Pengadukan adalah kritikal dalam pengeluaran daging yang ditanam, memastikan sel menerima oksigen dan nutrien sambil mengelakkan pengumpulan sisa. Walau bagaimanapun, pengadukan yang berlebihan menyebabkan masalah seperti detasmen sel, kerosakan membran, dan pertumbuhan yang berkurangan. Mencapai keseimbangan yang betul adalah penting, terutamanya dalam bioreaktor berskala besar, di mana penyesuaian kecil sekalipun boleh memberi kesan kepada pengeluaran.
Pengajaran Utama:
- Pengadukan Optimum: Kajian menunjukkan 60 rpm dalam reaktor tangki berpengaduk adalah ideal untuk mengimbangi penghantaran nutrien dan tekanan ricih.
-
Jenis Bioreaktor:
- Tangki Berpengaduk: Pencampuran berkesan tetapi berisiko tekanan ricih tinggi.
- Bioreaktor Gelombang: Pencampuran lembut, terhad oleh pemindahan oksigen.
- Sistem Airlift: Pencampuran seragam dengan tekanan rendah tetapi memerlukan kawalan yang tepat.
- Langkah Perlindungan: Aditif seperti Poloxamer 188 dan pengoksigenan bebas gelembung mengurangkan kerosakan sel.
- Cabaran Penskalaan: Sistem yang lebih besar meningkatkan risiko ricih, memerlukan pemantauan tepat dan pemodelan CFD.
Menjaga kawalan pengadukan yang tepat adalah penting untuk penskalaan pengeluaran daging yang ditanam sambil melindungi integriti sel.
Bagaimana Pengadukan Mempengaruhi Pertumbuhan dan Kelangsungan Hidup Sel
Apa yang Ditunjukkan oleh Kajian Terkini
Penyelidikan terkini telah mengenal pasti ambang pengadukan tertentu yang mempengaruhi pertumbuhan dan kelangsungan hidup sel. Sebagai contoh, kajian ABM-CFD menggunakan sel FS-4 pada mikropembawa dalam bioreaktor tangki kacau 100 mL mendedahkan bahawa 60 rpm adalah kelajuan pencampuran yang optimum. Pada kelajuan ini, nutrien dan oksigen diedarkan secara merata, dengan tekanan ricih kekal antara 0–80 mPa. Walau bagaimanapun, melebihi 60 rpm menyebabkan kerosakan dan detasmen sel akibat peningkatan daya.Pada 220 rpm, nombor Reynolds impeller melonjak dari 1,444 ke 5,294.7, menandakan peralihan kepada aliran turbulen. Turbulensi ini menghasilkan pusaran yang lebih kecil daripada mikrocarrier, yang boleh merosakkan sel dan membrannya [2].
Satu kajian lain yang memfokuskan pada sel stem mesenkimal yang diperoleh daripada tali pusat manusia menekankan bagaimana peningkatan sedikit dalam intensiti pengadukan secara signifikan mengurangkan kadar lekatan. Ini menunjukkan kepekaan tinggi sel yang melekat terhadap tekanan mekanikal [6].
Penemuan ini menekankan kepentingan menentukur kelajuan pencampuran dengan tepat, yang kekal sebagai bidang penambahbaikan yang berterusan.
Mencari Intensiti Pencampuran yang Tepat
Cabaran utama adalah mengimbangi kelajuan pengadukan minimum yang diperlukan untuk menggantung mikrocarrier (N<sub>js</sub>) tanpa melebihi had tekanan ricih.Bagi sel daging, keadaan ideal melibatkan kadar penyebaran tenaga sekitar 1 mW·kg⁻¹ dan masa pencampuran di bawah 10 saat [1].
"Menjaga persekitaran mikro dan makro yang menguntungkan untuk sel tanpa mendedahkan mereka kepada tekanan mekanikal yang berlebihan daripada pengadukan memerlukan inovasi dan pengoptimuman reka bentuk dan proses bioreaktor" [2].
Pengadukan berlebihan boleh mempunyai dua kesan merosakkan: kematian sel segera apabila tekanan melebihi ambang kritikal, dan tekanan kumulatif yang membawa kepada ketenangan. Kedua-dua hasil ini menghalang produktiviti. Ini menjadikan kawalan tepat ke atas intensiti pengadukan sebagai faktor kritikal untuk kejayaan komersial, terutamanya dalam pengeluaran berskala besar. Dalam sistem dengan jumlah sebesar 20 m³, walaupun pengadukan yang minimum boleh menyebabkan detasmen sel, menonjolkan kerumitan dalam meningkatkan skala sambil mengekalkan daya hidup sel.
Pengenalan kepada Bioreaktor: Pencampuran, pengadukan & ricih
Kaedah Pencampuran Bioreaktor dan Kesan-kesannya
Perbandingan Jenis Bioreaktor untuk Pengeluaran Daging Ternak
Perbandingan Sistem Bioreaktor Berbeza
Reka bentuk bioreaktor memainkan peranan penting dalam mengimbangi pengedaran nutrien dan menguruskan tekanan mekanikal. Setiap jenis bioreaktor mencipta keadaan pencampuran yang berbeza, yang secara langsung mempengaruhi kelangsungan hidup dan produktiviti sel. Memilih sistem yang betul bermakna mencari keseimbangan antara penghantaran nutrien yang cekap dan meminimumkan daya mekanikal yang boleh merosakkan sel.
Bioreaktor tangki kacau bergantung pada impeler mekanikal untuk mencampurkan kultur. Impeler Rushton menghasilkan aliran radial, yang membawa kepada zon ricih setempat, terutamanya berhampiran hujung impeler.Sebaliknya, pengaduk bilah condong dan bilah marin menghasilkan aliran yang lebih lembut, yang lebih sesuai untuk sel mamalia yang halus. Satu kajian yang dijalankan pada Mac 2025 oleh State Key Laboratory of Bioreactor Engineering di Shanghai membandingkan prestasi sel CHO-K1 dalam bioreaktor tangki kacau dan bioreaktor goncang orbit. Sistem tangki kacau mencapai 71.6 × 10⁶ sel/mL pada 520 rpm, manakala sistem goncang orbit mencapai 83 × 10⁶ sel/mL pada hanya 100 rpm [4].
Bioreaktor gelombang (goyang) menghapuskan pengaduk sepenuhnya, menggunakan beg pakai buang yang bergoyang di atas dulang untuk mencipta gelombang lembut untuk pencampuran. Persekitaran ricih rendah ini adalah ideal untuk garis sel yang rapuh. Walau bagaimanapun, sistem ini bergantung pada pengudaraan permukaan, yang boleh mengehadkan pemindahan oksigen dalam kultur berketumpatan tinggi. Untuk mengekalkan pembentukan gelombang yang berkesan, isipadu kerja dihadkan pada 50% daripada kapasiti keseluruhan beg [7].
Bioreaktor airlift menggunakan pencampuran pneumatik, di mana gas sparging mengedarkan cecair antara riser dan downcomer. Tanpa bahagian bergerak dalaman, sistem airlift menyediakan penyebaran tenaga yang seragam dan daya ricih yang lebih rendah berbanding tangki berpengaduk. Tidak seperti bioreaktor gelombang, reka bentuk airlift menawarkan pemindahan oksigen yang lebih baik kerana peredaran yang cekap [7] .
| Jenis Bioreaktor | Mekanisme Pencampuran | Tekanan Ricih | Ketumpatan Sel Dicapai | Had Utama |
|---|---|---|---|---|
| Pengaduk-Tangki | Pengaduk mekanikal | Tinggi (setempat) | 71.6 × 10⁶ sel/mL | Risiko kerosakan hujung pengaduk |
| Goncangan Orbit | Putaran bekas | Sederhana | 83 × 10⁶ sel/mL | Puncak tekanan ricih |
| Gelombang (Goyangan) | Goyangan mendatar | Sangat rendah | Tinggi | Pemindahan oksigen terhad |
| Airlift | Pengegasan gas | Rendah (seragam) | Tinggi | Memerlukan kawalan gas yang tepat |
"Dalam reaktor tangki berpengaduk... pencampuran pengaduk setempat menghasilkan kecerunan ricih yang besar yang menyebabkan sel mengalami tekanan mekanikal." – Cellexus [7]
Apabila bioreaktor meningkat skala, pertukaran antara kecekapan pencampuran dan perlindungan sel menjadi lebih jelas.Sistem tangki kacau sangat berkesan dalam mengedarkan nutrien tetapi memerlukan penyesuaian kelajuan yang teliti untuk mengelakkan kerosakan sel dalam zon ricih tinggi. Sebaliknya, bioreaktor gelombang dan angkat udara menyediakan pencampuran yang lebih lembut, mengurangkan risiko tekanan ricih, walaupun mereka mungkin menghadapi kesukaran dengan penghantaran oksigen dalam kultur yang padat. Perbandingan ini menekankan keseimbangan halus yang diperlukan untuk mengoptimumkan pemprosesan bio berskala besar sambil melindungi integriti sel.
sbb-itb-ffee270
Mengurangkan Tekanan Ricih dan Meningkatkan Pertumbuhan Sel
Reka Bentuk Bioreaktor Baharu dan Aditif Pelindung
Meminimumkan tekanan ricih adalah penting untuk mempromosikan pertumbuhan sel dalam pengeluaran daging yang ditanam. Inovasi dalam reka bentuk bioreaktor dan penggunaan aditif pelindung telah meningkatkan daya tahan sel dan kecekapan pencampuran dengan ketara.Satu pendekatan yang menjanjikan melibatkan bioreaktor yang digoncang secara orbit, yang bergantung pada pergerakan bekas dan pengudaraan permukaan untuk mengelakkan daya ricih yang merosakkan yang disebabkan oleh pencampuran yang digerakkan oleh pendesak dan pecahan gelembung. Sistem ini telah menunjukkan hasil yang mengagumkan, menghasilkan 83 × 10⁶ sel/mL, berbanding 71.6 × 10⁶ sel/mL dalam sistem tangki kacau tradisional [4] .
Dalam sistem tangki kacau, geometri pendesak juga membuat perbezaan. Pendesak Rushton radial mencipta corak aliran yang membolehkan sel pulih dalam zon "tenang", mengurangkan impak daya ricih tinggi. Seperti yang diperhatikan oleh penyelidik dari TTP:
Sel dalam reaktor pendesak Rushton radial pulih semasa fasa tenang, tidak seperti dalam sistem pendesak paksi berganda [5].
Untuk hasil yang optimum dalam pengeluaran daging yang ditanam, mengekalkan kelajuan hujung pendesak dalam 0.6–1.8 m/s disyorkan untuk melindungi pertumbuhan sel [9] .
Aditif pelindung seperti Poloxamer 188 (Pluronic F-68) memainkan peranan penting dengan mengurangkan ketegangan permukaan di antara muka gas-cecair, melindungi sel daripada kerosakan semasa pembentukan dan pecahan gelembung. Kepekatan ideal untuk Poloxamer 188 adalah 1 g/L, kerana jumlah yang lebih tinggi memberikan sedikit manfaat tambahan [9]. Untuk sel yang melekat yang ditanam pada mikropembawa, rejim pengacauan berselang-seli boleh meningkatkan hasil. Sebagai contoh, menggunakan corak 30 minit OFF dan 5 minit ON semasa fasa penyemaian menggalakkan pemindahan manik-ke-manik sambil meminimumkan tekanan hidrodinamik. Pendekatan ini telah membolehkan sel satelit lembu mencapai ketumpatan 3 × 10⁶ sel/mL [3] .
Selain daripada strategi reka bentuk dan penambahan ini, meningkatkan penghantaran oksigen boleh mengurangkan tekanan ricih dengan lebih lanjut.
Menggunakan Pengoksigenan Tanpa Gelembung
Pengoksigenan tanpa gelembung menawarkan cara lain yang berkesan untuk melindungi sel daripada kerosakan ricih. Pecahan gelembung di permukaan antara gas-cecair boleh menghasilkan kadar penyebaran tenaga setinggi 10⁶ hingga 10⁸ W/m³, jauh melebihi ambang subletal 10⁴ W/m³ yang kebanyakan sel mamalia boleh bertahan [9] . Dengan menghapuskan gelembung, kaedah ini membantu melindungi kultur berketumpatan tinggi.
Pengudaraan permukaan, yang biasa digunakan dalam bioreaktor yang digoncang secara orbit dan bergoyang, amat berkesan dalam mengurangkan daya ricih.Seperti yang disorot dalam kajian terkini:
OSB menggunakan gerakan badan kapal dan pengudaraan permukaan untuk mengurangkan kerosakan ricih yang disebabkan oleh bilah pemutar tradisional dan pembentukan atau pecahan gelembung secara berkesan [4].
Bioreaktor goyang juga menunjukkan potensi untuk pengeluaran daging yang diternak. Mereka menawarkan kelebihan seperti kebolehbuangan, kos operasi yang rendah, dan persekitaran hidrodinamik yang lembut [8].
Walau bagaimanapun, pengudaraan permukaan menghadapi cabaran pada ketumpatan sel yang sangat tinggi. Sebagai contoh, bioreaktor yang digoncang secara orbit mencapai pekali pemindahan jisim oksigen (kLa) sebanyak 20.12 h⁻¹ pada 100 rpm, secara teori menyokong ketumpatan sel sehingga 118 × 10⁶ sel/mL.Namun dalam praktiknya, apabila ketumpatan sel melebihi 80 × 10⁶ sel/mL, kelikatan suspensi meningkat, menyebabkan tingkah laku penipisan ricih bukan Newtonian yang mengurangkan kecekapan pemindahan oksigen. Ini menekankan keperluan untuk pengoptimuman yang teliti apabila ketumpatan sel meningkat.
Mengawal Pengadukan untuk Pengeluaran Berskala Besar
Menyesuaikan Kelajuan Pencampuran dan Sistem Pemantauan
Dalam sistem berskala besar, mengekalkan kawalan tepat ke atas pengadukan adalah penting. Untuk 24 jam pertama, disyorkan untuk mengekalkan kelajuan pencampuran antara 30–50 rpm untuk mengoptimumkan pelekatan sel kepada mikropembawa [6] . Satu kajian dari Universiti Sains dan Teknologi China Timur pada Jun 2022 menekankan kepentingan pendekatan ini: pada 45 rpm, sel stem mesenkimal yang diperoleh daripada tali pusat manusia mencapai 98.Kadar pematuhan 68% pada Hari 1, manakala peningkatan kelajuan kepada 55 rpm menyebabkan kadar pematuhan merosot kepada 51.32% [6] .
Selepas fasa lampiran, pengadukan harus sedikit melebihi kelajuan yang baru digantung (N₍JS₎) untuk mengelakkan penggumpalan sel. Penyelidikan menunjukkan bahawa mengekalkan intensiti pengadukan berhampiran 1.3 × N₍JS₎ menyokong pertumbuhan sel, manakala melebihi ini kepada 2 × N₍JS₎ menghalang pertumbuhan disebabkan oleh kecekapan lampiran yang berkurangan [10] .
Pengawasan berterusan adalah kritikal, memandangkan margin operasi yang sempit. Sistem seperti bioreaktor BioStar 1.5c menggunakan perisian canggih untuk menyesuaikan pengadukan dan aliran gas berdasarkan maklum balas masa nyata daripada probe oksigen terlarut (DO) dan pH [6].Sensor DO optik memainkan peranan penting di sini, menawarkan ketepatan yang diperlukan untuk menyelaraskan pengadukan hanya apabila tahap DO jatuh di bawah ambang yang ditetapkan - biasanya sekitar 40% - dengan itu meminimumkan tekanan ricih [7] [6]. Pasukan China Timur menggunakan kaedah ini dengan menggunakan Mettler Toledo probe, mengekalkan DO pada 40% dan pH pada 7.2. Pendekatan ini menghasilkan ketumpatan sel maksimum sebanyak 27.3 × 10⁵ sel/mL, peningkatan 2.9 kali ganda berbanding teknik kultur batch standard [6].
Apabila meningkatkan skala, model dinamik bendalir pengiraan (CFD) sangat berharga untuk menentukan kelajuan impeller yang optimum untuk menggantung mikropembawa tanpa melebihi had ricih [10][6]. Daripada hanya memadankan rpm antara bekas, analisis CFD mencadangkan penjajaran kadar regangan ricih purata volum antara reaktor. Ini memastikan bahawa persekitaran hidrodinamik dalam bioreaktor yang lebih besar - seperti penskalaan dari kelalang pemutar 200 mL ke bioreaktor 1.5 L - kekal kondusif untuk pertumbuhan sel [6].
Strategi-strategi ini menekankan kepentingan kawalan dan pemantauan yang tepat apabila beralih kepada sistem bioreaktor yang lebih maju.
Mencari Peralatan Khusus Melalui Cellbase
Mendapatkan peralatan yang betul untuk pengeluaran daging yang ditanam boleh menjadi rumit. Platform bekalan makmal standard selalunya tidak memenuhi keperluan khusus dalam bidang ini, seperti kipas rendah ricih atau sensor oksigen terlarut optik yang disesuaikan untuk kultur sel mamalia berketumpatan tinggi. Di sinilah
Sebagai pasaran B2B pertama yang didedikasikan untuk industri daging yang diternak,
Sama ada anda sedang menaik taraf sistem pemantauan anda atau mendapatkan komponen khusus, platform seperti
Kesimpulan
Mendapatkan keseimbangan yang betul antara penghantaran oksigen dan nutrien sambil mengelakkan tekanan ricih yang berbahaya adalah kunci untuk mengoptimumkan pengadukan dalam bioreaktor daging yang ditanam. Penyelidikan menunjukkan ini boleh dicapai dengan memilih reka bentuk bioreaktor yang betul, melaraskan kelajuan pencampuran, dan menggunakan strategi perlindungan.
Teknik seperti pengacauan berselang-seli, pemutar Rushton radial, dan pelarasan masa nyata yang dipantau melalui CFD (Computational Fluid Dynamics) memainkan peranan besar dalam memastikan sel pulih dengan baik dan tumbuh dengan stabil. Apabila pengeluaran meningkat dari kelalang makmal ke volum industri, memahami tingkah laku cecair bukan Newtonian dan mengekalkan skala panjang Kolmogorov yang konsisten menjadi penting untuk mengelakkan kerosakan mekanikal. Kemajuan ini memudahkan untuk melindungi sel dan memudahkan usaha penskalaan.
Platform seperti
Soalan Lazim
Apakah masalah yang boleh disebabkan oleh pengadukan berlebihan dalam bioreaktor untuk daging yang diternak?
Pengadukan berlebihan dalam bioreaktor boleh menjadi masalah serius untuk pengeluaran daging yang diternak, kerana ia boleh memberi kesan negatif kepada pertumbuhan dan kelangsungan hidup sel. Pencampuran yang kuat mencipta tekanan ricih yang tinggi, yang boleh merosakkan sel haiwan yang halus. Tekanan mekanikal seperti ini boleh mengakibatkan kerosakan membran sel, mengurangkan daya hidup, dan bahkan menghalang perkembangan tisu.
Untuk mencegah cabaran ini, adalah penting untuk menyesuaikan parameter pengadukan dengan tepat.Matlamatnya adalah untuk mencapai keseimbangan antara pemindahan nutrien dan oksigen yang cekap sambil meminimumkan tekanan mekanikal. Faktor utama seperti reka bentuk impeller, kelajuan pencampuran, dan geometri bioreaktor mesti disesuaikan dengan teliti untuk mengekalkan sel yang sihat dan produktif sepanjang proses penanaman.
Bagaimana pilihan bioreaktor mempengaruhi pertumbuhan dan daya tahan sel dalam pengeluaran daging yang ditanam?
Pilihan bioreaktor dalam pengeluaran daging yang ditanam adalah penting, kerana ia secara langsung mempengaruhi pertumbuhan dan kesihatan sel dengan mempengaruhi faktor seperti kecekapan pencampuran, pemindahan oksigen, dan tekanan ricih.
Bioreaktor tangki kacau adalah pilihan popular untuk pengeluaran berskala besar kerana mereka menawarkan kawalan yang tepat ke atas keadaan ini. Walau bagaimanapun, mereka juga boleh menghasilkan daya ricih yang mungkin merosakkan sel-sel rapuh, menjadikannya penting untuk menyesuaikan reka bentuk impeller dan parameter operasi untuk meminimumkan kerosakan.
Reka bentuk lain, seperti bioreaktor angkat udara , adalah lebih mudah dan menggunakan kurang tenaga. Tetapi mereka mungkin tidak memberikan tahap kawalan yang sama ke atas pencampuran, yang berpotensi menjejaskan pertumbuhan sel. Sebaliknya, bioreaktor gentian berongga meniru saluran darah untuk menyokong ketumpatan sel yang tinggi, walaupun penskalaan mereka boleh menjadi cabaran.
Pemilihan bioreaktor yang betul bergantung kepada mencari keseimbangan yang tepat antara faktor seperti kebolehan skala, kos, dan keperluan khusus sel untuk memastikan mereka tumbuh dan berkembang dengan berkesan untuk pengeluaran daging yang ditanam.
Bagaimana tekanan ricih boleh dikurangkan semasa pengeluaran daging yang ditanam berskala besar?
Meminimumkan tekanan ricih dalam pengeluaran daging yang ditanam berskala besar memerlukan penyesuaian yang teliti terhadap reka bentuk dan operasi bioreaktor. Faktor seperti jenis pengaduk, bentuk reaktor, dan tetapan pencampuran memainkan peranan penting.Sebagai contoh, mengurangkan kelajuan hujung impeller atau memilih reka bentuk impeller tertentu boleh mengurangkan daya ricih sambil masih mengekalkan pencampuran dan penghantaran oksigen yang betul, yang penting untuk pertumbuhan sel.
Alat lain yang berguna dalam proses ini adalah dinamik bendalir pengiraan (CFD). Simulasi CFD membolehkan jurutera mengkaji corak aliran dan pengagihan ricih secara terperinci, membantu mereka membuat penyesuaian reka bentuk yang berinformasi. Selain itu, bioreaktor yang berayun atau bercampur gelombang menawarkan alternatif yang lebih lembut kepada sistem tangki kacau tradisional, kerana ia secara semula jadi menghasilkan daya ricih yang lebih rendah. Menggabungkan pemantauan masa nyata dengan sensor canggih dan algoritma kawalan ramalan boleh membantu mengekalkan tekanan ricih dalam had selamat, memastikan proses pengeluaran yang lebih lancar.
