Mempertahankan tingkat pH yang tepat sangat penting untuk produksi daging budidaya. Sel mamalia berkembang dalam rentang pH yang sempit (7.1–7.4), tetapi pengasaman metabolik, penumpukan CO₂, dan tantangan pencampuran membuat kontrol pH menjadi kompleks, terutama dalam bioreaktor skala besar. Strategi efektif meliputi:
- Gas sparging: Menghilangkan kelebihan CO₂ tanpa meningkatkan osmolalitas atau menyebabkan lonjakan pH lokal.
- Sensori canggih: Sensor potensiometrik menawarkan akurasi tinggi untuk sistem baja tahan karat, sementara sensor optik bekerja dengan baik dengan bioreaktor sekali pakai.
- Optimasi buffer: Menambahkan buffer seperti HEPES meningkatkan stabilitas tetapi memerlukan keseimbangan yang hati-hati untuk menghindari produksi laktat berlebih.
- Sistem otomatis: Penyesuaian waktu nyata menggunakan loop umpan balik memastikan tingkat pH yang konsisten.
Pendekatan-pendekatan ini membantu mengatasi tantangan seperti akumulasi asam laktat dan stres geser, meningkatkan kesehatan sel dan hasil produk.
Memahami Pengukuran pH dalam Bioproses
Tantangan Utama dalam Manajemen pH
Bagian ini membahas faktor-faktor utama yang berkontribusi terhadap ketidakstabilan pH, berdasarkan tantangan yang telah dibahas sebelumnya.
Asidifikasi Metabolik dan Akumulasi Asam Laktat
Asam laktat adalah hambatan utama dalam bioproses daging yang dibudidayakan. Saat sel memetabolisme glukosa melalui glikolisis, mereka menghasilkan laktat dan ion hidrogen dalam rasio 1:1. Proses ini menciptakan beban asam yang signifikan, menjadikan laktat sebagai pendorong utama asidifikasi medium [1].
Kapasitas penyangga media kultur standar - biasanya antara 1,1 dan 1,6 mM per unit pH [1] - seringkali tidak mencukupi selama periode pertumbuhan sel yang cepat.Saat sel berkembang biak, output limbah metabolik mereka meningkat, membebani kemampuan medium untuk mempertahankan pH yang stabil. Penurunan tajam pH selama fase ini dapat langsung dikaitkan dengan produksi asam laktat glikolitik [1], menekankan peran penting laktat dalam mengacaukan pH medium.
Komplikasi tidak berhenti di situ. Akumulasi CO2 menambah lapisan kompleksitas lainnya.
Penumpukan CO2 dan Perubahan pH
Respirasi seluler memperkenalkan CO2 ke dalam medium, di mana ia larut membentuk asam karbonat. Masalah utamanya adalah tekanan parsial CO2 terlarut (pCO2), yang mempengaruhi apakah CO2 dapat keluar dari sel. Ketika tingkat pCO2 dalam medium naik terlalu tinggi, CO2 terperangkap di dalam sel, menyebabkan penurunan pH intraseluler yang berbahaya dan akhirnya menyebabkan kematian sel [2].
"Jika pCO2 terlalu tinggi, CO2 tidak dapat meninggalkan sel, sehingga pH intraseluler akan turun dan sel akan mati." - Alicat Scientific [2]
Masalah ini menjadi lebih jelas dalam bioreaktor skala besar. Sistem ini memiliki rasio luas permukaan terhadap volume yang lebih rendah, yang mengurangi efisiensi degassing CO2 dibandingkan dengan wadah yang lebih kecil [3]. Bahkan operasi rutin, seperti memindahkan media ke inkubator CO2, dapat menyebabkan fluktuasi pH. Misalnya, volume media kecil mulai mengalami alkalinisasi hampir seketika, dengan konstanta waktu 2–3 jam [1].
Selain tantangan kimia, proses fisik juga memainkan peran signifikan dalam ketidakstabilan pH.
Dampak Pencampuran dan Tegangan Geser pada Stabilitas pH
Menyesuaikan pH dengan menambahkan basa memperkenalkan risiko tersendiri.Ketika natrium bikarbonat atau basa serupa dipompa ke dalam bioreaktor, pencampuran yang buruk dapat menciptakan zona lokal dengan pH tinggi yang merusak sel di sekitarnya [2] [3]. Di sisi lain, agitasi yang kuat yang diperlukan untuk mendistribusikan basa secara merata dapat menyebabkan stres geser dan pembentukan busa, yang keduanya merusak sel mamalia yang rapuh [2] [3].
Dalam eksperimen terkontrol, penambahan basa untuk menstabilkan pH sering mengurangi viabilitas sel karena peningkatan osmolalitas [3]. Ini menciptakan tindakan penyeimbangan yang sulit: pencampuran yang tidak memadai menghasilkan hotspot pH, sementara pencampuran yang berlebihan mencegah hotspot tetapi meningkatkan stres mekanis. Masalah ini menjadi lebih menantang selama peningkatan skala, di mana waktu pencampuran yang lebih lama membuatnya lebih sulit untuk mempertahankan kontrol pH yang efektif tanpa mengorbankan kesehatan sel.
Teknologi untuk Pemantauan dan Pengendalian pH
Mempertahankan pH dalam rentang sempit 7.1–7.4 sangat penting untuk kultur sel mamalia, membutuhkan alat pemantauan yang tepat dan andal [2]. Sensor potensiometrik, yang berfungsi sebagai elektroda untuk mengukur ion hidrogen bebas, adalah standar emas untuk pemantauan pH kontinu dalam bioreaktor [1]. Sensor ini menyediakan data waktu nyata, memungkinkan sistem otomatis untuk melakukan penyesuaian segera guna mempertahankan tingkat pH yang diperlukan. Akurasi tinggi mereka membuatnya penting untuk operasi skala besar. Selain itu, indikator optik menawarkan cara efektif lain untuk mengukur pH.
Indikator optik bergantung pada analisis spektroskopi untuk memberikan pengukuran pH kuantitatif.Sementara fenol merah sering digunakan sebagai indikator visual, pembacaan yang lebih tepat dicapai melalui analisis ratiometrik dari absorbansi pada dua panjang gelombang spesifik - 560 nm dan 430 nm [1] . Metode ini mengkompensasi faktor seperti volume media atau konsentrasi pewarna, memastikan hasil yang konsisten dan akurat.
"Konsentrasi ion H+ bebas tidak mudah diprediksi, tetapi secara kebetulan mudah diukur (e.g. dengan elektroda atau pewarna indikator)." - Johanna Michl et al., University of Oxford [1]
Sistem kontrol pH modern melampaui pemantauan dengan mengintegrasikan pengukuran ini ke dalam loop umpan balik otomatis yang secara dinamis mengatur tingkat pH.
Sistem umpan balik otomatis memanfaatkan data sensor untuk melakukan penyesuaian secara real-time, menghilangkan kebutuhan intervensi manual. Sistem ini dapat menyesuaikan pH dengan menambahkan basa atau menggunakan teknik gas sparging [2].Untuk bioreaktor skala besar, penyebaran gas sangat efektif. Dengan menggunakan pengendali aliran massa, tingkat CO2 dapat disesuaikan dengan cepat dan merata, memastikan pengaturan pH yang seragam [2]. Sebaliknya, pemompaan basa, meskipun efektif untuk sistem yang lebih kecil, dapat menciptakan ketidakseimbangan pH lokal dan meningkatkan osmolalitas, membuatnya kurang praktis untuk wadah yang lebih besar [2]. Namun, penyebaran gas memerlukan perhatian khusus terhadap desain penyebar untuk menghindari stres geser yang dapat merusak sel [2]. Bagi mereka yang bergerak dalam produksi daging budidaya, berinvestasi dalam sistem kontrol gas yang canggih dapat meningkatkan kesehatan sel dan hasil yang lebih tinggi, menjadikannya pengeluaran yang berharga.
sbb-itb-ffee270
Strategi untuk Manajemen pH dalam Skala Besar
Sensor pH Potensiometrik vs Optik untuk Bioreaktor Daging Budidaya
Sensor Potensiometrik vs Optik: Sebuah Perbandingan
Memilih teknologi sensor yang tepat menjadi semakin penting seiring dengan peningkatan skala produksi daging budidaya. Sensor potensiometrik adalah pilihan utama untuk bioreaktor baja tahan karat karena presisi dan respons cepatnya. Namun, mereka memiliki tantangan seperti kebutuhan kalibrasi rutin dan rentan terhadap drift selama proses yang berkepanjangan. Jacob Crowe, Manajer Dukungan Teknis Aplikasi di
"Seiring waktu, pengukuran pH dapat mengalami drift, yang akan mempengaruhi stabilitas dan kinerja proses.Sangat penting untuk memantau dan mengurangi pergeseran pH untuk mencegah efek merugikan pada metabolisme dan proses secara keseluruhan" [8].
Di sisi lain, sensor optik muncul sebagai pilihan praktis, terutama untuk sistem bioreaktor sekali pakai. Sensor ini dapat dipasang sebelumnya dalam kantong sekali pakai, mengurangi risiko kontaminasi dan menghilangkan kebutuhan untuk sterilisasi antara siklus [7]. Dalam sistem mikrofluida, sensor optik telah menunjukkan hasil yang baik, mencapai viabilitas sel sebesar 95,45% pada kepadatan 262.500 sel/mL [9].
| Fitur | Sensor Potensiometrik | Sensor Optik |
|---|---|---|
| Akurasi | Tinggi, tetapi rentan terhadap drift | Tinggi; ideal untuk pemantauan waktu nyata |
| Perawatan | Memerlukan kalibrasi yang sering | Minimal; sering kali sekali pakai |
| Skalabilitas | Standar untuk pengaturan baja tahan karat | Bagus untuk sekali pakai dan mikrofluida |
| Waktu Respon | Cepat, dibatasi oleh stabilitas elektroda | Umpan balik waktu nyata instan |
| Implikasi Biaya | Biaya tenaga kerja dan perawatan lebih tinggi | Tenaga kerja lebih rendah; terintegrasi dalam barang sekali pakai |
Pilihan sensor sangat bergantung pada jenis reaktor.Bioreaktor baja tahan karat dapat memperoleh manfaat dari sensor potensiometrik dengan langkah-langkah untuk mengelola drift, sementara platform sekali pakai dapat memanfaatkan kemudahan sensor optik terintegrasi [7] [8]. Keputusan ini secara langsung mempengaruhi bagaimana stabilitas pH dipertahankan selama optimasi medium.
Optimasi Medium dan Peningkatan Buffer
Setelah sensor yang sesuai dipasang, menstabilkan sistem buffering medium kultur menjadi penting untuk mempertahankan kontrol pH selama peningkatan skala. Sel mamalia bergantung pada sistem buffer CO₂/HCO₃⁻ (pKa 6.15 pada 37°C), tetapi kapasitas bufferingnya sering kali tidak mencukupi. Sebagai contoh, DMEM standar dengan 10% FBS biasanya hanya menyediakan 1.1 hingga 1.6 mM kapasitas buffering [1].
Untuk mengatasi hal ini, menambahkan buffer non-volatil (NVB) seperti HEPES (pKa 7.3 at 37°C) dapat secara signifikan memperkuat penyangga tanpa menyebabkan pergeseran osmolalitas yang bermasalah [1]. Metode yang direkomendasikan melibatkan titrasi medium ke pH target terlebih dahulu, kemudian menambahkan NaHCO₃ pada konsentrasi yang sesuai dengan pCO₂ inkubator. Pendekatan ini mengurangi pergeseran pH awal ketika media segar terpapar CO₂, sebuah proses yang dapat memakan waktu hingga dua jam dengan NVB [1].
Namun, sistem penyangga yang lebih kuat dapat memicu peningkatan glikolisis, yang mengarah pada produksi laktat yang lebih tinggi. Dalam beberapa garis sel, hingga 90% glukosa langsung diubah menjadi laktat [1], dan peningkatan penyangga kadang-kadang dapat memperkuat efek ini, menghasilkan akumulasi asam laktat yang lebih besar [10].
Teknik Sparging dan Agitasi
Sparging gas menawarkan cara praktis untuk mengelola pH dalam produksi daging budidaya skala besar.Alicat Scientific mencatat:
"Gelembung gas dari sparger dapat dicampur dan didistribusikan lebih cepat daripada basa, dan dengan agitasi yang jauh lebih sedikit" [2].
Dengan mendistribusikan gelembung gas secara merata, sparging memberikan pendekatan yang lebih konsisten daripada penambahan basa kimia. Misalnya, sebuah studi tahun 2018 menunjukkan bahwa mempertahankan tingkat sparge yang konstan sambil meningkatkan aerasi ruang kepala memungkinkan titer tetap stabil selama peningkatan skala dari 30 L menjadi 250 L [2].
Macro sparger, yang menghasilkan gelembung dengan diameter 1–4 mm, sangat efektif dalam menghilangkan kelebihan CO₂ dari kultur. Ini meningkatkan pH secara alami, menghindari kebutuhan akan basa kimia yang dapat meningkatkan osmolalitas [2] [5]. Strategi kontrol pH "hanya gas" yang lebih baru menggunakan loop umpan balik sparging udara otomatis.Ketika pH turun, aliran udara meningkat untuk menghilangkan lebih banyak CO₂. Metode ini telah berhasil ditingkatkan dari bioreaktor ambr®250 ke wadah 200 L, menjaga tingkat pH yang tepat selama kultur fed-batch [6] .
Menyeimbangkan transfer gas yang efisien dengan stres geser minimal tetap menjadi tantangan kritis selama peningkatan skala. Bioreaktor airlift, yang menggunakan sirkulasi berbasis gas, menawarkan opsi pencampuran yang lebih lembut dengan stres geser yang berkurang. Simulasi dinamika fluida komputasional (CFD) juga dapat membantu mengidentifikasi zona geser tinggi di dekat bilah impeler, memungkinkan desain bioreaktor dioptimalkan sebelum peningkatan skala [4]. Menggabungkan pendekatan ini dengan alat canggih dari
Mengadakan Peralatan Kontrol pH melalui Cellbase
Mengapa Memilih Cellbase untuk Pengadaan?
Kontrol pH yang tepat sangat penting dalam bioproses daging yang dibudidayakan, sehingga penting untuk mendapatkan peralatan yang tepat. Platform pasokan laboratorium umum sering kali tidak memiliki pengetahuan khusus yang diperlukan untuk rentang pH yang ketat di bidang ini.
Dengan menggunakan
Menemukan Teknologi Kontrol pH Melalui Cellbase
Untuk peningkatan skala, platform ini menyediakan akses ke pengendali aliran massa dan sparger khusus, yang penting untuk manajemen pH berbasis gas yang efisien. Seperti yang disoroti oleh Alicat Scientific:
"Menjaga pH pada tingkat biologis yang sehat berpotensi menjadi alat paling kuat dalam pemrosesan bioproses hulu untuk meningkatkan titer produk" [2].
Selain itu,
Spesialis pengadaan juga dapat mencari peralatan untuk penghilangan CO₂, termasuk sensor CO₂ yang dapat diautoklaf dan probe pH sekali pakai. Alat-alat ini mendukung strategi yang dapat diskalakan untuk mempertahankan kontrol pH yang tepat, memudahkan integrasi manajemen pH canggih ke dalam produksi skala besar [11]. Dengan menawarkan solusi yang ditargetkan,
Kesimpulan: Praktik Terbaik untuk Kontrol pH dalam Bioproses Daging Budidaya
Mempertahankan rentang pH 7,1 hingga 7,4 sangat penting untuk kelangsungan hidup sel mamalia dalam produksi daging budidaya [2] . Menjaga pH dalam rentang ini memainkan peran kunci dalam meningkatkan hasil produk selama bioproses hulu.
Untuk mengatasi tantangan pengendalian pH, beberapa praktik efektif telah muncul. Salah satu metode yang menonjol adalah menggunakan gas sparging daripada penambahan basa selama peningkatan skala. Gas sparging secara efektif menghilangkan kelebihan CO₂ dengan mendistribusikannya secara merata dengan agitasi minimal, yang membantu menghindari masalah seperti ketidakkonsistenan pH dan fluktuasi osmolalitas [2]. Sebuah studi tahun 2021 oleh Aryogen Pharmed menunjukkan keberhasilan metode ini pada skala 250 liter, mencapai peningkatan hasil produk akhir sebesar 51% [3].
Praktik penting lainnya adalah pemantauan pH langsung , yang memberikan pemahaman yang lebih komprehensif tentang kesehatan kultur dibandingkan hanya mengandalkan pengukuran pCO₂.Ini sangat penting karena tingkat CO₂ terlarut tidak memperhitungkan penumpukan asam laktat, yang dapat mencapai hingga 90% dari metabolisme glukosa dalam garis sel tertentu [1]. Memantau pH secara langsung menjadi lebih krusial selama fase pertumbuhan eksponensial ketika aktivitas metabolik mencapai puncaknya.
Untuk penyangga non-volatil seperti HEPES, penting untuk mempertimbangkan keseimbangan penyangga. Penyangga HEPES dapat memerlukan waktu hingga dua jam untuk stabil dan harus dititrasi dengan hati-hati dengan bikarbonat dan CO₂ [1]. Namun, meningkatkan kapasitas penyangga dapat secara tidak sengaja meningkatkan produksi laktat, yang dapat melawan efek stabilisasi yang diinginkan [1]. Ketika dikombinasikan dengan pemantauan berbasis sensor dan teknik gas sparging, pertimbangan penyangga ini membantu menjaga kondisi proses yang stabil dan optimal.
FAQ
Bagaimana gas sparging mendukung pengendalian pH dalam produksi daging budidaya?
Gas sparging memainkan peran penting dalam menjaga keseimbangan tingkat pH selama produksi daging budidaya. Saat sel tumbuh, mereka melepaskan karbon dioksida (CO₂) sebagai produk sampingan dari respirasi. CO₂ ini dapat menurunkan pH medium kultur, yang dapat membahayakan kesehatan sel. Dengan memperkenalkan gas seperti udara, oksigen, atau gas inert ke dalam bioreaktor, sparging membantu menghilangkan kelebihan CO₂. Ini mencegah medium menjadi terlalu asam dan menjaga pH tetap stabil.
Mempertahankan medium kultur dalam rentang pH ideal sekitar 7,1 hingga 7,4 sangat penting untuk pertumbuhan dan produktivitas sel yang sehat. Ketika dipasangkan dengan sistem penyangga dan pemantauan waktu nyata menggunakan sensor pH, gas sparging tidak hanya meningkatkan efisiensi proses tetapi juga meningkatkan kelangsungan hidup sel. Ini adalah komponen penting dalam memastikan keberhasilan bioproses daging budidaya.
Apa yang membuat sensor potensiometrik menjadi pilihan yang lebih baik daripada sensor optik untuk pemantauan pH dalam produksi daging budidaya?
Sensor potensiometrik memainkan peran penting dalam produksi daging budidaya berkat kemampuannya untuk memberikan pengukuran pH secara real-time dengan akurasi tinggi. Mempertahankan tingkat pH yang tepat sangat penting untuk menciptakan lingkungan yang tepat untuk pertumbuhan sel, dan sensor ini unggul dalam memberikan data yang dibutuhkan untuk mencapai hal tersebut. Selain itu, sensor ini relatif terjangkau dan terintegrasi dengan mulus ke dalam bioreaktor skala besar, menjadikannya ideal untuk pemantauan berkelanjutan dalam pengaturan industri.
Lebih dari itu, sensor ini dibangun untuk menangani tantangan media kultur yang kompleks, menawarkan kinerja yang andal bahkan dalam kondisi yang menuntut. Namun, mereka memerlukan kalibrasi berkala untuk mempertahankan akurasinya.Dengan perpaduan presisi, keandalan, dan efisiensi biaya, sensor potensiometrik telah menjadi pilihan utama untuk pengendalian pH yang efektif dalam pemrosesan bioproses daging budidaya.
Mengapa penumpukan asam laktat membuat sulit untuk mempertahankan tingkat pH yang stabil?
Penumpukan asam laktat mempersulit pengendalian pH dengan meningkatkan keasaman lingkungan kultur, menyebabkan pH turun. Hal ini dapat merusak viabilitas dan produktivitas sel, karena sebagian besar sel memerlukan rentang pH yang dikendalikan dengan hati-hati untuk tumbuh dan berfungsi dengan baik.
Mengelola tingkat asam laktat sangat penting dalam pemrosesan bioproses daging budidaya untuk mendukung pertumbuhan sel yang sehat dan mempertahankan kualitas produk. Pendekatan seperti pemantauan pH secara real-time, penggunaan penyangga pH, atau penyesuaian protokol pemberian makan dapat membantu menstabilkan lingkungan dan menghindari perubahan pH yang merusak.
