정확한 pH 수준을 유지하는 것은 배양육 생산에 매우 중요합니다. 포유류 세포는 좁은 pH 범위(7.1–7.4)에서 번성하지만, 대사 산성화, CO₂ 축적 및 혼합 문제로 인해 pH 제어가 복잡해지며, 특히 대규모 생물 반응기에서 그렇습니다. 효과적인 전략에는 다음이 포함됩니다:
- 가스 스파징: 삼투압을 높이거나 국부적인 pH 급증을 일으키지 않고 과도한 CO₂를 제거합니다.
- 고급 센서: 전위차 센서는 스테인리스 스틸 시스템에 높은 정확성을 제공하며, 광학 센서는 일회용 생물 반응기에 잘 작동합니다.
- 완충제 최적화: HEPES와 같은 완충제를 추가하면 안정성이 향상되지만 과도한 젖산 생산을 피하기 위해 신중한 균형이 필요합니다.
- 자동화 시스템: 피드백 루프를 사용한 실시간 조정으로 일관된 pH 수준을 보장합니다.
이러한 접근 방식은 젖산 축적 및 전단 응력과 같은 문제를 극복하여 세포 건강과 제품 수율을 개선하는 데 도움이 됩니다.
생물공정에서의 pH 측정 이해
pH 관리의 주요 과제
이 섹션에서는 이전에 논의된 문제를 바탕으로 pH 불안정성에 기여하는 주요 요인에 대해 자세히 설명합니다.
대사 산성화 및 젖산 축적
젖산은 배양육 생물공정에서 주요 장애물입니다. 세포가 해당과정을 통해 포도당을 대사할 때, 젖산과 수소 이온을 1:1 비율로 생성합니다. 이 과정은 상당한 산 부하를 생성하여 젖산을 배지 산성화의 주요 원인으로 만듭니다 [1].
표준 배양 배지의 완충 용량 - 일반적으로 pH 단위당 1.1에서 1.6 mM 사이 [1] - 는 세포가 급속히 성장하는 기간 동안 종종 불충분합니다.세포가 증식함에 따라, 대사 폐기물의 배출이 증가하여 매질이 안정적인 pH를 유지하는 능력을 압도합니다. 이 단계에서 pH의 급격한 하락은 해당작용에 의한 젖산 생산에 직접적으로 기인하며, 젖산이 매질의 pH를 불안정하게 만드는 데 중요한 역할을 한다는 것을 강조합니다.
문제는 여기서 끝나지 않습니다. CO2 축적은 복잡성을 더합니다.
CO2 축적과 pH 변동
세포 호흡은 CO2를 매질에 도입하며, 이는 용해되어 탄산을 형성합니다. 주요 문제는 용해된 CO2의 부분 압력(pCO2)으로, 이는 CO2가 세포에서 탈출할 수 있는지를 결정합니다. 매질에서 pCO2 수준이 너무 높아지면, CO2가 세포 내부에 갇혀 세포 내 pH가 위험하게 떨어지고 결국 세포 사멸로 이어집니다.[2].
"pCO2가 너무 높으면 CO2가 세포를 떠날 수 없으므로 세포 내 pH가 떨어지고 세포가 죽게 됩니다." - Alicat Scientific [2]
이 문제는 대규모 생물 반응기에서 더욱 두드러집니다. 이러한 시스템은 표면적 대 부피 비율이 낮아 작은 용기보다 CO2 탈기 효율이 떨어집니다 [3]. 매체를 CO2 인큐베이터로 옮기는 것과 같은 일상적인 작업조차도 pH 변동을 일으킬 수 있습니다. 예를 들어, 소량의 매체는 거의 즉시 알칼리화되기 시작하며, 시간 상수는 2-3시간입니다 [1].
화학적 문제와 함께 물리적 과정도 pH 불안정성에 중요한 역할을 합니다.
혼합 및 전단 응력이 pH 안정성에 미치는 영향
염기를 추가하여 pH를 조정하는 것은 자체적인 위험을 초래합니다.탄산수소나트륨 또는 유사한 염기가 생물반응기에 주입될 때, 혼합이 불량하면 높은 pH의 국부적인 영역이 형성되어 인근 세포에 해를 끼칠 수 있습니다 [2] [3]. 반면, 염기를 균일하게 분배하기 위해 필요한 강력한 교반은 전단 응력과 거품 형성을 초래할 수 있으며, 이는 모두 연약한 포유류 세포에 손상을 줍니다 [2] [3].
제어된 실험에서, pH를 안정화하기 위한 염기 첨가는 종종 삼투압 증가로 인해 세포 생존율을 감소시켰습니다 [3]. 이는 어려운 균형을 만듭니다: 혼합이 불충분하면 pH 핫스팟이 발생하고, 과도한 혼합은 핫스팟을 방지하지만 기계적 스트레스를 증가시킵니다. 문제는 스케일업 시 더욱 어려워지며, 더 긴 혼합 시간이 효과적인 pH 제어를 유지하면서 세포 건강을 손상시키지 않기가 어렵게 만듭니다.
pH 모니터링 및 제어를 위한 기술
포유류 세포 배양에서 pH를 7.1–7.4의 좁은 범위 내로 유지하는 것은 매우 중요하며, 정확하고 신뢰할 수 있는 모니터링 도구가 필요합니다 [2]. 전위차 센서는 자유 수소 이온을 측정하는 전극으로 작용하며, 생물 반응기에서 연속적인 pH 모니터링을 위한 표준입니다 [1]. 이러한 센서는 실시간 데이터를 제공하여 자동화 시스템이 필요한 pH 수준을 유지하기 위해 즉각적인 조정을 할 수 있도록 합니다. 높은 정확성 덕분에 대규모 운영에 필수적입니다. 이와 함께, 광학 지시자는 pH를 측정하는 또 다른 효과적인 방법을 제공합니다.
광학 지시자는 분광 분석에 의존하여 정량적인 pH 측정을 제공합니다.페놀 레드는 종종 시각적 지시자로 사용되지만, 두 특정 파장 - 560 nm 및 430 nm에서의 흡광도 비율 분석을 통해 더 정밀한 측정이 가능합니다[1]. 이 방법은 매체의 부피나 염료 농도와 같은 요소를 보정하여 일관되고 정확한 결과를 보장합니다.
"자유 H+ 이온의 농도는 직관적으로 예측하기 어렵지만, 전극이나 지시 염료를 사용하여 간단하게 측정할 수 있습니다(e.g." - Johanna Michl et al., University of Oxford [1]
현대의 pH 제어 시스템은 모니터링을 넘어 이러한 측정을 자동 피드백 루프에 통합하여 pH 수준을 동적으로 조절합니다.
자동 피드백 시스템은 센서 데이터를 활용하여 실시간으로 조정하여 수동 개입의 필요성을 없앱니다. 이러한 시스템은 염기를 추가하거나 가스 스파징 기술을 사용하여 pH를 조정할 수 있습니다 [2].대규모 생물반응기에서는 가스 스파징이 특히 효과적입니다. 질량 유량 제어기를 사용하여 CO2 수준을 빠르고 균일하게 조정할 수 있어 균일한 pH 조절을 보장합니다 [2]. 반면, 소규모 시스템에 효과적인 염기 펌핑은 국부적인 pH 불균형을 초래하고 삼투압을 증가시켜 대형 용기에는 덜 실용적입니다 [2]. 그러나 가스 스파징은 세포에 해를 끼칠 수 있는 전단 응력을 피하기 위해 스파저 설계에 세심한 주의가 필요합니다 [2]. 배양육 생산에 종사하는 사람들에게는 고급 가스 제어 시스템에 투자하는 것이 세포 건강과 수율을 높이는 데 도움이 되어 가치 있는 지출이 될 수 있습니다.
sbb-itb-ffee270
대규모 pH 관리 전략
배양육 바이오리액터를 위한 전위차법 대 광학식 pH 센서
전위차법 대 광학식 센서: 비교
배양육 생산이 확대됨에 따라 적절한 센서 기술을 선택하는 것이 점점 더 중요해지고 있습니다. 전위차법 센서는 정밀성과 빠른 반응 속도로 인해 스테인리스 스틸 바이오리액터에 적합한 선택입니다. 그러나 정기적인 보정 필요성과 장기간의 과정에서 드리프트에 취약하다는 문제점이 있습니다. Jacob Crowe,
"시간이 지남에 따라 pH 측정값이 드리프트할 수 있으며, 이는 공정의 안정성과 성능에 영향을 미칩니다.pH 드리프트를 모니터링하고 완화하는 것은 대사와 전체 과정에 해로운 영향을 방지하기 위해 필수적입니다" [8] .
반면에, 광학 센서는 특히 일회용 바이오리액터 시스템에 실용적인 옵션으로 부상하고 있습니다. 이러한 센서는 일회용 백에 사전 설치될 수 있어 오염 위험을 줄이고 사이클 간의 멸균 필요성을 없애줍니다 [7]. 미세유체 시스템에서 광학 센서는 262,500 cells/mL의 밀도에서 95.45%의 세포 생존율을 달성하며 우수한 결과를 보여주었습니다 [9].
| 특징 | 전위차 센서 | 광학 센서 |
|---|---|---|
| 정확도 | 높음, 그러나 드리프트 발생 가능성 있음 | 높음; 실시간 모니터링에 이상적임 |
| 유지보수 | 자주 보정 필요 | 최소; 종종 일회용 |
| 확장성 | 스테인리스 스틸 설정에 표준적임 | 일회용 및 마이크로유체에 적합함 |
| 응답 시간 | 빠름, 전극 안정성에 의해 제한됨 | 즉각적인 실시간 피드백 |
| 비용 영향 | 높은 인건비 및 유지보수 비용 | 낮은 인건비; 일회용품에 통합됨 |
센서의 선택은 주로 반응기 유형에 따라 다릅니다.스테인리스 스틸 바이오리액터는 드리프트를 관리하기 위한 조치를 포함한 전위차 센서로부터 이점을 얻을 수 있으며, 일회용 플랫폼은 통합 광학 센서의 용이성을 활용할 수 있습니다. 이러한 결정은 배지 최적화 동안 pH 안정성을 유지하는 방법에 직접적인 영향을 미칩니다. 배지 최적화 및 완충제 개선 적절한 센서가 설치되면, 배양 배지의 완충 시스템을 안정화하여 스케일업 동안 pH 제어를 유지하는 것이 필수적입니다. 포유류 세포는 CO₂/HCO₃⁻ 완충 시스템(pKa 6.15 at 37°C)에 의존하지만, 그 완충 용량은 종종 불충분합니다. 예를 들어, 표준 DMEM과 10% FBS는 일반적으로 1.1에서 1.6 mM의 완충 용량만 제공합니다. 이를 해결하기 위해, HEPES(pKa 7.3 at 37°C) can significantly strengthen buffering without causing problematic osmolality shifts [1]. The recommended method involves titrating the medium to the target pH first, then adding NaHCO₃ at a concentration aligned with the incubator’s pCO₂. This approach reduces the initial pH drift when fresh media is exposed to CO₂, a process that can take up to two hours with NVBs [1].
However, stronger buffering systems may trigger increased glycolysis, leading to higher lactate production. In some cell lines, up to 90% of glucose is directly converted into lactate [1], and improved buffering can sometimes amplify this effect, resulting in greater lactic acid accumulation [10].
스파징 및 교반 기술
가스 스파징은 대규모 배양육 생산에서 pH를 관리하는 실용적인 방법을 제공합니다.Alicat Scientific notes:
"스파저에서 발생하는 가스 기포는 기본보다 더 빠르게 고르게 혼합 및 분배될 수 있으며, 훨씬 적은 교반으로 가능합니다" [2].
가스 기포를 균일하게 분배함으로써, 스파징은 화학적 염기 첨가보다 더 일관된 접근 방식을 제공합니다. 예를 들어, 2018년 연구에서는 헤드스페이스 에어레이션을 증가시키면서 일정한 스파징 속도를 유지하면 30 L에서 250 L로 규모를 확장하는 동안 타이틀이 안정적으로 유지될 수 있음을 보여주었습니다 [2].
직경 1–4 mm의 기포를 생성하는 매크로 스파저는 배양액에서 과도한 CO₂를 제거하는 데 특히 효과적입니다. 이는 화학적 염기를 사용하지 않고 자연적으로 pH를 상승시켜, 삼투압을 높일 수 있는 화학적 염기의 필요성을 피할 수 있습니다 [2] [5]. 새로운 "가스 전용" pH 제어 전략은 자동화된 공기 스파징 피드백 루프를 사용합니다.pH가 떨어지면, CO₂를 더 많이 제거하기 위해 공기 흐름이 증가합니다. 이 방법은 ambr®250 생물반응기에서 200 L 용기로 성공적으로 확장되어, 공급 배치 배양 동안 정확한 pH 수준을 유지합니다 [6].
효율적인 가스 전달과 최소한의 전단 응력을 균형 있게 유지하는 것은 확장 과정에서 중요한 과제로 남아 있습니다. 가스 구동 순환을 사용하는 에어리프트 생물반응기는 전단 응력이 감소된 부드러운 혼합 옵션을 제공합니다. 전산 유체 역학(CFD) 시뮬레이션은 또한 임펠러 블레이드 근처의 고전단 영역을 식별하는 데 도움을 줄 수 있어, 확장 전에 생물반응기 설계를 최적화할 수 있습니다 [4]. 이러한 접근 방식을
pH 제어 장비 소싱 via Cellbase
왜 Cellbase 를 선택해야 하나요?
정확한 pH 제어는 배양육 생물공정에서 필수적이며, 적절한 장비를 소싱하는 것이 중요합니다. 일반적인 실험실 공급 플랫폼은 이 분야의 엄격한 pH 범위에 필요한 전문 지식을 종종 결여하고 있습니다.
pH 제어 기술 찾기 Cellbase
확대를 위해 플랫폼은 질량 유량 제어기 및 전문 스파저에 대한 접근을 제공하며, 이는 효율적인 가스 기반 pH 관리를 위해 중요합니다. Alicat Scientific은 다음과 같이 강조합니다:
"pH를 건강한 생물학적 수준으로 유지하는 것은 상류 생물 공정에서 제품 수율을 증가시키는 가장 강력한 도구일 수 있습니다" [2].
또한,
조달 전문가는 CO₂ 스트리핑을 위한 장비를 소싱할 수 있으며, 여기에는 멸균 가능한 CO₂ 센서와 일회용 pH 프로브가 포함됩니다. 이러한 도구는 정밀한 pH 제어를 유지하기 위한 확장 가능한 전략을 지원하여 대규모 생산에 고급 pH 관리 통합을 용이하게 합니다 [11]. 목표 지향적인 솔루션을 제공함으로써,
결론: 배양육 생물공정에서의 pH 제어를 위한 모범 사례
배양육 생산에서 포유류 세포의 생존을 위해 pH 범위를 7.1에서 7.4로 유지하는 것이 중요합니다 [2]. 이 범위 내에서 pH를 유지하는 것은 상류 생물공정에서 제품 수율을 향상시키는 데 중요한 역할을 합니다.
pH 제어의 문제를 해결하기 위해 여러 효과적인 방법이 등장했습니다. 두드러진 방법 중 하나는 스케일 업 시 염기 첨가 대신 가스 스파징을 사용하는 것입니다. 가스 스파징은 최소한의 교반으로 CO₂를 고르게 분산시켜 과도한 CO₂를 효과적으로 제거하여 pH 불일치 및 삼투압 변동과 같은 문제를 피하는 데 도움이 됩니다 [2]. 2021년 Aryogen Pharmed의 연구는 250리터 규모에서 이 방법의 성공을 입증했으며, 최종 제품 수율이 51% 증가했습니다 [3].
또 다른 중요한 방법은 직접 pH 모니터링으로, pCO₂ 측정에만 의존하는 것보다 배양 건강에 대한 더 포괄적인 이해를 제공합니다.이것은 특히 중요한데, 이는 용해된 CO₂ 수준이 젖산 축적을 설명하지 않기 때문입니다. 젖산은 특정 세포주에서 포도당 대사의 최대 90%를 차지할 수 있습니다 [1] . 대사 활동이 최고조에 달하는 지수 성장 단계에서는 pH를 직접 모니터링하는 것이 더욱 중요해집니다.
HEPES와 같은 비휘발성 완충액의 경우, 완충 평형을 고려하는 것이 필수적입니다. HEPES 완충액은 안정화되기까지 최대 두 시간이 걸릴 수 있으며, 중탄산염과 CO₂로 신중하게 적정해야 합니다 [1]. 그러나 완충 용량을 증가시키면 의도한 안정화 효과를 상쇄할 수 있는 젖산 생산이 증가할 수 있습니다 [1]. 센서 기반 모니터링 및 가스 스파징 기술과 결합하면 이러한 완충 고려 사항은 안정적이고 최적의 프로세스 조건을 유지하는 데 도움이 됩니다.
자주 묻는 질문
가스 스파징은 배양육 생산에서 pH 조절을 어떻게 지원하나요?
가스 스파징은 배양육 생산 중 pH 수준을 균형 있게 유지하는 데 중요한 역할을 합니다. 세포가 성장하면서 호흡의 부산물로 이산화탄소(CO₂)를 방출합니다. 이 CO₂는 배양 배지의 pH를 낮출 수 있으며, 이는 세포 건강에 해로울 수 있습니다. 공기, 산소 또는 불활성 가스와 같은 가스를 바이오리액터에 도입함으로써 스파징은 과도한 CO₂를 제거하는 데 도움을 줍니다. 이는 배지가 너무 산성화되는 것을 방지하고 pH를 안정적으로 유지합니다.
약 7.1에서 7.4의 이상적인 pH 범위 내에서 배양 배지를 유지하는 것은 건강한 세포 성장과 생산성을 위해 매우 중요합니다. 완충 시스템과 pH 센서를 사용한 실시간 모니터링과 결합할 때, 가스 스파징은 공정 효율성을 향상시킬 뿐만 아니라 세포 생존율도 높입니다. 이는 배양육 생물공정의 성공을 보장하는 데 중요한 요소입니다.
배양육 생산에서 pH 모니터링을 위해 전위차 센서가 광학 센서보다 더 나은 선택인 이유는 무엇입니까?
전위차 센서는 높은 정확도로 실시간 pH 측정을 제공할 수 있는 능력 덕분에 배양육 생산에서 중요한 역할을 합니다. 적절한 pH 수준을 유지하는 것은 세포 성장을 위한 올바른 환경을 조성하는 데 필수적이며, 이러한 센서는 이를 달성하는 데 필요한 데이터를 제공하는 데 뛰어납니다. 게다가, 이 센서는 비교적 저렴하고 대규모 바이오리액터에 원활하게 통합되어 산업 환경에서 지속적인 모니터링에 이상적입니다.
또한, 이러한 센서는 복잡한 배양 배지의 도전 과제를 처리하도록 설계되어 까다로운 조건에서도 신뢰할 수 있는 성능을 제공합니다. 그러나 정확성을 유지하기 위해 주기적인 보정이 필요합니다.정밀성, 신뢰성, 비용 효율성을 결합한 전위차 센서는 배양육 생물공정에서 효과적인 pH 제어를 위한 선택이 되었습니다.
젖산 축적이 안정적인 pH 수준을 유지하기 어렵게 만드는 이유는 무엇입니까?
젖산 축적은 배양 환경의 산도를 증가시켜 pH를 떨어뜨림으로써 pH 제어를 복잡하게 만듭니다. 이는 세포의 생존력과 생산성에 해를 끼칠 수 있으며, 대부분의 세포는 성장하고 제대로 기능하기 위해 신중하게 제어된 pH 범위가 필요합니다.
젖산 수준 관리가 배양육 생물공정에서 건강한 세포 성장을 지원하고 제품 품질을 유지하는 데 중요합니다. 실시간 pH 모니터링, pH 완충제 사용, 또는 급여 프로토콜 조정과 같은 접근 방식은 환경을 안정화하고 유해한 pH 변동을 피하는 데 도움이 될 수 있습니다.
