0,1% till 3% från sanna värden [2]. Denna noggrannhetsnivå är långt överlägsen vad manuell provtagning vanligtvis erbjuder.
Provtagningens frekvens är en annan kritisk fördel. Medan manuell provtagning ofta är begränsad till en gång om dagen, kan automatiserade system ta prover 8 till 24 gånger dagligen, vilket fångar upp metaboliska förändringar som annars kan gå obemärkta förbi. I Wien-studien slutfördes aminosyranalysen med en 45-minuters fördröjning från provtagning, vilket ger insikter i nästan realtid om näringsutarmning [2].
Tasmanien-studien framhävde en annan viktig fördel: genom att normalisera laktatdata mot realtidsmätningar av celldensitet kunde forskare skilja de farmakologiska effekterna av föreningar som rotenon och klioquinol från enkla förändringar i biomassa [6]. Denna nivå av detaljrikedom skulle vara nästan omöjlig att uppnå med traditionell manuell provtagning, där de sällsynta datapunkterna ofta döljer kritiska metaboliska mönster.
Sensorteknik för medieövervakning
Typer av sensorer och analytiska verktyg
Sensorteknik spelar en nyckelroll i att förfina realtidsövervakning av media, särskilt inom produktion av odlat kött. Olika sensorer används för att noggrant övervaka mediesammansättning och cellhälsa.Till exempel mäter standard in-line-sensorer kontinuerligt pH, temperatur och lösta syre, vilket säkerställer att förhållandena förblir idealiska för celltillväxt [7]. När det gäller att mäta livskraftig celldensitet är kapacitansprober den enda kommersiellt tillgängliga on-line-lösningen. Dessa prober använder ett elektriskt fält för att upptäcka levande celler, eftersom intakta cellmembran fungerar som små kondensatorer, vilket skiljer levande celler från döda och skräp [7].
Spektroskopiska sensorer erbjuder ett icke-invasivt sätt att spåra metabolisk aktivitet. Till exempel analyserar UV–vis-spektroskopi ljusabsorption och spridning (200–740 nm) för att uppskatta celldensitet och identifiera nukleinsyror från skadade celler [7].Fluorescensspektroskopi övervakar naturligt förekommande fluoroforer som NADH, NADPH och tryptofan, vilket ger värdefulla insikter i realtid om kulturens metaboliska tillstånd utan att störa processen [7]. Samtidigt genererar Ramanspektroskopi ett molekylärt fingeravtryck av mediet, vilket möjliggör exakt spårning av glukos-, laktat- och aminosyranivåer med minimal felmarginal [7][2]. Faktum är att in-line Raman-sensorer har visat anmärkningsvärd noggrannhet, med ett kvadratiskt medelfel på 0,41 mM för tyrosin och 0,24 mM för tryptofan i komplexa medier [2]. Dessa spektroskopiska verktyg kompletterar automatiserade provtagningssystem genom att erbjuda snabb, icke-störande metabolisk analys.
Automatiserade system förbättrar ytterligare precisionen genom att koppla bioreaktorer till avancerade analysatorer.Denna setup möjliggör realtidsövervakning av komplexa näringsämnen som aminosyror och vitaminer, vilka in-line-sensorer för närvarande har svårt att mäta exakt [1][2]. Till exempel har UV–vis absorptionsspektroskopimodeller uppnått R²-värden så höga som 0,993 för celltäthetsprognoser, vilket visar deras tillförlitlighet [7].
Exempel på sensorintegration
Samarbeten mellan teknikutvecklare och forskare har lett till imponerande framsteg inom sensorintegration. Ett sådant exempel är partnerskapet mellan Sartorius Stedim Biotech och Tornado Spectral Systems. De integrerade en Raman-flödescellsprototyp i ett Ambr 250 High Throughput mini bioreaktorsystem.Genom att para ihop det med en BioProfile FLEX2 analysator från Nova Biomedical för automatiserade referensmätningar, skapade de robusta modeller för att spåra glukos, laktat och glutamin i CHO-cellkulturer. Denna setup minskade tidsgapet mellan spektral- och referensdata till bara fem minuter, vilket möjliggjorde nästan omedelbar datakorrelations [8].
"Raman-spektroskopi är ett väl lämpat PAT-verktyg för att icke-destruktivt mäta cellkulturanalyt i-situ... vilket ger strukturell information om de kovalenta bindningarna hos de undersökta molekylerna med hög molekylär specificitet och robusthet."
– Marek Hoehse, Sartorius Stedim Biotech [8]
Ett annat exempel kommer från Wiens tekniska universitet, där forskare demonstrerade hur sensorintegration kan förbättra precisionen. Med hjälp av en 3.6 L bioreaktor, de anslöt den till en Thermo Fisher Ultimate 3000 HPLC och en Roche Cedex Bio HT analysator via Numera-systemet. Denna uppsättning möjliggjorde realtidsövervakning av 18 aminosyror och flera vitaminer, såsom niacinamid, folsyra, B12 och riboflavin, under CHO fed-batch-odling [2]. Det automatiserade systemet producerade 528 spektra från 24 kärl i en enda körning, vilket minskade kostnader och sparade tid jämfört med traditionell modellbyggnad i pilotskala [8].
Processoptimering och kvalitetskontroll
Realtidsjusteringar av processer
Automatiserade provtagningssystem överbryggar klyftan mellan laboratorieanalys och liveproduktion, vilket möjliggör användning av Process Analytical Technology (PAT) i realtid [2].Dessa system tillhandahåller data varannan till var tredje timme, vilket skapar en omfattande bild av cellmetabolism och näringsanvändning [2]. Denna högfrekventa data fångar kinetiska värden och kritiska händelser, såsom laktatskift, som ofta förbises vid manuell provtagning [2][6].
När de kombineras med Process Information Management Systems (PIMS), kan dessa analytiska resultat automatiskt justera matningsstrategier vid behov [2]. Dynamiska algoritmer identifierar reaktionsplatåer, vilket möjliggör snabba justeringar av processen [5]. Denna kapacitet är särskilt värdefull vid produktion av odlat kött, där det är avgörande att upprätthålla en optimal näringsbalans för att uppnå hög celldensitet och avkastning.
"Den högre samplingsfrekvensen jämfört med manuell provtagning ökar det genererade informationsinnehållet, vilket möjliggör enklare tolkning av metabolismen... och mer exakt detektion av processevent."
– Paul Kroll, Business Development Manager, Securecell AG [1]
Ett anmärkningsvärt exempel kommer från 2020, när Wiens tekniska universitet kopplade en 3,6-liters bioreaktor till automatiserade HPLC- och Cedex Bio HT-analysatorer via Numera-systemet. Denna uppsättning övervakade 18 aminosyror och flera vitaminer under 370 timmar, med avvikelser så låga som 0,1% till 3% [2]. Den frekventa datainsamlingen gjorde det möjligt att observera reaktionskinetik som manuella metoder helt skulle ha missat.
Fördelar och Utmaningar Jämförelse
Här är en översikt över de främsta fördelarna och utmaningarna med automatiserade provtagningssystem:
| Egenskap | Fördelar | Utmaningar |
|---|---|---|
| Precision &och Noggrannhet | Ger hög precision (1.1% RSD) och eliminerar mänskliga fel vid provberedning [2] | Kräver noggrann kalibrering och justeringar för utspädningsfaktorer [2] |
| Datafrekvens | Möjliggör 8+ prover dagligen, vilket möjliggör detaljerad kinetisk modellering [2] | Hög datavolym kräver avancerad programvara (PIMS) för hantering [2] |
| Arbete &och kostnad | Minskar arbetsbelastningen för manuell provtagning och derivatisering [2] | Höga initiala utrustningskostnader och komplex installation [2][5] |
| Provvolym | Förbrukar minimalt med media (<60 µL per analys), vilket bevarar reaktorvolymen för längre körningar [6] | Små volymer i slangar kan vara benägna för restuppbyggnad och ytförhållandeeffekter [2] |
| Processkontroll | Underlättar realtidsmatning och näringsjusteringar [2][3] | Kräver sömlös integration mellan provtagare, analysatorer och bioreaktorkontroller [2] |
Automatiserade system upprätthåller inte bara sterilitet i över 370 timmar utan kräver också mindre än 60 mikroliter media per analys [2][6].Men operatörer måste hantera potentiella systematiska fel i vätskehantering, även om automatisk kalibrering kan minska avvikelser till så lågt som 0,1% [2]. Dessutom kan "Push Out Time" (POT) i filtreringsmoduler behöva justeras baserat på livskraftig celldensitet för att säkerställa konsekvent provleverans när processen utvecklas [2].
Dessa strategier belyser hur automatiserade system förflyttar produktionen av odlat kött från reaktiv övervakning till en mer proaktiv, kontrollerad process, vilket kompletterar tidigare framsteg inom sensorteknik och forskning.
sbb-itb-ffee270
Cellbase Resurser för automatiserade provtagningssystem
Verifierade leverantörslistor
Plattformen lyfter också fram specialiserade aseptiska provtagningsverktyg, såsom bbi-biotechs bioPROBE.Detta verktyg har "sterilitet genom design", och använder en patenterad gas-kudde transportmekanism för att förhindra biofilmformation och igensättning [9]. Dessutom,
Förenklad Utrustningsupphandling
Utöver att visa verifierade listor, gör
För FoU-team erbjuder verifierade listor lösningar som automatiserar både provtagning och händelsebaserade justeringar. Detta är särskilt användbart för att hantera små provvolymer - så lite som 0,5 ml - vilket hjälper till att minimera medieförlust [9][10]. Tidsbesparingspotentialen är betydande: automatiserad provtagning kan minska arbetskraftsbehovet med cirka 480 mantimmar (motsvarande 12 manveckor) årligen vid bearbetning av 1 800 prover, jämfört med manuella metoder [9].Genom att effektivisera utrustningsanskaffning och förbättra precisionen, stöder
Slutsats
Sammanfattning och framtidsutsikter
Automatiserade provtagningssystem förändrar hur odlade köttbioprocesser övervakas. Genom att direkt koppla bioreaktorer med analytiska verktyg, tillhandahåller de högkvalitativa data upp till 12 gånger oftare - var 2–3 timme jämfört med det traditionella en gång om dagen-tilvägagångssättet [1][2]. Denna frekventa datainsamling möjliggör en djupare förståelse av cellmetabolism, snabbare identifiering av näringsbrist och beräkning av kinetiska parametrar som är kritiska för att optimera matningsstrategier.
Dessa system upprätthåller också sterilitet under längre perioder och levererar mycket precisa mätningar, vilket gör dem till en spelväxlare inom bioprocessering.Med dessa fördelar fast etablerade, är scenen satt för ännu större framsteg.
Framtiden för produktion av odlat kött går mot smart biotillverkning. Detta innebär att integrera automatiserad provtagning med prediktiva modeller och sluten processkontroll. Sådana framsteg kommer att flytta fokus från att analysera data i efterhand till realtidsoptimering av processer. Detta innebär att utfodringsstrategier kan justeras i realtid, vilket minskar produktionstiden, säkerställer konsekvent produktkvalitet och påskyndar tiden till marknaden genom kontinuerlig övervakning av kritiska kvalitetsattribut [2][3]. För producenter blir dessa system snabbt en hörnsten för konkurrenskraftiga och skalbara verksamheter.
Plattformar som
(English) Numera PAT: automatiserad provtagning i bioprocesser
Vanliga frågor
Hur förbättrar automatiserade provtagningssystem konsistensen i produktionen av odlat kött?
Automatiserade provtagningssystem spelar en nyckelroll i att säkerställa konsistens i produktionen av odlat kött genom att eliminera den oförutsägbarhet som är kopplad till manuell provtagning. Dessa system är utformade för att samla in exakta provvolymer vid schemalagda intervaller, vilket minskar mänskliga fel och säkerställer enhetlighet. Denna stadiga och exakta provtagning ger insikter i realtid om näringsämnen, metaboliter och cellhälsa, vilket möjliggör bättre kontroll över produktionsprocessen och förbättrar produktkvaliteten.
Genom att automatisera uppgifter som provtagning, förberedelse och överföring minskas risken för kontaminering avsevärt. Dessutom kan datainsamling fortsätta även utanför standardarbetstider, vilket ger en mer omfattande bild av produktionsprocessen. Denna kontinuerliga övervakning möjliggör snabba justeringar av parametrar som foder, temperatur eller andra kritiska faktorer, vilket resulterar i konsekvent batchkvalitet och mer pålitliga produktionsresultat. För de som arbetar inom sektorn för odlat kött,
Hur bidrar sensorer till realtidsövervakning i produktionen av odlat kött?
Sensorer är avgörande för realtidsövervakning, eftersom de kontinuerligt spårar viktiga processparametrar (CPPs) som löst syre, pH, temperatur, celldensitet och cellviabilitet.Genom att ge omedelbar feedback hjälper dessa sensorer operatörer att snabbt upptäcka avvikelser, göra snabba justeringar och undvika problem som kan äventyra produktkvaliteten.
Moderna teknologier, såsom nära-infraröd (NIR) och Raman-prober, tar detta ett steg längre genom att övervaka näringsämnen som glukos och biprodukter som laktat i realtid, vilket minskar behovet av manuell provtagning. Avancerade optiska verktyg, som in-situ mikroskopi, erbjuder till och med detaljerad encellsdata om morfologi och livskraft. Dessa innovationer är centrala för Process Analytical Technology (PAT), vilket möjliggör automatisering och säkerställer konsekvent kontroll i produktionen av odlat kött.
Plattformar som
Hur hjälper automatiserade provtagningssystem till att minska arbetskraften inom bioprocessering?
Automatiserade provtagningssystem tar bort det tunga arbetet från bioprocessering genom att hantera rutinuppgifter som att ta, förbereda och leverera prover till analytiska instrument. Genom att arbeta enligt förinställda scheman eliminerar dessa system behovet av att tekniker manuellt interagerar med bioreaktorer och prover. Resultatet? Mindre repetitivt arbete, färre chanser för mänskliga fel och mer tid för kvalificerad personal att fördjupa sig i uppgifter som dataanalys och förfining av processer.
Vad mer är, dessa system möjliggör mycket mer frekvent provtagning - ibland nästan kontinuerlig - jämfört med manuella metoder. Detta innebär att en mängd data genereras, vilket möjliggör realtidsövervakning och stramare kontroll över nyckelparametrar. Med inbyggda datamanagementverktyg blir arbetsflöden ännu smidigare genom att automatiskt organisera provmetadata, vilket minskar pappersarbete och manuell datainmatning.
För dem inom den odlade köttindustrin,
