5 Reasons to use Process Mass Spectrometry in Biotechnology

Význam tématu

Processní hmotová spektrometrie (PMS) je v biotechnologii klíčovou analytickou technikou pro monitorování a řízení plynů a těkavých organických látek během fermentace a kultivace buněk.
Umožňuje získat v reálném čase informace o kyslíkovém a oxidu uhličitém gradientu, respiračním kvocientu, koncentraci produktů (např. ethanol, methanol) a detekovat kontaminaci v nejranějších fázích procesu.
Díky vysoké citlivosti a selektivitě přispívá PMS k optimalizaci výtěžnosti, redukci odpadů a zajištění konzistence kvality konečného biotechnologického výrobku.

Cíle a přehled článku

Článek shrnuje pět hlavních důvodů pro nasazení procesní hmotové spektrometrie v biotechnologii:

1. Integrované sledování mikrobiální fermentace i kultury savčích buněk jedním přístrojem.
2. Včasná detekce a eliminace kontaminace před inokulací.
3. Maximalizace viabilní biomasy prostřednictvím kontinuálního sledování respiračního kvocientu (RQ).
4. Konfigurovatelná analýza vzdušných plynů a těkavých organických látek pomocí softwaru.
5. Stejná robustní magnetická sektorová technologie škálovatelná od laboratoře po velkoprostorovou výrobu.

Použitá metodika a instrumentace

Analýza je založena na magnetické sektorové hmotové spektrometrii, která nabízí vyšší přesnost a rozlišení ve srovnání s kvadrupólem.
Přístroje jako Prima PRO, Prima BT a další modely Thermo Fisher Scientific umožňují multi‐stream odběr vzorků plynů z fermentačního či buněčného reaktoru.
Systém je vybaven softwarovým modulem pro nastavitelné metody kalibrace, sledování O2, CO2, N2, ethanol, methanol a dalších látek v reálném čase.
Technologie podporuje bezprostřední integraci s řízením procesu dle FDA PAT (Process Analytical Technology) rámce.

Hlavní výsledky a diskuse

Implementace PMS v biotechnologických provozech přinesla:

• Snížení doby reakce díky včasnému zásahu při zachycení kontaminace.
• Optimalizaci živinového režimu zvýšením respiračního kvocientu o desetinu RQ, což vedlo k lepšímu růstu buněk.
• Zvýšení výtěžnosti biomasy a produktů až o 15 % díky kontinuálním úpravám dávkování substrátů.
• Možnost paralelního sledování více fermentačních cisteren bez nutnosti doplňování nového vybavení.
• Škálovatelnost metodiky od 2–10× vyšší kapacity při přechodu z labu na pilotní a výrobní linky.

Přínosy a praktické využití metody

PMS nachází uplatnění v celé řadě biotechnologických aplikací:

• Mikrobiální fermentace: sledování metabolických parametrů a detekce vedlejších produktů.
• Kultivace savčích buněk: řízení kvality sérových kultur pro biopharma průmysl.
• Potravinářství a výživa: analýza aromatických složek a anaerobních přeměn.
• Průmyslové enzymatické procesy: optimalizace produkce enzymů a stabilita katalyzátorů.
• Rámec nemocniční a environmentální analýzy: detekce škodlivých emisí a bioremediace.

Budoucí trendy a možnosti využití

Další rozvoj PMS v biotechnologii bude směřovat k:

• Integraci umělé inteligence a strojového učení pro prediktivní řízení procesů.
• Komplexním multi‐analytickým platfomám kombinujícím hmotovou spektrometrii s optickými metodami.
• Miniaturizaci sensorických modulů pro in situ měření přímo v bioreaktoru.
• Standardizaci podle globálních regulačních norem a širší komerční dostupnosti přístrojů.

Závěr

Procesní hmotová spektrometrie představuje univerzální nástroj pro řízení biotechnologických procesů v reálném čase. Její schopnost přesného a rychlého stanovení klíčových plynů a těkavých látek vede ke zkrácení doby výroby, vyšší kvalitě finálních produktů a efektivnějšímu využití zdrojů. Díky flexibilní architektuře, škálovatelnosti a souladu s FDA PAT se PMS stává nepostradatelnou technologií pro moderní biotechnologické provozy.