Glucose and Lactate Monitoring with PTRam

Význam tématu

Ramanova spektroskopie je klíčová součást procesní analytické technologie (PAT) v biotechnologickém a farmaceutickém průmyslu díky své schopnosti poskytovat nedeštruktivní a kontinuální měření v reálném čase.

Monitorování glukózy a laktátu během buněčných kultur a fermentací umožňuje optimalizaci výrobních procesů, zvýšení výtěžnosti a zajištění kvality finálních produktů.

Cíle a přehled studie

Cílem studie bylo ověřit možnost sledování koncentrací glukózy a laktátu ve vodném systému během statických i dynamických experimentů pomocí Ramanova analyzátoru PTRam od společnosti B&W Tek (Metrohm).

Prvně byla připravena řada standardních roztoků s proměnnou koncentrací glukózy (0–4,5 g/L) a laktátu (0–4,4 g/L) pro vytvoření kalibračních modelů. Následně byl proveden dynamický experiment simulující spotřebu glukózy a tvorbu laktátu v čase.

Použitá metodika a instrumentace

Instrumentace:

• PTRam Process Development Raman Analyzer, 785 nm, výkon 340 mW
• Lab-grade vláknová sonda RIS100-FS s ponornou křemennou šachtou
• Vision software pro akvizici dat, kalibraci a predikci
• ASTM Polystyren standard pro validaci

Metodika:

• Statické experimenty: měření roztoků glukózy a laktátu při integraci 18 s, spektra korigována vůči standardu NIST 2241
• Předzpracování: Savitzky-Golayův derivát (1. řád pro glukózu, 2. řád pro laktát) a standard normal variate
• Vytvoření PLS modelů s křížovou validací ve čtyřech segmentech (tři faktory)
• Dynamický experiment: sledování změn koncentrací glukózy a laktátu v průběhu 6,5 h podle předem definovaných teoretických křivek

Hlavní výsledky a diskuse

Kalibrace:

• Lineární závislost predikce na laboratorně stanovených hodnotách
• Glukóza: RMSEC a koeficient determinace R² blízko ideálu
• Laktát: obdobné parametry ukazující vysokou přesnost

Dynamické měření:

• Trendové křivky podle PTRam odpovídají teoretickým hodnotám spotřeby glukózy a produkce laktátu
• Standardní chyba predikce (SEP): glukóza 0,20 g/L, laktát 0,12 g/L
• Nízké biasy naznačují minimální systematickou odchylku

Přínosy a praktické využití metody

Ramanova spektroskopie umožňuje:

• On-line a in-line sledování klíčových metabolitů bez nutnosti vzorkování
• Rychlou odezvu při změnách parametrů procesu
• Zvýšení kontrolovatelnosti a opakovatelnosti bioprocesů

Vhodné uplatnění v QA/QC laboratořích, pilotních provozech i výrobních linkách v biotechnologii a farmacii.

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekává se další rozvoj v oblasti:

• Automatické optimalizace procesů na základě real-time spektroskopických dat
• Pokročilá chemometrická analýza a strojové učení pro robustnější modely
• Miniaturizace přístrojů pro vestavěné senzory v bioreaktorech
• Integrace výsledků do řídicích systémů typu SCADA nebo DCS

Závěr

PTRam ve spojení s Metrohm Vision softwarem prokázal vysokou přesnost a robustnost při sledování glukózy a laktátu v reálném čase. Metoda nabízí cenný nástroj pro PAT studie i kontinuální kontrolu bioprocesů, a to od laboratorních podmínek až po pilotní a průmyslové provozy.

Reference

• Application note 410000058-A, Metrohm AG