Menjaga tahap pH yang tepat adalah kritikal untuk pengeluaran daging yang diternak. Sel mamalia berkembang dalam julat pH yang sempit (7.1–7.4), tetapi pengasidan metabolik, pengumpulan CO₂, dan cabaran pencampuran menjadikan kawalan pH kompleks, terutamanya dalam bioreaktor berskala besar. Strategi berkesan termasuk:
- Pengegasan gas: Mengeluarkan CO₂ berlebihan tanpa menaikkan osmolaliti atau menyebabkan lonjakan pH setempat.
- Penderia maju: Penderia potensiometrik menawarkan ketepatan tinggi untuk sistem keluli tahan karat, manakala penderia optik berfungsi dengan baik dengan bioreaktor guna tunggal.
- Pengoptimuman penimbal: Menambah penimbal seperti HEPES meningkatkan kestabilan tetapi memerlukan keseimbangan yang teliti untuk mengelakkan pengeluaran laktat berlebihan.
- Sistem automatik: Pelarasan masa nyata menggunakan gelung maklum balas memastikan tahap pH yang konsisten.
Pendekatan ini membantu mengatasi cabaran seperti pengumpulan asid laktik dan tekanan ricih, meningkatkan kesihatan sel dan hasil produk.
Memahami Pengukuran pH dalam Bioproses
Cabaran Utama dalam Pengurusan pH
Bahagian ini meneroka faktor utama yang menyumbang kepada ketidakstabilan pH, berdasarkan cabaran yang telah dibincangkan sebelum ini.
Pengasidan Metabolik dan Pengumpulan Asid Laktik
Asid laktik adalah halangan utama dalam pemprosesan daging yang ditanam. Apabila sel memetabolismekan glukosa melalui glikolisis, mereka menghasilkan laktat dan ion hidrogen dalam nisbah 1:1. Proses ini mencipta beban asid yang ketara, menjadikan laktat sebagai pendorong utama pengasidan medium [1].
Kapasiti penampan media kultur standard - biasanya antara 1.1 dan 1.6 mM per unit pH [1] - selalunya tidak mencukupi semasa tempoh pertumbuhan sel yang pesat.Apabila sel membiak, pengeluaran sisa metabolik mereka meningkat, membebankan keupayaan medium untuk mengekalkan pH yang stabil. Penurunan mendadak dalam pH semasa fasa ini boleh dikaitkan secara langsung dengan pengeluaran asid laktik glikolisis [1], menekankan peranan penting laktat dalam menstabilkan pH medium.
Komplikasi tidak berhenti di situ. Pengumpulan CO2 menambah satu lagi lapisan kerumitan.
Pembentukan CO2 dan Hanyutan pH
Respirasi selular memperkenalkan CO2 ke dalam medium, di mana ia larut untuk membentuk asid karbonik. Isu utama adalah tekanan separa CO2 terlarut (pCO2), yang mempengaruhi sama ada CO2 boleh melarikan diri dari sel. Apabila tahap pCO2 dalam medium meningkat terlalu tinggi, CO2 terperangkap di dalam sel, menyebabkan penurunan pH intraselular yang berbahaya dan akhirnya membawa kepada kematian sel [2].
"Jika pCO2 terlalu tinggi, CO2 tidak dapat meninggalkan sel, jadi pH intraselular akan menurun dan sel akan mati." - Alicat Scientific [2]
Masalah ini menjadi lebih ketara dalam bioreaktor berskala besar. Sistem ini mempunyai nisbah permukaan-ke-isi padu yang lebih rendah, yang mengurangkan kecekapan degas CO2 berbanding dengan bekas yang lebih kecil [3]. Malah operasi rutin, seperti memindahkan media ke inkubator CO2, boleh menyebabkan turun naik pH. Sebagai contoh, jumlah media yang kecil mula beralkali hampir serta-merta, dengan pemalar masa 2–3 jam [1].
Di samping cabaran kimia, proses fizikal juga memainkan peranan penting dalam ketidakstabilan pH.
Kesan Pencampuran dan Tekanan Ricih terhadap Kestabilan pH
Menyesuaikan pH dengan menambah asas memperkenalkan risikonya sendiri.Apabila natrium bikarbonat atau asas serupa dipam ke dalam bioreaktor, pencampuran yang lemah boleh mencipta zon pH tinggi yang merosakkan sel berdekatan [2] [3]. Sebaliknya, pengadukan yang kuat diperlukan untuk mengedarkan asas secara seragam boleh menyebabkan tekanan ricih dan pembentukan buih, kedua-duanya merosakkan sel mamalia yang rapuh [2] [3].
Dalam eksperimen terkawal, penambahan asas untuk menstabilkan pH sering mengurangkan daya tahan sel kerana peningkatan osmolaliti [3]. Ini mencipta tindakan keseimbangan yang sukar: pencampuran yang tidak mencukupi menghasilkan titik panas pH, manakala pencampuran berlebihan menghalang titik panas tetapi meningkatkan tekanan mekanikal. Masalah ini menjadi lebih mencabar semasa peningkatan skala, di mana masa pencampuran yang lebih lama menyukarkan untuk mengekalkan kawalan pH yang berkesan tanpa menjejaskan kesihatan sel.
Teknologi untuk Pemantauan dan Kawalan pH
Menjaga pH dalam julat sempit 7.1–7.4 adalah kritikal untuk kultur sel mamalia, memerlukan alat pemantauan yang tepat dan boleh dipercayai [2]. Sensor potensiometrik, yang bertindak sebagai elektrod untuk mengukur ion hidrogen bebas, adalah piawaian emas untuk pemantauan pH berterusan dalam bioreaktor [1]. Sensor ini menyediakan data masa nyata, membolehkan sistem automatik membuat penyesuaian segera untuk mengekalkan tahap pH yang diperlukan. Ketepatan tinggi mereka menjadikannya penting untuk operasi berskala besar. Di samping itu, penunjuk optik menawarkan cara lain yang berkesan untuk mengukur pH.
Penunjuk optik bergantung pada analisis spektroskopi untuk menyediakan pengukuran pH kuantitatif.Walaupun fenol merah sering digunakan sebagai penunjuk visual, bacaan yang lebih tepat dicapai melalui analisis ratiometrik penyerapan pada dua panjang gelombang tertentu - 560 nm dan 430 nm [1] . Kaedah ini mengimbangi faktor seperti jumlah media atau kepekatan pewarna, memastikan hasil yang konsisten dan tepat.
"Kepekatan ion H+ bebas tidak mudah diramal, tetapi secara kebetulan mudah diukur (e.g. dengan elektrod atau pewarna penunjuk)." - Johanna Michl et al., University of Oxford [1]
Sistem kawalan pH moden melangkaui pemantauan dengan mengintegrasikan pengukuran ini ke dalam gelung maklum balas automatik yang mengawal tahap pH secara dinamik.
Sistem maklum balas automatik memanfaatkan data sensor untuk membuat pelarasan masa nyata, menghapuskan keperluan untuk campur tangan manual. Sistem ini boleh melaraskan pH dengan menambah asas atau menggunakan teknik gas sparging [2].Untuk bioreaktor berskala besar, penyemburan gas adalah sangat berkesan. Dengan menggunakan pengawal aliran massa, tahap CO2 boleh diselaraskan dengan cepat dan sekata, memastikan pengawalan pH yang seragam [2]. Sebaliknya, pengepaman asas, walaupun berkesan untuk sistem yang lebih kecil, boleh mencipta ketidakseimbangan pH setempat dan meningkatkan osmolaliti, menjadikannya kurang praktikal untuk bekas yang lebih besar [2]. Walau bagaimanapun, penyemburan gas memerlukan perhatian yang teliti terhadap reka bentuk penyembur untuk mengelakkan tekanan ricih yang boleh merosakkan sel [2]. Bagi mereka dalam pengeluaran daging yang ditanam, melabur dalam sistem kawalan gas yang canggih boleh membawa kepada kesihatan sel yang lebih baik dan hasil yang lebih tinggi, menjadikannya perbelanjaan yang berbaloi.
sbb-itb-ffee270
Strategi untuk Pengurusan pH pada Skala Besar
Sensor pH Potensiometrik vs Optik untuk Bioreaktor Daging Ternak
Sensor Potensiometrik vs Optik: Satu Perbandingan
Memilih teknologi sensor yang tepat menjadi semakin penting apabila pengeluaran daging ternak meningkat. Sensor potensiometrik adalah pilihan utama untuk bioreaktor keluli tahan karat kerana ketepatan dan tindak balas pantas mereka. Walau bagaimanapun, mereka mempunyai cabaran seperti keperluan untuk kalibrasi berkala dan kerentanan kepada drift semasa proses yang berpanjangan. Jacob Crowe, Pengurus Sokongan Teknikal Aplikasi di
"Dari masa ke masa, pengukuran pH boleh mengalami drift, yang akan menjejaskan kestabilan dan prestasi proses.Adalah penting untuk memantau dan mengurangkan hanyutan pH untuk mengelakkan kesan buruk terhadap metabolisme dan keseluruhan proses [8].
Di sisi lain, sensor optik muncul sebagai pilihan praktikal, terutamanya untuk sistem bioreaktor sekali guna. Sensor ini boleh dipasang terlebih dahulu dalam beg pakai buang, mengurangkan risiko pencemaran dan menghapuskan keperluan untuk pensterilan antara kitaran [7]. Dalam sistem mikrofluidik, sensor optik telah menunjukkan keputusan yang cemerlang, mencapai viabiliti sel sebanyak 95.45% pada ketumpatan 262,500 sel/mL [9].
| Ciri | Penderia Potensiometrik | Penderia Optik |
|---|---|---|
| Ketepatan | Tinggi, tetapi cenderung untuk hanyut | Tinggi; ideal untuk pemantauan masa nyata |
| Penyelenggaraan | Memerlukan penentukuran kerap | Minimum; sering kali sekali guna |
| Kebolehkembangan | Standard untuk pemasangan keluli tahan karat | Hebat untuk sekali guna dan mikrofluidik |
| Masa Tindak Balas | Pantas, terhad oleh kestabilan elektrod | Maklum balas masa nyata segera |
| Implikasi Kos | Kos buruh dan penyelenggaraan lebih tinggi | Kos buruh lebih rendah; disepadukan ke dalam bahan buang |
Pemilihan sensor bergantung kepada jenis reaktor.Bioreaktor keluli tahan karat mungkin mendapat manfaat daripada sensor potensiometrik dengan langkah-langkah untuk menguruskan drift, manakala platform sekali guna boleh memanfaatkan kemudahan sensor optik bersepadu [7] [8]. Keputusan ini secara langsung mempengaruhi bagaimana kestabilan pH dikekalkan semasa pengoptimuman medium.
Pengoptimuman Medium dan Penambahbaikan Penimbal
Sebaik sahaja sensor yang sesuai dipasang, menstabilkan sistem penimbal medium kultur menjadi penting untuk mengekalkan kawalan pH semasa peningkatan skala. Sel mamalia bergantung pada sistem penimbal CO₂/HCO₃⁻ (pKa 6.15 pada 37°C), tetapi kapasiti penimbalnya sering tidak mencukupi. Sebagai contoh, DMEM standard dengan 10% FBS biasanya menyediakan hanya 1.1 hingga 1.6 mM penimbal [1].
Untuk mengatasi ini, menambah penimbal tidak meruap (NVB) seperti 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].
Teknik Sparging dan Pengadukan
Gas sparging offers a practical way to manage pH in large-scale cultivated meat production.Alicat Scientific notes:
"Gelembung gas dari sparger boleh dicampur dan diedarkan dengan lebih cepat daripada asas, dan dengan kurang pengadukan" [2].
Dengan mengedarkan gelembung gas secara seragam, sparging menyediakan pendekatan yang lebih konsisten daripada penambahan asas kimia. Sebagai contoh, satu kajian pada tahun 2018 menunjukkan bahawa mengekalkan kadar sparge yang tetap sambil meningkatkan pengudaraan ruang kepala membolehkan titre kekal stabil semasa peningkatan skala dari 30 L ke 250 L [2].
Macro sparger, yang menghasilkan gelembung berdiameter 1–4 mm, amat berkesan dalam mengeluarkan CO₂ berlebihan dari kultur. Ini meningkatkan pH secara semula jadi, mengelakkan keperluan untuk asas kimia yang boleh meningkatkan osmolaliti [2] [5]. Strategi kawalan pH "gas sahaja" yang lebih baru menggunakan gelung maklum balas sparging udara automatik.Apabila pH menurun, aliran udara meningkat untuk mengeluarkan lebih banyak CO₂. Kaedah ini telah berjaya ditingkatkan dari bioreaktor ambr®250 kepada bekas 200 L, mengekalkan tahap pH yang tepat sepanjang kultur fed-batch [6] .
Mengimbangi pemindahan gas yang cekap dengan tekanan ricih yang minimum kekal sebagai cabaran kritikal semasa peningkatan skala. Bioreaktor airlift, yang menggunakan peredaran yang digerakkan oleh gas, menawarkan pilihan pencampuran yang lebih lembut dengan tekanan ricih yang berkurangan. Simulasi dinamik bendalir pengiraan (CFD) juga boleh membantu mengenal pasti zon ricih tinggi berhampiran bilah pemutar, membolehkan reka bentuk bioreaktor dioptimumkan sebelum peningkatan skala [4]. Menggabungkan pendekatan ini dengan alat canggih dari
Mendapatkan Peralatan Kawalan pH melalui Cellbase
Mengapa Memilih Cellbase untuk Perolehan?
Kawalan pH yang tepat adalah penting dalam pemprosesan biologi daging yang ditanam, menjadikannya penting untuk mendapatkan peralatan yang betul. Platform bekalan makmal umum sering kekurangan pengetahuan khusus yang diperlukan untuk julat pH yang ketat dalam bidang ini.
Dengan menggunakan
Menemukan Teknologi Kawalan pH Melalui Cellbase
Untuk peningkatan skala, platform ini menyediakan akses kepada pengawal aliran massa dan sparger khusus, yang penting untuk pengurusan pH berasaskan gas yang cekap. Seperti yang diketengahkan oleh Alicat Scientific:
"Menjaga pH pada tahap biologi yang sihat berpotensi menjadi alat paling berkuasa dalam pemprosesan biologi huluan untuk meningkatkan titer produk" [2].
Selain itu,
Pakar perolehan juga boleh mendapatkan peralatan untuk penyingkiran CO₂, termasuk sensor CO₂ yang boleh diautoklaf dan probe pH sekali guna. Alat-alat ini menyokong strategi berskala untuk mengekalkan kawalan pH yang tepat, memudahkan integrasi pengurusan pH yang maju ke dalam pengeluaran berskala besar [11]. Dengan menawarkan penyelesaian yang disasarkan,
Kesimpulan: Amalan Terbaik untuk Kawalan pH dalam Pemprosesan Biologi Daging Ternakan
Mengekalkan julat pH 7.1 hingga 7.4 adalah kritikal untuk kelangsungan hidup sel mamalia dalam pengeluaran daging ternakan [2] . Menjaga pH dalam julat ini memainkan peranan penting dalam meningkatkan hasil produk semasa pemprosesan biologi huluan.
Untuk menangani cabaran kawalan pH, beberapa amalan berkesan telah muncul. Salah satu kaedah yang menonjol adalah menggunakan gas sparging dan bukannya penambahan asas semasa peningkatan skala. Gas sparging berkesan mengeluarkan CO₂ berlebihan dengan mengedarkannya secara sekata dengan pengadukan minimum, yang membantu mengelakkan masalah seperti ketidakseragaman pH dan turun naik osmolaliti [2]. Kajian 2021 oleh Aryogen Pharmed menunjukkan kejayaan kaedah ini pada skala 250 liter, mencapai peningkatan 51% dalam hasil produk akhir [3].
Amalan penting lain adalah pemantauan pH secara langsung , yang memberikan pemahaman yang lebih komprehensif tentang kesihatan kultur berbanding bergantung semata-mata pada pengukuran pCO₂.Ini adalah sangat penting kerana tahap CO₂ terlarut tidak mengambil kira pengumpulan asid laktik, yang boleh membentuk sehingga 90% metabolisme glukosa dalam garis sel tertentu [1]. Memantau pH secara langsung menjadi lebih penting semasa fasa pertumbuhan eksponen apabila aktiviti metabolik memuncak.
Untuk penimbal tidak mudah meruap seperti HEPES, adalah penting untuk mempertimbangkan keseimbangan penimbal. Penimbal HEPES boleh mengambil masa sehingga dua jam untuk stabil dan mesti dititrat dengan teliti dengan bikarbonat dan CO₂ [1]. Walau bagaimanapun, meningkatkan kapasiti penimbalan mungkin secara tidak sengaja meningkatkan pengeluaran laktat, yang boleh menentang kesan penstabilan yang dimaksudkan [1]. Apabila digabungkan dengan pemantauan berasaskan sensor dan teknik penyemburan gas, pertimbangan penimbal ini membantu mengekalkan keadaan proses yang stabil dan optimum.
Soalan Lazim
Bagaimana gas sparging menyokong kawalan pH dalam pengeluaran daging ternakan?
Gas sparging memainkan peranan penting dalam mengekalkan keseimbangan tahap pH semasa pengeluaran daging ternakan. Apabila sel berkembang, mereka melepaskan karbon dioksida (CO₂) sebagai hasil sampingan respirasi. CO₂ ini boleh menurunkan pH medium kultur, yang mungkin membahayakan kesihatan sel. Dengan memperkenalkan gas seperti udara, oksigen, atau gas lengai ke dalam bioreaktor, sparging membantu mengeluarkan CO₂ berlebihan. Ini menghalang medium daripada menjadi terlalu berasid dan mengekalkan kestabilan pH.
Mengekalkan medium kultur dalam julat pH ideal sekitar 7.1 hingga 7.4 adalah penting untuk pertumbuhan sel yang sihat dan produktiviti. Apabila digabungkan dengan sistem penampan dan pemantauan masa nyata menggunakan sensor pH, gas sparging bukan sahaja meningkatkan kecekapan proses tetapi juga meningkatkan daya tahan sel. Ia adalah komponen kritikal dalam memastikan kejayaan pemprosesan biologi daging ternakan.
Apakah yang menjadikan sensor potensiometrik pilihan yang lebih baik daripada sensor optik untuk pemantauan pH dalam pengeluaran daging yang diternak?
Sensor potensiometrik memainkan peranan penting dalam pengeluaran daging yang diternak kerana keupayaannya untuk memberikan pengukuran pH masa nyata dengan ketepatan tinggi. Mengekalkan tahap pH yang betul adalah penting untuk mewujudkan persekitaran yang sesuai untuk pertumbuhan sel, dan sensor ini cemerlang dalam menyampaikan data yang diperlukan untuk mencapai itu. Selain itu, mereka adalah berpatutan dan berintegrasi dengan lancar ke dalam bioreaktor berskala besar, menjadikannya ideal untuk pemantauan berterusan dalam persekitaran industri.
Tambahan pula, sensor ini dibina untuk menangani cabaran media kultur yang kompleks, menawarkan prestasi yang boleh dipercayai walaupun dalam keadaan yang mencabar. Walau bagaimanapun, mereka memerlukan penentukuran berkala untuk mengekalkan ketepatannya.Dengan gabungan ketepatan, kebolehpercayaan, dan kecekapan kos, sensor potensiometrik telah menjadi pilihan utama untuk kawalan pH yang berkesan dalam pemprosesan bioproses daging yang diternak.
Mengapa pengumpulan asid laktik menyukarkan untuk mengekalkan tahap pH yang stabil?
Pengumpulan asid laktik menyukarkan kawalan pH dengan meningkatkan keasidan persekitaran kultur, menyebabkan pH menurun. Ini boleh merosakkan daya tahan dan produktiviti sel, kerana kebanyakan sel memerlukan julat pH yang dikawal dengan teliti untuk tumbuh dan berfungsi dengan baik.
Menguruskan tahap asid laktik adalah penting dalam pemprosesan bioproses daging yang diternak untuk menyokong pertumbuhan sel yang sihat dan mengekalkan kualiti produk. Pendekatan seperti pemantauan pH masa nyata, penggunaan penimbal pH, atau menyesuaikan protokol pemakanan boleh membantu menstabilkan persekitaran dan mengelakkan perubahan pH yang merosakkan.
