W ostatnich latach metody spektroskopowe, w szczególności spektroskopia Ramana, zyskują coraz większe uznanie i akceptację w przemyśle biofarmaceutycznym. Wynika to częściowo z postępu technologicznego, który ułatwia integrację z bioreaktorami, w których zachodzą procesy, ale także wewnętrznych cech, które czynią je atrakcyjnymi jako narzędzie technologii analizy procesów (PAT). Cechy te obejmują m.in.: ich nieinwazyjny charakter, powtarzalność, szybkość pomiaru, możliwość monitorowania zmian w czasie rzeczywistym, brak pobierania próbek (pomiarów in situ) oraz, co istotne, jednoczesny pomiar kilku analitów. Ważne parametry procesu, takie jak składniki odżywcze, metabolity i miano produktu, można określić ilościowo podczas monitorowania bioprocesu właśnie w oparciu o zastosowanie spektroskopii Ramana, która ze względu na swoją czułość i selektywność pozwala na monitorowanie stężenia substratów, metabolitów i produktów, co jest kluczowe w zaawansowanym monitorowaniu i kontroli online krytycznych parametrów bioprocesów.

Analizator Renishaw Virsa^TM Raman umożliwia właśnie wykonanie takich nieinwazyjnych pomiarów ciał stałych, cieczy i zawiesin, dostarczając informacji chemicznych i strukturalnych. System jest stworzony do analizy zawiesin komórek, żywych organizmów i może dokładnie mierzyć stężenia składników pożywki, takich jak glukoza i mleczan. Możliwość instalacji różnej wielkości sond zanurzeniowych pozwala na łatwą instalację na wielu różnych reaktorach bioprzetwarzania dla pomiarów in situ, a jednorazowe nakładki na sondę pozwalają zachować sterylność pomiaru. Bioreaktor może być szklany, plastikowy lub też może to być system bioreaktorów ze stali nierdzewnej, gdzie sygnał zbierany jest poprzez interfejs optyczny. Analizator Virsa^TM Raman oferuje pełną mobilność i skalowalność rozwiązań – od rozwoju procesu w skali laboratoryjnej, do rozwiązań dla ciągłej produkcji z pętlą sterowania ze sprzężeniem zwrotnym. 

Zebrane w czasie monitorowania procesu widma Ramana dane zawierają szereg informacji, które mogą korelować np. ze stanem metabolicznym komórek i ich liczbą. W połączeniu z metodami wielowymiarowymi można te informacje skutecznie wykorzystać do zaawansowanego monitorowania i kontroli bioprocesów, np. monitorowania hodowli kultur komórkowych ssaków czy drobnoustrojów. Spektroskopia Ramana dzięki identyfikacji „odcisków palców” cząsteczek pozwala wykrywać podobne anality z różną czułością. Zastosowania tej techniki w dalszym bioprocesie obejmuje także pomiar stężenia i agregacji produktu oraz glikozylacji i zanieczyszczenia błony. Ta dalsza obróbka odgrywa ważną rolę w bioprodukcji, ponieważ obejmuje szereg etapów – od materiałów biologicznych, do zwiększenia czystości i jakości produktu poprzez wykorzystanie właściwości fizycznych i chemicznych. Należy zatem badać procesy biochemiczne, które powodują, że różnią się one od procesu poprzedzającego. Produkty wytwarzane ze składników pożywek pochodzących od zwierząt zwykle wymagają dalszego procesu oczyszczania i usuwania wirusów, co często jest bardzo kosztowne. Dzięki zastosowaniu spektrometru Virsa^TM Raman jednak ten problem został rozwiązany, ponieważ oferuje mobilność, a dzięki zastosowaniu światłowodów – również odległą lokalizację analizatora, sterylność i bezkontaktową optykę próbkowania, a także kompatybilność z wieloma komorami przepływowymi. Ponadto pomiary można wykonywać w roztworach wodnych, z natury z wysoką swoistością molekularną, przy minimalnej ilości próbek do wstępnego przygotowania.

Uzyskane dane pomiarowe tworzą zwykle zestaw złożonych widm, który wymaga wielowymiarowej metody analizy danych, takiej jak częściowa metoda najmniejszych kwadratów (PLS), a także wykorzystania zestawu danych kalibracyjnych i algorytmów chemometrycznych. Wychodząc naprzeciw tym wymaganiom, wyposażono analizator Ramana Virsa^TM Raman w moduł programowy Monitor WiRE^TM, który dzięki możliwości wykorzystania modeli predykcyjnych, w tym PLS, poprawia zrozumienie procesów chemicznych, dzięki czemu są szczególnie przydatne w strategiach PAT w podejściu QbD (Quality by Design) w produkcji biofarmaceutyków. Co ważne, system Virsa^TM Raman jest kompatybilny z oprogramowaniem do wielowymiarowej analizy danych, takich jak synTQ i SIMCA®. Interfejs OPC-UA jest dostępny pomiędzy analizatorem Virsa^TM Ramana a systemem sterowania procesem w środowisku produkcyjnym. Zarówno na początkowym, jak i dalszym etapie produkcji spektroskopia ramanowska może poprawić wydajność i zminimalizować potrzebę zapewniania jakości za pomocą technik offline, takich jak wysokosprawna chromatografia cieczowa (HPLC).

Podsumowując, spektroskopia Ramana posiada wiele zalet, takich jak: szybkie czasy pomiaru, łatwa implementacja na linii i niskie koszty utrzymania w porównaniu z innymi technikami. Stanowi zatem niewątpliwie cenne narzędzie PAT w dalszych zastosowaniach bioprocesowych w różnych dziedzinach i jest ważnym urządzeniem do monitorowania dalszego bioprzetwarzania ze względu na swoją szybkość, wysoką czułość i wydajność analityczną oraz nieniszczący charakter pomiaru. Można stwierdzić, że spektroskopia Ramana ma potencjał do podejmowania decyzji w czasie rzeczywistym i kontroli jakości produktu, zwiększając tym samym spójność jakości produktu i efektywność działania. Zaimplementowanie analizatora Virsa^TM Raman w monitorowanie bioprocesu zapewni odpowiednią kontrolę jakości produktu, zwiększy wydajność i co ważne – zmniejszy koszty i czas!

Dzięki bogatemu doświadczeniu w czołówce technologii przyrządów ramanowskich od ponad 30 lat, wspieranemu przez globalną strukturę, firma Renishaw jest partnerem, na którym można polegać teraz i w przyszłości. Zapraszamy do współpracy! Więcej informacji na temat analizatora Virsa^TM Raman oraz rozwiązań oferowanych do monitorowania bioprocesów można znaleźć na stronie firmy.

Autorka: Agnieszka Sozańska, Kierownik Sprzedaży Produktów Spektroskopowych w Renishaw