Các hệ thống lấy mẫu tự động đang thay đổi cách giám sát các quy trình sinh học, đặc biệt là trong sản xuất thịt nuôi cấy. Những hệ thống này cung cấp dữ liệu thường xuyên, chính xác và theo thời gian thực về các yếu tố quan trọng như mức độ dinh dưỡng, chất chuyển hóa và sức khỏe tế bào - điều mà lấy mẫu thủ công không thể sánh kịp. Bằng cách hoạt động mỗi 2–3 giờ, so với một lần mỗi ngày thủ công, chúng cung cấp một bức tranh rõ ràng hơn về các thay đổi chuyển hóa, giúp ngăn ngừa các lỗi sản xuất tốn kém.
Các điểm chính bao gồm:
- Hiệu quả: Chu kỳ lấy mẫu, phân tích và làm sạch mất dưới 15 phút.
- Vô trùng: Hệ thống duy trì vô trùng trong hơn 370 giờ, giảm nguy cơ nhiễm bẩn.
- Độ chính xác: Đo lường glucose chỉ lệch 1,1%, với phân tích axit amin cung cấp thông tin gần như theo thời gian thực.
- Tiết kiệm lao động: Giảm thiểu can thiệp thủ công, giải phóng nhân viên cho các nhiệm vụ khác.
- Ứng dụng: Cải thiện tính nhất quán và khả năng mở rộng trong sản xuất thịt nuôi cấy.
Các hệ thống này tích hợp liền mạch với các công cụ tiên tiến như HPLC và quang phổ Raman, cho phép giám sát dinh dưỡng chính xác và điều chỉnh quy trình theo thời gian thực. Kết quả là, chúng hỗ trợ kiểm soát chất lượng tốt hơn, giảm biến đổi và quy trình sản xuất hiệu quả hơn.
Hệ thống Lấy mẫu Thủ công và Tự động: So sánh Hiệu suất trong Quy trình Sinh học
Nghiên cứu về Công nghệ Lấy mẫu Tự động
Phương pháp và Cách tiếp cận Nghiên cứu
Những tiến bộ gần đây trong công nghệ lấy mẫu tự động đã cải thiện đáng kể ứng dụng của chúng trong sản xuất thịt nuôi cấy. Các nghiên cứu này tập trung vào việc tích hợp hệ thống lấy mẫu tự động với các công cụ phân tích trong khi duy trì sự vô trùng trong suốt quá trình.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 từ Đại học Tasmania đã sử dụng Điện di mao quản tiêm tuần tự (SI-CE) để theo dõi năm nền văn hóa treo song song của tế bào Jurkat. Trong bốn ngày, hệ thống đã thực hiện 96 xét nghiệm mỗi nền văn hóa, với mỗi lần tách điện di chỉ mất 12 phút. Đáng chú ý, nó chỉ cần 5,78 mL mỗi bình (ít hơn 60 µL mỗi phân tích), làm cho nó lý tưởng cho việc sàng lọc thông lượng cao mà không làm giảm đáng kể thể tích nền văn hóa [6]. Những phương pháp chính xác và có hệ thống này tạo tiền đề cho những hiểu biết sâu sắc hơn về dữ liệu hiệu suất.
Kết quả nghiên cứu và dữ liệu hiệu suất
Những phát hiện từ các nghiên cứu này nhấn mạnh hiệu quả và độ chính xác của các hệ thống lấy mẫu tự động. Ví dụ, nhóm Vienna đã đạt được độ lệch chuẩn tương đối 1,1% cho các phép đo glucose.Hơn nữa, các lỗi hệ thống gây ra bởi sự pha loãng mẫu đã được điều chỉnh để giảm độ lệch xuống thấp nhất là 0,1% đến 3% so với giá trị thực [2]. Mức độ chính xác này vượt trội hơn nhiều so với những gì mà lấy mẫu thủ công thường cung cấp.
Tần suất lấy mẫu là một lợi thế quan trọng khác. Trong khi lấy mẫu thủ công thường bị giới hạn một lần mỗi ngày, các hệ thống tự động có thể lấy mẫu 8 đến 24 lần mỗi ngày, ghi lại những thay đổi chuyển hóa có thể không được chú ý. Trong nghiên cứu tại Vienna, phân tích axit amin được hoàn thành với độ trễ 45 phút từ khi thu thập mẫu, cung cấp thông tin gần như theo thời gian thực về sự cạn kiệt chất dinh dưỡng [2].
Nghiên cứu Tasmania đã nêu bật một lợi ích quan trọng khác: bằng cách chuẩn hóa dữ liệu lactate so với các phép đo mật độ tế bào theo thời gian thực, các nhà nghiên cứu có thể phân biệt các tác động dược lý của các hợp chất như rotenone và clioquinol khỏi các thay đổi sinh khối đơn giản [6]. Mức độ chi tiết này gần như không thể đạt được với việc lấy mẫu thủ công truyền thống, nơi mà các điểm dữ liệu không thường xuyên thường che khuất các mô hình chuyển hóa quan trọng.
Công Nghệ Cảm Biến cho Giám Sát Môi Trường
Các Loại Cảm Biến và Công Cụ Phân Tích
Công nghệ cảm biến đóng vai trò quan trọng trong việc tinh chỉnh giám sát môi trường theo thời gian thực, đặc biệt là trong sản xuất thịt nuôi cấy. Nhiều loại cảm biến được sử dụng để theo dõi chặt chẽ thành phần môi trường và sức khỏe tế bào.Ví dụ, các cảm biến tiêu chuẩn trong dòng liên tục đo pH, nhiệt độ, và oxy hòa tan, đảm bảo điều kiện luôn lý tưởng cho sự phát triển của tế bào [7]. Khi nói đến việc đo mật độ tế bào sống, các đầu dò điện dung là giải pháp trực tuyến duy nhất có sẵn trên thị trường. Các đầu dò này sử dụng trường điện để phát hiện tế bào sống, vì màng tế bào nguyên vẹn hoạt động như các tụ điện nhỏ, phân biệt tế bào sống với tế bào chết và mảnh vụn [7].
Cảm biến quang phổ cung cấp một cách không xâm lấn để theo dõi hoạt động trao đổi chất. Ví dụ, quang phổ UV–vis phân tích sự hấp thụ và tán xạ ánh sáng (200–740 nm) để ước tính mật độ tế bào và xác định axit nucleic từ các tế bào bị hư hại [7].Quang phổ huỳnh quang giám sát các fluorophore tự nhiên như NADH, NADPH và tryptophan, cung cấp thông tin chi tiết quý giá theo thời gian thực về trạng thái trao đổi chất của môi trường nuôi cấy mà không can thiệp vào quá trình [7]. Trong khi đó, quang phổ Raman tạo ra dấu vân tay phân tử của môi trường, cho phép theo dõi chính xác mức độ glucose, lactate và axit amin với sai số tối thiểu [7][2]. Thực tế, các cảm biến Raman trong dòng đã cho thấy độ chính xác đáng kể, với sai số căn bậc hai trung bình là 0.41 mM cho tyrosine và 0.24 mM cho tryptophan trong môi trường phức tạp [2]. Những công cụ quang phổ này bổ sung cho các hệ thống lấy mẫu tự động bằng cách cung cấp phân tích trao đổi chất nhanh chóng, không gây gián đoạn.
Các hệ thống tự động tăng cường độ chính xác hơn nữa bằng cách kết nối các bioreactor với các máy phân tích tiên tiến.Thiết lập này cho phép giám sát thời gian thực các chất dinh dưỡng phức tạp như axit amin và vitamin, mà các cảm biến trong dòng hiện tại đang gặp khó khăn trong việc đo lường chính xác [1][2]. Ví dụ, các mô hình quang phổ hấp thụ UV–vis đã đạt được giá trị R² cao tới 0.993 cho dự đoán mật độ tế bào, chứng tỏ độ tin cậy của chúng [7].
Ví dụ về Tích hợp Cảm biến
Các hợp tác giữa các nhà phát triển công nghệ và các nhà nghiên cứu đã dẫn đến những tiến bộ ấn tượng trong việc tích hợp cảm biến. Một ví dụ như vậy là sự hợp tác giữa Sartorius Stedim Biotech và Tornado Spectral Systems. Họ đã tích hợp một nguyên mẫu tế bào dòng chảy Raman vào hệ thống Ambr 250 High Throughput mini bioreactor.Bằng cách kết hợp nó với máy phân tích BioProfile FLEX2 từ Nova Biomedical để đo lường tham chiếu tự động, họ đã tạo ra các mô hình mạnh mẽ để theo dõi glucose, lactate và glutamine trong các nền nuôi cấy tế bào CHO. Thiết lập này đã giảm khoảng cách thời gian giữa dữ liệu phổ và dữ liệu tham chiếu xuống chỉ còn năm phút, cho phép tương quan dữ liệu gần như tức thời [8].
"Quang phổ Raman là một công cụ PAT phù hợp để đo lường không phá hủy các chất phân tích trong nuôi cấy tế bào tại chỗ... cung cấp thông tin cấu trúc liên quan đến các liên kết cộng hóa trị của các phân tử được thẩm vấn với độ đặc hiệu phân tử cao và độ bền vững."
– Marek Hoehse, Sartorius Stedim Biotech [8]
Một ví dụ khác đến từ Đại học Công nghệ Vienna, nơi các nhà nghiên cứu đã chứng minh cách tích hợp cảm biến có thể cải thiện độ chính xác. Sử dụng một 3.6 L bioreactor, họ đã kết nối nó với Thermo Fisher Ultimate 3000 HPLC và Roche Cedex Bio HT phân tích thông qua hệ thống Numera. Thiết lập này cho phép giám sát thời gian thực 18 axit amin và một số vitamin, như niacinamide, axit folic, B12, và riboflavin, trong quá trình nuôi cấy CHO fed-batch [2]. Hệ thống tự động đã tạo ra 528 phổ từ 24 bình trong một lần chạy, giảm chi phí và tiết kiệm thời gian so với việc xây dựng mô hình quy mô thí điểm truyền thống [8].
Tối ưu hóa quy trình và kiểm soát chất lượng
Điều chỉnh quy trình thời gian thực
Hệ thống lấy mẫu tự động kết nối khoảng cách giữa phân tích phòng thí nghiệm và sản xuất trực tiếp, cho phép sử dụng Công nghệ Phân tích Quy trình (PAT) trong thời gian thực [2].Các hệ thống này cung cấp dữ liệu mỗi hai đến ba giờ, tạo ra một cái nhìn toàn diện về quá trình trao đổi chất của tế bào và việc sử dụng chất dinh dưỡng [2]. Dữ liệu tần suất cao này nắm bắt các giá trị động học và các sự kiện quan trọng, chẳng hạn như sự thay đổi lactate, thường bị bỏ qua khi lấy mẫu thủ công [2][6].
Khi kết hợp với Hệ thống Quản lý Thông tin Quy trình (PIMS), các kết quả phân tích này có thể tự động điều chỉnh chiến lược cho ăn khi cần thiết [2]. Các thuật toán động xác định các điểm bão hòa phản ứng, cho phép điều chỉnh kịp thời quy trình [5]. Khả năng này đặc biệt có giá trị trong sản xuất thịt nuôi cấy, nơi duy trì cân bằng dinh dưỡng tối ưu là rất quan trọng để đạt được mật độ tế bào cao và năng suất.
"Tần số lấy mẫu cao hơn so với lấy mẫu thủ công làm tăng nội dung thông tin được tạo ra, điều này cho phép dễ dàng diễn giải quá trình trao đổi chất... và phát hiện chính xác hơn các sự kiện trong quy trình."
– Paul Kroll, Quản lý Phát triển Kinh doanh, Securecell AG [1]
Một ví dụ đáng chú ý đến từ năm 2020, khi Đại học Công nghệ Vienna kết nối một bioreactor 3,6 lít với các máy phân tích HPLC tự động và Cedex Bio HT thông qua hệ thống Numera. Thiết lập này đã giám sát 18 axit amin và nhiều loại vitamin trong hơn 370 giờ, với độ lệch chỉ từ 0,1% đến 3% [2]. Việc thu thập dữ liệu thường xuyên đã làm cho việc quan sát động học phản ứng trở nên khả thi mà các phương pháp thủ công hoàn toàn bỏ lỡ.
Lợi ích và Thách thức So sánh
Dưới đây là phân tích về những lợi thế và thách thức chính liên quan đến hệ thống lấy mẫu tự động:
| Tính năng | Lợi ích | Thách thức |
|---|---|---|
| Độ chính xác & Độ chuẩn xác | Cung cấp độ chính xác cao (1.1% RSD) và loại bỏ lỗi của con người trong việc chuẩn bị mẫu [2] | Yêu cầu hiệu chuẩn tỉ mỉ và điều chỉnh cho các yếu tố pha loãng [2] |
| Tần suất Dữ liệu | Cho phép hơn 8 mẫu mỗi ngày, cho phép mô hình hóa động học chi tiết [2] | Khối lượng dữ liệu lớn đòi hỏi phần mềm tiên tiến (PIMS) để quản lý [2] |
| Lao động &và Chi phí | Cắt giảm khối lượng công việc lấy mẫu thủ công và dẫn xuất [2] | Chi phí thiết bị ban đầu cao và lắp đặt phức tạp [2][5] |
| Thể tích Mẫu | Tiêu thụ lượng môi trường tối thiểu (<60 µL mỗi lần phân tích), bảo toàn thể tích lò phản ứng cho các lần chạy dài hơn [6] | Thể tích nhỏ trong ống có thể dễ bị tích tụ cặn và ảnh hưởng tỷ lệ bề mặt [2] |
| Kiểm soát Quy trình | Tạo điều kiện cho việc điều chỉnh dinh dưỡng và cho ăn theo thời gian thực [2][3] | Yêu cầu tích hợp liền mạch giữa các thiết bị lấy mẫu, phân tích và bộ điều khiển lò phản ứng sinh học [2] |
Hệ thống tự động không chỉ duy trì vô trùng trong hơn 370 giờ mà còn yêu cầu ít hơn 60 microlit môi trường mỗi lần phân tích [2][6].Tuy nhiên, các nhà vận hành phải giải quyết các lỗi hệ thống tiềm ẩn trong việc xử lý chất lỏng, mặc dù hiệu chuẩn tự động có thể giảm sai lệch xuống còn 0,1% [2]. Ngoài ra, "Thời Gian Đẩy Ra" (POT) trong các mô-đun lọc có thể cần được điều chỉnh dựa trên mật độ tế bào khả thi để đảm bảo việc cung cấp mẫu nhất quán khi quá trình phát triển [2].
Các chiến lược này nhấn mạnh cách các hệ thống tự động chuyển đổi sản xuất thịt nuôi cấy từ giám sát phản ứng sang một quy trình được kiểm soát, chủ động hơn, bổ sung cho những tiến bộ trước đó trong công nghệ cảm biến và nghiên cứu.
sbb-itb-ffee270
Cellbase Tài nguyên cho Hệ thống Lấy mẫu Tự động
Danh sách Nhà cung cấp Đã xác minh
Nền tảng cũng nổi bật với các công cụ lấy mẫu vô trùng chuyên dụng, chẳng hạn như bioPROBE của bbi-biotech.Công cụ này tự hào với "tính vô trùng theo thiết kế", sử dụng cơ chế vận chuyển đệm khí được cấp bằng sáng chế để ngăn chặn sự hình thành màng sinh học và tắc nghẽn [9]. Ngoài ra,
Đơn giản hóa việc mua sắm thiết bị
Vượt ra ngoài việc giới thiệu các danh sách đã được xác minh,
Đối với các nhóm R&D, danh sách đã được xác minh cung cấp các giải pháp tự động hóa cả việc lấy mẫu và điều chỉnh dựa trên sự kiện. Điều này đặc biệt hữu ích cho việc quản lý các thể tích mẫu nhỏ - chỉ 0,5 ml - giúp giảm thiểu mất mát môi trường [9][10]. Tiềm năng tiết kiệm thời gian là đáng kể: việc lấy mẫu tự động có thể giảm nhu cầu lao động khoảng 480 giờ công (tương đương với 12 tuần công) hàng năm khi xử lý 1.800 mẫu, so với phương pháp thủ công [9].Bằng cách đơn giản hóa việc mua sắm thiết bị và nâng cao độ chính xác,
Kết luận
Tóm tắt và Triển vọng Tương lai
Hệ thống lấy mẫu tự động đang định hình lại cách các quy trình sinh học thịt nuôi cấy được giám sát. Bằng cách kết nối trực tiếp các bioreactor với các công cụ phân tích, chúng cung cấp dữ liệu chất lượng cao lên đến 12 lần thường xuyên hơn - cứ mỗi 2–3 giờ so với cách tiếp cận truyền thống một lần mỗi ngày [1][2]. Việc thu thập dữ liệu thường xuyên này cho phép hiểu sâu hơn về quá trình trao đổi chất của tế bào, nhận diện nhanh chóng sự cạn kiệt dinh dưỡng và tính toán các thông số động học quan trọng để tối ưu hóa chiến lược cho ăn.
Những hệ thống này cũng duy trì sự vô trùng trong thời gian dài hơn và cung cấp các phép đo cực kỳ chính xác, làm cho chúng trở thành một bước đột phá trong quy trình sinh học.Với những lợi thế này đã được thiết lập vững chắc, sân khấu đã sẵn sàng cho những tiến bộ lớn hơn nữa.
Tương lai của sản xuất thịt nuôi cấy đang hướng tới sản xuất sinh học thông minh. Điều này bao gồm tích hợp lấy mẫu tự động với các mô hình dự đoán và kiểm soát quy trình vòng kín. Những tiến bộ như vậy sẽ chuyển trọng tâm từ phân tích dữ liệu sau khi thực hiện sang tối ưu hóa quy trình theo thời gian thực. Điều này có nghĩa là các chiến lược cho ăn có thể được điều chỉnh ngay lập tức, giảm thời gian sản xuất, đảm bảo chất lượng sản phẩm nhất quán và đẩy nhanh thời gian ra thị trường thông qua giám sát liên tục các thuộc tính chất lượng quan trọng [2][3]. Đối với các nhà sản xuất, các hệ thống này đang nhanh chóng trở thành nền tảng cho các hoạt động cạnh tranh và có thể mở rộng.
Các nền tảng như
(English) Numera PAT: lấy mẫu tự động trong quy trình sinh học
Câu hỏi thường gặp
Các hệ thống lấy mẫu tự động cải thiện tính nhất quán trong sản xuất thịt nuôi cấy như thế nào?
Các hệ thống lấy mẫu tự động đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo tính nhất quán trong sản xuất thịt nuôi cấy bằng cách loại bỏ sự không thể đoán trước liên quan đến lấy mẫu thủ công. Các hệ thống này được thiết kế để thu thập các thể tích mẫu chính xác tại các khoảng thời gian đã định, giúp giảm thiểu lỗi của con người và đảm bảo tính đồng nhất. Việc lấy mẫu ổn định và chính xác này cung cấp thông tin chi tiết theo thời gian thực về chất dinh dưỡng, chất chuyển hóa và sức khỏe tế bào, cho phép kiểm soát tốt hơn quy trình sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm.
Bằng cách tự động hóa các nhiệm vụ như lấy mẫu, chuẩn bị và chuyển giao, khả năng nhiễm bẩn được giảm đáng kể. Thêm vào đó, việc thu thập dữ liệu có thể tiếp tục ngay cả ngoài giờ làm việc tiêu chuẩn, cung cấp cái nhìn toàn diện hơn về quy trình sản xuất. Việc giám sát liên tục này cho phép điều chỉnh nhanh chóng các thông số như thức ăn, nhiệt độ hoặc các yếu tố quan trọng khác, dẫn đến chất lượng lô hàng nhất quán và kết quả sản xuất đáng tin cậy hơn. Đối với những người làm việc trong lĩnh vực thịt nuôi cấy,
Các cảm biến đóng góp như thế nào vào việc giám sát thời gian thực trong sản xuất thịt nuôi cấy?
Các cảm biến rất cần thiết cho việc giám sát thời gian thực, vì chúng liên tục theo dõi các thông số quy trình chính (CPPs) như oxy hòa tan, pH, nhiệt độ, mật độ tế bào và khả năng sống của tế bào.Bằng cách cung cấp phản hồi tức thì, các cảm biến này giúp người vận hành phát hiện sai lệch nhanh chóng, thực hiện điều chỉnh kịp thời và tránh các vấn đề có thể làm ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm.
Các công nghệ hiện đại, như đầu dò cận hồng ngoại (NIR) và Raman, đưa điều này lên một tầm cao mới bằng cách giám sát các chất dinh dưỡng như glucose và các sản phẩm phụ như lactate trong thời gian thực, giảm nhu cầu lấy mẫu thủ công. Các công cụ quang học tiên tiến, như kính hiển vi in-situ, thậm chí cung cấp dữ liệu chi tiết về hình thái và khả năng sống của từng tế bào. Những đổi mới này là trung tâm của Công nghệ Phân tích Quy trình (PAT), cho phép tự động hóa và đảm bảo kiểm soát nhất quán trong sản xuất thịt nuôi cấy.
Các nền tảng như
Các hệ thống lấy mẫu tự động giúp giảm lao động trong quy trình sinh học như thế nào?
Các hệ thống lấy mẫu tự động loại bỏ công việc nặng nhọc trong quy trình sinh học bằng cách xử lý các nhiệm vụ thường xuyên như lấy, chuẩn bị và giao mẫu đến các thiết bị phân tích. Hoạt động theo lịch trình đã được thiết lập trước, các hệ thống này loại bỏ nhu cầu kỹ thuật viên phải tương tác thủ công với các bể phản ứng sinh học và mẫu. Kết quả? Ít công việc lặp đi lặp lại, ít khả năng xảy ra lỗi của con người và nhiều thời gian hơn cho nhân viên có kỹ năng để tham gia vào các nhiệm vụ như phân tích dữ liệu và tinh chỉnh quy trình.
Hơn nữa, các hệ thống này cho phép lấy mẫu thường xuyên hơn nhiều - đôi khi gần như liên tục - so với các phương pháp thủ công. Điều này có nghĩa là một lượng lớn dữ liệu được tạo ra, cho phép giám sát theo thời gian thực và kiểm soát chặt chẽ hơn các thông số quan trọng. Với các công cụ quản lý dữ liệu tích hợp, quy trình làm việc trở nên mượt mà hơn bằng cách tự động tổ chức siêu dữ liệu mẫu, giảm bớt giấy tờ và nhập dữ liệu thủ công.
Đối với những người trong ngành công nghiệp thịt nuôi cấy,
