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实时媒体分析与自动采样系统

Real-Time Media Analysis with Automated Sampling Systems

David Bell |

自动化采样系统正在改变生物工艺的监测方式，特别是在培养肉生产中。这些系统提供频繁、精确和实时的数据，涉及营养水平、代谢物和细胞健康等关键因素——这是手动采样无法比拟的。通过每2-3小时运行一次，而不是每天手动一次，它们提供了代谢变化的更清晰图景，有助于防止代价高昂的生产错误。

关键点包括：

  • 效率：采样、分析和清洗周期在15分钟内完成。
  • 无菌性：系统保持无菌状态超过370小时，降低污染风险。
  • 准确性：葡萄糖测量偏差仅为1.1%，氨基酸分析提供近乎实时的见解。
  • 劳动力节省：减少手动干预，释放员工用于其他任务。
  • 应用：提高培养肉生产的一致性和可扩展性。

这些系统与HPLC和拉曼光谱等先进工具无缝集成，实现精确的营养监测和实时过程调整。因此，它们支持更好的质量控制、减少变异性和更高效的生产工作流程。

Manual vs Automated Sampling Systems: Performance Comparison in Bioprocessing

手动与自动采样系统：生物加工中的性能比较

自动采样技术研究

研究方法和方法论

自动采样技术的最新进展显著优化了其在培养肉生产中的应用。这些研究专注于将自动采样系统与分析工具集成，同时在整个过程中保持无菌。通常，研究人员将自动采样器与诸如HPLC和毛细管电泳等已建立的方法结合使用，以监测在线传感器通常难以准确测量的复杂代谢物。

2020年5月，维也纳工业大学的一个团队研究了Numera系统，由Securecell AG开发，并在CHO补料分批培养过程中使用Lucullus PIMS软件。他们监测了18种氨基酸以及IgG产品水平，在连续操作的370小时内保持了无菌状态[2]。随着细胞密度的增加，系统设置的调整（如“推出时间”）变得至关重要[2]。

同样地，在2017年8月，Rosanne M.Guijt从塔斯马尼亚大学采用顺序注射毛细管电泳 (SI-CE)来监测五个平行的Jurkat细胞悬浮培养。四天内，该系统对每个培养进行了96次检测，每次电泳分离仅需12分钟。值得注意的是，每个烧瓶仅需5.78 mL（每次分析少于60 µL），使其非常适合高通量筛选而不会显著减少培养体积[6]。这些精确和系统的方法为深入了解性能数据奠定了基础。

研究结果和性能数据

这些研究的结果强调了自动采样系统的效率和精确性。例如，维也纳团队在葡萄糖测量中实现了1.1%的相对标准偏差。此外，通过校正样品稀释引起的系统误差，将偏差降低到低至0.1%到3%的真实值[2]。这种精确度远优于手动采样通常提供的水平。

采样频率是另一个关键优势。虽然手动采样通常每天仅限一次，但自动化系统可以每天采样8到24次，捕捉到可能被忽视的代谢变化。在维也纳的研究中，氨基酸分析在样品采集后45分钟延迟内完成，提供了关于营养耗竭的近实时洞察[2]。

塔斯马尼亚研究强调了另一个关键好处：通过将乳酸数据与实时细胞密度测量进行标准化，研究人员可以区分化合物如鱼藤酮和氯喹酮的药理效应与简单的生物量变化[6]。这种细致程度几乎不可能通过传统的手动采样实现，因为不频繁的数据点常常掩盖了关键的代谢模式。

用于培养基监测的传感器技术

传感器和分析工具的类型

传感器技术在精炼实时培养基监测中起着关键作用，特别是在培养肉生产中。各种传感器被用来密切关注培养基成分和细胞健康。例如，标准的在线传感器持续测量pH值、温度和溶解氧，确保条件保持在细胞生长的理想状态[7]。在测量活细胞密度时，电容探头是唯一可商用的在线解决方案。这些探头使用电场来检测活细胞，因为完整的细胞膜充当微小的电容器，区分活细胞与死细胞和碎片[7]。

光谱传感器提供了一种非侵入式的方法来跟踪代谢活动。例如，紫外-可见光谱法分析光的吸收和散射（200–740 nm）以估算细胞密度并识别受损细胞的核酸[7]。荧光光谱法监测自然存在的荧光团，如NADH、NADPH和色氨酸，提供有关培养物代谢状态的宝贵实时见解，而不干扰过程[7]。同时，拉曼光谱法生成培养基的分子指纹，能够精确跟踪葡萄糖、乳酸和氨基酸水平，误差极小[7][2]。事实上，在线拉曼传感器显示出显著的准确性，在复杂介质中，酪氨酸的均方根误差为0.41 mM，色氨酸为0.24 mM[2]。这些光谱工具通过提供快速、非破坏性的代谢分析来补充自动采样系统。

自动化系统通过将生物反应器连接到先进的分析仪器，进一步提高了精度。这种设置允许对复杂营养素（如氨基酸和维生素）进行实时监测，而目前的在线传感器难以准确测量这些营养素。 例如，紫外-可见吸收光谱模型在细胞密度预测中已实现高达0.993的R²值，展示了其可靠性。 传感器集成示例 技术开发者和研究人员之间的合作在传感器集成方面取得了令人印象深刻的进展。 其中一个例子是Sartorius Stedim Biotech和Tornado Spectral Systems之间的合作。他们将拉曼流动池原型集成到Ambr 250高通量迷你生物反应器系统中。通过将其与来自Nova Biomedical的BioProfile FLEX2分析仪配对进行自动化参考测量，他们创建了用于跟踪CHO细胞培养中的葡萄糖、乳酸和谷氨酰胺的稳健模型。此设置将光谱和参考数据之间的时间间隔缩短至仅五分钟，实现了近乎即时的数据关联。 “拉曼光谱是一种非常适合的PAT工具，可以非破坏性地原位测量细胞培养分析物……提供关于被测分子共价键的结构信息，具有高分子特异性和稳健性。” – Marek Hoehse, Sartorius Stedim Biotech 另一个例子来自维也纳技术大学，研究人员展示了传感器集成如何提高精度。使用3.6 L 生物反应器，他们将其连接到 Thermo Fisher Ultimate 3000 HPLC 和 Roche Cedex Bio HT 分析仪，通过 Numera 系统。这一设置允许在 CHO 补料分批培养过程中实时监测 18 种氨基酸和几种维生素，如烟酰胺、叶酸、B12 和核黄素 [2]。自动化系统在一次运行中从 24 个容器中生成 528 个光谱，与传统的中试规模模型构建相比，降低了成本并节省了时间 [8]。

工艺优化和质量控制

实时工艺调整

自动采样系统弥合了实验室分析与现场生产之间的差距，使得 过程分析技术 (PAT) 能够实时应用 [2]。这些系统每两到三个小时提供一次数据，创建一个关于细胞代谢和营养使用的全面视图[2]。这种高频数据捕捉了动力学值和关键事件，例如乳酸变化，这些通常在手动采样中被忽视[2][6]。

当与过程信息管理系统 (PIMS)结合使用时，这些分析结果可以根据需要自动调整喂养策略[2]。动态算法识别反应平台期，允许及时修改过程[5]。这种能力在培养肉生产中尤为重要，因为保持最佳营养平衡对于实现高细胞密度和产量至关重要。

"与手动采样相比，更高的采样频率增加了生成的信息内容，这使得代谢的解释更容易...并且更准确地检测到过程事件。"
– Paul Kroll, 业务发展经理, Securecell AG [1]

一个显著的例子来自2020年，当时维也纳工业大学通过Numera系统将一个3.6升的生物反应器连接到自动HPLC和Cedex Bio HT分析仪。该设置在370小时内监测了18种氨基酸和多种维生素，偏差低至0.1%至3% [2]。频繁的数据收集使得观察到手动方法完全错过的反应动力学成为可能。

优点和挑战比较

以下是与自动采样系统相关的主要优点和挑战的详细信息：

特征 优点 挑战
精度 &和准确性 提供高精度 (1.1% RSD) 并消除样品制备中的人为错误 [2] 需要对稀释因子进行精细校准和调整 [2]
数据频率 允许每天8个以上样品，支持详细的动力学建模 [2] 高数据量需要先进的软件 (PIMS) 进行管理 [2]
劳动力 &和成本 减少手动采样和衍生化工作量 [2] 高昂的前期设备成本和复杂的安装 [2][5]
样品体积消耗极少的培养基（<60 µL 每次分析），保持反应器体积以进行更长时间的运行 [6] 管道中的小体积可能容易出现残留物堆积和表面比效应 [2]
过程控制 促进实时喂养和营养调整 [2][3] 要求采样器、分析仪和生物反应器控制器之间的无缝集成 [2]

自动化系统不仅能保持超过370小时的无菌状态，而且每次分析所需的培养基少于60微升 [2][6]。然而，操作员必须解决液体处理中的潜在系统误差，尽管自动校准可以将偏差降低到0.1% [2]。此外，随着工艺的发展，可能需要根据活细胞密度调整过滤模块中的“推出时间”（POT），以确保样品交付的一致性 [2]。

这些策略强调了自动化系统如何将培养肉生产从被动监控转变为更主动、可控的过程，补充了传感器技术和研究的早期进展。

Cellbase 自动化采样系统资源

Cellbase

认证供应商列表

Cellbase 作为培养肉行业专业人士的枢纽，将他们与用于生物过程监测的模块化自动采样系统供应商连接起来。产品之一是Securecell的Numera系统，该系统将样品直接传输到第三方分析仪进行进一步处理[4]。这些系统与Lucullus PIMS等软件无缝协作，整合来自探头、秤、泵和分析仪的数据，实现实时过程控制[2]。

该平台还重点介绍了专用无菌采样工具，如bbi-biotech的bioPROBE。该工具具有“设计上的无菌性”，采用专利的气垫运输机制以防止生物膜形成和堵塞[9]。此外， Cellbase 的系统兼容多种生物反应器设置，包括Eppendorf的BioFlo和DASGIP系统[10]。例如，Eppendorf生物过程自动采样器可以在4°C到40°C的控制温度范围内存储多达648个样本[10]。通过策划这些先进系统， Cellbase 简化了为培养肉生产量身定制的集成高性能解决方案的搜索。

简化设备采购

除了展示经过验证的列表， Cellbase 使自动采样系统的采购过程变得简单高效。平台识别出可以改装到现有小规模或台式生物反应器控制装置的系统，使生产团队能够在不需要完全改造的情况下增强其监控系统 [10]。这些模块化系统能够在15分钟内完成自动化分析周期 [4]。

对于研发团队，经过验证的列表提供了自动化采样和基于事件的调整解决方案。这对于管理小样本量尤其有用——小至0.5毫升——有助于减少培养基损失 [9][10]。节省时间的潜力显著：与手动方法相比，自动采样在处理1,800个样本时，每年可减少约480工时（相当于12个工周）的劳动力需求 [9]。通过简化设备采购和提高精度， Cellbase 支持培养肉生产过程的实时优化。

结论

总结和未来展望

自动化采样系统正在重塑培养肉生物工艺的监测方式。通过将生物反应器直接与分析工具连接，它们提供的高质量数据频率高达12倍 - 每2-3小时一次，相比传统的一天一次的方法[1][2]。这种频繁的数据收集使得对细胞代谢的理解更深入，营养耗尽的识别更快速，并能计算出优化喂养策略所需的动力学参数。

这些系统还可以更长时间保持无菌状态，并提供高度精确的测量，使其成为生物加工领域的变革者。随着这些优势的确立，舞台已为更大的进步做好准备。

培养肉生产的未来正朝着智能生物制造方向发展。这涉及将自动采样与预测模型和闭环过程控制相结合。这些进步将把重点从事后分析数据转向实时过程优化。这意味着可以实时调整饲养策略，缩短生产时间，确保产品质量一致，并通过对关键质量属性的持续监控加速上市时间[2][3]。对于生产商来说，这些系统正迅速成为具有竞争力和可扩展操作的基石。

像Cellbase这样的平台在这一演变中发挥着关键作用，提供无缝访问最先进的自动化系统，帮助生产者在培养肉行业中保持领先地位。

(English) Numera PAT: 生物加工中的自动采样

Numera

常见问题解答

自动采样系统如何提高培养肉生产的一致性？

自动采样系统通过消除与手动采样相关的不确定性，在培养肉生产中发挥着确保一致性的关键作用。这些系统旨在按计划间隔收集精确的样本体积，从而减少人为错误并确保一致性。这种稳定而准确的采样提供了关于营养物质、代谢物和细胞健康的实时洞察，能够更好地控制生产过程并提高产品质量。

通过自动化采样、准备和传输等任务，污染的几率显著降低。此外，数据收集可以在标准工作时间之外继续进行，提供更全面的生产过程视图。这种持续监控允许快速调整饲料、温度或其他关键因素等参数，从而实现一致的批次质量和更可靠的生产结果。对于在培养肉行业工作的人来说，Cellbase是一个可靠的市场，用于采购经过验证的自动采样系统和分析工具，以帮助实现这些结果。

传感器如何在培养肉生产中贡献于实时监控？

传感器对于实时监控至关重要，因为它们持续跟踪关键过程参数 (CPPs)，如溶解氧、pH值、温度、细胞密度和细胞活力。通过提供即时反馈，这些传感器帮助操作员快速发现偏差，及时进行调整，避免可能影响产品质量的问题。

现代技术，如近红外（NIR）和拉曼探针，将此进一步推进，通过实时监测葡萄糖等营养物质和乳酸等副产品，减少手动采样的需求。先进的光学工具，如原位显微镜，甚至可以提供关于形态和活力的详细单细胞数据。这些创新是过程分析技术（PAT）的核心，能够实现自动化并确保培养肉生产中的一致控制。

像Cellbase这样的平台使得采购专业传感器和分析工具变得更加容易，支持研发团队和生产经理建立适合其独特工作流程的有效实时监控系统。

自动采样系统如何帮助减少生物加工中的劳动力？

自动采样系统通过处理例行任务，如抽取、准备和传送样品到分析仪器，减轻了生物加工的负担。这些系统按照预设的时间表运行，消除了技术人员手动与生物反应器和样品互动的需要。结果是？减少重复工作，降低人为错误的几率，并为技术人员腾出更多时间投入到数据分析和流程优化等任务中。

更重要的是，与手动方法相比，这些系统允许更频繁的采样——有时几乎是连续的。这意味着生成了大量数据，使实时监控和对关键参数的更严格控制成为可能。借助内置的数据管理工具，工作流程变得更加顺畅，自动组织样品元数据，减少了文书工作和手动数据输入。

对于培养肉行业的从业者，Cellbase 提供了一个可靠的市场，能够获取先进的自动采样器、生物反应器配件和分析工具。这简化了采购流程，并支持高效、高通量的生产过程。

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Author David Bell

About the Author

David Bell is the founder of Cultigen Group (parent of Cellbase) and contributing author on all the latest news. With over 25 years in business, founding & exiting several technology startups, he started Cultigen Group in anticipation of the coming regulatory approvals needed for this industry to blossom.

David has been a vegan since 2012 and so finds the space fascinating and fitting to be involved in... "It's exciting to envisage a future in which anyone can eat meat, whilst maintaining the morals around animal cruelty which first shifted my focus all those years ago"

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    污染是培养肉生产中的一个主要障碍，批次失败率达到11.2%，在大规模操作中攀升至19.5%。这不仅浪费了生长培养基（占生产成本的50%以上）等资源，还扰乱了时间表。有效的去污是降低这些风险的关键。以下是用于保持培养肉设施无菌的主要工具的快速概述： 工业级清洁剂和去油剂：去除脂肪和蛋白质等有机残留物，是预消毒清洁的关键。 食品级消毒剂：在清洁后减少微生物负荷，针对细菌和生物膜。 就地清洗（CIP）系统：无需拆卸即可自动清洗生物反应器和管道内部。 紫外线去污灯：使用UV-C光在无化学品的情况下消毒表面和空气。 过氧化氢蒸汽发生器：为房间和设备提供彻底的、无接触的消毒。 不锈钢消毒衣柜：在受控环境中对工具、个人防护装备和小型设备进行消毒。 自动传感器清洁站：保持生物反应器探头的清洁和功能，以维持准确的监测。 每种工具都解决特定的污染挑战，从清洁表面到消毒设备和维护生物安全标准。结合这些方法可确保更安全、更高效的生产，同时减少昂贵的故障。下面，我们深入探讨每种工具的工作原理及其在培养肉生产中的实际应用。 培养肉生产的7种去污工具比较 1.工业级清洁剂和去油剂 工业级清洁剂和去油剂在保持培养肉生产设施的清洁方面起着至关重要的作用。这些强效清洁剂旨在物理去除生产过程中积聚在表面和设备上的有机残留物，如脂肪、蛋白质和细胞碎片。跳过这一步基本的清洁步骤可能会削弱消毒效果，因为剩余的有机物质可能会保护细菌免受消毒剂的影响。 初步清洁后，使用特定的应用程序来改善整体去污过程。 主要应用 pH范围为10.5–11.5的碱性清洁剂（至少含有200 ppm的活性碱度和200 ppm的氯）在分解有机污垢方面非常有效。另一方面，酸性化合物用于去除嵌在设备缝隙中的矿物沉积物[7]。对于垂直表面，建议使用高泡氯化清洁剂，因为其延长的接触时间——通常为15分钟——可确保彻底清洁[6]. 去污方法 清洁开始时使用温水（<48.9°C）冲洗表面，然后进行手动擦洗以破坏生物膜。对于就地清洗（CIP）系统，建议使用低泡碱性清洁剂以避免泵气蚀等问题[5][8]。一旦使用清洁剂后，必须用饮用水彻底冲洗。这一步至关重要，因为大多数清洁剂是碱性的，而许多消毒剂是酸性的——任何残留的清洁剂都可能中和消毒剂，使其失效[8]. 与培养肉设备的兼容性 材料兼容性是另一个关键考虑因素。氯化产品，例如，会导致橡胶或硅胶部件（如生物反应器密封件和管道）过早磨损[7]。对于生物反应器过滤器、通风柜或316级不锈钢罐等精密设备，使用专用去油剂可以去除硬化的油脂而不损坏敏感表面[4]。无泡碱性去油剂也非常适合使用工业洗地机对地板和墙壁等大面积进行深度清洁[4]。 优点和局限性 虽然洗涤剂在去除促进细菌生长的有机物方面效果显著，但它们无法杀死顽固的细菌，如沙门氏菌和大肠杆菌[8]。这一局限性突显了需要进行两步过程：清洁后进行消毒。影响洗涤剂性能的因素包括水质，如pH值和硬度。在干燥的加工环境中，传统的湿洗涤剂可能不适用，因为过多的水分会导致霉菌生长。此外，遵循制造商的稀释指南至关重要——过度稀释会降低效果，而过于浓缩的溶液可能会损坏设备并危及产品安全[8]. 对于培养肉行业的专业人士，这些必需的清洁剂可在Cellbase，一个专门为满足行业需求而设计的B2B市场上获得。 2. 食品级消毒剂 在使用洗涤剂清洁后，食品级消毒剂在将微生物减少到安全水平方面起着关键作用。这些化学剂对形成生物膜的细菌特别有效，生物膜为像L.monocytogenes。一项在23个食品加工设施中进行的研究显示，即使在完成清洁和消毒程序后，65%的设施仍然检测出李斯特菌阳性[9]。 消毒剂的有效性在很大程度上取决于彻底的预清洁。当蛋白质残留在表面时，其性能会显著下降。例如，次氯酸盐溶液通常能达到5.5 log的减少率，但在有机物存在的情况下，其有效性会骤降至仅2.8[9]。通过首先去除有机残留物，消毒剂才能有效地消除剩余的微生物。 主要应用...