หากฉันต้องย่อบทความนี้ให้เหลือเพียงจุดเดียว มันจะเป็นดังนี้: ในระดับไบโอรีแอคเตอร์ การตรวจสอบจุดเดียวไม่เพียงพออีกต่อไป เมื่อคุณก้าวข้ามจากภาชนะขนาดเล็ก การผสมจะช้าลง เกิดการไล่ระดับ ความล่าช้าของโพรบมีความสำคัญมากขึ้น และการลอยอาจทำให้การดำเนินการทั้งหมดเสี่ยง ในบางการตั้งค่า PAT ที่บูรณาการได้ลดอัตราการเบี่ยงเบนลงต่ำกว่า 2% และลดเวลาการจัดการแบทช์ลงได้ถึง 30%.
หากคุณทำงานในด้านการวิจัยและพัฒนาของเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง& วิศวกรรมกระบวนการชีวภาพ หรือการขยายขนาด ผมจะแนะนำให้คุณมุ่งเน้นที่สี่สิ่งนี้ก่อน:
- เซ็นเซอร์ควบคุมหลัก: อุณหภูมิ, pH, DO, CO2 ละลาย, ความดัน, โฟม, ระดับ, และการไหล
- เครื่องมือสถานะกระบวนการ: Raman และ NIR spectroscopy สำหรับสารอาหารและเมแทบอไลต์
- เครื่องมือชีวมวล: OD/ความขุ่น, ความจุไฟฟ้า, ก๊าซที่ปล่อยออกมา และเครื่องวิเคราะห์เมแทบอไลต์ออนไลน์
- การตรวจสอบการขยายขนาด: การวางตำแหน่งโพรบ, การตอบสนองล่าช้า, การเกิดคราบ, การเบี่ยงเบน, ขีดจำกัดของพอร์ต, และความเหมาะสมของระบบควบคุม
ข้อความหลักของบทความคือ: การเลือกเซ็นเซอร์เป็นการตัดสินใจในการควบคุม ไม่ใช่แค่การตัดสินใจเกี่ยวกับอุปกรณ์. การตั้งค่าที่ทำงานได้ที่ ~3 L อาจล้มเหลวที่ 15 L, 1,000 L, หรือมากกว่านั้นเพราะภาชนะไม่ทำงานเป็นโซนผสมเดียวอีกต่อไป
เซ็นเซอร์ในเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพ
การขยายขนาดที่มีประสิทธิภาพต้องการการรวม เซ็นเซอร์ขั้นสูงและระบบการตรวจสอบ เพื่อรักษาการควบคุมสภาพแวดล้อมที่แม่นยำ
sbb-itb-ffee270
การเปรียบเทียบอย่างรวดเร็ว
| ชั้นการตรวจสอบ | งานหลัก | เครื่องมือทั่วไป | สิ่งที่เปลี่ยนแปลงเมื่อขยายขนาด |
|---|---|---|---|
| การควบคุมหลัก | รักษาสภาพวัฒนธรรมให้อยู่ในช่วง | อุณหภูมิ, pH, DO, dCO2, ความดัน, โฟม, ระดับ, การไหล | ความชัน, ความล่าช้า, และตำแหน่งของโพรบมีความสำคัญมากขึ้น |
| องค์ประกอบ | ติดตามสารอาหารและผลพลอยได้ | NIR, Raman | การถ่ายโอนโมเดลและตำแหน่งของโพรบกลายเป็นปัจจัยจำกัด |
| ชีวมวล/ความมีชีวิต | ติดตามการเจริญเติบโตและเซลล์ที่มีชีวิต | OD, ความขุ่น, และความจุไฟฟ้า | การอุดตัน, ไมโครแคเรียร์, และความล่าช้าในการสุ่มตัวอย่างมีความสำคัญมากขึ้น |
| การหายใจ/เมแทบอลิซึม | ติดตามความต้องการและของเสียแบบเรียลไทม์ | เครื่องวิเคราะห์เมตาบอไลต์ออนไลน์, เซ็นเซอร์อ่อน | การควบคุมการป้อนและก๊าซต้องการการเชื่อมโยงที่แน่นแฟ้นยิ่งขึ้นกับข้อมูลสด |
ฉันจะอ่านส่วนที่เหลือของบทความเป็นแนวทางในการสร้างสแต็กการตรวจสอบที่ตรงกับ ชีววิทยาของเซลล์, ขนาดของภาชนะ, และตรรกะการควบคุม - จากนั้นตรวจสอบว่าเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพ, พอร์ต, และซอฟต์แวร์สามารถรองรับได้จริงหรือไม่
การเปลี่ยนแปลงเมื่อการตรวจสอบต้องขยายขนาดไปพร้อมกับเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพ
ชุดการตรวจสอบเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพ: ห้องปฏิบัติการ vs. ขนาดนำร่อง/การผลิต
ที่ประมาณ 3 L, การผสมมักจะเร็วพอที่โพรบเดียวสามารถแทนที่ภาชนะทั้งหมดได้ เมื่อคุณย้ายไปที่ 15 L หรือมากกว่า, สิ่งนั้นเริ่มไม่เป็นไปตามที่คาดหวัง การผสมใช้เวลานานขึ้น และคุณอาจพบความแตกต่างอย่างชัดเจนใน ออกซิเจนละลาย, ค่า pH และความเข้มข้นของสารอาหารทั่วทั้งถัง ดังนั้นโพรบในจุดหนึ่งอาจไม่ตรงกับสิ่งที่เซลล์เห็นในที่อื่นในเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพ [2].
ความล่าช้าของเซ็นเซอร์ก็กลายเป็นปัญหาที่ใหญ่ขึ้นเมื่อขยายขนาด หากระบบควบคุมเพิ่มบัฟเฟอร์ pH หรือเพิ่มการกระจายตัว เซ็นเซอร์จะไม่รายงานการเปลี่ยนแปลงนั้นทันที ในภาชนะขนาดเล็ก ความล่าช้านั้นมักจะเล็กพอที่จะมองข้ามได้ในภาชนะที่ใหญ่ขึ้น อาจมีความยาวพอที่ตัวควบคุมจะดันไปไกลเกินไป ทำให้เกิดการสั่นก่อนที่ระบบจะคงที่ เซลล์จะรู้สึกถึงความไม่เสถียรนั้นก่อน [2]. เมื่อปริมาตรเพิ่มขึ้น การถ่ายโอนออกซิเจน แรงเฉือน และการตอบสนองเวลา สามารถเปลี่ยนแปลงวิธีที่ กระบวนการทำงานในระดับใหญ่.
หนึ่งในคอขวดแรกที่มักปรากฏคือ การถ่ายโอนออกซิเจน. ที่ปริมาตรการทำงานที่ใหญ่ขึ้น การรักษาการถ่ายโอนออกซิเจนจะยากขึ้น ซึ่งเพิ่มความเสี่ยงของการจำกัดออกซิเจนและความมีชีวิตของเซลล์ที่ลดลง [3]. ในขณะเดียวกัน การตรวจสอบแบบสดของเมแทบอไลต์ เช่น กลูโคส แลคเตท และแอมโมเนีย มีความสำคัญมากขึ้น เพราะความชันของสารอาหารและการสะสมของผลพลอยได้สามารถปรากฏได้เร็วขึ้นในภาชนะที่ใหญ่ขึ้น [2] . ในกระบวนการผลิตเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง นั่นสามารถส่งผลต่อการเจริญเติบโต ความมีชีวิต และคุณภาพของผลิตภัณฑ์สุดท้าย
การลอยตัวเพิ่มความเสี่ยงอีกชั้นหนึ่งการวิ่งระยะยาว - มักใช้เวลาหลายสัปดาห์ในระดับนำร่องและการผลิต - ทำให้เซ็นเซอร์ในสถานที่มีเวลามากขึ้นในการเคลื่อนออกจากฐานที่ปรับเทียบแล้ว ในระดับห้องปฏิบัติการ โพรบที่ลอยอาจส่งผลต่อชุดเล็ก ๆ หนึ่งชุด ในระดับการผลิต ปัญหาเดียวกันนี้อาจทำให้การวิ่งทั้งหมดเสี่ยง [2].
| พารามิเตอร์ | ขนาดห้องปฏิบัติการ (≈3 L) | ขนาดนำร่อง/การผลิต (≥15 L) |
|---|---|---|
| ความสม่ำเสมอในการผสม | รวดเร็ว; ความเป็นเนื้อเดียวกันเกือบจะทันที | ช้ากว่า; มีการเกิดเกรเดียนต์ทั่วภาชนะ |
| ความล่าช้าของเซ็นเซอร์ | น้อยที่สุด | มีนัยสำคัญ; เสี่ยงต่อการสั่นของการควบคุม |
| ตำแหน่งของโพรบ | ไม่สำคัญมาก | สำคัญมาก; โซนตายมีความสำคัญมากขึ้น |
| ผลกระทบจากการลอย | ผลกระทบต่ำ; ชุดเล็กกว่า | ผลกระทบสูง; ชุดขนาดใหญ่ทั้งหมดมีความเสี่ยง |
| ความซับซ้อนในการตรวจสอบ | ง่าย; มักพึ่งพาเซ็นเซอร์จุดเดียว | ซับซ้อน; อาจต้องใช้เครื่องมือหลายพารามิเตอร์ในสถานที่ |
เอฟเฟกต์ขนาดเหล่านี้กำหนดว่าส่วนเซ็นเซอร์ใดที่มีความสำคัญที่สุดและควรอยู่ที่ไหนการวางแผนการตรวจสอบจำเป็นต้องได้รับการตรวจสอบใหม่เมื่อปริมาณเพิ่มขึ้น; การจัดวางโพรบที่ทำงานที่ 3 L มักจะต้องการจุดวัดเพิ่มเติมหรือประเภทเซ็นเซอร์ที่แตกต่างกันในขนาดที่ใหญ่ขึ้น [2] [3].
1. Cellbase
การขยายขนาดยังต้องการเส้นทางที่ชัดเจนไปยังฮาร์ดแวร์การตรวจสอบที่สามารถทำงานร่วมกับกระบวนการและการตั้งค่าการควบคุมที่เหลือ
ทีมสามารถเรียกดูหมวดหมู่ที่เชื่อมโยงโดยตรงกับการตรวจสอบกระบวนการ รวมถึงเซ็นเซอร์ทางเคมีไฟฟ้าและแสง เครื่องมือ PAT เช่น ระบบสเปกโตรสโกปีใกล้อินฟราเรดและรามาน และโพรบความจุสำหรับการวัดความหนาแน่นของเซลล์ที่มีชีวิต
เมื่อการจัดหาครบถ้วนแล้ว ขั้นตอนต่อไปคือ การเลือกเซ็นเซอร์ ที่ช่วยให้แต่ละตัวแปรสำคัญอยู่ในช่วงที่กำหนด.
2. โพรบวัดอุณหภูมิ
อุณหภูมิเป็นพารามิเตอร์กระบวนการที่สำคัญในไบโอรีแอคเตอร์ ในการผลิตเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง แม้แต่การเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยก็สามารถเปลี่ยนแปลงการเจริญเติบโต, การเผาผลาญ, และคุณภาพของผลิตภัณฑ์ได้ เมื่อปริมาตรการทำงานเพิ่มขึ้น การอ่านค่าอุณหภูมิหนึ่งครั้งสามารถปกปิดความแตกต่างในท้องถิ่นได้ ในระดับที่ใหญ่ขึ้น ปัญหาไม่ใช่แค่การวัดอุณหภูมิ แต่คือการทำให้อุณหภูมิสม่ำเสมอทั่วทั้งภาชนะ.
การครอบคลุมพารามิเตอร์
โพรบวัดอุณหภูมิใช้วัดอุณหภูมิของภาชนะ สำหรับการวัดภาชนะ ใช้ Pt100 หรือ Pt1000 RTDs. พวกเขาให้ความแม่นยำที่จำเป็นสำหรับการควบคุมกระบวนการชีวภาพ เก็บ เทอร์โมคัปเปิล สำหรับอุปกรณ์เสริม ที่ช่วงการทำงานกว้างมีความสำคัญมากกว่าความแม่นยำที่เข้มงวด
ความพร้อมใช้งานของข้อมูลแบบอินไลน์หรืออัตโนมัติ
โพรบวัดอุณหภูมิส่งสัญญาณต่อเนื่องไปยัง ซอฟต์แวร์ควบคุมกระบวนการชีวภาพ. ที่รองรับการเตือน การวิเคราะห์แนวโน้ม และการเปลี่ยนแปลงแจ็คเก็ตหรือการทำความเย็นอัตโนมัติ ร่องรอยอุณหภูมิยังถูกเก็บไว้ในบันทึกชุดอิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งช่วยในการทำงานเบี่ยงเบน การสร้างแบบจำลอง และการระบุลักษณะกระบวนการระหว่างการขยายขนาด
มูลค่าการควบคุมการขยายขนาด
ในระดับที่ใหญ่ขึ้น ภาระความร้อนที่สูงขึ้นและอัตราส่วนพื้นที่ผิวต่อปริมาตรที่ต่ำลงทำให้เกิดความเป็นไปได้ของการเกิดเกรเดียนต์อุณหภูมิ การวัดหลายจุดระหว่างการวิ่งทางวิศวกรรมเป็นเครื่องมือการตรวจสอบการขยายขนาด ไม่ใช่แค่การตัดสินใจด้านเครื่องมือเท่านั้น มันสามารถเปิดเผยโซนร้อนหรือเย็นที่โพรบเดียวจะพลาดได้เมื่ออุณหภูมิอยู่ภายใต้การควบคุม pH และ ออกซิเจนละลาย มักจะกลายเป็นข้อจำกัดถัดไปที่ต้องรักษาไว้.
ความเข้ากันได้กับกระบวนการชีวภาพของเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง
วัสดุต้องทนต่อการฆ่าเชื้อและรักษาสารที่สามารถชะล้างได้ให้น้อยที่สุด ใน เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพแบบใช้ครั้งเดียวเทียบกับแบบใช้ซ้ำ, กลยุทธ์เซ็นเซอร์จะแตกต่างกัน ในระบบใช้ครั้งเดียว ใช้เซ็นเซอร์แบบใช้แล้วทิ้งที่ปรับเทียบล่วงหน้าหรือเซ็นเซอร์ที่ติดตั้งในถุง ในระบบใช้ซ้ำ ตรวจสอบการปรับเทียบกับอ้างอิงที่สามารถตรวจสอบได้ในช่วงเวลาที่กำหนด การติดตั้งและการปรับเทียบโพรบควรถูกล็อกไว้ก่อนที่จะย้ายไปยังประเภทเซ็นเซอร์ถัดไป.
3. โพรบ pH
หลังจากอุณหภูมิ pH มักจะเป็นพารามิเตอร์ถัดไปที่ต้องล็อกไว้ ในกระบวนการชีวภาพของเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง มันยังเป็นหนึ่งในตัวแปรที่ควบคุมอย่างเข้มงวดที่สุด วัฒนธรรมส่วนใหญ่ทำงานที่ pH 6.8–7.4, และแม้แต่การลอยตัวสั้น ๆ ก็สามารถเปลี่ยนการเจริญเติบโตและการแยกแยะของเซลล์ได้ แถบควบคุมมักจะมีเพียง ±0.05–0.1 หน่วย pH. การเคลื่อนออกจากหน้าต่างนั้นอาจทำให้การเพิ่มจำนวนเซลล์ถูกรบกวน, เส้นทางการแยกแยะเปลี่ยนไป, และคุณภาพของผลิตภัณฑ์สุดท้ายเปลี่ยนแปลง
การครอบคลุมพารามิเตอร์
ใช้ อิเล็กโทรดแก้วแบบผสมทางเคมีไฟฟ้า ในช่วง pH 6.0–8.0 สำหรับการใช้งานนี้ คุณต้องการความแม่นยำ ±0.01–0.02 หน่วย pH เวลาตอบสนอง 30–60 วินาที, และการชดเชยอุณหภูมิในตัว ในการรันที่นานกว่า 10 วัน การลอยของโพรบอาจถึง 0.1–0.2 หน่วย pH. นั่นคือเหตุผลที่ การสอบเทียบสองจุด ก่อนแต่ละแคมเปญเป็นมาตรฐาน พร้อมการตรวจสอบอ้างอิงแบบออฟไลน์ระหว่างการรันเมื่อเป็นไปได้
ความพร้อมใช้งานของข้อมูลแบบอินไลน์หรืออัตโนมัติ
ข้อมูล pH อย่างต่อเนื่องควรป้อนเข้าสู่ SCADA/DCS เพื่อให้คุณสามารถควบคุมกรด/เบสและ CO₂ แบบวงปิด เพิ่มการเตือน, deadbands, และขีดจำกัดอัตราเพื่อหลีกเลี่ยงการพุ่งขึ้นของ pH ในท้องถิ่นแต่มีข้อแม้: วงจรควบคุมจะดีเท่ากับการวัดเท่านั้น หากโพรบไม่ได้อ่านสภาพของน้ำซุปจำนวนมาก ตัวควบคุมจะทำงานตามสัญญาณที่ผิดพลาด
ค่าควบคุมการขยายขนาด
ในระดับการผลิต - 1,000 ลิตรขึ้นไป - ค่า pH สามารถเปลี่ยนแปลงได้ 0.3–0.4 หน่วย ทั่วทั้งภาชนะ นั่นทำให้การวางตำแหน่งโพรบและการปรับ PID เป็นเรื่องสำคัญ ควรวางโพรบให้ห่างจาก spargers และช่องป้อนอาหาร ซึ่งค่า pH ในท้องถิ่นอาจไม่เหมือนกับส่วนอื่นของถัง
ในระหว่างการทดลองขยายขนาดในช่วงแรก การเปรียบเทียบการอ่านค่าแบบอินไลน์กับตัวอย่างออฟไลน์ที่นำมาจากตำแหน่งต่างๆ ของภาชนะจะช่วยได้ นั่นจะทำให้คุณมีแผนที่ของความชัน pH ภายในเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพ จากนั้นคุณสามารถปรับตำแหน่งโพรบและปรับตัวควบคุมตามสิ่งที่ภาชนะกำลังทำจริงๆ ไม่ใช่สิ่งที่คุณหวังว่าจะทำ
ความเข้ากันได้กับกระบวนการชีวภาพเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง
การเลือกโพรบมีความสำคัญพอๆ กับกลยุทธ์การควบคุมสื่อเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยงสามารถทำให้เยื่อแก้วและจุดอ้างอิงสกปรกได้เมื่อเวลาผ่านไป เมื่อเกิดเหตุการณ์นั้น การลอยตัวจะเพิ่มขึ้นและอายุการใช้งานของโพรบจะลดลง ดังนั้นควรตรวจสอบ ทำความสะอาด และเปลี่ยนโพรบก่อนที่จะเกิดปัญหา
สำหรับ ระบบไบโอรีแอคเตอร์แบบใช้ครั้งเดียว, แผ่นวัดค่า pH แบบออปติคอลที่ปรับเทียบล่วงหน้าสามารถทำให้ชีวิตง่ายขึ้น แผ่นเหล่านี้ผ่านการฆ่าเชื้อด้วยรังสีแกมมาและติดตั้งในผนังถุง ดังนั้นจึงไม่จำเป็นต้องฆ่าเชื้อด้วยไอน้ำหรือทำความสะอาด ข้อแลกเปลี่ยนคือความแม่นยำ: โดยปกติจะอยู่ในช่วง ±0.05–0.1 หน่วย pH ซึ่งต่ำกว่าขั้วแก้วมาตรฐานเล็กน้อย
ในระบบการไหลเวียนหรือการตั้งค่าความหนาแน่นของเซลล์สูง การใช้ที่อยู่อาศัยแบบถอดได้ถือว่าคุ้มค่าเพราะช่วยให้คุณเปลี่ยนโพรบได้โดยไม่ทำลายความปลอดเชื้อ และในกระบวนการที่เกี่ยวข้องกับอาหารใด ๆ ควรเก็บบันทึกการปรับเทียบ บันทึกการบำรุงรักษา และข้อมูลการตรวจสอบแบบออฟไลน์ให้ทันสมัยอยู่เสมอ
4. เซ็นเซอร์ออกซิเจนละลาย
เมื่อ pH อยู่ภายใต้การควบคุมแล้ว ออกซิเจนละลายมักจะเป็นคอขวดถัดไป ออกซิเจนไม่ละลายได้ดีในสื่อเพาะเลี้ยง และการรักษา DO ให้คงที่ยิ่งยากขึ้นเมื่อปริมาตรของเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพเพิ่มขึ้น
การครอบคลุมพารามิเตอร์
ในการวิ่งแบบเพอร์ฟิวชั่นความหนาแน่นสูง ความเข้มข้นของเซลล์สามารถถึง 2.0 × 10^7 ถึง 7.0 × 10^7 เซลล์/มล. เมื่อใช้ เซลล์กล้ามเนื้อหลักประสิทธิภาพสูง, และความต้องการออกซิเจนเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว [5]. ในจุดนั้น เมตริกการขยายขนาดหลักคือ k_La. โดยปกติจะวัดด้วยวิธีไดนามิก: กำจัดออกซิเจนด้วยไนโตรเจน จากนั้นตรวจสอบการฟื้นตัวหลังจากเริ่มการเติมอากาศอีกครั้ง[5].
การมีข้อมูลพร้อมใช้งานแบบอินไลน์หรืออัตโนมัติ
เซ็นเซอร์ DO แบบอินไลน์ส่งการอ่านค่าอย่างต่อเนื่องไปยัง ระบบการผลิตอัตโนมัติ. ระบบนั้นสามารถรัน DO cascade เพื่อรักษาค่าที่ตั้งไว้ โดยปกติจะเพิ่มการกวนก่อน จากนั้นเพิ่มการไหลของอากาศ และสุดท้ายฉีดออกซิเจนบริสุทธิ์[4] . การอ่านค่าแบบสดเหล่านั้นคือสิ่งที่ทำให้ cascade ทำงานได้ เวลาตอบสนองของโพรบก็สำคัญเช่นกัน หากเซ็นเซอร์มีความล่าช้า วงจรควบคุมก็จะล่าช้าตามไปด้วย เซ็นเซอร์ออปติคัลสมัยใหม่มักจะจัดการกับสิ่งนี้ได้ดีกว่าโพรบแบบโพลารอกราฟิก[5].
ค่าควบคุมการขยายขนาด
นี่คือเหตุผลที่ความเสถียรของเซ็นเซอร์มีความสำคัญพอๆ กับการถ่ายโอนออกซิเจน ในเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพขนาดใหญ่ โซนที่มีออกซิเจนต่ำสามารถก่อตัวขึ้นห่างจากใบพัด ข้อมูล DO แบบเรียลไทม์จะแสดงเมื่อการจ่ายออกซิเจนไม่สามารถตามความต้องการของเซลล์ได้อีกต่อไป ก่อนที่คุณจะเห็นการเบี่ยงเบนในการเจริญเติบโตหรือเมแทบอลิซึม[5].
ความเข้ากันได้กับกระบวนการผลิตเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง
สำหรับเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง การแลกเปลี่ยนนี้ยากที่จะมองข้าม เซลล์มีความไวต่อแรงเฉือน ดังนั้นคุณไม่สามารถเพิ่มการกวนเพื่อดันออกซิเจนเข้าไปได้มากขึ้น[4][5]. เซ็นเซอร์ DO ให้ข้อมูลย้อนกลับแบบเรียลไทม์เกี่ยวกับการผสมขั้นต่ำที่จำเป็นเพื่อให้อยู่ในช่วงที่กำหนด
เซ็นเซอร์แบบออปติคอลที่ใช้ฟลูออเรสเซนซ์กำลังกลายเป็นตัวเลือกที่นิยมมากกว่าโพรบแบบโพลารอกราฟิกเพราะมีความเสถียรที่ดีกว่า ตอบสนองได้เร็วกว่า และต้องการการบำรุงรักษาน้อยกว่า ในทางตรงกันข้าม โพรบแบบโพลารอกราฟิกอาจต้องเปลี่ยนเมมเบรนทุกๆ สี่ถึงแปดสัปดาห์[4]. ในระบบที่มีสื่อสมบูรณ์ หน้าจอโพรบป้องกันการเกิดคราบหรือรอบการทำความสะอาดตามกำหนดสามารถลดการสะสมของชีวมวลบนพื้นผิวโพรบและช่วยให้การอ่านค่ามีความน่าเชื่อถือ[4].
5.เซ็นเซอร์ CO2 ที่ละลาย
CO2 เป็นผลพลอยได้จากกระบวนการเมตาบอลิซึม และยิ่งยากที่จะกำจัดออกเมื่อเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพมีขนาดใหญ่ขึ้น นั่นหมายความว่า dCO₂ อาจเริ่มเบี่ยงเบน ก่อนที่ผู้ปฏิบัติงานจะสังเกตเห็นปัญหาผ่านสัญญาณกระบวนการอื่น ๆ
การครอบคลุมพารามิเตอร์
เซ็นเซอร์เหล่านี้วัดความเข้มข้นของ CO2 ที่ละลายในน้ำซุปเพาะเลี้ยง เมื่อ dCO₂ เพิ่มขึ้น อาจส่งผลต่อ pH และเพิ่มความเครียดของเซลล์ ดังนั้นนี่ไม่ใช่การอ่านค่าที่คุณต้องการจอดไว้บนแดชบอร์ดและละเลย ไม่ว่าจะใช้ เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพบนโต๊ะ สำหรับ R&D หรือภาชนะขนาดใหญ่ ข้อมูลนี้ต้องป้อนตรงเข้าสู่ตรรกะการควบคุม มันต้องป้อนตรงเข้าสู่ตรรกะการควบคุม
มีเซ็นเซอร์สองประเภทที่ใช้กันทั่วไปที่นี่ เซ็นเซอร์อิเล็กโทรเคมีแบบ Severinghaus อ้างอิง dCO₂ จากการเปลี่ยนแปลง pH ผ่านเมมเบรนที่ซึมผ่าน CO2 เซ็นเซอร์แบบออปติคัลหรือฟลูออเรสเซนต์ ใช้สีย้อมที่ไวต่อ CO2 เพื่อสร้างสัญญาณตัวเลือกฮาร์ดแวร์ที่แตกต่างกันมาพร้อมกับโปรไฟล์การบำรุงรักษาและการลอยตัวที่แตกต่างกัน แต่หน้าที่เหมือนกัน: ติดตาม CO2 ที่ละลายอย่างใกล้ชิดพอที่จะสนับสนุนการควบคุมกระบวนการ
ความพร้อมใช้งานของข้อมูลแบบอินไลน์หรืออัตโนมัติ
การตั้งค่าแบบอินไลน์และแบบ in-situ ช่วยให้สามารถวัดได้อย่างต่อเนื่องโดยไม่ต้องเก็บตัวอย่างด้วยตนเอง ซึ่งเป็นจุดสำคัญในวัฒนธรรมที่มีการเปลี่ยนแปลง ในระบบควบคุม สัญญาณ dCO₂ ควรทำมากกว่าการบันทึกข้อมูล ควรกระตุ้นการเตือนภัยและปรับการจ่ายก๊าซหรือการลอกเมื่อกระบวนการเคลื่อนผ่านขีดจำกัดที่ตั้งไว้
พูดง่ายๆ คือ dCO₂ เป็นข้อมูลนำเข้าสำหรับการควบคุมการถ่ายโอนก๊าซ ไม่ใช่เมตริกเดี่ยว
มูลค่าการควบคุมการขยายขนาด
เมื่อ ระบบระดับนำร่อง เพิ่มขึ้นในปริมาตร การลอก CO2 จะมีประสิทธิภาพน้อยลง เส้นทางการแพร่ที่ยาวขึ้น อัตราส่วนพื้นที่ผิวต่อปริมาตรที่ต่ำกว่า และการเปลี่ยนแปลงในพฤติกรรมการผสมสามารถนำไปสู่การไล่ระดับ dCO₂ ทั่วทั้งภาชนะ นั่นคือจุดที่การวัดแบบเรียลไทม์เริ่มมีคุณค่า
หากคุณสามารถเห็น dCO₂ เคลื่อนไหวในเวลาจริง คุณสามารถสังเกตเห็นความแตกต่างเหล่านั้นก่อนที่มันจะเริ่มกระทบต่อความมีชีวิตหรือความสม่ำเสมอของแบทช์ ในงานขยายขนาด การเตือนล่วงหน้านั้นสำคัญ ภาชนะอาจดูปกติในค่า pH หรือออกซิเจนละลาย แต่การสะสมของ CO2 ในท้องถิ่นอาจทำให้เซลล์อยู่ภายใต้ความเครียดได้แล้ว
ความเข้ากันได้กับกระบวนการชีวภาพเนื้อสัตว์เพาะเลี้ยง
สำหรับเนื้อสัตว์เพาะเลี้ยง เซ็นเซอร์ dCO₂ จำเป็นต้องรักษาการสอบเทียบในสื่อที่อุดมด้วยสารอาหาร จัดการการทำงานแบบปลอดเชื้อ และเชื่อมต่อกับแพลตฟอร์มควบคุมได้อย่างสะอาด ชั้นควบคุมนั้นยังเชื่อมโยงกับสัญญาณแรงดัน โฟม และระดับ เนื่องจากทั้งสามสามารถส่งผลต่อการกำจัดก๊าซในขั้นตอนถัดไปของกระบวนการ
6. เซ็นเซอร์แรงดัน โฟม และระดับ
หลังจาก CO2 ละลาย ชั้นควบคุมถัดไปคือแรงดัน โฟม และระดับ สัญญาณเหล่านี้กำหนดการแลกเปลี่ยนก๊าซ ความปลอดเชื้อ และสมดุลของปริมาตร ในทางปฏิบัติ เซ็นเซอร์ความดัน โฟม และระดับช่วยให้ความดันย้อนกลับคงที่ หยุดการพาโฟม และรักษาปริมาณการป้อนและการเก็บเกี่ยวให้อยู่ในระดับที่ควรจะเป็น
การครอบคลุมพารามิเตอร์
ความดันติดตามความดันย้อนกลับและสมดุลของก๊าซ ระดับของเหลวติดตามปริมาณการป้อน การเก็บเกี่ยว และการกรอง โฟมเซ็นซิ่งเชื่อมโยงโดยตรงกับความเสถียรของกระบวนการ หากโฟมสะสมขึ้น อาจรบกวนการแลกเปลี่ยนก๊าซ ปิดกั้นช่องระบาย และเพิ่มความเสี่ยงต่อการปนเปื้อนหากถึงพื้นที่หัวหรือแผ่นกรองไอเสีย
การควบคุมความดันยังส่งผลต่อประสิทธิภาพการลอกและการพ่น ดังนั้นชุดเซ็นเซอร์นี้จึงเชื่อมโยงโดยตรงกับการควบคุม CO2 และออกซิเจนละลายที่ครอบคลุมในส่วนก่อนหน้า เมื่อรวมกันแล้ว สัญญาณเหล่านี้สนับสนุนกลยุทธ์การควบคุมหนึ่งเดียวสำหรับการไหลของก๊าซ การระงับโฟม และความสมดุลของปริมาณ[6]
การเข้าถึงข้อมูลแบบอินไลน์หรืออัตโนมัติ
เซ็นเซอร์เหล่านี้ติดตั้งแบบอินไลน์หรือรวมเข้ากับถุง โดยมีการสัมผัสกับเนื้อหาของไบโอรีแอคเตอร์อย่างต่อเนื่อง ในปริมาณการทำงานที่มากขึ้น ตัวแปรเหล่านี้สามารถเปลี่ยนแปลงได้เร็วกว่าที่ผู้ปฏิบัติงานจะสามารถแก้ไขด้วยมือได้ เมื่อเชื่อมต่อกับซอฟต์แวร์ควบคุมแล้ว สามารถกระตุ้นการดำเนินการอัตโนมัติที่รวดเร็ว เช่น การเปลี่ยนอัตราการไหลของแก๊ส ความเร็วในการกวน หรือความเร็วของปั๊มในเวลาจริง [6]
ค่าควบคุมการขยายขนาด
ในระดับขนาด สัญญาณเหล่านี้ช่วยป้องกันการล้น ลดความเสี่ยงการปนเปื้อนที่เกี่ยวข้องกับฟอง และรักษาการถ่ายโอนแก๊สและการจัดการของเหลวให้อยู่ในขอบเขตที่กำหนด [6]
ความเข้ากันได้กับกระบวนการผลิตเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง
ข้อมูลระดับสนับสนุนการเติมอาหาร, การเก็บเกี่ยวและความสมดุลของการไหลเวียน ซึ่งทำให้เป็นข้อมูลนำเข้าโดยตรงสำหรับ การควบคุม fed-batch และ perfusion ในกระบวนการผลิตเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง สัญญาณความดันและโฟมมีความสำคัญเช่นกัน ทั้งหมดนี้ช่วยปิดวงจรการไหลของก๊าซ, การควบคุมโฟมและความสมดุลของปริมาตร จากนั้นป้อนเข้าสู่ระบบควบคุมเต็มรูปแบบที่มีการแจ้งเตือนและการดำเนินการอัตโนมัติเพื่อรักษาเสถียรภาพของภาชนะ
7. เครื่องวัดการไหล
หลังจากความดัน, โฟมและระดับ สิ่งต่อไปที่ต้องตรวจสอบคือ ความเร็วของการเคลื่อนที่ของสื่อ, ก๊าซและกระแสการเก็บเกี่ยว.
เครื่องวัดการไหลวัดอัตราการไหลของของเหลวและก๊าซผ่าน ระบบเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพ. ความดัน, โฟมและระดับบอกคุณว่าเกิดอะไรขึ้นภายในภาชนะ เครื่องวัดการไหลบอกคุณ ปริมาณที่เข้าไป, ปริมาณที่ออกมา และความเร็ว.
การครอบคลุมพารามิเตอร์
เครื่องวัดการไหลจะวัดอัตราการเคลื่อนที่ของสื่อ, แก๊ส และการเก็บเกี่ยวผ่านระบบ ฟังดูง่าย แต่มีความสำคัญมากในทางปฏิบัติ หากการไหลของอาหารเปลี่ยนไป ความสมดุลของการไหลเวียนจะเปลี่ยนไปด้วย หากการไหลของการเก็บเกี่ยวเปลี่ยนไป เวลาพำนักและการกักเก็บเซลล์อาจเปลี่ยนไปด้วย
นอกเหนือจากการวัดการไหลตรงๆ ตัวแยกการไหลสามารถส่งเส้นทางตัวอย่างไปยังเครื่องวิเคราะห์ออนไลน์ ซึ่งสนับสนุนการวัดแบบเรียลไทม์ของความเข้มข้นและเมแทบอไลต์หลัก[7]
ความพร้อมใช้งานของข้อมูลแบบอินไลน์หรืออัตโนมัติ
เครื่องเก็บตัวอย่างอัตโนมัติและตัวแยกการไหลสามารถเชื่อมต่อเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพกับเครื่องวิเคราะห์ออนไลน์โดยไม่ขัดจังหวะการเพาะเลี้ยง กล่าวอีกนัยหนึ่ง คุณสามารถดึงข้อมูลโดยไม่ต้องหยุดกระบวนการหรือเปิดระบบ
สิ่งนี้มีความสำคัญที่สุดในกระบวนการต่อเนื่อง ซึ่งข้อมูลการไหลจำเป็นต้องสนับสนุนการควบคุมแบบวงปิดหากกระบวนการดำเนินไปเป็นเวลานาน ข้อผิดพลาดเล็กน้อยในกระแสจะไม่คงอยู่เล็กน้อยเป็นเวลานาน
ค่าในการควบคุมการขยายขนาด
ในการขยายขนาดเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง เครื่องวัดการไหลช่วยสนับสนุนการควบคุมอัตราการป้อน การปรับสมดุลการไหลเวียน และการกำหนดเวลาการเก็บเกี่ยวในระยะเวลาที่ยาวนานขึ้น ซึ่งช่วยให้การออกแบบคุณภาพโดยการรักษาการไหล การสุ่มตัวอย่าง และอัตราการป้อนให้อยู่ในขอบเขตการควบคุม
พูดง่ายๆ การวัดการไหลอยู่ระหว่างสถานะของภาชนะและการดำเนินการของกระบวนการ มันเชื่อมโยงสิ่งที่เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพกำลังทำกับชั้นถัดไปของการวิเคราะห์และการควบคุมออนไลน์
ความเข้ากันได้กับกระบวนการชีวภาพของเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง
ในการขยายขนาดเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง การวัดการไหลที่แม่นยำในกระแสของสื่อ การไหลเวียน และการเก็บเกี่ยวช่วยให้การดำเนินการในระยะยาวมีความเสถียร ซึ่งมีประโยชน์อย่างยิ่งเมื่อหลายกระแสต้องรักษาความสอดคล้องกันตลอดเวลา ไม่ใช่แค่ในจุดเวลาเดียว
การแยกการไหลช่วยให้สตรีมหนึ่งสามารถป้อนข้อมูลให้กับเครื่องวิเคราะห์หลายเครื่องพร้อมกัน เชื่อมต่อสภาพของภาชนะตรงไปยังสแต็กควบคุม[7]
8. สเปกโทรสโกปีอินฟราเรดใกล้
ในขณะที่เครื่องวัดการไหลแสดงการเคลื่อนไหว NIR แสดง องค์ประกอบของของเหลว.
สเปกโทรสโกปี NIR วัดองค์ประกอบของน้ำซุปแบบเรียลไทม์โดยไม่ต้องใช้การสุ่มตัวอย่างด้วยตนเอง
การครอบคลุมพารามิเตอร์
NIR อ่านโอเวอร์โทน แถบผสม และการกระเจิงในน้ำซุป [8]. มันไม่ได้วัดความเข้มข้นโดยตรง แต่จะอนุมานความเข้มข้นจากโมเดลการสอบเทียบแบบหลายตัวแปรที่ฝึกฝนกับข้อมูลอ้างอิง ในทางปฏิบัติ หมายความว่าสตรีม NIR หนึ่งสตรีมสามารถติดตาม ชีวมวล สารตั้งต้น และเมตาบอไลต์ ได้พร้อมกัน [8] [9][10].
ข้อดีอย่างมากสำหรับการวิ่งระยะยาวคืออายุการใช้งานของโมเดล ในบางกรณี โมเดลการสอบเทียบยังคงความแม่นยำได้นานถึง 274 วัน หลังการสอบเทียบ [9]. ซึ่งมีความสำคัญในแคมเปญการขยายขนาดที่ยาวนาน ซึ่งการสร้างโมเดลใหม่บ่อยครั้งอาจกลายเป็นภาระ
ความพร้อมใช้งานของข้อมูลแบบอินไลน์หรืออัตโนมัติ
NIR สามารถใช้งานได้ ในสถานที่ ด้วยโพรบไฟเบอร์ออปติกที่สามารถฆ่าเชื้อได้ หรือ นอกสถานที่ ผ่านผนังภาชนะกระจกหรือวงจรไหลผ่าน [8] [10]. โพรบในสถานที่ ให้การอ่านค่าแบบเรียลไทม์ที่ตรงที่สุด แต่จำเป็นต้องทนต่อ การฆ่าเชื้อในสถานที่ (SIP). การตั้งค่านอกสถานที่ บนผนังกระจกนั้นง่ายต่อการบำรุงรักษา แม้ว่าพวกเขาอาจทำให้การอ่านค่าผิดเพี้ยนหากของเหลวใกล้ผนังไม่สะท้อนถึงน้ำซุปจำนวนมาก [8].
สำหรับโพรบไฟเบอร์ออปติก ควรมุ่งเน้นการรับสัญญาณในบริเวณโอเวอร์โทนแรกและที่สอง สายไฟเบอร์สามารถเพิ่มสัญญาณรบกวนเหนือ 2,100 nm ในบริเวณการรวมกัน [8].
ค่าในการควบคุมการขยายขนาด
เมื่อปริมาตรของภาชนะเพิ่มขึ้น NIR ให้มุมมองต่อเนื่องของเส้นทางกระบวนการ ซึ่งสนับสนุนการควบคุมอัตโนมัติและการเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการ [8][9]. อย่างไรก็ตาม ตำแหน่งของโพรบมีความสำคัญ ในภาชนะขนาดใหญ่ การผสมและแรงเหวี่ยงสามารถทำให้การอ่านค่าชีวมวลผิดเพี้ยนได้หากโพรบอยู่ใกล้กับผนังเกินไป เมื่อขนาดของไบโอรีแอคเตอร์เพิ่มขึ้น ควรตรวจสอบตำแหน่งของโพรบตามทฤษฎีการสุ่มตัวอย่าง (TOS) [8].
นั่นทำให้ NIR เป็นตัวเชื่อมที่มีประโยชน์ระหว่างการควบคุมกระบวนการและสเปกโทรสโกปีเฉพาะโมเลกุล
ความเข้ากันได้กับกระบวนการผลิตเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง
NIR เข้ากันได้ดีกับการเพาะเลี้ยงเซลล์สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมที่ใช้ในการผลิตเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง สามารถติดตามการดูดซึมสารอาหารและการสะสมของผลพลอยได้ในเวลาเดียวกัน กลูตามีนเป็นสารตั้งต้นที่สำคัญ และแอมโมเนียเป็นผลพลอยได้ที่ยับยั้งการเจริญเติบโต ดังนั้นการติดตามทั้งสองอย่างในเวลาจริงจึงเป็นประโยชน์ [2][10].
การติดตามชีวมวลในช่วง 1–60 g/L ได้รับการแสดงให้เห็น [8], ซึ่งครอบคลุมช่วงความหนาแน่นที่สำคัญสำหรับการขยายขนาดการผลิตเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง
NIR ยังเข้ากันได้ดีกับการวิเคราะห์ก๊าซที่ปล่อยออกมาและสเปกโทรสโกปีแบบรามาน ข้อมูลก๊าซที่ปล่อยออกมาช่วยกำหนดสภาวะเมตาบอลิซึม ในขณะที่รามานเพิ่มความเฉพาะเจาะจงทางเคมีที่สูงขึ้น สเปกโทรสโกปีแบบรามานครอบคลุมรายละเอียดทางเคมีในระดับถัดไป
9. สเปกโทรสโกปีแบบรามาน
ในขณะที่ NIR แสดงการเคลื่อนไหวของกระบวนการในวงกว้าง รามานให้รายละเอียดทางเคมีที่แน่นยิ่งขึ้น
การครอบคลุมพารามิเตอร์
Raman มีความเฉพาะเจาะจงทางเคมีที่ดีกว่า NIR และสามารถติดตาม กลูโคส, กลูตามีน, แลคเตท, แอมโมเนีย, กลูตาเมต, ความหนาแน่นของเซลล์ทั้งหมด และความหนาแน่นของเซลล์ที่มีชีวิต ในการอ่านค่าแบบอินไลน์ครั้งเดียว [2]. นอกจากนี้ยังสามารถตรวจสอบคุณลักษณะคุณภาพของกระบวนการ เช่น ไกลโคซิเลชัน และ ไตร์เตอร์ [11].
ขีดจำกัดการตรวจจับทั่วไปคือ 0.20–0.46 g/L สำหรับกลูโคสและแลคเตท [11]. ในสื่อที่ซับซ้อน การเรืองแสงอาจเป็นอุปสรรคได้ ซึ่งมีความเกี่ยวข้องโดยเฉพาะเมื่อใช้สูตร สื่อพื้นฐาน ที่เชี่ยวชาญ ในกรณีเหล่านั้น Raman แบบ time-gated ช่วยลดการรบกวนจากการเรืองแสงของสื่อ [11].
การมีข้อมูลพร้อมใช้งานแบบอินไลน์หรืออัตโนมัติ
Raman ถูกใช้ ในสถานที่ ผ่านโพรบจุ่มที่วางโดยตรงในสื่อของไบโอรีแอคเตอร์ จากนั้นผลลัพธ์ของสเปกตรัมจะถูกเชื่อมโยงกับความเข้มข้นของสารวิเคราะห์โดยใช้ โมเดล PLS [2].
ค่าควบคุมการขยายขนาด
หนึ่งในจุดแข็งหลักของ Raman ในการขยายขนาดคือ การถ่ายโอนโมเดล. นักวิจัยที่ University College Dublin สร้างโมเดล PLS ใน ไบโอรีแอคเตอร์ขนาด 3 ลิตร และจากนั้นถ่ายโอนไปยังไบโอรีแอคเตอร์ขนาดนำร่อง 15 ลิตร สำหรับการตรวจสอบแบบเรียลไทม์ของกลูโคส, กลูตามีน, แลคเตท, แอมโมเนีย, กลูตาเมต และความหนาแน่นของเซลล์รวม [2] . หกในเจ็ดโมเดลสารวิเคราะห์ถูกถ่ายโอน , ในขณะที่ VCD แสดงการถ่ายโอนที่แปรผันระหว่างขนาด [2].
สิ่งนั้นมีความสำคัญในทางปฏิบัติ.คุณสามารถสร้างโมเดลในระดับเบนช์ท็อป จากนั้นตรวจสอบในระดับนำร่องขณะที่ การขยายสายเซลล์สำหรับการเพาะเลี้ยงในไบโอรีแอคเตอร์ ก่อนที่จะนำไปใช้ในกลยุทธ์การควบคุม หากการถ่ายโอนยังคงอยู่ รามานจะให้การเตือนล่วงหน้าก่อนที่ การขาดแคลนกลูโคส หรือ การสะสมของแลคเตทและแอมโมเนีย จะเริ่มลดประสิทธิภาพของแบทช์ ด้วยเหตุนี้จึงเหมาะสมกับการควบคุมสารอาหาร การตรวจสอบชีวมวลและสถานะการระงับสามารถนั่งอยู่ด้านบนเป็นชั้นที่สองได้
ความเข้ากันได้กับกระบวนการชีวภาพของเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง
รามานติดตามทั้ง การขาดแคลนสารตั้งต้น และ การสะสมของผลพลอยได้, ซึ่งช่วยระบุความเครียดทางเมตาบอลิซึมได้เร็ว [11][2] . โปรไฟล์นั้นสอดคล้องกับการเพาะเลี้ยงเซลล์เนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง ซึ่งสถานะการให้อาหารและการสะสมของเสียสามารถเปลี่ยนพฤติกรรมของเซลล์ได้อย่างรวดเร็วสำหรับการมองเห็นวัฒนธรรมอย่างเต็มที่ จับคู่ Raman กับ ความหนาแน่นเชิงแสง และ โพรบความขุ่น.
10. โพรบความหนาแน่นเชิงแสงและความขุ่น
หลังจากที่ Raman ให้ข้อมูลองค์ประกอบทางเคมีแล้ว OD และความขุ่นจะเพิ่มมุมมอง ชีวมวล ให้กับสแต็คการตรวจสอบ
ความครอบคลุมของพารามิเตอร์
โพรบทั้งสองประเภทวัดพฤติกรรมของแสงในสารแขวนลอยของเซลล์ โพรบ OD ติดตามการลดทอนแสง - ในภาษาง่ายๆ คือ ปริมาณแสงที่ผ่านวัฒนธรรม - และแปลงเป็นสัญญาณที่สอดคล้องกับสเปกโตรโฟโตเมตรีแบบออฟไลน์ โพรบความขุ่น วัดแสงที่กระจายที่มุมที่กำหนด ซึ่งช่วยติดตามปริมาณอนุภาคที่แขวนลอยและความใสของน้ำซุป[12]
พวกมันเป็นการวัดตัวแทนทางแสงทั้งคู่ ดังนั้นสัญญาณจึงรวมถึง ทุกอย่าง ที่มีผลต่อแสง: เซลล์ที่มีชีวิต เซลล์ที่ตายแล้ว ไมโครแคเรียร์ และเศษซาก[13] ซึ่งทำให้มีประโยชน์ในการติดตามแนวโน้มของชีวมวล สังเกตการเปลี่ยนแปลงในอัตราการเจริญเติบโต ระบุการเริ่มต้นของการรวมตัว และตรวจจับเหตุการณ์การปนเปื้อน นอกจากนี้ยังหมายความว่ามีประโยชน์น้อยลงเมื่อคุณต้องการแยกความมีชีวิตจากจำนวนเซลล์ทั้งหมด หากความมีชีวิตมีความสำคัญ ควรใช้ร่วมกับโพรบความจุหรือการตรวจสอบแบบออฟไลน์
| ลักษณะ | โพรบ OD | โพรบความขุ่น |
|---|---|---|
| สัญญาณหลัก | การลดทอนแสง/ตัวแทนการดูดซับแสง | การกระเจิงแสงจากอนุภาคที่แขวนลอย |
| การใช้งานที่ดีที่สุด | การติดตามแนวโน้มการเติบโตและการตรวจสอบชีวมวล | การตรวจสอบความใสและปริมาณอนุภาค |
| ข้อจำกัดหลัก | การตีความแตกต่างตามสภาพการเพาะเลี้ยง | ได้รับผลกระทบจากฟองอากาศ เศษซาก และการรวมตัวกัน |
ความพร้อมใช้งานของข้อมูลแบบอินไลน์หรืออัตโนมัติ
โพรบเหล่านี้เชื่อมต่อโดยตรงกับ ระบบควบคุมไบโอรีแอคเตอร์ ผ่านโปรโตคอลอนาล็อก (4–20 mA) หรือดิจิทัล เช่น Modbus หรือ Profibus, โดยข้อมูลจะมาถึงทุกๆ ไม่กี่วินาทีถึงนาที[12] สตรีมสดนั้นสามารถเข้าสู่ระบบ SCADA หรือแพลตฟอร์มการดำเนินการผลิตได้ ดังนั้นผู้ปฏิบัติงานสามารถตั้งค่าการเตือนสำหรับการเบี่ยงเบนการเจริญเติบโตแทนที่จะรอตัวอย่างแบบแมนนวล.
ยังมีข้อดีในทางปฏิบัติที่มักจะมีความสำคัญมากกว่าที่คนคาดหวัง: การบันทึกอัตโนมัติทำให้การเปรียบเทียบเส้นโค้งการเจริญเติบโตระหว่างระดับเบนช์ ระดับนำร่อง และระดับการผลิตง่ายขึ้นโดยไม่ต้องถอดความด้วยตนเอง เมื่อคุณกำลังสร้างชุดข้อมูลการขยายขนาด นั่นช่วยประหยัดเวลาและลดข้อผิดพลาดในการจัดการที่หลีกเลี่ยงได้.[12]
ค่าควบคุมการขยายขนาด
ในระดับการผลิต ไบโอแมสไม่ใช่แค่สิ่งที่คุณสังเกตเห็น มันกลายเป็นตัวแปรควบคุมที่มีชีวิต.
อัตราการป้อนกลูโคส กรดอะมิโน หรือปัจจัยการเจริญเติบโตสามารถปรับได้แบบเรียลไทม์ตามระยะการเจริญเติบโตปัจจุบัน การเก็บเกี่ยว การเปลี่ยนสื่อ หรือการสลับการแยกแยะสามารถถูกกระตุ้นได้เมื่อ OD หรือความขุ่นถึงเกณฑ์ที่ตั้งไว้.[12]
สิ่งที่มีประโยชน์พอๆ กันคือสิ่งที่สัญญาณแสดงเมื่อกระบวนการเริ่มเบี่ยงเบน หาก OD เพิ่มขึ้นช้ากว่าที่คาดไว้ในระดับนำร่อง แม้ว่าความหนาแน่นของเมล็ดพันธุ์และสื่อจะตรงกับสภาวะของห้องปฏิบัติการ ช่องว่างนั้นอาจบ่งชี้ถึงข้อจำกัดในการผสม การไล่ระดับสารอาหาร หรือข้อจำกัดในการถ่ายโอนออกซิเจน ซึ่งไม่ใช่ปัญหาเล็กน้อย และมักใช้เวลานานกว่ามากในการตรวจพบผ่านการสุ่มตัวอย่างเป็นระยะเพียงอย่างเดียว [12] บทบาทการเตือนล่วงหน้านี้เป็นส่วนสำคัญว่าทำไมโพรบเหล่านี้จึงอยู่ในสแต็กการขยายขนาด
ความเข้ากันได้กับกระบวนการชีวภาพเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง
สำหรับเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง โพรบ OD และความขุ่นเหมาะสมกับการเพาะเลี้ยงแบบแขวนลอยและแบบไมโครแคเรียร์ แต่จำเป็นต้องมีการสอบเทียบอย่างระมัดระวังสำหรับการตั้งค่ากระบวนการแต่ละอย่าง ในระบบไมโครแคเรียร์ สัญญาณสะท้อนทั้งเซลล์และตัวพา ดังนั้นเส้นโค้งการสอบเทียบจึงจำเป็นต้องคำนึงถึงภาระไมโครแคเรียร์และคุณสมบัติทางแสง[12] การติดตั้งมีความสำคัญเช่นกัน ควรติดตั้งเซ็นเซอร์ในพื้นที่ที่มีการผสมที่ดีและห่างจากใบพัดและสปาร์เกอร์ ซึ่งฟองอากาศสามารถเพิ่มสัญญาณรบกวนได้[12]
สื่อที่กำหนดทางเคมีและปราศจากเซรั่มมักช่วยให้พื้นหลังของสัญญาณสะอาดขึ้น อย่างไรก็ตาม บางส่วนผสม สารบ่งชี้สี หรือปัจจัยการเจริญเติบโตยังคงสามารถเปลี่ยนแปลงเส้นฐานได้ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องปรับเทียบกับการนับเซลล์ออฟไลน์หรือเนื้อหา DNA สำหรับแต่ละสายเซลล์และการรวมกันของสื่อ[12] สำหรับทีมที่จัดหาหัววัดสำหรับรูปแบบกระบวนการเหล่านี้
สำหรับการติดตามความมีชีวิตและเซลล์ที่มีชีวิต ชั้นถัดไปคือความจุไฟฟ้า
11.โพรบการวัดค่าความจุไฟฟ้าและสเปกโทรสโกปีของไดอิเล็กทริก
หาก OD และความขุ่นบอกคุณถึงปริมาณชีวมวลทั้งหมด, ค่าความจุไฟฟ้าจะบอกคุณว่าชีวมวลนั้นยังมีชีวิตอยู่เท่าใด
การครอบคลุมพารามิเตอร์
โพรบความจุไฟฟ้าตรวจจับเซลล์ที่มีชีวิตโดยการวัดว่าพลาสม่าเมมเบรนที่สมบูรณ์สามารถทำให้เกิดการโพลาไรซ์ในสนามไฟฟ้าสลับได้อย่างไร เซลล์ที่มีพลาสม่าเมมเบรนที่สมบูรณ์จะเก็บประจุและเพิ่มค่าความจุไฟฟ้าของตัวกลาง เซลล์ที่ตายหรือเสียหายไม่สามารถทำเช่นนั้นได้ ดังนั้นจึงไม่เพิ่มสัญญาณ ในทางปฏิบัติ ผลลัพธ์จะให้การอ่านค่าแบบเรียลไทม์โดยตรงของปริมาตรเซลล์ที่มีชีวิต (VCV) หรือ ความหนาแน่นของเซลล์ที่มีชีวิต (VCD). นั่นคือเหตุผลที่ค่าความจุไฟฟ้าอยู่เคียงข้างกับวิธีการทางแสงแทนที่จะมาแทนที่
การสแกนหลายความถี่ในช่วงประมาณ 0.1–20 MHz ช่วยแยกการเปลี่ยนแปลงในค่าการนำไฟฟ้าของตัวกลางออกจากสัญญาณของเซลล์ สิ่งนี้มีความสำคัญในระหว่างการให้อาหารที่มีสารอาหารเข้มข้นหรือหลังการปรับค่า pH เมื่อเคมีของน้ำซุปสามารถเปลี่ยนแปลงได้อย่างรวดเร็ว การสแกนเดียวกันนี้ยังสามารถสร้าง พารามิเตอร์ Cole-Cole, ซึ่งสามารถให้รายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับขนาดเซลล์และสภาพเยื่อหุ้มเซลล์ในระหว่างการเปลี่ยนแปลง
การเข้าถึงข้อมูลแบบอินไลน์หรืออัตโนมัติ
โพรบความจุเชื่อมต่อโดยตรงกับระบบควบคุมไบโอรีแอคเตอร์และให้สัญญาณต่อเนื่อง ทำให้เหมาะสมสำหรับการควบคุมการให้อาหารอัตโนมัติตามระยะการเจริญเติบโตจริงของวัฒนธรรม ไม่ใช่แค่ตารางเวลาที่ตั้งไว้ล่วงหน้า
พวกเขายังมีประโยชน์ในการตรวจจับการเปลี่ยนแปลงระหว่างระยะหน่วง ระยะเอ็กซ์โพเนนเชียล และระยะคงที่ หากคุณพยายามที่จะกดสวิตช์การเปลี่ยนแปลงหรือหน้าต่างการเก็บเกี่ยวในเวลาที่เหมาะสม เวลานั้นมีความสำคัญ
ค่าควบคุมการขยายขนาด
ที่ ระดับนำร่องหรือการผลิต, การสุ่มตัวอย่างความมีชีวิตแบบออฟไลน์ช้าและทิ้งช่องว่างในภาพ ความจุช่วยเติมเต็มช่องว่างเหล่านั้น
สิ่งนี้มีประโยชน์อย่างยิ่งในกระบวนการเพอร์ฟิวชั่น แคมเปญเพอร์ฟิวชั่นดำเนินไปเป็นเวลานาน และทุกตัวอย่างที่เก็บด้วยมือเพิ่มความเสี่ยงต่อการปนเปื้อนเมื่อเปิดพอร์ต โพรบความจุที่ทำงานอย่างต่อเนื่องช่วยลดการสัมผัสซ้ำๆ นั้นในขณะที่ยังคงแสดงไบโอแมสสดแบบเรียลไทม์
ข้อควรระวัง: ในการดำเนินการระยะยาว การเกิดคราบชีวภาพอาจกลายเป็นปัญหา โปรตีนและเศษเซลล์สามารถสะสมบนพื้นผิวอิเล็กโทรดและทำให้สัญญาณเบี่ยงเบน เซ็นเซอร์ความจุแบบใช้ครั้งเดียว, ที่ขายในถุงไบโอรีแอคเตอร์แบบบูรณาการล่วงหน้า ช่วยจัดการกับปัญหานี้โดยการกำจัดขั้นตอนการทำความสะอาดและการฆ่าเชื้อระหว่างชุดและลดการเบี่ยงเบนที่เกี่ยวข้องกับการเกิดคราบ
ความเข้ากันได้กับกระบวนการผลิตเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง
ความจุมักจะจัดการกับวัฒนธรรมไมโครแคเรียร์ได้ดีกว่าวิธีการทางแสงเพราะอ่านเยื่อหุ้มที่มีชีวิตแทนที่จะเป็นแสงกระจายแม้กระนั้น ที่ความเข้มข้นของไมโครแคร์ริเออร์สูง แคร์ริเออร์สามารถรบกวนทางกายภาพกับสนามไฟฟ้าได้ ดังนั้นคุณยังคงต้องการการสอบเทียบที่ตรงกับประเภทและการบรรทุกของไมโครแคร์ริเออร์
สำหรับแอกกรีเกตและสเฟียรอยด์ สเปกโทรสโกปีแบบไดอิเล็กทริกให้การอ่านปริมาตรที่มีชีวิตรวมที่ตรงกว่าการใช้โพรบแบบออปติคัล
เมื่อเริ่มต้นสายเซลล์ใหม่ - เช่น ไมโอไซต์ของวัวหรือหมู - การปฏิบัติโดยทั่วไปคือการตั้งค่าเบสไลน์ของโพรบในสื่อที่ไม่มีเซลล์ก่อน เหตุผลนั้นง่าย: ความแรงของไอออนในสื่อเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยงสามารถเปลี่ยนสัญญาณไดอิเล็กทริกเริ่มต้นได้มาก นอกจากนี้ยังช่วยในการเปรียบเทียบข้อมูลความจุในช่วงแรกกับการอ่านเมตาบอลิกแบบออฟไลน์ เช่น กลูโคส และ แลคเตท. การตรวจสอบข้ามนี้แสดงว่าสัญญาณ VCV ติดตามระยะการเจริญเติบโตจริงหรือไม่ ก่อนที่ทีมจะเริ่มใช้มันสำหรับการควบคุมอัตโนมัติ
สัญญาณความมีชีวิตที่ใช้งานได้จริงนั้นยังเข้ากันได้ดีกับการวิเคราะห์ก๊าซที่ปล่อยออกมา ซึ่งแสดงให้เห็นว่าการเจริญเติบโตของชีวมวลนั้นแสดงออกมาในกระบวนการเผาผลาญหรือไม่
12. เครื่องวิเคราะห์ก๊าซที่ปล่อยออกมาและเมตาบอไลต์ออนไลน์
หลังจากชีวมวลและความมีชีวิต เครื่องวิเคราะห์ก๊าซที่ปล่อยออกมาและเมตาบอไลต์จะบอกคุณบางสิ่งที่ตรงไปตรงมามากขึ้น: วัฒนธรรมยังคงสนับสนุนการเจริญเติบโตนั้นอยู่หรือไม่ หรือเริ่มที่จะเบี่ยงเบนไปแล้ว? เมื่อรวมกันแล้ว เครื่องมือเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าการหายใจ การลดลงของสารอาหาร และการสะสมของของเสียเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรในเวลาจริง
การครอบคลุมพารามิเตอร์
เครื่องวิเคราะห์ก๊าซที่ปล่อยออกมาวัด อัตราการพัฒนาคาร์บอนไดออกไซด์ (CER) และ อัตราการดูดซับออกซิเจน (OUR) จากกระแสไอเสีย โดยส่วนใหญ่มักใช้แมสสเปกโตรเมตรี [14]. เครื่องวิเคราะห์เมตาบอไลต์ออนไลน์ติดตามสารอาหารสำคัญ เช่น กลูโคสและกลูตามีน พร้อมกับชนิดของเสียรวมถึงแลคเตท แอมโมเนีย และกลูตาเมต ในทางปฏิบัติ กลูโคส กลูตามีน แลคเตท และแอมโมเนียเป็นตัวบ่งชี้สถานะการให้อาหารและการสะสมของเสียแบบเรียลไทม์หลัก
การอ่านค่าเหล่านี้จะมีประโยชน์มากขึ้นเมื่ออยู่ในชั้นควบคุมเดียวกันกับอุณหภูมิ ค่า pH และออกซิเจนละลาย ข้อมูลก๊าซที่ปล่อยออกมาแสดงถึงความต้องการในการหายใจ ข้อมูลเมตาบอไลต์ออนไลน์แสดงว่าสมดุลของสารอาหารและของเสียยังคงอยู่ในช่วงหรือไม่
ความพร้อมใช้งานของข้อมูลแบบอินไลน์หรืออัตโนมัติ
โพรบเอนไซม์สมัยใหม่ตอนนี้รองรับการติดตามเมตาบอไลต์แบบอินไลน์อย่างต่อเนื่อง [6]. การตรวจสอบก๊าซที่ปล่อยออกมาเป็นแบบต่อเนื่องโดยการออกแบบเพราะมันเก็บตัวอย่างจากกระแสไอเสีย ซึ่งทำให้เป็นแหล่งข้อมูลการหายใจแบบเรียลไทม์ที่ใช้งานได้จริง [14].
ค่าควบคุมการขยายขนาด
ข้อมูลก๊าซและเมตาบอไลต์แบบเรียลไทม์สามารถสนับสนุนการควบคุมแบบวงปิดของอัตราการไหลของอากาศ การกวน และอัตราการให้อาหารเมื่อความต้องการของวัฒนธรรมเปลี่ยนแปลง [6]. ซึ่งมีความสำคัญในระดับขนาดการลดลงของกลูโคส การเพิ่มขึ้นของแลคเตท หรือการเปลี่ยนแปลงในกิจกรรมการหายใจสามารถพัฒนาได้อย่างรวดเร็ว และสัญญาณเหล่านี้ให้โอกาสแก่ผู้ปฏิบัติงานในการตอบสนองก่อนที่กระบวนการจะเบี่ยงเบนไปจากเป้าหมายมากเกินไป
"ข้อผิดพลาดในการประมวลผลสามารถตรวจพบได้ในขณะที่เกิดขึ้น และสามารถบรรเทาได้ก่อนที่จะมีโอกาสกลายเป็นหายนะ" - Christopher Kistler, Fellow Scientist, Catalent Biologics [6]
เซ็นเซอร์แบบนุ่มที่ใช้โมเดลยังสามารถประมาณการชีวมวลในกรณีที่การวัดโดยตรงทำได้ยาก รวมถึงในเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพแบบเตียงคงที่ [6].
ความเข้ากันได้กับกระบวนการผลิตเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง
สำหรับการเพาะเลี้ยงเซลล์ที่ยึดติดในกระบวนการผลิตเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพแบบเตียงคงที่สามารถได้รับประโยชน์จากการตรวจสอบกลูโคสและแลคเตทแบบอินไลน์ โดยเฉพาะเมื่อเป้าหมายคือการรักษาสภาพแวดล้อมของสารอาหารให้คงที่ในระหว่างการไหลเวียน [6]. การเลือกเซ็นเซอร์ก็มีความสำคัญเมื่อประเมิน ระบบใช้ครั้งเดียวเทียบกับระบบใช้ซ้ำ. ทีมงานจำเป็นต้องยืนยันว่าเซ็นเซอร์ยังคงความแม่นยำหลังการฆ่าเชื้อ รวมถึงการฆ่าเชื้อด้วยรังสีแกมมาหรือรังสีเอกซ์ [6].
เซ็นเซอร์ที่ติดตั้งในถุงช่วยลดขั้นตอนการจัดการและช่วยปกป้องความปลอดเชื้อ การใช้ร่วมกัน สัญญาณก๊าซที่ปล่อยออกมาและเมตาบอไลต์จะเปลี่ยนสถานะของภาชนะให้เป็นสิ่งที่ผู้ปฏิบัติงานสามารถดำเนินการได้ ไม่ใช่แค่ดูเท่านั้น
วิธีการทำงานร่วมกันของเครื่องมือในสแต็คการตรวจสอบแบบเต็มรูปแบบ
ไม่มีเซ็นเซอร์ตัวเดียวที่สามารถบอกคุณได้ทุกสิ่งที่เกิดขึ้นภายในเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพ อุณหภูมิ, pH, ออกซิเจนละลาย, ความดัน และการไหลเป็นกระดูกสันหลังของการควบคุมกระบวนการ แต่พวกเขาแสดงให้เห็นเพียงบางส่วนของภาพเท่านั้น พวกเขาช่วยให้กระบวนการคงที่ แต่พวกเขาไม่สามารถอธิบายสถานะทั้งหมดของชีววิทยาหรือคุณลักษณะคุณภาพที่สำคัญได้ด้วยตัวเอง
สแต็คทำงานได้เพราะแต่ละชั้นเติมเต็มช่องว่างที่เหลือจากชั้นอื่นๆในระดับที่ใหญ่ขึ้น จุดนี้กลายเป็นเรื่องยากที่จะมองข้าม: เครื่องมือเหล่านี้ไม่ทำงานได้ดีที่สุดเมื่อเป็นอุปกรณ์เดี่ยว พวกมันทำงานเป็นระบบ
วิธีที่มีประโยชน์ในการจัดกรอบสแต็กคือในสี่ชั้น เซ็นเซอร์ควบคุมหลักในสาย ครอบคลุมอุณหภูมิ, pH, ออกซิเจนละลาย, ความดัน และการไหล สิ่งเหล่านี้ให้การอ่านค่าพื้นฐานของสิ่งแวดล้อมที่จำเป็นเพื่อรักษากระบวนการให้คงที่ เครื่องมือออปติคัลและสเปกโทรสโกปี, รวมถึงสเปกโทรสโกปีแบบรามานและใกล้อินฟราเรด เพิ่มการตรวจสอบลายนิ้วมือโมเลกุลแบบเรียลไทม์สำหรับสารอาหารและเมตาบอไลต์ การตรวจสอบชีวมวลที่มีชีวิตและเมตาบอไลต์ นำเข้าหัววัดความจุ, เครื่องวิเคราะห์ก๊าซที่ปล่อยออกมา และเซ็นเซอร์ซอฟต์เพื่อติดตามความหนาแน่นของเซลล์ที่มีชีวิตและแนวโน้มของเมตาบอไลต์ ชั้นสุดท้ายคือ การรวมซอฟต์แวร์: ระบบ SCADA, ดิจิทัลทวิน และโมเดล AI/ML นำสัญญาณเหล่านั้นมารวมกันในกรอบการควบคุมเดียวสิ่งนี้มีความสำคัญที่สุดเมื่อสัญญาณถูกตีความผ่านโมเดลควบคุมที่สะท้อนถึงเกรเดียนต์ที่ขับเคลื่อนด้วยขนาด ในเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพสำหรับการผลิต การผสมจะช้าลงและเกรเดียนต์จะพัฒนาขึ้นทั่วทั้งภาชนะ เซ็นเซอร์จุดเดียวอาจพลาดความแตกต่างในท้องถิ่นเหล่านั้น นั่นคือที่ที่ดิจิทัลทวินและ CFD มีประโยชน์ พวกเขาช่วยทำนายความแปรผันเชิงพื้นที่และกระชับตรรกะการควบคุมก่อนที่การวิ่งทางวิศวกรรมจะเริ่มต้น
ดังนั้นการเลือกเครื่องมือจึงไม่ใช่แค่การเลือกเซ็นเซอร์ทีละตัว มันเป็นการตัดสินใจออกแบบระบบที่ผูกติดกับขนาด พฤติกรรมการผสม และสิ่งที่กระบวนการอาจซ่อนจากคุณ
ตารางเปรียบเทียบสำหรับการเลือกการผสมผสานการตรวจสอบที่เหมาะสม
การเลือกเซ็นเซอร์เป็น การตัดสินใจควบคุม ที่ส่งผลต่อ การคาดการณ์ต้นทุนอุปกรณ์. การผสมผสานที่ดีที่สุดขึ้นอยู่กับการตัดสินใจที่เซ็นเซอร์เหล่านั้นช่วยให้คุณทำได้: การควบคุมแบบวงปิด ข้อมูลเชิงลึกของกระบวนการ หรือทั้งสองอย่าง
ตารางแรกครอบคลุมกระดูกสันหลังของการควบคุมการมองครั้งที่สองที่เครื่องมือที่เพิ่มความเข้าใจในกระบวนการ.
เซ็นเซอร์แบบคลาสสิก: กระดูกสันหลังของการควบคุม
เซ็นเซอร์เหล่านี้ทำงานอย่างต่อเนื่องและป้อนเข้าสู่การควบคุมแบบวงปิดโดยตรง. CO2 ที่ละลาย กลายเป็นสัญญาณที่สำคัญมากขึ้นเมื่อการกำจัดก๊าซยากขึ้นในขนาดที่ใหญ่ขึ้น.
| เซ็นเซอร์ | พารามิเตอร์ที่วัดได้ | เวลาตอบสนอง | บทบาทในการขยายขนาด |
|---|---|---|---|
| อุณหภูมิ | อุณหภูมิของน้ำซุป | เร็ว | รักษาสภาพการเพาะเลี้ยงที่เสถียร |
| pH | ความเป็นกรด/ด่าง | เร็ว | จัดการความชันจากการเติมเบสและการสะสมของแลคเตท |
| ออกซิเจนละลาย (DO) | ความตึงของออกซิเจน | เร็ว | สมดุลการถ่ายโอนและการดูดซับออกซิเจน; จัดการความชัน |
| คาร์บอนไดออกไซด์ละลาย | ความดันบางส่วนของ CO2 | ปานกลาง | ตรวจสอบประสิทธิภาพการลอก; ความสำคัญเพิ่มขึ้นเมื่อปริมาณมากขึ้น |
| ความดัน | ความดันของภาชนะ | รวดเร็ว | การจัดการความปลอดภัยและการควบคุมการละลายของก๊าซ |
| โฟม/ระดับ | ความสูงของของเหลวและการสะสมของโฟม | รวดเร็ว | ป้องกันการอุดตันของไส้กรองไอเสียและการสูญเสียความปลอดเชื้อ |
| เครื่องวัดการไหล | อัตราการป้อนก๊าซ/ของเหลว | รวดเร็ว | การจ่ายสารอาหารที่แม่นยำและการควบคุมการกระจายตัวในกระบวนการ fed-batch |
สัญญาณเหล่านี้ช่วยให้ภาชนะคงที่ ชั้นถัดไปจะบอกคุณเพิ่มเติมเกี่ยวกับสิ่งที่เซลล์กำลังทำอยู่
เครื่องมือ PAT ขั้นสูง: ความเข้าใจในกระบวนการ
เครื่องมือเหล่านี้อยู่บนชั้นคลาสสิกและขยายออกไป Raman และ NIR จะมีประโยชน์ก็ต่อเมื่อมีการสร้างแบบจำลองเคโมเมตริกแล้ว นั่นคือการแลกเปลี่ยนหลัก: ความพยายามในการสอบเทียบเทียบกับการมองเห็นเมตาบอไลต์แบบเรียลไทม์ที่เซ็นเซอร์แบบคลาสสิกไม่สามารถให้คุณได้
| เครื่องมือ | ตัวแปรที่วัดได้ | ภาระการสอบเทียบ | โหมดการรวม | รูปแบบที่เหมาะสมที่สุด (เนื้อสัตว์เพาะเลี้ยง) |
|---|---|---|---|---|
| สเปกโทรสโกปี NIR | สารอาหาร, เมตาบอไลต์, ความชื้น | สูง (โมเดลเคโมเมตริกที่ซับซ้อน) | หน้าต่างในสาย/ไหลผ่าน | ถังหมักขนาดใหญ่; การให้อาหารแบบแบทช์ความหนาแน่นสูง |
| สเปกโทรสโกปีรามัน | กลูโคส, แลคเตท, กลูตามีน, แอมโมเนีย, กลูตาเมต, TCD, VCD [2] | สูง (การถดถอย PLS; ต้องการข้อมูลอ้างอิง) [2] | โพรบจุ่มในสาย [2] | ถังหมัก; การไหลเวียน; ระดับนำร่องและการผลิต |
| ความหนาแน่นเชิงแสง | ความหนาแน่นของเซลล์ทั้งหมด (TCD), ความขุ่น | ต่ำ (ความสัมพันธ์เชิงเส้นอย่างง่าย) | ในสาย | การฝึกอบรมเมล็ดพันธุ์และการขยายตัวของชีวมวล |
| ความจุไฟฟ้า | ความหนาแน่นของเซลล์ที่มีชีวิต (VCD), ปริมาตรเซลล์ | ปานกลาง (ความสัมพันธ์เฉพาะเซลล์) | ในสาย | ถังผสม; ระบบที่ใช้ไมโครแคเรียร์ |
| เครื่องวิเคราะห์เมตาบอไลต์อัตโนมัติ | เมตาบอไลต์เฉพาะ, กรดอะมิโน | ต่ำ (การสอบเทียบทางเคมีมาตรฐาน) | ที่สาย (การสุ่มตัวอย่าง/การกรองอัตโนมัติ) | การพัฒนากระบวนการ; การตรวจสอบความถูกต้องของถังผสมขนาดใหญ่ |
เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพแบบใช้ครั้งเดียวมีพอร์ตจำกัด ดังนั้นจำนวนโพรบจึงถูกจำกัด [6]. ในทางปฏิบัติ นั่นหมายความว่าคุณไม่สามารถวัดทุกอย่างได้ คุณต้องให้ความสำคัญกับสัญญาณที่สำคัญที่สุดสำหรับการควบคุมและความเข้าใจในกระบวนการในขนาดที่แท้จริงของคุณ
การแลกเปลี่ยนเหล่านี้นำไปสู่การเลือกเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพที่ตามมา
การจับคู่เครื่องมือการตรวจสอบกับการเลือกเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพ
เลือกเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพรอบ ๆ สแต็คการตรวจสอบ ไม่ใช่ในทางกลับกัน การเลือกอุปกรณ์และการออกแบบการตรวจสอบจำเป็นต้องเกิดขึ้นพร้อมกัน ซึ่งหมายความว่ารูปแบบของภาชนะ จำนวนพอร์ต และการรวมซอฟต์แวร์เป็นส่วนหนึ่งของการตัดสินใจเดียวกัน
เริ่มต้นด้วย CQA และ CPP จากนั้นทำแผนที่เซ็นเซอร์และคุณสมบัติของภาชนะที่เป้าหมายเหล่านั้นต้องการ เลือกภาชนะที่สามารถรองรับสัญญาณที่กระบวนการของคุณต้องการ ทั้งทางกายภาพและผ่านชั้นควบคุม - อุณหภูมิ, pH, DO, ก๊าซที่ปล่อยออกมา, และความมีชีวิตอยู่ในหมู่พวกเขา เมื่อรายการนั้นถูกกำหนดแล้ว การเลือกเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพจะกลายเป็นการตรวจสอบความเข้ากันได้แทนที่จะเป็นการคาดเดา
การตัดสินใจที่สำคัญที่สุดเกี่ยวกับฮาร์ดแวร์ที่นี่คือ การใช้ครั้งเดียวเทียบกับสแตนเลส. ระบบใช้ครั้งเดียวจำกัดจำนวนโพรบและล็อคการสอบเทียบไว้ในชุดประกอบ ดังนั้นแต่ละพอร์ตต้องมีเหตุผลในการใช้งาน สแตนเลสให้พื้นที่สำหรับโพรบมากขึ้นและทำให้การเปลี่ยนเซ็นเซอร์ง่ายขึ้น แต่ก็ยังต้องมีการตรวจสอบ SIP/CIP หลังจากนับพอร์ตแล้ว การจัดการไอเสียจะกลายเป็นข้อจำกัดถัดไป เพราะการกำจัดก๊าซจะยากขึ้นเมื่อปริมาตรการทำงานเพิ่มขึ้น
ที่ปริมาตรมากกว่า 2,000 ลิตร ตรวจสอบว่าเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพสามารถรองรับการตรวจสอบก๊าซที่ปล่อยออกมาได้ [15]. ในกระบวนการเพอร์ฟิวชั่น, ตรวจสอบว่าระบบควบคุมสามารถรับข้อมูลไบโอแคปาซิแตนซ์สำหรับการควบคุมการป้อนและการเก็บเกี่ยวได้ [1]. ในภาชนะขนาดใหญ่ การจัดการไอเสียและการจัดเตรียมการวิเคราะห์ต้องถูกออกแบบตั้งแต่เริ่มต้น
การตรวจสอบสุดท้ายคือความเข้ากันได้ของระบบควบคุม.เซ็นเซอร์จะไร้ประโยชน์หากแพลตฟอร์มไม่สามารถอ่านข้อมูล, วิเคราะห์แนวโน้ม, หรือดำเนินการตามข้อมูลได้ การบูรณาการซอฟต์แวร์ที่อ่อนแอสามารถขัดขวางการทำงานของระบบการตรวจสอบทั้งหมด แม้ว่าเซ็นเซอร์เองจะเหมาะสมกับวัตถุประสงค์ [1].
การจัดซื้อจะง่ายขึ้นเมื่อรูปแบบของเรือและความเข้ากันได้ของเซ็นเซอร์ได้รับการตรวจสอบร่วมกัน
บทสรุป
การขยายขนาดจะได้ผลเมื่อการตรวจสอบสอดคล้องกับชีววิทยา, กลยุทธ์การควบคุม, และรูปแบบของเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพ ในปริมาณที่มากขึ้น นั่นหมายถึงการจับคู่การควบคุมสภาพแวดล้อมของการเพาะเลี้ยงอย่างเข้มงวดกับ การวิเคราะห์กระบวนการ ที่สามารถติดตามสิ่งที่เซลล์กำลังทำในเวลาจริง
สแต็คการตรวจสอบที่แข็งแกร่งที่สุดมักจะรวม capacitance สำหรับความหนาแน่นของเซลล์ที่ใช้งานได้, Raman หรือ NIR สำหรับการติดตามเมตาบอไลต์, และเซ็นเซอร์ pH และ ออกซิเจนละลาย แบบอินไลน์สำหรับการควบคุมสิ่งแวดล้อม เครื่องมือเหล่านี้มีความสำคัญมากยิ่งขึ้นเมื่อเชื่อมต่อกับ SCADA หรือ MES, เพื่อให้ระบบสามารถตอบสนองเมื่อกระบวนการเริ่มเบี่ยงเบน ในระดับการค้า การตั้งค่า PAT แบบบูรณาการได้แสดงให้เห็นว่าสามารถลดอัตราการเบี่ยงเบนลงเหลือ น้อยกว่า 2% และลดระยะเวลาการปล่อยแบทช์ลงได้ สูงสุด 30% เมื่อเทียบกับแคมเปญแบบดั้งเดิม [1] .
สแต็คนี้จำเป็นต้องได้รับการพิสูจน์ก่อนที่จะย้ายไปยังภาชนะที่ใหญ่ขึ้น ตรวจสอบความถูกต้องในระดับนำร่อง สร้างโมเดลที่นั่น และนำการตั้งค่าการควบคุมที่ได้ผลภายใต้สภาวะที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการไปใช้ต่อเท่านั้น ในทางปฏิบัติ นั่นหมายถึงการจัดการเลือกเซ็นเซอร์และความเข้ากันได้ของซอฟต์แวร์ตั้งแต่เนิ่นๆ เพื่อให้การตั้งค่าการตรวจสอบสามารถเคลื่อนไหวไปพร้อมกับกระบวนการแทนที่จะทำให้การขยายขนาดช้าลงในภายหลัง
แนวคิดเดียวกันนี้ใช้กับการจัดซื้อจัดจ้าง
คำถามที่พบบ่อย
เมื่อใดที่ฉันควรเพิ่ม PAT ในการขยายขนาด?
เพิ่ม PAT ในระหว่างการขยายขนาดเมื่อพารามิเตอร์ของกระบวนการเริ่มมีผลโดยตรงต่อความเสถียรของการเพาะเลี้ยงและคุณภาพของผลิตภัณฑ์
ติดตามพารามิเตอร์สำคัญอย่างต่อเนื่อง รวมถึง ความหนาแน่นของเซลล์ , เมตาบอไลต์, และ สภาพแวดล้อม, เพื่อช่วยให้กระบวนการคงที่และสนับสนุนการปฏิบัติตามกฎระเบียบ
ฉันจะเลือกใช้ระหว่าง Raman, NIR และ capacitance ได้อย่างไร?
มันขึ้นอยู่กับสิ่งที่คุณต้องการตรวจสอบในระหว่างการขยายขนาด
- Raman เหมาะที่สุดเมื่อคุณต้องการข้อมูลโมเลกุลที่ละเอียดและต้องการติดตามสารวิเคราะห์หลายชนิดในเวลาจริง
- NIR ใช้สำหรับการตรวจสอบออนไลน์แบบกว้าง แต่ยังมีการตรวจสอบน้อยในวัฒนธรรมเซลล์และอาจต้องการการสอบเทียบเพิ่มเติม
- Capacitance เหมาะสำหรับการตรวจสอบออนไลน์ที่เรียบง่ายและทนทานของความเข้มข้นของเซลล์ที่มีชีวิต แม้ว่าความแม่นยำอาจลดลงในช่วงที่เซลล์ตาย
ทำไมโพรบถึงล้มเหลวในขนาดที่ใหญ่ขึ้น?
โพรบอาจล้มเหลวในขนาดที่ใหญ่ขึ้นเนื่องจากการกวนที่สูงขึ้น การสั่นสะเทือนมากขึ้น และการสึกหรอทั่วไปทำให้เกิดความเครียดทางกลมากขึ้น ในจุดนั้น เซ็นเซอร์ที่ไม่ได้สร้างขึ้นสำหรับสภาพเหล่านั้นอาจได้รับความเสียหาย
