การรักษาความแม่นยำของ pH และ อุณหภูมิ เป็นสิ่งสำคัญสำหรับการเพาะเลี้ยงเซลล์สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม โดยเฉพาะในการผลิตเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง เซลล์ต้องการสภาพแวดล้อมที่ควบคุมได้เพื่อเพิ่มจำนวน (การเพิ่มจำนวน) และพัฒนาเป็นเส้นใยกล้ามเนื้อ (การแยกแยะ) นี่คือประเด็นสำคัญ:
- สภาวะที่เหมาะสม: pH ต้องอยู่ระหว่าง 7.2–7.4 และอุณหภูมิที่ 37 °C แม้แต่การเบี่ยงเบนเล็กน้อย (e.g., pH ลดลง 0.3 หน่วย) ก็สามารถชะลอการเจริญเติบโตและลดประสิทธิภาพการผลิตได้
- ทำไมถึงสำคัญ: เซลล์ใช้พลังงานเพิ่มเติมในการแก้ไขความไม่สมดุล ซึ่งส่งผลต่อประสิทธิภาพการเจริญเติบโต วัฒนธรรมที่มีความหนาแน่นสูงมีแนวโน้มที่จะเกิดการลดลงของ pH เนื่องจากการสะสมของกรดแลคติก
- ความท้าทายในการขยายขนาด: เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพขนาดใหญ่เผชิญกับสภาวะที่ไม่สม่ำเสมอ เช่น การเพิ่มขึ้นของ pH หรือการสะสมของ CO₂ ทำให้การควบคุมที่แม่นยำยากขึ้น
- โซลูชัน: เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพขั้นสูงที่มีระบบอัตโนมัติและเซ็นเซอร์ที่เชื่อถือได้ช่วยรักษาเสถียรภาพ ปรับปรุงการเจริญเติบโตของเซลล์และความสม่ำเสมอ
ไม่ว่าคุณจะเพาะเลี้ยงเซลล์ในห้องปฏิบัติการหรือขยายขนาดเพื่อการผลิต การรักษาความเสถียรของ pH และอุณหภูมิเป็นสิ่งที่ไม่สามารถต่อรองได้สำหรับความสำเร็จ
เซ็นเซอร์ในเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพ
ผลกระทบของ pH และอุณหภูมิต่อการเจริญเติบโตของเซลล์
บทบาทของ pH และอุณหภูมิในการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพมีความสำคัญมากกว่าทางทฤษฎี - พวกมันมีอิทธิพลโดยตรงต่อการเผาผลาญและการเจริญเติบโตของเซลล์ ส่วนนี้จะสำรวจว่าปัจจัยทั้งสองนี้มีผลต่อพฤติกรรมและประสิทธิภาพของเซลล์อย่างไร
ผลกระทบของ pH ต่อการเผาผลาญและความมีชีวิตของเซลล์
เมื่อระดับ pH เบี่ยงเบนจากช่วงที่เหมาะสม เซลล์ต้องทำงานหนักขึ้นเพื่อรักษาสมดุล ตัวอย่างเช่น พวกมันจะกระตุ้นกลไกเช่น Na⁺/H⁺ antiporters ซึ่งใช้พลังงานที่ควรจะใช้ในการเจริญเติบโต[3].การเปลี่ยนแปลงพลังงานนี้สามารถนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงที่สำคัญในกิจกรรมของยีน ในการศึกษาหนึ่ง การลดค่า pH ของสื่อกลางลงเหลือ 6.7 ทำให้ยีนมากกว่า 2,000 ยีนเปลี่ยนระดับการแสดงออกภายในเวลาเพียง 24 ชั่วโมง [3].
การทำงานร่วมกันระหว่าง pH และเมตาบอลิซึมสามารถสร้างวงจรที่เลวร้ายได้ กิจกรรมไกลโคไลติกสูงสร้างกรดแลคติก ซึ่งลดค่า pH ของสื่อกลาง ในบางวัฒนธรรมที่มีความหนาแน่นสูง กลูโคสสูงถึง 90% ถูกเปลี่ยนเป็นแลคเตท [2] นำไปสู่การเกิดกรดอย่างรวดเร็ว แม้ว่าการเกิดกรดนี้จะหยุดการผลิตกรดแลคติกเพิ่มเติมในที่สุด แต่มันก็มีค่าใช้จ่ายของการเจริญเติบโตของเซลล์ที่ลดลงอย่างมาก [5].
ทั้งสภาวะกรดและด่างสุดขั้วเป็นอันตราย ในขณะที่สภาวะกรดที่ต่ำกว่า pH 7.1 เป็นที่รู้จักกันอย่างกว้างขวางว่าขัดขวางการเจริญเติบโต สภาวะด่าง - มีช่วงตั้งแต่ pH 7.7 ถึง 9.0 - สามารถชะลอการแพร่กระจายและลดผลผลิตของผลิตภัณฑ์ได้ [2][4]. สำหรับเซลล์สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมส่วนใหญ่ ขีดจำกัด pH ต่ำสุดที่สำคัญอยู่ระหว่าง 6.6 และ 6.8. นอกช่วงนี้ เซลล์จะเผชิญกับความเสี่ยงที่เพิ่มขึ้นของการตายของเซลล์หรือเนื้อเยื่อ [5].
การหยุดชะงักของเมตาบอลิซึมที่ขับเคลื่อนด้วย pH เหล่านี้เป็นเวทีสำหรับบทบาทของอุณหภูมิในการมีอิทธิพลต่อพฤติกรรมของเซลล์เพิ่มเติม
ผลกระทบของอุณหภูมิต่อการแพร่กระจายและการแยกแยะของเซลล์
อุณหภูมิมีบทบาทสำคัญในกิจกรรมเมตาบอลิซึมและการละลายของก๊าซ แม้ว่า 37 °C จะเป็นมาตรฐานสำหรับวัฒนธรรมส่วนใหญ่ แต่การเบี่ยงเบนเล็กน้อยก็สามารถส่งผลกระทบต่อการเจริญเติบโตและการผลิตโปรตีนได้ [3][5]. การศึกษาที่ดำเนินการที่ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีเวียนนา ในปี 2017 แสดงให้เห็นถึงผลกระทบนี้ นักวิจัยใช้เซลล์ CHO ในถังปฏิกรณ์ชีวภาพแบบกวนขนาด 10–12 ม³ เพื่อจำลองความไม่สม่ำเสมอของ pH.การสัมผัสชั่วคราวกับโซน pH 9.0 ในช่วงการเจริญเติบโตแบบทวีคูณทำให้ความหนาแน่นของเซลล์ที่มีชีวิตสูงสุดและผลผลิตสุดท้ายลดลงอย่างมีนัยสำคัญ [4].
ในด้านการผลิตเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง การควบคุมอุณหภูมิทำหน้าที่สองประการ ในช่วงการเพิ่มจำนวน การรักษาอุณหภูมิที่คงที่ 37 °C ช่วยให้การคูณเซลล์มีประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตาม ระบบตอบสนองต่ออุณหภูมิขั้นสูงได้รับการพัฒนาเพื่ออำนวยความสะดวกในการจัดชั้นเนื้อเยื่อโดยไม่ต้องใช้โครงสร้าง โดยการควบคุมการยึดเกาะและการแยกตัวของเซลล์ [6].
เห็นได้ชัดว่าการควบคุมอุณหภูมิอย่างแม่นยำมีความสำคัญพอๆ กับการรักษา pH ที่เหมาะสมเพื่อการเจริญเติบโตและการแยกแยะเซลล์ที่ประสบความสำเร็จ
ผลกระทบของ pH และอุณหภูมิร่วมกัน
ปฏิสัมพันธ์ระหว่าง pH และอุณหภูมิเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับเคมีของ CO₂การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิส่งผลต่อการละลายของ CO₂ ซึ่งส่งผลต่อสมดุลกรด-เบสในระบบบัฟเฟอร์ไบคาร์บอเนต [3] อุณหภูมิที่สูงขึ้นเร่งการเผาผลาญของเซลล์ เพิ่มการผลิตผลพลอยได้เช่นกรดแลคติกและ CO₂ ซึ่งทำให้สื่อมีความเป็นกรดมากขึ้น เพิ่มความเครียดให้กับเซลล์ [2][3].
"การละลายของก๊าซที่ละลาย และดังนั้นอิทธิพลของ CO₂ ต่อเคมีกรด-เบส ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ออสโมลาริตี้ ความชื้น และความดันอย่างมาก" - Shannon G. Klein et al., King Abdullah University of Science and Technology [3]
เมื่อ pH และอุณหภูมิเปลี่ยนแปลงพร้อมกัน ความเครียดทางเมตาบอลิซึมที่เกิดขึ้นสามารถรบกวนการเพิ่มจำนวนและการแยกแยะของเซลล์อย่างรุนแรง ตัวอย่างเช่น วัฒนธรรมแบทช์มาตรฐานมักแสดงการเปลี่ยนแปลง pH เฉลี่ย 0.425 หน่วย [3]ในวัฒนธรรมที่มีความหนาแน่นสูง การเปลี่ยนแปลงนี้สามารถถึง 0.9 หน่วย พร้อมกับระดับ CO₂ ที่เพิ่มขึ้นถึง 10.45% [3] สภาวะเหล่านี้บังคับให้เซลล์ใช้พลังงานมากขึ้นในการรักษาสมดุลภายใน ลดประสิทธิภาพในการผลิตชีวมวล
เพื่อให้ความเครียดเหล่านี้ลดลง สื่อที่เตรียมใหม่ควรปรับสมดุลในตู้อบ CO₂ อย่างน้อยหนึ่งชั่วโมงก่อนใช้งาน ซึ่งจะช่วยให้ปฏิกิริยาการไฮเดรตของ CO₂ กลับคืนอย่างช้าๆ เพื่อให้เสถียร [2] การป้องกันเช่นนี้เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการเจริญเติบโตและการผลิตเซลล์ที่เหมาะสม
วิธีการควบคุม pH และอุณหภูมิในเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพ
การรักษา pH และอุณหภูมิให้คงที่ในเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพเกี่ยวข้องกับการผสมผสานของฮาร์ดแวร์ เซ็นเซอร์ และกลยุทธ์การควบคุม เทคโนโลยีที่เลือกใช้มักขึ้นอยู่กับขนาดการผลิต ประเภทของเซลล์ที่ใช้สำหรับเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง และกระบวนการที่เน้นไปที่การอัตโนมัติหรือการจัดการด้วยตนเองมากกว่า
การออกแบบและวิธีการควบคุมไบโอรีแอคเตอร์
ไบโอรีแอคเตอร์ที่ใช้ในการผลิตเนื้อสัตว์เพาะเลี้ยงอาศัยระบบแลกเปลี่ยนความร้อนเพื่อรักษาอุณหภูมิที่ 37 °C [1]. ระดับ pH มักถูกควบคุมผ่านการปล่อย CO₂ ซึ่งปรับความเข้มข้นของ CO₂ และการไหลของพื้นที่ว่าง [9] หรือโดยปั๊มเข็มฉีดยาอัตโนมัติที่เพิ่มกรดหรือเบสตามความจำเป็น [8].
ไบโอรีแอคเตอร์แบบใช้ครั้งเดียว (SUBs) เสนอทางออกที่ใช้งานได้จริงโดยการกำจัดความจำเป็นในการทำความสะอาดและลดความเสี่ยงของการปนเปื้อน ระบบเหล่านี้สามารถขยายได้ถึง 2,000 ลิตร อย่างไรก็ตาม ปริมาตรการทำงานที่จำเป็นสำหรับการผลิตชีวมวล 1 กิโลกรัมจะแตกต่างกันอย่างมากขึ้นอยู่กับการออกแบบไบโอรีแอคเตอร์: ประมาณ 570 ลิตรสำหรับถังปั่น (STRs), 110 ลิตรสำหรับไบโอรีแอคเตอร์แบบบรรจุ (PBBs), และเพียง 1.4 ลิตรสำหรับไบโอรีแอคเตอร์แบบเส้นใยกลวง (HFBs) [1].
เทคโนโลยีเซ็นเซอร์สำหรับการตรวจสอบ
เมื่อมีการติดตั้งไบโอรีแอคเตอร์แล้ว เซ็นเซอร์ที่แม่นยำมีบทบาทสำคัญในการตรวจสอบค่า pH และอุณหภูมิแบบเรียลไทม์ สำหรับการวัดค่า pH เซ็นเซอร์อิเล็กโทรเคมี โดยเฉพาะอิเล็กโทรดแก้ว ถูกใช้อย่างแพร่หลายเนื่องจากความทนทานและประสิทธิภาพ [7] เมื่อพูดถึงอุณหภูมิ เทอร์โมมิเตอร์แบบต้านทาน เป็นมาตรฐานในอุตสาหกรรม [7].
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เซ็นเซอร์แบบออปติคอล ได้รับความนิยม โดยเฉพาะในระบบที่ใช้ครั้งเดียว เซ็นเซอร์เหล่านี้ใช้สีย้อมฟลูออเรสเซนต์ เช่น กรด 6,8-ไดไฮดรอกซีไพรีน-1,3-ไดซัลโฟนิก โซเดียมซอลต์ ที่ฝังอยู่ในแผ่นไฮโดรเจล มีขนาดกะทัดรัดและช่วยลดความเสี่ยงของการปนเปื้อน [7].
เซ็นเซอร์แบบไม่สัมผัสเป็นอีกทางเลือกหนึ่ง โดยใช้เมมเบรนที่ซึมผ่านได้เช่นเซลลูโลสในการวัดค่า pH ภายนอก ซึ่งช่วยลดความเสี่ยงของการปนเปื้อน [7]. ในขณะเดียวกัน, ระบบสีวัดค่า ติดตามค่า pH โดยการตรวจจับการเปลี่ยนแปลงสีในตัวชี้วัดฟีนอลเรดภายในสื่อ ระบบเหล่านี้ใช้แหล่งกำเนิดแสง LED และเซ็นเซอร์แสงรอบข้างสำหรับการตรวจจับ [8]. ในขณะที่เซ็นเซอร์แบบออปติคัลมีความรุกล้ำน้อยกว่า บางครั้งอาจได้รับผลกระทบจากปัญหาเช่นการจับตัวชี้วัดกับโปรตีนหรือความขุ่นของสื่อ ในทางตรงกันข้าม เซ็นเซอร์แบบอิเล็กโทรเคมี แม้ว่าจะมีขนาดใหญ่กว่า แต่มีความทนทานและเชื่อถือได้มากกว่าในสถานการณ์ดังกล่าว [7].
ระบบอัตโนมัติและระบบป้อนกลับ
ระบบอัตโนมัติได้ปฏิวัติการควบคุมไบโอรีแอคเตอร์ ลดข้อผิดพลาดของมนุษย์และปรับปรุงความสม่ำเสมอระบบอัตโนมัติที่มีการควบคุมแบบวงปิดมีคุณค่าอย่างยิ่งสำหรับการผลิตเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยงในระยะยาว [8] ตัวอย่างเช่น การศึกษาในปี 2022 จาก มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ ได้แนะนำเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพอัตโนมัติที่พิมพ์ด้วย 3D พร้อมการตรวจสอบ pH แบบสีมิเตอร์ ระบบนี้รักษาค่า pH ที่ 7.4 ± 0.2 และบรรลุความมีชีวิตของเซลล์มากกว่า 80% ซึ่งช่วยเพิ่มการขยายตัวของเซลล์อย่างมีนัยสำคัญในช่วง 72 ชั่วโมงเมื่อเทียบกับการเปลี่ยนสื่อด้วยตนเอง [8].
อีกตัวอย่างที่น่าสังเกตมาจาก Merck Biodevelopment ใน Martillac, ฝรั่งเศส ในเดือนธันวาคม 2013 ทีมงานได้ทดสอบ Mobius CellReady 3L เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพแบบใช้ครั้งเดียวสำหรับกระบวนการเพอร์ฟิวชั่น โดยใช้เทคโนโลยี Alternative Tangential Flow (ATF) สำหรับการกักเก็บเซลล์และการแลกเปลี่ยนสื่ออัตโนมัติ พวกเขาบรรลุการเพิ่มการผลิตแอนติบอดีโมโนโคลนอล 2.9 เท่าเมื่อเทียบกับโหมดแบทช์นักวิจัย Aurore Polès-Lahille และ Flavien Thuet รายงานว่าระบบอัตโนมัตินี้รองรับความหนาแน่นของเซลล์ที่ 33 ล้านเซลล์/มล. ในขณะที่รักษาระดับ pH ระหว่าง 6.80 และ 7.10 [10] ระบบเหล่านี้ให้ข้อมูลอย่างต่อเนื่อง ช่วยให้สามารถปรับเปลี่ยนแบบเรียลไทม์เพื่อเพิ่มการเจริญเติบโตและประสิทธิภาพของเซลล์ [8].
เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพขั้นสูง เซ็นเซอร์ และระบบควบคุมสำหรับการผลิตเนื้อสัตว์เพาะเลี้ยงมีจำหน่ายผ่านซัพพลายเออร์ เช่น
sbb-itb-ffee270
ผลการศึกษา: ผลลัพธ์การควบคุม pH และอุณหภูมิ
ระบบควบคุมอัตโนมัติเทียบกับระบบควบคุมด้วยมือ
ในเดือนเมษายน 2022 นักวิจัย Suruk Udomsom, Pathinan Paengnakorn และทีมงานของพวกเขาที่มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ได้ทดสอบเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพที่ตั้งโปรแกรมอัตโนมัติ โดยใช้เซลล์ไฟโบรบลาสต์ของหนู L929 ระบบนี้ดำเนินการเปลี่ยนสื่อบางส่วนทุก 6 ชั่วโมงในช่วงระยะเวลา 72 ชั่วโมงผลลัพธ์? การเพิ่มจำนวนเซลล์สูงขึ้นอย่างมีนัยสำคัญในระบบอัตโนมัติเมื่อเทียบกับวิธีการเพาะเลี้ยงแบบดั้งเดิม ระบบไบโอรีแอคเตอร์รักษาค่า pH ที่เสถียรที่ 7.4 ± 0.2 โดยมีความมีชีวิตของเซลล์สูงกว่า 80% ตลอดการทดลอง [8].
ในทางตรงกันข้าม ระบบแบบแมนนวลเผชิญกับความท้าทาย เมื่อมีการนำสื่อออกจากตู้อบ CO₂ เพื่อตรวจสอบ มันจะเริ่มเป็นด่างเกือบจะทันที โดยมีค่าคงที่ของเวลา 2–3 ชั่วโมง เมื่อใส่กลับเข้าไปในตู้อบ จะใช้เวลาประมาณ 45 นาทีในการกลับสู่ค่า pH ที่ถูกต้อง [2] การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้สามารถทำให้เซลล์ไม่เสถียร อย่างไรก็ตาม ระบบอัตโนมัติถูกออกแบบมาเพื่อลดความไม่สม่ำเสมอเหล่านี้ เพื่อให้แน่ใจว่าสภาพแวดล้อมที่เสถียรกว่าสำหรับการเจริญเติบโตของเซลล์
การทดสอบช่วง pH และอุณหภูมิที่แตกต่างกัน
ในเดือนเมษายน 2019 Johanna Michl และทีมของเธอที่ มหาวิทยาลัยอ็อกซ์ฟอร์ด ได้สำรวจการทำงานของเมตาบอลิซึมของเซลล์ DLD1 ในช่วงระยะเวลาการบ่ม 6 วัน เมื่อระดับกลูโคสถูกเก็บไว้มากกว่า 12 mM เซลล์จะผลิตกรดแลคติกประมาณ 20 mM ทำให้เกิดการเป็นกรดในสื่อการเพาะเลี้ยง การศึกษาพบว่าแม้การเบี่ยงเบนเล็กน้อยจาก pH ที่เหมาะสมที่ 7.4 - โดยเฉพาะการเปลี่ยนแปลงที่มากกว่า 0.3 หน่วย - จะลดอัตราการเพิ่มจำนวนของเซลล์ในสามสายพันธุ์ของเซลล์สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม: NCI-H747, DLD1 และ Caco2 [2][3].
"การเจริญเติบโตของเซลล์... เป็นไปได้ดีที่สุดที่ pH 7.4 แต่เมื่อ pH ของสื่อการเพาะเลี้ยงเบี่ยงเบนจาก 7.4 ไป > 0.3 หน่วย เซลล์ทั้งสามสายพันธุ์แสดงอัตราการเพิ่มจำนวนที่ลดลง" – Shannon G. Klein et al.[3]
ในวัฒนธรรมแบทช์มาตรฐาน การเปลี่ยนแปลงของค่า pH เป็นเรื่องปกติเนื่องจากกิจกรรมทางเมตาบอลิซึม วัฒนธรรมที่มีความหนาแน่นสูงโดยเฉพาะอย่างยิ่งสามารถประสบกับระดับออกซิเจนที่ละลายลดลงถึง 0.95% [3] ข้อค้นพบเหล่านี้เน้นย้ำถึงความสำคัญของการรักษาเสถียรภาพของสิ่งแวดล้อม โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อขยายการผลิตเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง
ผลลัพธ์สำหรับประเภทเซลล์เนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง
การขยายการศึกษาที่ควบคุมได้ การจำลองแบบย่อส่วนได้เปิดเผยความท้าทายในการรักษาเสถียรภาพของค่า pH และอุณหภูมิในระบบเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพขนาดใหญ่ ในเดือนกรกฎาคม 2017 นักวิจัยที่มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีเวียนนา นำโดย Matthias Brunner และ Jens Fricke ใช้แบบจำลองย่อส่วนสองช่องเพื่อเลียนแบบสภาวะในเครื่องปฏิกรณ์ถังคนขนาด 10–12 ลูกบาศก์เมตร พวกเขาได้สัมผัสเซลล์ CHO กับช่วงเวลาสั้น ๆ ของค่า pH 9.0 เพื่อจำลองความไม่สม่ำเสมอที่เกิดจากการเติมเบสในระบบขนาดใหญ่การสัมผัสกับระดับ pH ที่สูงขึ้นในระยะสั้นก็สามารถรบกวนอัตราการเจริญเติบโตเฉพาะในช่วงเฟสการเจริญเติบโตแบบทวีคูณ ส่งผลให้ความหนาแน่นของเซลล์ที่มีชีวิตสูงสุดลดลงและผลผลิตลดลง [4].
"การสัมผัสกับค่า pH ที่สูงขึ้นในระยะสั้นของเซลล์ในกระบวนการขนาดใหญ่สามารถส่งผลกระทบต่อสรีรวิทยาของเซลล์และประสิทธิภาพของกระบวนการโดยรวม" – Matthias Brunner et al. [4]
ในบางวัฒนธรรมเซลล์สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม ประมาณ 90% ของกลูโคสถูกเผาผลาญเป็นแลคเตท ซึ่งเน้นย้ำถึงความจำเป็นในการบัฟเฟอร์ pH อย่างแข็งขัน ข้อค้นพบเหล่านี้เน้นย้ำถึงบทบาทสำคัญของการควบคุมสิ่งแวดล้อมที่แม่นยำตลอดกระบวนการผลิตเพื่อให้แน่ใจว่าการเจริญเติบโตของเซลล์และผลผลิตที่เหมาะสมที่สุด
การเลือกอุปกรณ์และการขยายขนาดไบโอรีแอคเตอร์
การเปรียบเทียบประเภทไบโอรีแอคเตอร์สำหรับการผลิตเนื้อสัตว์เพาะเลี้ยง
ข้อกำหนดการออกแบบสำหรับการควบคุม pH และอุณหภูมิ
ไบโอรีแอคเตอร์ที่ใช้ในการผลิตเนื้อสัตว์เพาะเลี้ยงจำเป็นต้องมีระบบควบคุมที่แม่นยำเพื่อรักษาช่วง pH ที่แคบระหว่าง 7.2–7.4 [1]. ระบบขั้นสูงเช่นตัวควบคุมแบบคาดการณ์โมเดลไม่เชิงเส้น (NMPC) และตัวควบคุมแบบปรับได้มีประสิทธิภาพเป็นพิเศษในการควบคุมอัตราการให้อาหารในขณะที่รักษา pH และอุณหภูมิให้คงที่ [12]. ระบบป้อนกลับอัตโนมัติก็มีบทบาทสำคัญในการกำจัดความไม่สม่ำเสมอที่เกิดจากการปรับด้วยตนเอง.
สำหรับการควบคุม pH ที่เสถียร การบัฟเฟอร์ด้วย CO₂/ไบคาร์บอเนตมีประสิทธิภาพสูง.CO₂ ทำหน้าที่เป็นสารบัฟเฟอร์ในตัวเองใกล้กับค่า pH ที่เป็นกลางและไม่กัดกร่อน ทำให้เป็นตัวเลือกที่เหมาะสม [1][2][11]. ในการจัดการกับความร้อนที่เกิดจากการเผาผลาญระหว่างการเจริญเติบโตของเซลล์ เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพควรติดตั้งเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนหรือระบบการไหลของของเหลวบริการ [1][12].
เซลล์เนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง โดยเฉพาะเซลล์ต้นกำเนิดของกล้ามเนื้อ มีความไวต่อความเครียดจากไฮโดรไดนามิกสูงเนื่องจากธรรมชาติที่ต้องยึดเกาะ เซลล์เหล่านี้เปราะบางกว่ามากเมื่อเทียบกับเซลล์ที่ปรับตัวให้แขวนลอยได้ [1]. เพื่อปกป้องพวกมัน วิธีการเติมอากาศแบบไม่ใช้ฟอง เช่น ท่อซิลิโคนที่ซึมผ่านก๊าซได้ จะถูกเลือกใช้แทนเทคนิคการเติมอากาศแบบดั้งเดิมที่อาจทำให้เกิดความเครียดจากแรงเฉือนที่เป็นอันตราย [1][11].นอกจากนี้ การรวมเซ็นเซอร์คุณภาพสูง - เช่น โพรบในสายสำหรับ pH และออกซิเจนละลาย (pO₂) พร้อมกับเซ็นเซอร์ก๊าซออกสำหรับการตรวจสอบความตึงเครียดของคาร์บอนไดออกไซด์ (pCO₂) - ช่วยให้สามารถควบคุมสภาพแวดล้อมแบบเรียลไทม์ [13].
แม้ว่ากลยุทธ์การควบคุมเหล่านี้จะทำงานได้ดีในระบบขนาดเล็ก แต่การรักษาระดับความแม่นยำเดียวกันจะซับซ้อนมากขึ้นเมื่อขนาดของเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพเพิ่มขึ้น.
ความท้าทายในการขยายขนาดในเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพขนาดใหญ่
การขยายขนาดเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพจากการตั้งค่าห้องปฏิบัติการไปสู่การผลิตเชิงพาณิชย์นำมาซึ่งความท้าทายมากมาย ที่ปริมาณมากขึ้น อาจเกิดความแตกต่างในความเข้มข้นของไฮโดรเจนไอออน คาร์บอนไดออกไซด์ และออกซิเจนละลาย ซึ่งนำไปสู่สภาพแวดล้อมที่ไม่สม่ำเสมอ [13][14]. ความไม่สม่ำเสมอเหล่านี้เป็นปัญหาโดยเฉพาะสำหรับเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง ซึ่งการเจริญเติบโตของเซลล์ที่สม่ำเสมอเป็นสิ่งสำคัญ.ตัวอย่างเช่น ในกระบวนการเฟดแบตช์ขนาดใหญ่ ระดับ CO₂ ที่ละลาย (dCO₂) สามารถสูงถึง 75–225 มก./ลิตร ในขณะที่ออกซิเจนที่ละลายยังคงต่ำกว่า 8.0 มก./ลิตร [11] การสะสมของ CO₂ นี้สามารถทำให้ระดับ pH ลดลงต่ำถึง 6.8 [13].
"ความเข้าใจในปฏิสัมพันธ์ของพารามิเตอร์กระบวนการมีประโยชน์อย่างยิ่งในระหว่างการขยายขนาดกระบวนการ ซึ่งความแปรปรวนที่ไม่พึงประสงค์ของ pH ความตึงเครียดของออกซิเจนที่ละลาย (pO₂) และความตึงเครียดของคาร์บอนไดออกไซด์ (pCO₂) มีแนวโน้มที่จะเกิดขึ้นมากที่สุด" – Matthias Brunner et al. [13]
การรักษาอุณหภูมิที่สม่ำเสมอที่ 37°C เป็นอีกปัจจัยสำคัญที่ต้องการการกำจัดความร้อนจากการเผาผลาญอย่างต่อเนื่อง [1] การบรรลุสมดุลนี้ต้องการการกวนที่เพียงพอเพื่อให้แน่ใจว่ามีความสม่ำเสมอ แต่ความเร็วของใบพัดที่มากเกินไปสามารถทำลายเซลล์ที่ไวต่อแรงเฉือน [1].เพื่อตอบสนองต่อปัญหาเหล่านี้ในระดับการค้า อาจจำเป็นต้องแยกการควบคุม pH และ pCO₂ ออกจากกัน ตัวอย่างเช่น การใช้ HCl หรือ NaOH ในการปรับค่า pH แทนการพึ่งพาเฉพาะก๊าซ CO₂ สามารถป้องกันความเป็นพิษของ CO₂ ในขณะที่รักษาระดับ pH ให้คงที่ [13].
| ประเภทของไบโอรีแอคเตอร์ | ความหนาแน่นของเซลล์ที่สามารถทำได้ (เซลล์/มล.) | ปริมาตรการทำงานสำหรับชีวมวล 1 กก. |
|---|---|---|
| ถังผสม (STR) | 1.90 × 10⁵ – 2 × 10⁶ | 570 ลิตร |
| เตียงบรรจุ (PBB) | 2.93 × 10⁶ | 110 ลิตร |
| เส้นใยกลวง (HFB) | 10⁸ – 10⁹ | 1.4 L |
การจัดหาอุปกรณ์ผ่าน Cellbase
การค้นหาไบโอรีแอคเตอร์ที่ตรงตามความต้องการเฉพาะของการผลิตเนื้อสัตว์เพาะเลี้ยงอาจเป็นงานที่ท้าทาย
ไม่เหมือนกับแพลตฟอร์มจัดหาห้องปฏิบัติการทั่วไป,
บทสรุป
การควบคุมค่า pH และอุณหภูมิอย่างแม่นยำเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งในการผลิตเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง ปัจจัยเหล่านี้มีผลโดยตรงต่อความมีชีวิตของเซลล์และความสม่ำเสมอของการเจริญเติบโต แม้แต่การเบี่ยงเบนเพียงเล็กน้อย - เพียง 0.3 หน่วย pH นอกช่วงที่เหมาะสม - ก็สามารถขัดขวางการเพิ่มจำนวนเซลล์ได้อย่างมาก [3] เช่นเดียวกัน อุณหภูมิที่คงที่เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการรักษาสมดุลเมตาบอลิซึมที่สนับสนุนการเจริญเติบโตของเซลล์Johanna Michl จากมหาวิทยาลัยอ็อกซ์ฟอร์ดเน้นย้ำถึงความไวนี้ โดยกล่าวว่า:
"กระบวนการทางชีวภาพมีความไวต่อเคมีกรด-เบสอย่างมาก" [2]
ความแม่นยำนี้กลายเป็นความท้าทายมากขึ้นในระดับการค้า ซึ่งการรักษาสมดุลในปริมาณมากทำให้เกิดอุปสรรคทางวิศวกรรมที่สำคัญ.
การเปลี่ยนจากวิธีการในห้องปฏิบัติการแบบแมนนวลไปสู่กระบวนการชีวภาพอัตโนมัติเป็นก้าวสำคัญในการทำให้การผลิตเนื้อสัตว์เพาะเลี้ยงมีความยั่งยืนทางการเงินและสามารถทำซ้ำได้ การทำงานอัตโนมัติช่วยขจัดความไม่สอดคล้องที่เกี่ยวข้องกับการตรวจสอบด้วยตนเอง ระบบไบโอรีแอคเตอร์ขั้นสูง - ตั้งแต่ถังที่มีการกวนไปจนถึงการตั้งค่าเส้นใยกลวง - มีความสามารถในการหนาแน่นของเซลล์ที่แตกต่างกันในขณะที่ยังส่งผลต่อขนาดทางกายภาพของโรงงานและประสิทธิภาพของสื่อ.
อย่างไรก็ตาม การขยายขนาดนำมาซึ่งความซับซ้อนในตัวของมันเอง.เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพขนาดใหญ่ มักมีขนาดในช่วง 10–12 ม³ มีแนวโน้มที่จะเกิดความไม่สม่ำเสมอของค่า pH ตัวอย่างเช่น การเพิ่มเบสสามารถทำให้ค่า pH พุ่งสูงถึง 9.0 [4] ซึ่งเน้นย้ำถึงความจำเป็นในการมีระบบควบคุมที่แข็งแกร่ง Shannon G. Klein จาก ศูนย์วิจัยทะเลแดง เน้นย้ำถึงความสำคัญของการรักษาสภาพที่เสถียร:
"การรักษาสภาพทางสรีรวิทยาที่เกี่ยวข้องในวัฒนธรรมเซลล์มีความสำคัญอย่างยิ่งเพื่อให้มั่นใจถึงความสามารถในการทำซ้ำของผลการวิจัยที่เผยแพร่และความเกี่ยวข้องในการแปลของข้อมูลการทดลองไปสู่การประยุกต์ใช้ทางคลินิก" [3]
เพื่อจัดการกับความท้าทายเหล่านี้ อุปกรณ์เฉพาะทางและระบบการตรวจสอบขั้นสูงเป็นสิ่งจำเป็น แพลตฟอร์มเช่น
ด้วยบริษัทกว่า 175 แห่งที่กำลังดำเนินการในอุตสาหกรรมเนื้อสัตว์เพาะเลี้ยงทั่วทั้งหกทวีปและการลงทุนที่เกินกว่า 2.4 พันล้านปอนด์ [15] การรักษาสภาพ pH และอุณหภูมิที่เหมาะสมเป็นสิ่งสำคัญสำหรับความสำเร็จทางการค้า นวัตกรรมในการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพ, ระบบอัตโนมัติ, และการจัดหาที่เชี่ยวชาญกำลังช่วยให้อุตสาหกรรมเปลี่ยนจากห้องปฏิบัติการวิจัยไปสู่โรงงานผลิตขนาดใหญ่ ความก้าวหน้าเหล่านี้กำลังกำหนดอนาคตของเนื้อสัตว์เพาะเลี้ยง ช่วยให้ภาคส่วนนี้เอาชนะความท้าทายที่เร่งด่วนที่สุด
คำถามที่พบบ่อย
ทำไมการควบคุมค่า pH และอุณหภูมิในระหว่างการผลิตเนื้อสัตว์เพาะเลี้ยงจึงมีความสำคัญ?
การควบคุมอย่างแม่นยำของ ค่า pH และ อุณหภูมิ มีความสำคัญอย่างยิ่งเมื่อผลิตเนื้อสัตว์เพาะเลี้ยง เนื่องจากเซลล์ของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมมีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงของสิ่งแวดล้อมแม้เพียงเล็กน้อย เซลล์ส่วนใหญ่ที่ใช้ในกระบวนการนี้เจริญเติบโตได้ดีที่อุณหภูมิที่เหมาะสมประมาณ 37°C อย่างไรก็ตาม การเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อย เช่น อุณหภูมิที่เกิน 38°C หรือที่ต่ำเกินไป สามารถส่งผลกระทบต่อความมีชีวิตของเซลล์ ชะลอการเจริญเติบโต หรือรบกวนการทำงานของเมตาบอลิซึมได้ เช่นเดียวกัน การรักษาค่า pH ให้คงที่ในช่วง 7.0 ถึง 7.4 ก็มีความสำคัญเช่นกัน การเปลี่ยนแปลงในช่วงนี้ ซึ่งมักเกิดจากผลพลอยได้จากเมตาบอลิซึม เช่น CO₂ หรือแลคเตท สามารถทำลายการเจริญเติบโตของเซลล์และลดคุณภาพของเนื้อเยื่อได้
ในเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพขนาดใหญ่ การรักษาความสม่ำเสมอของค่า pH และอุณหภูมิทั่วทั้งระบบยิ่งมีความสำคัญมากขึ้น
การควบคุมที่สม่ำเสมอในไบโอรีแอคเตอร์ช่วยให้การพัฒนาของเซลล์เป็นไปตามที่คาดการณ์และสนับสนุนการเจริญเติบโต การแยกแยะ และเนื้อสัมผัสของผลิตภัณฑ์สุดท้าย นอกจากนี้ยังช่วยลดการปรับเปลี่ยนที่มีค่าใช้จ่ายสูงในระหว่างการผลิต สำหรับนักวิจัยและผู้ผลิตในอุตสาหกรรมเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง แพลตฟอร์มเช่น
ไบโอรีแอคเตอร์อัตโนมัติช่วยเพิ่มการเจริญเติบโตของเซลล์เมื่อเทียบกับระบบแบบแมนนวลได้อย่างไร
ไบโอรีแอคเตอร์อัตโนมัตินำความแม่นยำระดับใหม่มาสู่การจัดการพารามิเตอร์สำคัญ เช่น อุณหภูมิ, pH, และ ออกซิเจนที่ละลาย, เพื่อให้แน่ใจว่าสภาพแวดล้อมที่เหมาะสมสำหรับการเจริญเติบโตของเซลล์ ตัวอย่างเช่น ระบบเหล่านี้มักจะรักษาอุณหภูมิไว้ที่ประมาณ 37°C และระดับ pH ระหว่าง 7.0 ถึง 7.4ติดตั้งด้วยเซ็นเซอร์ขั้นสูง พวกเขาตรวจสอบตัวแปรเหล่านี้อย่างต่อเนื่องและปรับเปลี่ยนอย่างรวดเร็ว - ไม่ว่าจะเป็นการทำความร้อน การทำความเย็น การควบคุมการไหลของก๊าซ หรือการปรับสมดุลระดับกรดและเบส การตอบสนองที่เกือบจะทันทีนี้ช่วยขจัดความล่าช้าและความไม่แม่นยำที่มักพบในการแทรกแซงด้วยตนเอง ผลลัพธ์คืออะไร? สภาพแวดล้อมที่เสถียรซึ่งลดความเครียดของเซลล์ เพิ่มประสิทธิภาพการเผาผลาญ และส่งเสริมอัตราการเติบโตและความหนาแน่นของเซลล์ที่สูงขึ้น
นอกจากนี้ เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพสมัยใหม่ยังใช้การวิเคราะห์บนคลาวด์เพื่อติดตามประสิทธิภาพ ปรับตารางการให้อาหารให้เหมาะสม และปรับกระบวนการให้ละเอียดในระหว่างการผลิตที่แตกต่างกัน ในบริบทของเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง นวัตกรรมเหล่านี้หมายถึงผลผลิตเซลล์ที่มากขึ้น การพัฒนาของเนื้อเยื่อที่เร่งขึ้น และค่าใช้จ่ายในการผลิตที่ต่ำลง สำหรับผู้ที่อยู่ในสาขานี้ แพลตฟอร์มเช่น
ความท้าทายหลักในการขยายขนาดเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพสำหรับการผลิตเนื้อสัตว์เพาะเลี้ยงคืออะไร?
การขยายขนาดเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพสำหรับการผลิตเนื้อสัตว์เพาะเลี้ยงไม่ใช่เรื่องง่าย เมื่อขนาดของเครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้เพิ่มขึ้น การควบคุมปัจจัยต่างๆ เช่น pH, อุณหภูมิ, และ ก๊าซที่ละลาย จะยิ่งท้าทายมากขึ้น ความผันผวนเหล่านี้อาจนำไปสู่การเจริญเติบโตของเซลล์ที่ไม่สม่ำเสมอและความไม่สอดคล้องกันในผลิตภัณฑ์สุดท้าย อุปสรรคทั่วไปได้แก่ การผสมที่ไม่มีประสิทธิภาพ การถ่ายโอนออกซิเจนที่จำกัด และการตอบสนองของเซ็นเซอร์ที่ช้าลง ซึ่งทั้งหมดนี้สามารถรบกวนสมดุลที่ละเอียดอ่อนที่จำเป็นสำหรับการเพาะเลี้ยงเซลล์ที่เหมาะสม
อีกชั้นของความซับซ้อนมาจากการใช้สายเซลล์ที่ยึดติด เซลล์เหล่านี้ต้องการพื้นที่ผิวขนาดใหญ่หรือระบบไมโครแคเรียร์เฉพาะเพื่อเจริญเติบโต เมื่อระบบขยายขนาดขึ้น จำเป็นต้องสนับสนุนเซลล์เหล่านี้อย่างเหมาะสมโดยไม่ทำให้เกิดความเครียดทางกลที่อาจทำให้เกิดความเสียหายได้นอกจากนี้ เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพขนาดอุตสาหกรรมต้องมั่นใจว่ามีการกระจายอุณหภูมิที่สม่ำเสมอ รักษาความปลอดเชื้อ และปฏิบัติตามมาตรฐานความปลอดภัยด้านอาหารที่เข้มงวด - ทั้งหมดนี้ในขณะที่ควบคุมค่าใช้จ่ายให้สามารถจัดการได้
เพื่อรับมือกับความท้าทายเหล่านี้ แพลตฟอร์มเช่น
