Agitasi sangat penting dalam produksi daging budidaya, memastikan sel menerima oksigen dan nutrisi sambil menghindari penumpukan limbah. Namun, agitasi yang berlebihan menyebabkan masalah seperti pelepasan sel, kerusakan membran, dan pertumbuhan yang berkurang. Menemukan keseimbangan yang tepat sangat penting, terutama dalam bioreaktor skala besar, di mana bahkan penyesuaian kecil dapat mempengaruhi produksi.
Poin Penting:
- Agitasi Optimal: Studi menunjukkan 60 rpm dalam reaktor tangki berpengaduk adalah ideal untuk menyeimbangkan pengiriman nutrisi dan tekanan geser.
-
Jenis Bioreaktor:
- Tangki Berpengaduk: Pencampuran efektif tetapi berisiko tekanan geser tinggi.
- Bioreaktor Gelombang: Pencampuran lembut, terbatas oleh transfer oksigen.
- Sistem Airlift: Pencampuran seragam dengan tekanan rendah tetapi memerlukan kontrol yang tepat.
- Tindakan Perlindungan: Aditif seperti Poloxamer 188 dan oksigenasi bebas gelembung mengurangi kerusakan sel.
- Tantangan Skala: Sistem yang lebih besar meningkatkan risiko gesekan, memerlukan pemantauan yang tepat dan pemodelan CFD.
Mempertahankan kontrol agitasi yang tepat sangat penting untuk meningkatkan produksi daging yang dibudidayakan sambil melindungi integritas sel.
Bagaimana Agitasi Mempengaruhi Pertumbuhan dan Kelangsungan Hidup Sel
Apa yang Ditunjukkan oleh Studi Terbaru
Penelitian terbaru telah mengidentifikasi ambang batas agitasi spesifik yang mempengaruhi pertumbuhan dan kelangsungan hidup sel. Misalnya, sebuah studi ABM-CFD menggunakan sel FS-4 pada mikrokari di bioreaktor tangki pengaduk 100 mL mengungkapkan bahwa 60 rpm adalah kecepatan pencampuran optimal. Pada kecepatan ini, nutrisi dan oksigen terdistribusi merata, dengan tekanan gesekan tetap antara 0–80 mPa. Namun, melebihi 60 rpm menyebabkan kerusakan dan pelepasan sel akibat peningkatan gaya.Pada 220 rpm, angka Reynolds impeller melonjak dari 1.444 menjadi 5.294,7, menandakan pergeseran ke aliran turbulen. Turbulensi ini menghasilkan pusaran yang lebih kecil dari mikrokari, yang dapat merusak sel dan membrannya [2].
Studi lain yang berfokus pada sel punca mesenkimal yang berasal dari tali pusat manusia menyoroti bagaimana bahkan sedikit peningkatan intensitas agitasi secara signifikan mengurangi tingkat adhesi. Ini menunjukkan sensitivitas tinggi sel yang menempel terhadap stres mekanis [6].
Temuan ini menekankan pentingnya mengkalibrasi kecepatan pencampuran dengan tepat, yang tetap menjadi area utama penyempurnaan yang sedang berlangsung.
Menemukan Intensitas Pencampuran yang Tepat
Tantangan utama adalah menyeimbangkan kecepatan agitasi minimum yang diperlukan untuk menangguhkan mikrokari (N<sub>js</sub>) tanpa melewati batas stres geser.Untuk sel daging, kondisi ideal melibatkan tingkat disipasi energi sekitar 1 mW·kg⁻¹ dan waktu pencampuran di bawah 10 detik [1].
"Mempertahankan lingkungan mikro dan makro yang menguntungkan bagi sel tanpa memberikan tekanan mekanis berlebihan dari pengadukan akan memerlukan inovasi dan optimasi desain serta proses bioreaktor" [2].
Pengadukan berlebihan dapat memiliki dua efek merusak: kematian sel segera ketika stres melebihi ambang batas kritis, dan stres kumulatif yang mengarah pada ketenangan. Kedua hasil ini menghambat produktivitas. Ini membuat kontrol yang tepat atas intensitas pengadukan menjadi faktor kritis untuk keberhasilan komersial, terutama dalam produksi skala besar. Dalam sistem dengan volume sebesar 20 m³, bahkan pengadukan minimal dapat menyebabkan pelepasan sel, menyoroti kompleksitas peningkatan skala sambil mempertahankan kelangsungan hidup sel.
Pengenalan Bioreaktor: Pencampuran, agitasi & geseran
Metode Pencampuran Bioreaktor dan Efeknya
Perbandingan Jenis Bioreaktor untuk Produksi Daging Budidaya
Membandingkan Sistem Bioreaktor yang Berbeda
Desain bioreaktor memainkan peran penting dalam menyeimbangkan distribusi nutrisi dan mengelola stres mekanis. Setiap jenis bioreaktor menciptakan kondisi pencampuran yang berbeda, yang secara langsung mempengaruhi kelangsungan hidup dan produktivitas sel. Memilih sistem yang tepat berarti menemukan keseimbangan antara pengiriman nutrisi yang efisien dan meminimalkan kekuatan mekanis yang dapat merusak sel.
Bioreaktor tangki berpengaduk mengandalkan impeler mekanis untuk mencampur kultur. Impeler Rushton menghasilkan aliran radial, yang mengarah ke zona geseran lokal, terutama di dekat ujung impeler.Sebaliknya, impeller bilah miring dan bilah laut menciptakan aliran yang lebih lembut, yang lebih cocok untuk sel mamalia yang halus. Sebuah studi yang dilakukan pada Maret 2025 oleh State Key Laboratory of Bioreactor Engineering di Shanghai membandingkan kinerja sel CHO-K1 dalam bioreaktor tangki berpengaduk dan bioreaktor yang digoyang secara orbital. Sistem tangki berpengaduk mencapai 71,6 × 10⁶ sel/mL pada 520 rpm, sedangkan sistem yang digoyang secara orbital mencapai 83 × 10⁶ sel/mL hanya pada 100 rpm [4].
Bioreaktor gelombang (rocking) menghilangkan impeller sepenuhnya, menggunakan kantong sekali pakai yang bergoyang di atas nampan untuk menciptakan gelombang lembut untuk pencampuran. Lingkungan gesekan rendah ini ideal untuk garis sel yang rapuh. Namun, sistem ini bergantung pada aerasi permukaan, yang dapat membatasi transfer oksigen dalam kultur dengan kepadatan tinggi. Untuk mempertahankan pembentukan gelombang yang efektif, volume kerja dibatasi hingga 50% dari kapasitas total kantong [7].
Bioreaktor airlift menggunakan pencampuran pneumatik, di mana gas sparging mengedarkan cairan antara riser dan downcomer. Tanpa bagian bergerak internal, sistem airlift memberikan penyebaran energi yang seragam dan gaya geser yang lebih rendah dibandingkan dengan tangki berpengaduk. Tidak seperti bioreaktor gelombang, desain airlift menawarkan transfer oksigen yang lebih baik karena sirkulasi yang efisien [7] .
| Jenis Bioreaktor | Mekanisme Pencampuran | Tegangan Geser | Kepadatan Sel yang Dicapai | Batasan Utama |
|---|---|---|---|---|
| Pengaduk-Tangki | Impeller mekanis | Tinggi (terlokalisasi) | 71.6 × 10⁶ sel/mL | Risiko kerusakan ujung impeller |
| Digoyang Secara Orbit | Rotasi wadah | Sedang | 83 × 10⁶ sel/mL | Puncak tegangan geser |
| Gelombang (Mengayun) | Pengayunan horizontal | Sangat rendah | Tinggi | Transfer oksigen terbatas |
| Airlift | Penyemprotan gas | Rendah (seragam) | Tinggi | Memerlukan kontrol gas yang presisi
"Dalam reaktor tangki berpengaduk... pencampuran impeller lokal menghasilkan gradien geser besar yang menyebabkan sel mengalami stres mekanis." – Cellexus [7]
Seiring dengan skala bioreaktor yang meningkat, pertukaran antara efisiensi pencampuran dan perlindungan sel menjadi lebih jelas.Sistem tangki berpengaduk sangat efektif dalam mendistribusikan nutrisi tetapi memerlukan penyesuaian kecepatan yang hati-hati untuk menghindari kerusakan sel di zona geser tinggi. Di sisi lain, bioreaktor gelombang dan airlift memberikan pencampuran yang lebih lembut, mengurangi risiko stres geser, meskipun mereka mungkin kesulitan dengan pengiriman oksigen dalam kultur yang padat. Perbandingan ini menekankan keseimbangan yang rumit yang diperlukan untuk mengoptimalkan pemrosesan bioproses skala besar sambil melindungi integritas sel.
sbb-itb-ffee270
Mengurangi Stres Geser dan Meningkatkan Pertumbuhan Sel
Desain Bioreaktor Baru dan Aditif Pelindung
Meminimalkan stres geser sangat penting untuk mempromosikan pertumbuhan sel dalam produksi daging yang dibudidayakan. Inovasi dalam desain bioreaktor dan penggunaan aditif pelindung telah secara signifikan meningkatkan viabilitas sel dan efisiensi pencampuran.Salah satu pendekatan menjanjikan melibatkan bioreaktor yang digoyang secara orbital, yang mengandalkan gerakan wadah dan aerasi permukaan untuk menghindari gaya geser yang merusak yang disebabkan oleh pencampuran yang digerakkan oleh impeller dan pecahnya gelembung. Sistem ini telah menunjukkan hasil yang mengesankan, menghasilkan 83 × 10⁶ sel/mL, dibandingkan dengan 71.6 × 10⁶ sel/mL dalam sistem tangki berpengaduk tradisional [4] .
Dalam sistem tangki berpengaduk, geometri impeller juga membuat perbedaan. Impeller Rushton radial menciptakan pola aliran yang memungkinkan sel untuk pulih di zona "tenang", mengurangi dampak dari gaya geser tinggi. Seperti yang diamati oleh peneliti dari TTP:
Sel dalam reaktor impeller Rushton radial pulih selama fase tenang, tidak seperti yang ada dalam sistem impeller aksial ganda [5].
Untuk hasil optimal dalam produksi daging budidaya, menjaga kecepatan ujung impeller dalam 0.6–1.8 m/s direkomendasikan untuk melindungi pertumbuhan sel [9] .
Aditif pelindung seperti Poloxamer 188 (Pluronic F-68) memainkan peran penting dengan mengurangi tegangan permukaan pada antarmuka gas-cair, melindungi sel dari kerusakan selama pembentukan dan pecahnya gelembung. Konsentrasi ideal untuk Poloxamer 188 adalah 1 g/L, karena jumlah yang lebih tinggi memberikan sedikit manfaat tambahan [9]. Untuk sel yang menempel yang tumbuh pada mikrokorier, rejim pengadukan intermiten dapat lebih meningkatkan hasil. Sebagai contoh, menggunakan pola 30 menit OFF dan 5 menit ON selama fase penyemaian mendorong transfer dari manik ke manik sambil meminimalkan stres hidrodinamik. Pendekatan ini telah memungkinkan sel satelit sapi mencapai kepadatan 3 × 10⁶ sel/mL [3] .
Selain strategi desain dan aditif ini, meningkatkan pengiriman oksigen dapat lebih mengurangi tegangan geser.
Menggunakan Oksigenasi Tanpa Gelembung
Oksigenasi tanpa gelembung menawarkan cara efektif lain untuk melindungi sel dari kerusakan geser. Pecahnya gelembung pada antarmuka gas-cair dapat menghasilkan tingkat disipasi energi setinggi 10⁶ hingga 10⁸ W/m³, jauh melebihi ambang batas subletal 10⁴ W/m³ yang dapat ditoleransi oleh sebagian besar sel mamalia [9]. Dengan menghilangkan gelembung, metode ini membantu melindungi kultur dengan kepadatan tinggi.
Aerasi permukaan, yang umum digunakan dalam bioreaktor yang digoyang secara orbital dan bergoyang, sangat efektif dalam mengurangi gaya geser.Seperti yang disoroti dalam sebuah studi terbaru:
OSB memanfaatkan gerakan tubuh kapal dan aerasi permukaan untuk secara efektif mengurangi kerusakan geser yang disebabkan oleh bilah impeler tradisional dan pembentukan atau pecahnya gelembung [4].
Bioreaktor goyang juga menunjukkan potensi untuk produksi daging budidaya. Mereka menawarkan keuntungan seperti dapat dibuang, biaya operasional rendah, dan lingkungan hidrodinamik yang lembut [8].
Namun, aerasi permukaan menghadapi tantangan pada kepadatan sel yang sangat tinggi. Misalnya, sebuah bioreaktor goyang orbital mencapai koefisien transfer massa oksigen (kLa) sebesar 20.12 h⁻¹ pada 100 rpm, secara teoritis mendukung kepadatan sel hingga 118 × 10⁶ sel/mL.Namun dalam praktiknya, ketika kepadatan sel melebihi 80 × 10⁶ sel/mL , viskositas suspensi meningkat, menyebabkan perilaku non-Newtonian, shear-thinning yang mengurangi efisiensi transfer oksigen. Hal ini menyoroti perlunya optimasi yang hati-hati seiring dengan meningkatnya kepadatan sel.
Mengendalikan Agitasi untuk Produksi Skala Besar
Menyesuaikan Kecepatan Pencampuran dan Sistem Pemantauan
Dalam sistem skala besar, menjaga kontrol yang tepat atas agitasi sangat penting. Selama 24 jam pertama, disarankan untuk menjaga kecepatan pencampuran antara 30–50 rpm untuk mengoptimalkan penempelan sel ke mikrokorier [6]. Sebuah studi dari East China University of Science and Technology pada Juni 2022 menyoroti pentingnya pendekatan ini: pada 45 rpm, sel punca mesenkimal yang berasal dari tali pusat manusia mencapai 98.Tingkat kepatuhan 68% pada Hari 1, sedangkan peningkatan kecepatan menjadi 55 rpm menyebabkan tingkat kepatuhan menurun drastis menjadi 51,32% [6].
Setelah fase penempelan, pengadukan harus sedikit melebihi kecepatan yang baru tersuspensi (N₍JS₎) untuk mencegah penggumpalan sel. Penelitian menunjukkan bahwa mempertahankan intensitas pengadukan mendekati 1,3 × N₍JS₎ mendukung pertumbuhan sel, sementara melebihi ini hingga 2 × N₍JS₎ menghambat pertumbuhan karena efisiensi penempelan yang berkurang [10].
Monitoring terus-menerus sangat penting, mengingat margin operasional yang sempit. Sistem seperti bioreaktor BioStar 1.5c menggunakan perangkat lunak canggih untuk menyesuaikan pengadukan dan aliran gas berdasarkan umpan balik waktu nyata dari probe oksigen terlarut (DO) dan pH [6].Sensor DO optik memainkan peran penting di sini, menawarkan presisi yang diperlukan untuk menyempurnakan agitasi hanya ketika tingkat DO turun di bawah ambang batas yang ditetapkan - biasanya sekitar 40% - sehingga meminimalkan stres geser [7] [6]. Tim China Timur menggunakan metode ini dengan menggunakan probe Mettler Toledo, menjaga DO pada 40% dan pH pada 7.2. Pendekatan ini menghasilkan kepadatan sel maksimum sebesar 27.3 × 10⁵ sel/mL, peningkatan 2.9 kali lipat dibandingkan dengan teknik kultur batch standar [6].
Saat meningkatkan skala, model dinamika fluida komputasional (CFD) sangat berharga untuk menentukan kecepatan impeller optimal untuk menangguhkan mikrokari tanpa melebihi batas geser [10][6]. Alih-alih hanya mencocokkan rpm antara bejana, analisis CFD menyarankan untuk menyelaraskan tingkat regangan geser rata-rata volume antara reaktor.Ini memastikan bahwa lingkungan hidrodinamik dalam bioreaktor yang lebih besar - seperti skala dari labu spinner 200 mL ke bioreaktor 1,5 L - tetap kondusif untuk pertumbuhan sel [6].
Strategi-strategi ini menyoroti pentingnya kontrol dan pemantauan yang tepat saat beralih ke sistem bioreaktor yang lebih maju.
Menemukan Peralatan Khusus Melalui Cellbase
Mencari peralatan yang tepat untuk produksi daging budidaya bisa menjadi rumit. Platform pasokan laboratorium standar seringkali tidak memenuhi kebutuhan spesifik di bidang ini, seperti impeller dengan gesekan rendah atau sensor oksigen terlarut optik yang disesuaikan untuk kultur sel mamalia dengan kepadatan tinggi. Di sinilah
Sebagai pasar B2B pertama yang didedikasikan untuk industri daging budidaya,
Apakah Anda sedang meningkatkan sistem pemantauan Anda atau mencari komponen khusus, platform seperti
Kesimpulan
Mendapatkan keseimbangan yang tepat antara pengiriman oksigen dan nutrisi sambil menghindari stres geser yang berbahaya adalah kunci untuk mengoptimalkan pengadukan dalam bioreaktor daging budidaya. Penelitian menunjukkan bahwa hal ini dapat dicapai dengan memilih desain bioreaktor yang tepat, menyetel kecepatan pencampuran, dan menggunakan strategi perlindungan.
Teknik seperti pengadukan intermiten, impeller Rushton radial, dan penyesuaian waktu nyata yang dipantau melalui CFD (Computational Fluid Dynamics) memainkan peran besar dalam memastikan sel pulih dengan baik dan tumbuh dengan stabil. Saat produksi meningkat dari lab flask ke volume industri, memahami perilaku fluida non-Newtonian dan menjaga skala panjang Kolmogorov yang konsisten menjadi penting untuk menghindari kerusakan mekanis. Kemajuan ini memudahkan untuk melindungi sel dan menyederhanakan upaya skala.
Platform seperti
FAQ
Masalah apa yang dapat ditimbulkan oleh agitasi berlebihan dalam bioreaktor untuk daging budidaya?
Agitasi berlebihan dalam bioreaktor dapat menjadi masalah serius untuk produksi daging budidaya, karena dapat berdampak negatif pada pertumbuhan dan kelangsungan hidup sel. Pencampuran yang kuat menciptakan tegangan geser tinggi, yang dapat merusak sel hewan yang halus. Jenis stres mekanis ini dapat mengakibatkan kerusakan membran sel, mengurangi viabilitas, dan bahkan menghambat pengembangan jaringan.
Untuk mencegah tantangan ini, sangat penting untuk menyetel parameter agitasi dengan tepat.Tujuannya adalah untuk mencapai keseimbangan antara transfer nutrisi dan oksigen yang efisien sambil meminimalkan stres mekanis. Faktor kunci seperti desain impeller, kecepatan pencampuran, dan geometri bioreaktor harus disesuaikan dengan hati-hati untuk menjaga sel tetap sehat dan produktif selama proses kultivasi.
Bagaimana pilihan bioreaktor mempengaruhi pertumbuhan dan kelangsungan hidup sel dalam produksi daging budidaya?
Pilihan bioreaktor dalam produksi daging budidaya sangat penting, karena secara langsung mempengaruhi pertumbuhan dan kesehatan sel dengan mempengaruhi faktor-faktor seperti efisiensi pencampuran, transfer oksigen, dan stres geser.
Bioreaktor tangki berpengaduk adalah pilihan populer untuk produksi skala besar karena mereka menawarkan kontrol yang tepat atas kondisi ini. Namun, mereka juga dapat menghasilkan gaya geser yang mungkin merusak sel yang rapuh, sehingga penting untuk menyempurnakan desain impeller dan parameter operasi untuk meminimalkan kerusakan.
Desain lain, seperti bioreaktor airlift, lebih sederhana dan mengonsumsi lebih sedikit energi. Namun, mereka mungkin tidak memberikan tingkat kontrol yang sama atas pencampuran, yang berpotensi mempengaruhi pertumbuhan sel. Di sisi lain, bioreaktor serat berongga meniru pembuluh darah untuk mendukung kepadatan sel yang tinggi, meskipun memperbesar ukurannya bisa menjadi tantangan.
Memilih bioreaktor yang tepat bergantung pada menemukan keseimbangan yang tepat antara faktor-faktor seperti skalabilitas, biaya, dan kebutuhan spesifik sel untuk memastikan mereka tumbuh dan berkembang secara efektif untuk produksi daging budidaya.
Bagaimana cara mengurangi tegangan geser selama produksi daging budidaya skala besar?
Meminimalkan tegangan geser dalam produksi daging budidaya skala besar memerlukan penyesuaian yang cermat terhadap desain dan operasi bioreaktor. Faktor-faktor seperti jenis impeler, bentuk reaktor, dan pengaturan pencampuran memainkan peran penting.Misalnya, mengurangi kecepatan ujung impeller atau memilih desain impeller tertentu dapat menurunkan gaya geser sambil tetap mempertahankan pencampuran dan pengiriman oksigen yang tepat, yang sangat penting untuk pertumbuhan sel.
Alat lain yang berguna dalam proses ini adalah dinamika fluida komputasional (CFD). Simulasi CFD memungkinkan para insinyur mempelajari pola aliran dan distribusi geser secara detail, membantu mereka membuat penyesuaian desain yang terinformasi. Selain itu, bioreaktor yang diayun atau dicampur gelombang menawarkan alternatif yang lebih lembut dibandingkan sistem tangki berpengaduk tradisional, karena secara alami menghasilkan gaya geser yang lebih rendah. Menggabungkan pemantauan waktu nyata dengan sensor canggih dan algoritma kontrol prediktif dapat lebih membantu menjaga stres geser dalam batas aman, memastikan proses produksi yang lebih lancar.
