Trong sản xuất thịt nuôi cấy, các cảm biến và hệ thống tự động đang thay đổi cách quản lý các bioreactor. Bằng cách theo dõi các yếu tố quan trọng như pH, oxy hòa tan, glucose và nhiệt độ theo thời gian thực, các công nghệ này đảm bảo sự phát triển tế bào nhất quán và giảm thiểu các rủi ro như nhiễm bẩn hoặc thất bại lô. Đây là những điều bạn cần biết:
-
Các loại cảm biến:
- In-line: Theo dõi trực tiếp các thông số bên trong bioreactor để điều chỉnh theo thời gian thực.
- Không xâm lấn: Sử dụng các công cụ bên ngoài như quang phổ Raman để duy trì vô trùng.
- At-line: Phân tích mẫu gần khu vực sản xuất để có cái nhìn chi tiết.
- Các chỉ số quan trọng: Nhiệt độ, pH, oxy hòa tan, glucose, lactate và mức ammonium là rất quan trọng cho việc kiểm soát quy trình. Các cảm biến tiên tiến có thể đo lường những điều này với độ chính xác cao, hỗ trợ việc ra quyết định tốt hơn.
- Lợi ích của Tự động hóa: Cảm biến hỗ trợ AI cung cấp cập nhật tức thì, giảm lấy mẫu thủ công và tối ưu hóa chiến lược cung cấp dinh dưỡng. Điều này cải thiện hiệu quả và phù hợp với các tiêu chuẩn quy định.
- Mở rộng quy mô: Chuyển từ quy mô phòng thí nghiệm sang sản xuất thương mại đòi hỏi cảm biến mạnh mẽ xử lý khối lượng lớn hơn và điều kiện phức tạp. Các mảng đa không gian và phương pháp hiệu chuẩn tiên tiến là cần thiết.
Sự chuyển đổi sang hệ thống tự động, dựa trên cảm biến không chỉ nhằm cải thiện hiệu quả mà còn đáp ứng yêu cầu quy định và đảm bảo chất lượng sản phẩm ở quy mô lớn. Tiếp tục đọc để khám phá các kỹ thuật tích hợp cảm biến, mẹo bảo trì và cách AI đang định hình tương lai của quy trình sinh học.
Tự động hóa quy trình sinh học cho PAT với BioProfile FLEX2 cộng với Seg-Flow
Các loại cảm biến được sử dụng trong quy trình sinh học
Các loại cảm biến trong quy trình sinh học: So sánh In-Line, Non-Invasive và At-Line
Việc chọn cảm biến phù hợp cho quy trình sinh học là cân bằng giữa giám sát thời gian thực, vô trùng và mức độ chi tiết cần thiết. Ba loại chính - in-line, non-invasive, và at-line - mỗi loại đóng một vai trò độc đáo trong sản xuất thịt nuôi cấy. Những cảm biến này nhằm cung cấp dữ liệu chính xác trong khi giảm thiểu rủi ro nhiễm bẩn, đảm bảo chúng phù hợp một cách liền mạch với các nhu cầu quy trình sinh học cụ thể.
Cảm biến In-Line
Cảm biến in-line được đặt trực tiếp bên trong bioreactor hoặc dòng chảy, cung cấp giám sát liên tục, thời gian thực các thông số quan trọng như pH, oxy hòa tan (DO), glucose và amoni.Vì chúng được ngâm trong môi trường nuôi cấy, chúng phải là loại sử dụng một lần hoặc đủ bền để chịu được các phương pháp tiệt trùng như hấp tiệt trùng để duy trì môi trường vô trùng. Trong các trường hợp không thể ngâm trực tiếp, các cảm biến không xâm lấn sẽ thay thế như một giải pháp vô trùng. Cảm Biến Không Xâm Lấn Cảm biến không xâm lấn hoạt động từ bên ngoài bioreactor, sử dụng các công cụ như quang phổ Raman để giám sát điều kiện nuôi cấy mà không vi phạm tính vô trùng. Phương pháp này giảm thiểu đáng kể nguy cơ nhiễm bẩn, điều này đặc biệt quan trọng khi làm việc với các dòng tế bào động vật có vú nhạy cảm trong sản xuất thịt nuôi cấy. Ví dụ, các giải pháp All-in-One Process Raman cho phép theo dõi không phá hủy, có thể mở rộng về sinh khối và thành phần hóa học.Mặc dù chúng xuất sắc trong việc duy trì vô trùng, các cảm biến không xâm lấn có thể không đạt được độ chính xác của các tùy chọn trong dòng cho một số thông số nhất định, khiến chúng trở nên lý tưởng cho các tình huống mà việc tránh ô nhiễm được ưu tiên. Khi cần phân tích chi tiết hơn, các cảm biến tại dòng cung cấp một sự bổ sung có giá trị.
Cảm Biến Tại Dòng
Cảm biến tại dòng được sử dụng để phân tích các mẫu được lấy gần dây chuyền sản xuất. Những cảm biến này đặc biệt hiệu quả cho việc xác nhận dữ liệu trong dòng hoặc khi phân tích chi tiết quan trọng hơn nhu cầu có kết quả ngay lập tức. Trong khi các cảm biến trong dòng cung cấp phản hồi tức thì cho các điều chỉnh tự động, các phương pháp tại dòng mất nhiều thời gian hơn nhưng mang lại những hiểu biết toàn diện hơn về hồ sơ dinh dưỡng và chất chuyển hóa [1]. Điều này làm cho chúng đặc biệt hữu ích cho việc tối ưu hóa quy trình và đáp ứng các yêu cầu quy định, nơi mà tài liệu chi tiết là rất quan trọng.
Các Thông Số Chính cho Giám Sát Thời Gian Thực
Lựa Chọn Các Biến Cụ Thể của Quy Trình
Để giám sát quy trình hiệu quả, điều quan trọng là xác định mục tiêu của bạn và chọn các thông số phù hợp. Các biến phổ biến như nhiệt độ , pH, và oxy hòa tan (DO) giúp duy trì điều kiện ổn định, trong khi Các Thông Số Quy Trình Quan Trọng (CPPs) - như nồng độ glucose, lactate, và ammonium - cung cấp cái nhìn trực tiếp vào trạng thái chuyển hóa và mức độ dinh dưỡng [4].
Các Chỉ Số Hiệu Suất Chính (KPIs), bao gồm mật độ tế bào tổng (TCD) và mật độ tế bào sống (VCD) , cũng quan trọng không kém. Những chỉ số này theo dõi sự phát triển của tế bào và giúp xác định thời điểm tốt nhất cho các hành động như thu hoạch hoặc thay đổi môi trường [4].Ví dụ, quang phổ Raman có thể ước tính TCD với sai số tối đa 5% và VCD với sai số 10%. Tương tự, các phép đo chất chuyển hóa theo thời gian thực cho thấy sai số khoảng 4% đối với glucose, 8% đối với lactate và 7% đối với ammonium [4]. Mức độ chính xác này cho thấy lợi thế của việc giám sát theo thời gian thực so với các phương pháp lấy mẫu thủ công truyền thống [1] .
Một lợi ích khác của việc giám sát tự động trong dây chuyền là khả năng giảm lấy mẫu thủ công, điều này làm giảm đáng kể nguy cơ nhiễm bẩn và thất bại lô hàng tiềm năng [1][4]. Dữ liệu theo thời gian thực cũng tạo điều kiện cho việc kiểm soát dinh dưỡng tự động, cho phép các chiến lược cho ăn chính xác. Ví dụ, duy trì mức glucose trên ngưỡng quan trọng, chẳng hạn như 4 g/L, dẫn đến năng suất và độ đồng nhất tốt hơn [4].
Sau khi xác định các biến số chính, bước tiếp theo là đảm bảo giám sát chính xác thông qua việc đặt cảm biến đúng cách.
Vị trí và Độ chính xác của Cảm biến
Vị trí đặt cảm biến quan trọng không kém việc chọn đúng loại. Để đảm bảo đọc chính xác, đầu dò nên được ngâm hoàn toàn trong môi trường nuôi cấy bằng cách sử dụng các bộ chuyển đổi tiêu chuẩn như cáp PG13.5 [4]. Trong các hệ thống lớn hơn, vị trí cảm biến trở nên quan trọng hơn, vì nó đảm bảo dữ liệu phản ánh toàn bộ bình chứa thay vì chỉ một khu vực nhỏ [4].
Bù nhiệt độ đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì độ chính xác. Các phép đo pH và DO đặc biệt nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ, điều này có thể được giải quyết bằng cách sử dụng lưỡi truyền dẫn kết nối RTD (cảm biến nhiệt độ điện trở) hoặc đầu vào nhiệt điện trở với phần mềm điều khiển [3].Điều này đảm bảo rằng sự dao động nhiệt độ không làm sai lệch các chỉ số, giúp đáp ứng các tiêu chuẩn chất lượng cần thiết cho sản xuất thịt nuôi cấy.
sbb-itb-ffee270
Cách Tích Hợp Cảm Biến với Hệ Thống Điều Khiển Tự Động
Kết Nối Cảm Biến với Phần Mềm Điều Khiển Quy Trình Sinh Học
Cách cảm biến giao tiếp với phần mềm trung tâm của bạn phụ thuộc vào cấu trúc của hệ thống điều khiển. Hệ Thống Điều Khiển Cấu Trúc Phân Cấp Truyền Thống (HSCS) sử dụng cấu hình ba lớp, nơi các tín hiệu tương tự đi qua PLC hoặc DCS. Các hệ thống này số hóa dữ liệu trước khi gửi đến phần mềm trung tâm. Mặc dù đáng tin cậy, cách tiếp cận này có thể dẫn đến tắc nghẽn.
Nhiều cơ sở sản xuất thịt nuôi cấy hiện đại đang chuyển sang Hệ Thống Điều Khiển Fieldbus (FCS) và Hệ Thống Điều Khiển Mạng (NCS).Các hệ thống này đơn giản hóa việc tích hợp bằng cách cho phép các cảm biến kết nối trực tiếp với hệ thống trung tâm thông qua một kênh giao tiếp duy nhất [5]. Các cảm biến thông minh ngày nay có thể xử lý dữ liệu và thực hiện tự chẩn đoán, loại bỏ nhu cầu cho các thiết bị tính toán trung gian [5]. Ví dụ, chuyển sang FCS cho quá trình lên men L-asparaginase II đã dẫn đến tăng 100% sản lượng so với các phương pháp điều khiển cũ hơn [5].
Khi thiết lập cảm biến, hãy đảm bảo chúng tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật số và giao thức bù nhiệt độ. Cảm biến và bộ truyền động nên tương thích với các tiêu chuẩn kỹ thuật số được chấp nhận rộng rãi như Profibus, Foundation Fieldbus, hoặc Ethernet. Điều này đảm bảo việc thay thế thiết bị dễ dàng và giảm chi phí bảo trì [5].Phần mềm điều khiển quy trình sinh học chuyên dụng, như TruBio (được hỗ trợ bởi Emerson DeltaV), hỗ trợ mở rộng quy mô và đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu mà không cần lập trình thủ công [3].
Để tìm nguồn cảm biến và linh kiện chất lượng cao đáp ứng các tiêu chuẩn này, bạn có thể khám phá các tùy chọn đã được xác minh trên
Với các hệ thống được tối ưu hóa này, AI tiên tiến và phân tích dữ liệu có thể nâng cao hơn nữa việc kiểm soát quy trình sinh học.
Sử dụng AI và Phân Tích Dữ Liệu
Dựa trên giám sát thời gian thực, các cảm biến sinh học điều khiển bởi AI đang thay đổi cách quản lý quy trình sinh học thịt nuôi cấy. Vào tháng 2 năm 2025, The Cultivated B đã giới thiệu một hệ thống cảm biến sinh học đa kênh, được trang bị AI, tích hợp giám sát liên tục với phân tích dữ liệu thời gian thực.Hệ thống này theo dõi sự phát triển của tế bào và hoạt động trao đổi chất - như glucose, axit amin, và axit lactic - ở nồng độ picomolar. Kết quả? Đề xuất thời gian thực cho việc điều chỉnh môi trường và chiến lược kiểm soát, loại bỏ nhu cầu lấy mẫu thủ công hoặc đầu dò vật lý [6][7]. Hamid Noori, Người sáng lập và CEO của The Cultivated B, nhấn mạnh tác động của nó:
"Công nghệ cảm biến của chúng tôi cho các bioreactor tăng tốc độ học hỏi của quy trình sinh học, đảm bảo đầu ra chất lượng cao và chất lượng sản phẩm xuất sắc. Tôi tin tưởng rằng điều này sẽ giúp các ngành công nghiệp tối ưu hóa quy trình làm việc và cho phép các quy trình có thể mở rộng thông qua tự động hóa nâng cao." [6]
Để tối ưu hóa các điều chỉnh quy trình động, sử dụng các cảm biến sinh học đa kênh có khả năng phát hiện các phân tử ở mức picomolar.Các cảm biến này cung cấp dữ liệu độ phân giải cao mà các hệ thống AI có thể phân tích [6]. Kết hợp cảm biến thông minh với bộ truyền động trong các hệ thống vòng kín cục bộ và sử dụng logic mờ để tối ưu hóa dinh dưỡng có thể giảm sự phụ thuộc vào các mạng trung tâm [5].
Duy trì và Mở rộng Hệ thống Cảm biến
Hiệu chuẩn và Bảo trì Cảm biến
Hiệu chuẩn là nền tảng đảm bảo các chỉ số chính xác trong sản xuất thịt nuôi cấy. Quá trình này điều chỉnh đầu ra của cảm biến - như từ nhiệt kế, đồng hồ đo áp suất, cảm biến pH và đầu dò oxy hòa tan - với các tiêu chuẩn đã được thiết lập. Hiệu chuẩn thường xuyên không chỉ là một thực hành tốt; nó là cần thiết để đáp ứng các yêu cầu GMP và các quy định an toàn thực phẩm như Quy định (EC) 853/2004 [1].Để đạt được điều này, việc thiết lập lịch trình hiệu chuẩn nhất quán và sử dụng hệ thống giám sát tự động để ghi dữ liệu là các bước quan trọng cho cả tuân thủ và hiệu quả quy trình.
Phần mềm quy trình sinh học tự động, kết hợp với RTD tích hợp (cảm biến nhiệt độ điện trở), giúp duy trì hiệu chuẩn chính xác, ngay cả khi nhiệt độ dao động.
Đối với một lựa chọn tiện lợi hơn, cảm biến dùng một lần đang ngày càng được ưa chuộng. Chúng giảm nhu cầu làm sạch và hiệu chuẩn lại rộng rãi. Ví dụ, các hệ thống như Thermo Scientific DynaDrive có thể mở rộng từ 5 đến 5.000 lít trong khi vẫn duy trì tự động hóa và hiệu quả [3]. Mặt khác, cảm biến tái sử dụng, mặc dù cần bảo trì nhiều hơn, có thể mang lại độ bền theo thời gian.
Một khi quy trình hiệu chuẩn và bảo trì của bạn đã vững chắc, việc mở rộng các hệ thống cảm biến này cho sản xuất thương mại sẽ mang lại một loạt thách thức hoàn toàn mới.
Quy mô sản xuất thương mại
Khi chuyển sang sản xuất quy mô lớn hơn, hệ thống cảm biến phải thích ứng để giải quyết sự biến đổi không gian. Một cảm biến hoạt động hoàn hảo trong một đĩa 50 ml nhỏ có thể không cung cấp dữ liệu chính xác trong một túi tế bào 2 lít - hoặc một bioreactor lớn hơn nhiều [2]. Khi thể tích bioreactor tăng lên, các cảm biến điểm đơn thường không đủ để nắm bắt toàn bộ sự phức tạp của môi trường.
Để đối phó với điều này, các mảng cảm biến đa không gian và cảm biến màng mỏng tiên tiến rất hiệu quả. Các hệ thống này cung cấp giám sát đồng đều, với sự biến đổi hiệu suất dưới 2% trong khoảng thời gian 30 ngày [2]. Đối với các bioreactor lắc, cảm biến cũng phải chịu được áp lực cơ học đáng kể. Các thiết kế cảm biến linh hoạt đã được thử nghiệm để chịu đựng hơn 1,498,110 chu kỳ uốn cong trước khi có dấu hiệu mòn [2].Thêm các màng bảo vệ, như polyethersulfone (PES), có thể giảm thiểu sự bám bẩn sinh học và kéo dài tuổi thọ của cảm biến.
Trước khi mở rộng quy mô, nên kiểm tra hiệu suất cảm biến trên các mô hình giảm quy mô vi lưu. Cách tiếp cận này giúp xác định các vấn đề tiềm ẩn sớm, đảm bảo chuyển đổi mượt mà sang phần cứng thương mại [8]. Ngoài ra, việc lựa chọn các bộ điều khiển quy trình sinh học cho phép chuyển dữ liệu liền mạch từ thiết lập quy mô phòng thí nghiệm sang quy mô sản xuất là rất quan trọng. Các nền tảng như Emerson DeltaV được thiết kế để duy trì tính toàn vẹn của dữ liệu và hỗ trợ quá trình chuyển giao công nghệ từ R&D đến sản xuất quy mô lớn [3].
Kết luận
Kết hợp cảm biến với hệ thống quy trình sinh học tự động đang cách mạng hóa việc sản xuất thịt nuôi cấy, đưa nó từ nghiên cứu thử nghiệm đến sản xuất quy mô lớn.Bằng cách cho phép giám sát thời gian thực các yếu tố quan trọng như pH, oxy hòa tan, glucose và nhiệt độ, các hệ thống này cung cấp thông tin chi tiết ngay lập tức về điều kiện nuôi cấy. Điều này cho phép điều chỉnh nhanh chóng, giảm nguy cơ thất bại và thúc đẩy sự phát triển tối ưu. Như Giovanni Campolongo, Quản lý Phân khúc Thị trường Cao cấp tại
"Việc tận dụng các cảm biến inline để giám sát và kiểm soát điều kiện quy trình sẽ là điều cần thiết để thực hiện sản xuất thương mại thành công" [9].
Sự kết hợp này hỗ trợ mọi giai đoạn sản xuất, từ tinh chỉnh quy trình đến tuân thủ các yêu cầu quy định nghiêm ngặt.
Các hệ thống tự động cũng giảm thiểu can thiệp thủ công trong khi tạo ra các bản ghi dữ liệu chi tiết - một thành phần thiết yếu cho sự tuân thủ GMP và tiêu chuẩn an toàn thực phẩm của Vương quốc Anh.Các bộ điều khiển tiên tiến, chẳng hạn như Thermo Scientific DynaDrive, có thể xử lý các thể tích từ 5 đến 5.000 lít [3], đảm bảo chuyển đổi mượt mà từ quy mô phòng thí nghiệm sang quy mô thương mại.
Việc tích hợp giám sát dựa trên AI bổ sung thêm một lớp hiệu quả. Trong khi các phương pháp truyền thống có thể mất vài ngày để xác định vấn đề, các cảm biến sinh học hỗ trợ AI cung cấp cập nhật tức thì về điều kiện của bioreactor [1]. Mức độ phản hồi này rất quan trọng trong một lĩnh vực mà chi phí sản xuất đã giảm mạnh - từ khoảng £250,000 mỗi chiếc burger vào năm 2000–2001 xuống chỉ còn £7.40 vào đầu năm 2022 [9]. Với hơn 150 công ty trên toàn cầu hiện đang làm việc về thịt nuôi cấy, việc tích hợp các hệ thống cảm biến hiệu quả đã chuyển từ một sự xa xỉ thành một yêu cầu cạnh tranh [9].
Khi các công nghệ này tiếp tục phát triển, các nền tảng như
Câu hỏi thường gặp
Các cảm biến không xâm lấn giúp duy trì sự vô trùng trong hệ thống xử lý sinh học như thế nào?
Cảm biến không xâm lấn đóng vai trò quan trọng trong việc giữ cho hệ thống xử lý sinh học vô trùng bằng cách giám sát chúng mà không tiếp xúc trực tiếp với môi trường nuôi cấy tế bào. Những cảm biến này thường được đặt bên ngoài bioreactor hoặc dựa vào hệ thống vi lưu, cho phép chúng thu thập dữ liệu thời gian thực về các yếu tố như oxy hòa tan, mức độ pH và chất chuyển hóa - tất cả mà không vi phạm bioreactor.
Phương pháp này giảm thiểu đáng kể nguy cơ ô nhiễm so với các đầu dò xâm lấn cũ hơn. Các công nghệ như cảm biến quang học và cảm biến sinh học được hỗ trợ bởi AI đưa điều này lên một tầm cao mới bằng cách cải thiện cả kiểm soát quy trình và độ chính xác dữ liệu trong khi duy trì sự vô trùng. Những tiến bộ như vậy rất quan trọng để bảo vệ tính toàn vẹn của hệ thống sản xuất thịt nuôi cấy.
AI cải thiện kiểm soát quy trình sinh học trong sản xuất thịt nuôi cấy như thế nào?
AI đóng vai trò chuyển đổi trong việc cải thiện kiểm soát quy trình sinh học cho thịt nuôi cấy, cung cấp quản lý sản xuất chính xác, hiệu quả và tự động. Nó đạt được điều này bằng cách phân tích dữ liệu thời gian thực được thu thập từ các cảm biến giám sát các thông số quan trọng như pH, mức oxy, nhiệt độ và sự phát triển của tế bào. Với sự trợ giúp của các thuật toán học máy, AI xử lý dữ liệu này để dự đoán kết quả, phát hiện các bất thường và điều chỉnh điều kiện, đảm bảo chất lượng đồng nhất trong khi giảm thiểu lãng phí.
Khi kết hợp với các cảm biến trong dòng, hệ thống quy trình sinh học điều khiển bằng AI có thể tự động điều chỉnh cài đặt để duy trì điều kiện tăng trưởng lý tưởng, loại bỏ nhu cầu can thiệp thủ công. Cách tiếp cận này không chỉ tăng cường khả năng mở rộng và độ tin cậy mà còn giúp đáp ứng các yêu cầu quy định, thúc đẩy tính khả thi thương mại của sản xuất thịt nuôi cấy.
Làm thế nào để cảm biến có thể được mở rộng hiệu quả cho sản xuất thịt nuôi cấy thương mại?
Mở rộng cảm biến để sản xuất thịt nuôi cấy ở mức độ thương mại đòi hỏi các hệ thống tiên tiến có khả năng giám sát và kiểm soát chính xác khi khối lượng sản xuất tăng lên. Các công nghệ cảm biến hiện đại, chẳng hạn như cảm biến không dây và đầu dò đa thông số, được thiết kế để giám sát các biến số thiết yếu như pH, mức oxy hòa tan, mức glucose và nhiệt độ trong suốt các lò phản ứng sinh học.Các cảm biến này thường đi kèm với thiết kế linh hoạt, nhúng cho phép thu thập dữ liệu theo thời gian thực, phân giải không gian, đảm bảo điều kiện nhất quán cho sự phát triển tế bào tối ưu.
Đối với các hoạt động quy mô lớn, các cảm biến này phải hoạt động liền mạch với hệ thống phản hồi tự động. Sự tích hợp này cho phép ghi nhật ký dữ liệu liên tục và điều chỉnh theo thời gian thực các yếu tố quan trọng như cung cấp dinh dưỡng và mức độ oxy. Tự động hóa giảm nhu cầu can thiệp thủ công, tăng cường khả năng tái lập và nâng cao hiệu quả tổng thể. Trong khi đó, những tiến bộ như đầu dò đa kênh và điện tử không dây cung cấp một cách hiệu quả về chi phí để mở rộng quy mô mà không làm giảm độ chính xác hoặc độ tin cậy. Bằng cách áp dụng các công nghệ này, các nhà sản xuất có thể duy trì quy trình ổn định, đảm bảo chất lượng sản phẩm nhất quán và cải thiện hiệu quả hoạt động khi họ mở rộng sản xuất quy mô thương mại.
