สำหรับวิศวกรกระบวนการชีวภาพและนักวิจัยเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง: การรักษาระดับ pH (6.8–7.4) และ ระดับออกซิเจนละลาย (DO) ให้แม่นยำเป็นสิ่งสำคัญในเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพสำหรับการผลิตเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง เซ็นเซอร์แบบออปติคัลกำลังเปลี่ยนแปลงวิธีการตรวจสอบพารามิเตอร์เหล่านี้โดยการให้การวัดที่แม่นยำแบบเรียลไทม์และปราศจากการปนเปื้อน แตกต่างจากโพรบอิเล็กโทรเคมีแบบดั้งเดิม การเลือกเซ็นเซอร์สำหรับเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง มักเกี่ยวข้องกับการเลือกเซ็นเซอร์แบบออปติคัลเพื่อลดการเกิดคราบ ต้องการการบำรุงรักษาน้อยลง และผสานรวมเข้ากับระบบใช้ครั้งเดียวได้อย่างราบรื่น เช่น ถุงคลื่นและเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพแบบไมโครฟลูอิดิก
จุดเด่นสำคัญ:
- การตรวจสอบ pH: เซ็นเซอร์แบบออปติคัลใช้สีย้อมเรืองแสงที่มีการอ่านค่าแบบอัตราส่วนเพื่อการวัดที่เสถียรและแม่นยำในช่วงการเพาะเลี้ยงเซลล์สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม
- การตรวจสอบ DO: การลดแสงสว่างด้วยเทคโนโลยีการเปลี่ยนเฟสขั้นสูงช่วยให้การอ่านค่าออกซิเจนมีความน่าเชื่อถือ แม้ในสภาพแวดล้อมที่มี DO ต่ำ.
- การบูรณาการ: การออกแบบที่กะทัดรัดและตัวเลือกที่ไม่ต้องสัมผัสทำให้เซ็นเซอร์ออปติคัลเหมาะสำหรับเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพแบบใช้ครั้งเดียวและขนาดเล็ก.
- ความก้าวหน้าล่าสุด: เวลาตอบสนองที่ดีขึ้น การเคลือบป้องกันการเปรอะเปื้อน และความเสถียรในระยะยาวสนับสนุนกระบวนการเพาะเลี้ยงที่ยาวนานขึ้น.
เซ็นเซอร์ออปติคัลกำลังเปลี่ยนแปลงการเพิ่มประสิทธิภาพของเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพโดยลดเวลาหยุดทำงาน ปรับปรุงการควบคุมกระบวนการ และสนับสนุนการผลิตเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยงในระดับที่ขยายได้ อ่านต่อเพื่อสำรวจว่าเซ็นเซอร์เหล่านี้ทำงานอย่างไร ความก้าวหน้าล่าสุดของพวกเขา และบทบาทของพวกเขาในกระบวนการชีวภาพอัตโนมัติ.
วิธีหลีกเลี่ยงสัญญาณออกซิเจนละลายที่มีเสียงรบกวนในเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพ: เซ็นเซอร์ O2 ป้องกันฟองอากาศ
sbb-itb-ffee270
วิธีที่เซ็นเซอร์ออปติคอลวัดค่า pH และออกซิเจนละลาย
เซ็นเซอร์ออปติคอล vs เซ็นเซอร์อิเล็กโทรเคมีสำหรับการตรวจสอบ pH & DO ในเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพ
กลไกการตรวจจับ pH
เซ็นเซอร์ pH ออปติคอลพึ่งพา สีย้อมเรืองแสงที่ไวต่อ pH, ซึ่งมักเป็นอนุพันธ์ของ HPTS (8-hydroxypyrene-1,3,6-trisulfonic acid) ที่ฝังอยู่ในเมทริกซ์โพลิเมอร์ที่ชอบน้ำ สีย้อมนี้มีอยู่ในสองรูปแบบ - โปรตอนและดีโปรตอน - แต่ละแบบมีสเปกตรัมการดูดซับและการปล่อยที่แตกต่างกัน อัตราส่วนของรูปแบบเหล่านี้เปลี่ยนแปลงตามค่า pH อย่างคาดการณ์ได้ ตามที่อธิบายโดยสมการ Henderson-Hasselbalch [1][4].
เพื่อปรับปรุงความแม่นยำ เซ็นเซอร์สมัยใหม่ใช้วิธีการแบบอัตราส่วนสีย้อมถูกกระตุ้นที่ความยาวคลื่นเดียว และการปล่อยแสงจะถูกวัดที่ความยาวคลื่นสองค่าที่แตกต่างกัน โดยทั่วไปจะอยู่ที่ประมาณ 470 นาโนเมตรและ 525 นาโนเมตร อัตราส่วนของสัญญาณการปล่อยแสงเหล่านี้มีความสัมพันธ์โดยตรงกับค่า pH ซึ่งให้ความเสถียรมากกว่าการวัดที่อิงกับความเข้มแบบง่าย วิธีนี้ลดผลกระทบจากการลอยของแหล่งกำเนิดแสงและการซีดจางของสีย้อม ทำให้มีความน่าเชื่อถือมากกว่าอิเล็กโทรดแก้วแบบดั้งเดิม [4].
ควรสังเกตว่าเซ็นเซอร์ pH แบบออปติคัลมี ช่วงไดนามิกที่จำกัดประมาณ 3 หน่วย pH (โดยทั่วไปคือ pH 5.5–8.5) ซึ่งอยู่รอบๆ pKa ของสีย้อม อย่างไรก็ตาม ช่วงนี้สอดคล้องกับความต้องการของการผลิตเนื้อสัตว์เพาะเลี้ยง ซึ่งเซลล์สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมเจริญเติบโตได้ดีในช่วง pH แคบๆ ที่ 6.8–7.4 สำหรับกระบวนการที่มีความผันผวนของ pH ที่กว้างขึ้น เซ็นเซอร์ไฟฟ้าเคมีอาจเหมาะสมกว่า [4].
วิธีการตรวจวัดค่า pH ที่แม่นยำเหล่านี้เสริมเทคนิคการตรวจสอบออกซิเจนที่กล่าวถึงด้านล่างนี้
กลไกการตรวจวัดออกซิเจน
เซ็นเซอร์ออกซิเจนละลายแบบออปติคัล (DO) ทำงานโดยใช้ การลดทอนการเรืองแสง. ในกระบวนการนี้ โมเลกุลของออกซิเจนจะทำปฏิกิริยากับสีย้อมเรืองแสงที่ถูกกระตุ้น - โดยทั่วไปจะเป็นสารประกอบรูทีเนียมหรือแพลทินัม-พอร์ไฟรินที่ฝังอยู่ในเมทริกซ์พอลิเมอร์ที่ซึมผ่านออกซิเจนได้ (e.g. , ซิลิโคนหรือไฮโดรเจล) ปฏิกิริยาเหล่านี้จะลดความเข้มและอายุการใช้งานของแสงจากสีย้อม [1][5].
การออกแบบสมัยใหม่ใช้การปรับเฟสเพื่อวัดการเปลี่ยนเฟสในแสงที่ปล่อยออกมา ซึ่งช่วยลดสัญญาณรบกวนและหลีกเลี่ยงปัญหาทั่วไปเช่น การเสื่อมสภาพของสีย้อมหรือการอ่านค่าต่ำผิดพลาดในพื้นที่ที่นิ่ง [1][5].
"เนื่องจากสัญญาณการตรวจจับถูกส่งผ่านแสงตามเส้นใยบาง ๆ อุปกรณ์เหล่านี้จึงรวมขนาดที่เล็กมากเข้ากับความไวสูง การป้องกันการรบกวนจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า และความเป็นไปได้ในการวัดระยะไกลและการวัดแบบมัลติเพล็กซ์" - Cui et al., University of Massachusetts Lowell [1]
วิธีการตรวจจับขั้นสูงเหล่านี้ช่วยเพิ่มการควบคุมกระบวนการของไบโอรีแอคเตอร์เมื่อรวมเข้าด้วยกันอย่างมีประสิทธิภาพ.
การรวมเซ็นเซอร์ในระบบไบโอรีแอคเตอร์
เซ็นเซอร์ออปติคัล สามารถรวมเข้ากับการออกแบบไบโอรีแอคเตอร์ต่าง ๆ ได้อย่างง่ายดาย ทำให้เป็นเครื่องมือที่หลากหลายสำหรับการตรวจสอบกระบวนการ ใน ไบโอรีแอคเตอร์แบบใช้ครั้งเดียวเทียบกับแบบใช้ซ้ำ , โพรบไฟเบอร์ออปติกแบบแทรกได้ถูกใช้งานอย่างแพร่หลาย ตัวอย่างที่นิยมคือ
อีกทางเลือกหนึ่งคือ การตรวจสอบภายนอกแบบไม่รุกราน, ซึ่งแผ่นเซ็นเซอร์จะถูกวางไว้ด้านนอกของผนังภาชนะที่ซึมผ่านได้ วิธีนี้วัดระดับสารวิเคราะห์โดยไม่ต้องสัมผัสโดยตรงกับสื่อเพาะเลี้ยง, ขจัดปัญหาความกังวลเรื่องความปลอดเชื้อได้อย่างสมบูรณ์ [3].
สำหรับการวิจัยเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง, ที่ซึ่งถุงคลื่นใช้ครั้งเดียว, ขวดเขย่า, และระบบไมโครฟลูอิดิกส์เป็นที่แพร่หลาย, เซ็นเซอร์แบบแผ่นและแบบไม่รุกรานเหมาะสมเป็นพิเศษ วิธีการเหล่านี้ไม่ต้องการการฆ่าเชื้อในสถานที่, การบำรุงรักษาอิเล็กโทรไลต์, หรือเวลาอุ่นเครื่องเซ็นเซอร์ DO แบบออปติคอลพร้อมที่จะวัดได้ทันที ต่างจากเซ็นเซอร์แบบโพลารอกราฟิกที่ต้องใช้เวลา 1–6 ชั่วโมงในการโพลาริไซเซชันก่อนใช้งาน [5].
| การกำหนดค่า | รูปแบบทั่วไป | ประโยชน์หลัก |
|---|---|---|
| โพรบไฟเบอร์ออปติกแบบแทรกได้ | ถังปฏิกรณ์ชีวภาพสแตนเลส | ทนทาน; รองรับรอบ CIP/SIP |
| แพทช์เซ็นเซอร์ที่ติดตั้งล่วงหน้า | ถุงใช้ครั้งเดียว | สามารถฆ่าเชื้อด้วยรังสีแกมมา |
| ระบบภายนอกที่ไม่รุกราน | ภาชนะผนังซึมผ่านได้ | ไม่มีความเสี่ยงต่อการปนเปื้อน; ไม่สัมผัสโดยตรง |
ความก้าวหน้าล่าสุดในเซ็นเซอร์ pH แบบออปติคอล
เซ็นเซอร์ไฟเบอร์ออปติกที่มีความแม่นยำสูง
ช่องว่างในประสิทธิภาพระหว่างเซ็นเซอร์ pH แบบออปติคอลและอิเล็กโทรเคมีได้แคบลงอย่างมากในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาโพรบไฟเบอร์ออปติกสมัยใหม่ที่ใช้ ตัวบ่งชี้ Neutral Red (NR) ฝังอยู่ในเมทริกซ์ไฮโดรเจลที่เข้ากันได้ทางชีวภาพ ตอนนี้สามารถบรรลุความไวที่ 17 นาโนเมตร/หน่วย pH ภายในช่วงที่สำคัญของการเพาะเลี้ยงเซลล์สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมที่มีค่า pH 6–8 [7] .
เวลาตอบสนองก็มีการปรับปรุงอย่างมากเช่นกัน เซ็นเซอร์ไฮโดรเจลฟิล์มบางที่มีความหนาเพียง 100 ไมโครเมตร สามารถทำให้การอ่านค่ามีเสถียรภาพในเวลาประมาณ 5 วินาที และอิ่มตัวเต็มที่ภายใน 30 วินาที [7] . การตอบสนองที่รวดเร็วนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง ซึ่งการเปลี่ยนแปลงทางเมตาบอลิซึมอย่างรวดเร็วสามารถผลักดันระดับ pH ให้อยู่นอกช่วงที่ใช้งานได้ก่อนที่เซ็นเซอร์ที่ช้ากว่าจะตอบสนอง
"ข้อกำหนดเฉพาะของเซ็นเซอร์ไฟเบอร์เหล่านี้ทำให้พวกเขาเป็นผู้สมัครที่มีแนวโน้มสำหรับการใช้งานในวิศวกรรมเนื้อเยื่อ การเจริญเติบโตของเซลล์ และการตรวจสอบค่า pH ของเลือดอย่างต่อเนื่อง" - Mohamed Elsherif, Khalifa University [7]
แม้จะมีความก้าวหน้าเหล่านี้ แต่การซีดจางของสารเรืองแสงยังคงเป็นปัญหา การส่องสว่างอย่างต่อเนื่องทำให้สีย้อมเรืองแสงเสื่อมสภาพเมื่อเวลาผ่านไป โดยมีการเปลี่ยนแปลงประมาณ −0.1 หน่วย pH หลังจากใช้งาน 11 วัน ซึ่งจำกัดการตรวจสอบอย่างต่อเนื่องไว้ที่ประมาณ 15 วัน [4] . สำหรับกระบวนการที่ยาวนานขึ้น อาจจำเป็นต้องใช้กลยุทธ์เช่นการเปลี่ยนเซ็นเซอร์ตามกำหนดเวลาหรือระบบการตรวจสอบแบบไฮบริด การปรับปรุงเหล่านี้ในเซ็นเซอร์ไฟเบอร์ออปติกเน้นถึงศักยภาพในการพัฒนาต่อไปผ่านนวัตกรรมวัสดุ
การเคลือบแบบโซลิดสเตตและโซล-เจล
ปัญหาที่เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องในการตรวจวัด pH แบบออปติคัลคือการรั่วไหลของสีย้อม การฝังสีย้อมที่ไวต่อ pH ลงใน โพลีไฮดรอกซีเอทิลเมทาคริเลต (pHEMA) ซึ่งเป็นไฮโดรเจลสังเคราะห์ ช่วยแก้ปัญหานี้โดยการเชื่อมโยงสีย้อมด้วยพันธะโควาเลนต์ This prevents migration into the culture medium, protecting cell cultures from contamination and preserving sensor accuracy over time [7] .
Recent research has integrated diffractive nanostructures, such as Aztec-pattern gratings, into hydrogel matrices. These structures translate pH-induced swelling into measurable changes in light diffraction. This approach achieves a sensitivity of 25.5 µW/pH across the pH 4–10 range and introduces a "triple-readout" capability: visible colour changes, spectroscopic wavelength shifts, and diffractive power variations detectable with a laser [8] . This redundancy ensures that if one readout mode fails, others remain functional. These innovations enhance sensor durability and expand their utility, particularly in cultivated meat bioprocesses.
การประยุกต์ใช้ในการผลิตเนื้อสัตว์เพาะเลี้ยง
การศึกษาในปี 2024 โดย Fratz-Berilla et al. ที่ FDA ได้ประเมิน PreSens single-use optical sensor spots ในชุดการผลิต 22 ชุดในไบโอรีแอคเตอร์ เซ็นเซอร์ออปติคอลแสดงความคลาดเคลื่อนเฉลี่ยที่ 0.072 หน่วย pH, เมื่อเทียบกับ 0.044–0.047 หน่วย pH สำหรับโพรบอิเล็กโทรเคมี [4]. แม้ว่าเซ็นเซอร์ออปติคอลจะมีความแม่นยำน้อยกว่าเล็กน้อย แต่การศึกษาสรุปว่าเซ็นเซอร์เหล่านี้มีความแม่นยำเพียงพอสำหรับ กระบวนการ fed-batch และ continuous ที่ควบคุมอย่างเข้มงวด, โดยมีเงื่อนไขว่า pH ต้องอยู่ภายใน ±0.25 หน่วยจากจุดตั้งค่าการสอบเทียบ
ความก้าวหน้าเหล่านี้ในเซ็นเซอร์ออปติคอลมีความเกี่ยวข้องโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการผลิตเนื้อสัตว์เพาะเลี้ยง ซึ่งการควบคุม pH อย่างแม่นยำเป็นสิ่งสำคัญ ถุงคลื่นใช้ครั้งเดียวและระบบไมโครฟลูอิดิกที่ใช้กันทั่วไปในการวิจัยเนื้อสัตว์เพาะเลี้ยงไม่สามารถใช้งานร่วมกับอิเล็กโทรดแก้วแบบดั้งเดิมได้ในกรณีเหล่านี้ แผ่นเรืองแสงที่สามารถฆ่าเชื้อด้วยแกมมา ที่ติดกับผนังถุงเป็นวิธีเดียวที่สามารถตรวจสอบค่า pH ในสายได้ ความแม่นยำของพวกมันเพียงพอสำหรับช่วงค่า pH ที่แคบ (6.8–7.4) ที่จำเป็นสำหรับการเจริญเติบโตของเซลล์สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม [4] . อย่างไรก็ตาม สำหรับกระบวนการที่มีความผันผวนของค่า pH ที่กว้างขึ้นหรือดำเนินการนานกว่า 15 วัน เซ็นเซอร์ไฟฟ้าเคมีในภาชนะสแตนเลสที่นำกลับมาใช้ใหม่ได้ยังคงเป็นตัวเลือกที่เชื่อถือได้มากกว่า
ความก้าวหน้าล่าสุดในเซ็นเซอร์ออกซิเจนละลายแบบออปติคัล
เซ็นเซอร์เรืองแสงฝังโพลิเมอร์
เซ็นเซอร์ออกซิเจนละลายแบบออปติคัล (DO) ทำงานบนหลักการของการลดทอนการเรืองแสง ซึ่งโมเลกุลออกซิเจนจะลดอายุการใช้งานของสีย้อมที่ถูกกระตุ้น - โดยทั่วไปคือรูทีเนียมหรือแพลทินัม-พอร์ไฟริน แทนที่จะพึ่งพาความเข้มดิบ เซ็นเซอร์สมัยใหม่วัดการเปลี่ยนเฟสในแสงที่ถูกปรับแต่งวิธีนี้ทำให้พวกเขามีความไวต่อปัญหาน้อยลง เช่น การเสื่อมสภาพของโพรบและการอุดตันของเซ็นเซอร์ [5].
ความก้าวหน้าที่น่าสังเกตในสาขานี้คือการประยุกต์ใช้เม็ดไมโครเซ็นเซอร์ฟลูออเรสเซนต์สำหรับการทำแผนที่ระดับออกซิเจนภายในโครงสร้าง 3 มิติ งานวิจัยที่ตีพิมพ์ในเดือนมีนาคม 2026 ใน Analytical Methods แสดงให้เห็นการใช้เม็ดไมโครเซ็นเซอร์ CPOx-50-PtP ร่วมกับกล้องจุลทรรศน์ฉายภาพหลายโฟกัส (MF-OPM) การผสมผสานนี้ทำให้นักวิจัยสามารถวัดความชันของออกซิเจนได้ลึกถึง 21 มม. ในไฮโดรเจลอะกาโรสที่มีไฟโบรบลาสต์ agarose hydrogels [9] . ความลึกนี้เกินกว่าสองสามร้อยไมครอนที่เทคนิคก่อนหน้านี้ทำได้อย่างมาก ซึ่งเป็นก้าวสำคัญสำหรับโครงสร้างเนื้อเยื่อหนาที่ใช้ในโครงสร้างเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง ความก้าวหน้าเช่นนี้เปิดโอกาสใหม่สำหรับการตรวจสอบออกซิเจนที่ไม่รุกรานและขยายเวลา
การตรวจสอบแบบไม่รุกล้ำและระยะยาว
หนึ่งในประโยชน์หลักของเซ็นเซอร์ DO แบบออปติคัลคือความสามารถในการวัดระดับออกซิเจนโดยไม่รบกวนระบบ เซ็นเซอร์เหล่านี้มักใช้จุดหรือแผ่นที่เคลือบด้วยสีย้อม Pt(II) porphyrin ซึ่งติดอยู่กับผนังด้านในของภาชนะโปร่งใส อุปกรณ์ไฟเบอร์ออปติกภายนอกจะกระตุ้นสีย้อมและรวบรวมสัญญาณผ่านผนังภาชนะ เพื่อให้มั่นใจในการตรวจสอบอย่างต่อเนื่องและไม่รุกล้ำ[5][10].
การออกแบบนี้มีข้อได้เปรียบอย่างยิ่งสำหรับการตรวจสอบระยะยาว ตัวอย่างเช่น ไมโครเซ็นเซอร์ไฟเบอร์ออปติกและฟอยล์เซ็นเซอร์ของ PreSens ได้ถูกใช้เพื่อติดตามระดับออกซิเจนในไฮโดรเจลคอลลาเจน I 3D ที่มีการฝังเซลล์ต้นกำเนิดเมเซนไคม์ที่ได้จากไขมันเป็นเวลา 70 วัน โดยไม่ต้องการการปรับเทียบใหม่ ในการศึกษานี้ ระดับออกซิเจนมีความเสถียรภายในช่วงทางสรีรวิทยา (7–9%) ภายในวันที่ 35[10]. การศึกษาอีกชิ้นหนึ่งที่ตีพิมพ์ใน ACS Sensors ในเดือนมีนาคม 2021 แสดงให้เห็นถึงการตรวจสอบ DO อัตโนมัติในไฮโดรเจล GelMA หนาเป็นเวลาห้าสัปดาห์โดยไม่ต้องมีการแทรกแซงด้วยตนเอง [10].
"ไทม์ไลน์ 70 วันเป็นหลักฐานที่แข็งแกร่งที่สุดในวรรณกรรมที่ตรวจสอบแล้วสำหรับความเสถียรในระยะยาวของเคมี: ผู้เขียนไม่ได้รายงานเหตุการณ์การปรับเทียบใหม่เพียงครั้งเดียวตลอดแคมเปญ" - BioProcess Tools [10]
นอกจากนี้ เซ็นเซอร์ออปติคัลยังหลีกเลี่ยงการอุ่นเครื่องที่ใช้เวลานาน (1–6 ชั่วโมง) ที่จำเป็นสำหรับโพรบอิเล็กโทรเคมี พวกเขายังรักษาความแม่นยำสูงที่ระดับ DO ต่ำกว่า 5% ของการอิ่มตัว ซึ่งเป็นช่วงที่เซ็นเซอร์โพลารอกราฟิกมักจะล้มเหลว [5]. ความสามารถนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการในการผลิตเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง เนื่องจากช่วยให้สามารถปรับเปลี่ยนได้ทันเวลาเพื่อป้องกันการขาดออกซิเจนที่อาจเป็นอันตรายต่อความมีชีวิตของเซลล์ด้วยความสามารถในการทำงานอย่างต่อเนื่องในระยะเวลานาน ขณะนี้จึงมุ่งเน้นไปที่การแก้ไขปัญหาต่างๆ เช่น การเกิดคราบบนเซ็นเซอร์
การเคลือบป้องกันการเกิดคราบและความเสถียร
ในกระบวนการผลิตเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง ส่วนประกอบที่ซับซ้อนของสื่อเพาะเลี้ยง - ที่มีเซลล์ โปรตีน เมแทบอไลต์ และฟองก๊าซ - อาจทำให้เกิดคราบบนพื้นผิวเซ็นเซอร์ ซึ่งอาจลดความแม่นยำในการวัด [1]. อย่างไรก็ตาม เซ็นเซอร์แบบออปติคอลสามารถแก้ไขปัญหานี้ได้ด้วยการวัดการเปลี่ยนแปลงของเฟส ซึ่งได้รับผลกระทบจากการเกิดคราบในระดับปานกลางน้อยกว่า นอกจากนี้ยังมีความทนทานสูง สามารถทนต่อการทำความสะอาดในสถานที่ (CIP) หรือ การฆ่าเชื้อในสถานที่ (SIP) ได้ 200–300 รอบก่อนที่จะต้องเปลี่ยนแผ่นย้อมสี ในการเปรียบเทียบ เมมเบรนแบบโพลาโรกราฟิกมักจะใช้งานได้เพียง 50–150 รอบ [5]. การเกิดความล้มเหลวที่เกี่ยวข้องกับการอุดตันในเซ็นเซอร์โพลารอกราฟิกแต่ละครั้งอาจส่งผลให้เกิดการหยุดทำงาน 2–6 ชั่วโมงสำหรับการเปลี่ยนเมมเบรนและการรีโพลาริไซเซชัน ซึ่งทำให้ตารางการผลิตหยุดชะงัก
อย่างไรก็ตาม เซ็นเซอร์แบบออปติคัลไม่ได้ปลอดจากการรบกวนทั้งหมด ตัวอย่างเช่น ส่วนประกอบเรืองแสงในสื่อ เช่น ไรโบฟลาวิน อาจส่งผลต่อคุณภาพสัญญาณ ดังนั้น ควรตรวจสอบความเข้ากันได้กับสูตรเฉพาะในระหว่างการใช้งาน [5]. การปรับปรุงในด้านความทนทานและความต้านทานการอุดตันเหล่านี้เน้นย้ำถึงบทบาทสำคัญของเซ็นเซอร์ DO แบบออปติคัลในการรักษาสภาพแวดล้อมของไบโอรีแอคเตอร์ที่เสถียรและมีประสิทธิภาพสำหรับการผลิตเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง
เซ็นเซอร์วัดค่า pH และออกซิเจนแบบคู่ในระบบควบคุมไบโอรีแอคเตอร์อัตโนมัติ
การออกแบบและประสิทธิภาพของเซ็นเซอร์แบบคู่
การรวมการตรวจสอบค่า pH และออกซิเจนละลาย (DO) เข้ากับระบบออปติคอลเดียวช่วยให้การดำเนินงานง่ายขึ้นโดยลดจำนวนพอร์ตและส่วนประกอบฮาร์ดแวร์ในขณะที่ปรับปรุงความสม่ำเสมอของข้อมูล เซ็นเซอร์ไฟเบอร์ออปติกที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กเพียง 100–250 μm สามารถสอดเข้าไปในจุดเข้าถึงที่แคบในไบโอรีแอคเตอร์ขนาดเล็กหรือแบบใช้ครั้งเดียวได้อย่างง่ายดาย การออกแบบที่กะทัดรัดนี้มีประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับไบโอรีแอคเตอร์แบบไมโครฟลูอิดิกที่มีพื้นที่จำกัด เพื่อให้แน่ใจว่ารูปแบบการไหลและโครงสร้างของสเกฟโฟลด์ไม่ถูกรบกวน [1].
ระบบแบบบูรณาการ เช่น PreSens SensorPlugs ตรวจสอบค่า pH, O₂ และ CO₂ พร้อมกันผ่านอินเทอร์เฟซที่กะทัดรัด ทนต่อการรบกวน และปราศจากอิเล็กโทรไลต์ การตั้งค่านี้ช่วยลดความต้องการในการบำรุงรักษาและลดการลอยของสัญญาณในระหว่างการเพาะเลี้ยงที่ยาวนาน - คุณสมบัติที่จำเป็นสำหรับกระบวนการผลิตเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยงซึ่งมักใช้เวลาหลายสัปดาห์ [1][2][6].
คุณสมบัติการออกแบบขั้นสูงยังแก้ไขปัญหาทั่วไปในสภาพแวดล้อมของเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพ ตัวอย่างเช่น เซ็นเซอร์อย่าง Mettler Toledo InPro 6860i มีปลายเอียงที่มีพื้นผิวไฮโดรฟิลิก ซึ่งช่วยป้องกันการสะสมของฟองอากาศบนพื้นผิวการตรวจจับ การออกแบบนี้ช่วยลดเสียงรบกวนในการวัดในเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพที่มีการเติมอากาศ ทำให้วงจรควบคุมอัตโนมัติสะอาดและตอบสนองได้ดีขึ้น [12]. นวัตกรรมเหล่านี้ช่วยให้ระบบควบคุมกระบวนการชีวภาพมีความน่าเชื่อถือและมีประสิทธิภาพมากขึ้น
การผสานรวมกับการควบคุมกระบวนการชีวภาพอัตโนมัติ
เซ็นเซอร์ออปติคัลคู่มีบทบาทสำคัญในการควบคุมกระบวนการชีวภาพอัตโนมัติโดยให้ข้อมูล pH และ DO แบบเรียลไทม์ เซ็นเซอร์เหล่านี้ผสานรวมอย่างไร้รอยต่อกับกรอบเทคโนโลยีการวิเคราะห์กระบวนการ (PAT) ช่วยให้สามารถปรับการกระจายก๊าซ การกวน และการเติมเบสหรือ CO₂ ได้โดยอัตโนมัติ การรักษาช่วง pH ที่ 6.8–7.4 มีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการผลิตเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง เนื่องจากการเบี่ยงเบนเล็กน้อยสามารถส่งผลกระทบอย่างมากต่อความมีชีวิตของเซลล์และคุณภาพของผลิตภัณฑ์ [1][11].
"เซ็นเซอร์ไฟเบอร์ออปติก ด้วยความไวสูง ความสามารถในการตรวจสอบระยะไกล ขนาดกะทัดรัด และการมัลติเพล็กซ์ ได้กลายเป็นเทคโนโลยีที่มีแนวโน้มสำหรับการตรวจสอบเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพในสถานที่" - Guoqiang Cui et al., Department of Electrical and Computer Engineering, University of Massachusetts Lowell [1]
โปรโตคอลการสื่อสารดิจิทัลเช่น MODBUS และ RS-485 ช่วยเพิ่มการรวมเซ็นเซอร์กับไบโอคอนโทรลเลอร์ ทำให้สามารถวินิจฉัยเชิงคาดการณ์และลดความจำเป็นในการแทรกแซงด้วยตนเอง ความก้าวหน้าเหล่านี้ได้ให้ผลลัพธ์ที่น่าประทับใจ ตัวอย่างเช่น ระบบเพอร์ฟิวชั่นที่ติดตั้งการตรวจสอบขั้นสูงสามารถบรรลุความเข้มข้นของเซลล์ได้ถึง 50–100 ล้านเซลล์/มล. ในขณะที่กระบวนการเฟดแบทช์เข้มข้นสามารถบรรลุผลผลิตได้ถึง 25–30 กรัม/ลิตร [11][12].
ความเข้ากันได้กับรูปแบบไบโอรีแอคเตอร์เนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง
เซ็นเซอร์คู่แบบออปติคัลเหมาะสมอย่างยิ่งกับความต้องการเฉพาะของการผลิตเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยงเส้นใยที่บางและยืดหยุ่นสามารถผสานเข้ากับหรือรอบโครงสร้างนั่งร้านโดยไม่รบกวนสภาพแวดล้อมของเซลล์ [1]. ใน เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพแบบใช้ครั้งเดียวและแบบคลื่น, แผ่นออปติคอลที่ติดตั้งล่วงหน้าช่วยขจัดความจำเป็นในการทำกระบวนการฆ่าเชื้อในสถานที่ ทำให้การเพิ่มประสิทธิภาพในระยะเริ่มต้นง่ายขึ้นและลดการใช้สื่อ [1][6].
ไม่เหมือนกับโพรบอิเล็กโทรเคมีแบบดั้งเดิม เซ็นเซอร์ออปติคอลทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือในสื่อที่กำหนดทางเคมีที่ใช้ในการผลิตเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง ความเข้ากันได้นี้ไม่เพียงแต่ปกป้องวัฒนธรรมเซลล์ แต่ยังช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของกระบวนการโดยรวม การศึกษาที่ดำเนินการโดย สถาบัน BioSense ในเมืองโนวีซาด ประเทศเซอร์เบีย แสดงให้เห็นถึงข้อได้เปรียบนี้ นักวิจัยใช้ PreSens SensorPlugs ในเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพไมโครฟลูอิดิกที่กำหนดเองเพื่อตรวจสอบเซลล์ไฟโบรบลาสต์ MRC-5 เป็นเวลา 48 ชั่วโมง พวกเขาติดตามการเกิดกรดในวัฒนธรรมจาก pH 7.4 ถึง 6.8 และการลดลงของ O₂ พร้อมกัน, บรรลุความมีชีวิตของเซลล์สุดท้ายที่ 95.45% ที่ความเข้มข้น 262,500 เซลล์/มล. [2].
สำหรับนักวิจัยและนักพัฒนาในด้านเนื้อสัตว์เพาะเลี้ยง R &D,
บทสรุป: ความหมายของเซ็นเซอร์ออปติคอลขั้นสูงสำหรับการผลิตเนื้อสัตว์เพาะเลี้ยง
เซ็นเซอร์ pH แบบไฟเบอร์ออปติก, โพรบออกซิเจนแบบเรืองแสง, และระบบคู่แบบบูรณาการกำลังเปลี่ยนแปลงวิธีการตรวจสอบและควบคุมสภาพในเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพ ไม่เหมือนกับโพรบอิเล็กโทรเคมีแบบดั้งเดิม, เซ็นเซอร์ออปติคอลให้ข้อมูลต่อเนื่องแบบเรียลไทม์โดยไม่มีปัญหาเช่นการลอยของสัญญาณ, การอุดตัน, หรือความจำเป็นในการสอบเทียบบ่อยครั้ง.การออกแบบที่กะทัดรัด ความต้านทานต่อการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า และความเข้ากันได้กับระบบใช้ครั้งเดียว ทำให้เป็นตัวเลือกที่ใช้งานได้จริงสำหรับการผลิตเนื้อสัตว์เพาะเลี้ยงในทุกขนาด [1].
การรักษาระดับ pH ระหว่าง 6.8 ถึง 7.4 พร้อมกับระดับออกซิเจนที่เสถียร เป็นสิ่งสำคัญสำหรับการรักษาสุขภาพของเซลล์และการรับประกันคุณภาพของผลิตภัณฑ์ที่สม่ำเสมอ ตัวอย่างเช่น เทคโนโลยีออปติคัลเช่นการควบคุมแบบเรียลไทม์ด้วย Raman ได้แสดงให้เห็นว่าสามารถเพิ่มปริมาณได้ถึง 85% ในการเพาะเลี้ยงเซลล์สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม [13]. ความก้าวหน้าเหล่านี้กำลังปูทางสำหรับระบบรุ่นต่อไปที่ทำให้ ซอฟต์แวร์ควบคุมกระบวนการชีวภาพ.
ในอนาคต แพลตฟอร์มหลายพารามิเตอร์ที่สามารถตรวจสอบ pH ออกซิเจนละลาย อุณหภูมิ และความดันตามเส้นใยเดียวคาดว่าจะกลายเป็นมาตรฐานระบบเหล่านี้จะผสานรวมกับเทคโนโลยีการวิเคราะห์กระบวนการ (PAT) และการควบคุมที่ขับเคลื่อนด้วยข้อมูลขั้นสูงได้อย่างราบรื่น สนับสนุนการเคลื่อนไปสู่การประมวลผลทางชีวภาพที่เป็นอัตโนมัติและปรับขนาดได้มากขึ้น เนื่องจากเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยงคาดว่าจะมีสัดส่วน 30% ของการบริโภคเนื้อสัตว์ทั่วโลกภายในปี 2040 [13], เทคโนโลยีดังกล่าวจะมีความสำคัญในการลดต้นทุนการผลิตและบรรลุความเป็นไปได้ทางการค้า
สำหรับผู้ที่ทำงานในสาขาที่กำลังพัฒนานี้
คำถามที่พบบ่อย
ฉันจะเลือกใช้ระหว่างแผ่นออปติคอลและโพรบไฟเบอร์ออปติกได้อย่างไร
การเลือกใช้ระหว่าง แผ่นออปติคอล และ โพรบไฟเบอร์ออปติก ขึ้นอยู่กับประเภทของเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพที่คุณใช้และความต้องการเฉพาะของกระบวนการของคุณ
- แผ่นแปะออปติคัล เหมาะอย่างยิ่งสำหรับถุงชีวปฏิกรณ์แบบใช้ครั้งเดียว พวกเขาช่วยให้การตรวจสอบที่ปลอดเชื้อและไม่รุกราน ซึ่งมีประโยชน์อย่างยิ่งในระบบที่ใช้แล้วทิ้ง
- โพรบไฟเบอร์ออปติก, ในทางกลับกัน ทำงานได้ดีที่สุดกับภาชนะสแตนเลสที่มีพอร์ตมาตรฐาน
สำหรับระบบสแตนเลสขนาดใหญ่ คุณอาจพบว่า โพรบอิเล็กโทรเคมี ให้ความแม่นยำสูงกว่า อย่างไรก็ตาม เซ็นเซอร์ออปติคัล โดดเด่นในระบบขนาดเล็กหรือเมื่อการลดความเสี่ยงในการบำรุงรักษาและการปนเปื้อนเป็นสิ่งสำคัญที่สุด
อะไรที่สามารถรบกวนการอ่านค่า pH หรือ DO แบบออปติคัลในสื่อเพาะเลี้ยง?
ในการผลิตเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง การอ่านค่า pH และออกซิเจนละลาย (DO) แบบออปติคัล อาจถูกรบกวนจากปัจจัยหลายประการ ตัวอย่างเช่น อุณหภูมิและความดันของระบบมีผลโดยตรงต่อการละลายของก๊าซ ทำให้เกิดความแปรปรวนในทำนองเดียวกัน ความผันผวนของ CO2 ที่ละลาย และการสะสมของเมตาบอไลต์เช่นแลคเตทและแอมโมเนียสามารถเปลี่ยนระดับ pH ได้อย่างมีนัยสำคัญ
ความท้าทายอื่นๆ รวมถึง ฟองอากาศที่ติดอยู่ และการเกิดสิ่งสกปรกทางชีวภาพบนพื้นผิวเซ็นเซอร์ ซึ่งทั้งสองอย่างนี้สามารถทำให้ความแม่นยำในการวัดลดลงได้ ในการแก้ไขปัญหาเหล่านี้
เซ็นเซอร์ pH และออกซิเจนแบบออปติคัลต้องการการปรับเทียบใหม่หรือการเปลี่ยนบ่อยแค่ไหน?
เซ็นเซอร์แบบออปติคัลมีความเสถียรและความน่าเชื่อถือสูง มักต้องการการบำรุงรักษาน้อยกว่าเมื่อเทียบกับโพรบอิเล็กโทรเคมีแบบดั้งเดิม เมื่อใช้สำหรับการตรวจสอบออกซิเจน บางรุ่นมาพร้อมการปรับเทียบจากโรงงานและสามารถทำงานได้ถึง 100,000 การวัดโดยไม่ต้องการการปรับเทียบใหม่ อย่างไรก็ตาม อาจเกิดการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยเมื่อเวลาผ่านไปเนื่องจากปัจจัยต่างๆ เช่น การสัมผัสแสงและสภาพการทดลอง สำหรับผู้ที่ขยายการผลิต
