Duy trì pH và nhiệt độ chính xác là rất quan trọng cho việc nuôi cấy tế bào động vật có vú, đặc biệt trong sản xuất thịt nuôi cấy. Tế bào cần một môi trường được kiểm soát để nhân lên (sinh sản) và phát triển thành sợi cơ (phân hóa). Dưới đây là điểm chính cần lưu ý:
- Điều Kiện Tối Ưu: pH phải duy trì trong khoảng 7.2–7.4, và nhiệt độ ở 37 °C. Ngay cả những sai lệch nhỏ (e.g., pH giảm 0.3 đơn vị) có thể làm chậm sự phát triển và giảm năng suất.
- Tại Sao Quan Trọng: Tế bào tiêu tốn thêm năng lượng để điều chỉnh sự mất cân bằng, ảnh hưởng đến hiệu quả tăng trưởng của chúng. Các nền văn hóa mật độ cao đặc biệt dễ bị giảm pH do sự tích tụ axit lactic.
- Thách Thức Khi Mở Rộng Quy Mô: Các bioreactor lớn hơn gặp phải điều kiện không đồng đều, như tăng đột biến pH hoặc tích tụ CO₂, làm cho việc kiểm soát chính xác trở nên khó khăn hơn.
- Giải pháp: Các lò phản ứng sinh học tiên tiến với hệ thống tự động và cảm biến đáng tin cậy giúp duy trì sự ổn định, cải thiện sự phát triển và tính nhất quán của tế bào.
Dù bạn đang nuôi cấy tế bào trong phòng thí nghiệm hay mở rộng quy mô sản xuất, việc duy trì ổn định pH và nhiệt độ là điều không thể thương lượng để đạt được thành công.
Cảm biến trong lò phản ứng sinh học
Ảnh hưởng của pH và Nhiệt độ đến Sự phát triển của Tế bào
Vai trò của pH và nhiệt độ trong thiết kế lò phản ứng sinh học không chỉ dừng lại ở tầm quan trọng lý thuyết - chúng ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình trao đổi chất và sự phát triển của tế bào. Phần này khám phá cách hai yếu tố này định hình hành vi và năng suất của tế bào.
Ảnh hưởng của pH đến Trao đổi chất và Khả năng sống của Tế bào
Khi mức pH lệch khỏi phạm vi tối ưu, tế bào phải làm việc nhiều hơn để duy trì cân bằng. Ví dụ, chúng kích hoạt các cơ chế như Na⁺/H⁺ antiporters, tiêu thụ năng lượng mà lẽ ra sẽ được sử dụng cho sự phát triển [3].Việc chuyển hướng năng lượng này có thể dẫn đến những thay đổi lớn trong hoạt động của gen. Trong một nghiên cứu, việc giảm pH của môi trường xuống 6.7 đã khiến hơn 2,000 gen thay đổi mức độ biểu hiện của chúng chỉ trong vòng 24 giờ [3].
Sự tương tác giữa pH và quá trình trao đổi chất có thể tạo ra một vòng luẩn quẩn. Hoạt động glycolytic cao tạo ra axit lactic, làm giảm pH của môi trường. Trong một số nền văn hóa có mật độ cao, lên đến 90% glucose được chuyển đổi thành lactate [2], dẫn đến sự axit hóa nhanh chóng. Mặc dù sự axit hóa này cuối cùng ngăn chặn việc sản xuất axit lactic thêm, nhưng nó phải trả giá bằng sự tăng trưởng tế bào giảm đáng kể [5].
Cả điều kiện axit và kiềm đều có hại. Trong khi điều kiện axit dưới pH 7.1 được biết đến rộng rãi là cản trở sự phát triển, điều kiện kiềm - dao động từ pH 7.7 đến 9.0 - cũng có thể làm chậm sự phát triển và giảm năng suất sản phẩm [2][4]. Đối với hầu hết các tế bào động vật có vú, giới hạn pH thấp quan trọng là giữa 6.6 và 6.8. Ngoài phạm vi này, các tế bào đối mặt với nguy cơ gia tăng của quá trình apoptosis hoặc hoại tử [5].
Những gián đoạn chuyển hóa do pH gây ra này tạo điều kiện cho vai trò của nhiệt độ trong việc ảnh hưởng thêm đến hành vi của tế bào.
Ảnh hưởng của Nhiệt độ đến Sự Phát triển và Phân hóa của Tế bào
Nhiệt độ đóng vai trò then chốt trong hoạt động chuyển hóa và độ hòa tan khí. Trong khi 37 °C là tiêu chuẩn cho hầu hết các nền văn hóa, ngay cả những sai lệch nhỏ cũng có thể ảnh hưởng đến sự phát triển và sản xuất protein [3][5]. Một nghiên cứu được thực hiện tại Đại học Công nghệ Vienna vào năm 2017 đã chứng minh hiệu ứng này. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng tế bào CHO trong một bể phản ứng khuấy 10–12 m³ để mô phỏng sự không đồng nhất của pH.Tiếp xúc tạm thời với các vùng pH 9.0 trong giai đoạn tăng trưởng theo cấp số nhân đã làm giảm đáng kể cả mật độ tế bào sống tối đa và sản lượng sản phẩm cuối cùng [4].
Trong lĩnh vực sản xuất thịt nuôi cấy, kiểm soát nhiệt độ phục vụ hai mục đích. Trong giai đoạn sinh sôi, duy trì nhiệt độ ổn định 37 °C đảm bảo sự nhân lên hiệu quả của tế bào. Tuy nhiên, các hệ thống phản ứng nhiệt độ tiên tiến đã được phát triển để tạo điều kiện cho việc xếp lớp mô không cần giàn giáo bằng cách kiểm soát sự bám dính và tách rời của tế bào [6].
Rõ ràng, điều chỉnh nhiệt độ chính xác cũng quan trọng như duy trì pH tối ưu để tăng trưởng và phân hóa tế bào thành công.
Ảnh hưởng Kết hợp của pH và Nhiệt độ
Tương tác giữa pH và nhiệt độ có mối liên hệ chặt chẽ với hóa học CO₂.Thay đổi nhiệt độ ảnh hưởng đến độ hòa tan của CO₂, từ đó ảnh hưởng đến cân bằng axit-bazơ trong các hệ thống đệm bicarbonate [3]. Nhiệt độ cao hơn làm tăng tốc độ trao đổi chất của tế bào, tăng sản xuất các sản phẩm phụ như axit lactic và CO₂. Điều này làm môi trường trở nên axit hơn, gia tăng áp lực lên tế bào [2][3].
"Độ hòa tan của các khí hòa tan, và do đó ảnh hưởng của CO₂ đến hóa học axit-bazơ, phụ thuộc mạnh mẽ vào nhiệt độ, áp suất thẩm thấu, độ ẩm và áp suất." - Shannon G. Klein et al., Đại học Khoa học và Công nghệ King Abdullah [3]
Khi pH và nhiệt độ đồng thời lệch khỏi mức chuẩn, áp lực trao đổi chất có thể làm gián đoạn nghiêm trọng cả sự phát triển và phân hóa của tế bào. Ví dụ, các nền văn hóa mẻ tiêu chuẩn thường cho thấy sự thay đổi pH trung bình là 0.425 đơn vị [3].Trong các nền văn hóa mật độ cao, sự thay đổi này có thể đạt tới 0.9 đơn vị, kèm theo mức CO₂ tăng lên 10.45% [3]. Những điều kiện này buộc các tế bào phải tiêu tốn nhiều năng lượng hơn để duy trì cân bằng nội môi, làm giảm hiệu quả trong việc sản xuất sinh khối.
Để giảm thiểu những căng thẳng này, môi trường mới chuẩn bị nên được cân bằng trong một lò ấp CO₂ ít nhất một giờ trước khi sử dụng. Điều này cho phép phản ứng ngược chậm của hydrat hóa CO₂ ổn định [2]. Những biện pháp phòng ngừa như vậy là cần thiết để đạt được sự phát triển và năng suất tế bào tối ưu.
Phương pháp Kiểm soát pH và Nhiệt độ trong Bioreactors
Giữ ổn định pH và nhiệt độ trong bioreactors liên quan đến sự kết hợp của phần cứng, cảm biến và chiến lược kiểm soát. Công nghệ được chọn thường phụ thuộc vào quy mô sản xuất, loại tế bào được sử dụng cho thịt nuôi cấy, và liệu quá trình có thiên về tự động hóa hay quản lý thủ công.
Thiết kế và phương pháp điều khiển bioreactor
Các bioreactor được sử dụng trong sản xuất thịt nuôi cấy dựa vào hệ thống trao đổi nhiệt để duy trì nhiệt độ 37 °C [1]. Mức độ pH thường được điều chỉnh thông qua việc sục CO₂, điều chỉnh nồng độ CO₂ và luồng không gian đầu [9], hoặc bằng bơm tiêm tự động thêm axit hoặc bazơ khi cần thiết [8].
Bioreactor sử dụng một lần (SUBs) cung cấp một giải pháp thực tế bằng cách loại bỏ nhu cầu làm sạch và giảm nguy cơ nhiễm bẩn. Các hệ thống này có thể mở rộng lên đến 2.000 L. Tuy nhiên, thể tích làm việc cần thiết để sản xuất 1 kg sinh khối thay đổi đáng kể tùy thuộc vào thiết kế bioreactor: khoảng 570 L cho bioreactor bể khuấy (STRs), 110 L cho bioreactor giường đóng gói (PBBs), và chỉ 1,4 L cho bioreactor sợi rỗng (HFBs) [1].
Công nghệ Cảm biến để Giám sát
Một khi bioreactor được thiết lập, các cảm biến chính xác đóng vai trò quan trọng trong việc giám sát pH và nhiệt độ theo thời gian thực. Đối với đo pH, cảm biến điện hóa, đặc biệt là điện cực thủy tinh, được sử dụng rộng rãi nhờ độ bền và hiệu quả của chúng [7]. Khi nói đến nhiệt độ, nhiệt kế điện trở là tiêu chuẩn của ngành [7].
Trong những năm gần đây, cảm biến quang học đã trở nên phổ biến, đặc biệt trong các hệ thống sử dụng một lần. Những cảm biến này sử dụng thuốc nhuộm huỳnh quang - như muối disodium 6,8-dihydroxypyrene-1,3-disulfonic acid - được nhúng trong các miếng hydrogel. Chúng nhỏ gọn và giúp giảm thiểu rủi ro ô nhiễm [7].
Cảm biến không tiếp xúc là một lựa chọn khác, sử dụng màng thấm như cellulose để đo pH bên ngoài, giúp giảm thiểu nguy cơ ô nhiễm [7]. Trong khi đó, hệ thống đo màu theo dõi pH bằng cách phát hiện sự thay đổi màu sắc trong các chỉ thị phenol đỏ trong môi trường. Các hệ thống này sử dụng nguồn sáng LED và cảm biến ánh sáng môi trường để phát hiện [8]. Mặc dù cảm biến quang học ít xâm lấn hơn, chúng đôi khi có thể bị ảnh hưởng bởi các vấn đề như liên kết chỉ thị-protein hoặc độ đục của môi trường. Ngược lại, cảm biến điện hóa, mặc dù cồng kềnh hơn, lại mạnh mẽ và đáng tin cậy hơn trong các tình huống như vậy [7].
Hệ thống Tự động hóa và Phản hồi
Tự động hóa đã cách mạng hóa việc kiểm soát bioreactor, giảm thiểu lỗi của con người và cải thiện tính nhất quán.Các hệ thống tự động với điều khiển vòng kín đặc biệt có giá trị cho sản xuất thịt nuôi cấy dài hạn [8]. Ví dụ, một nghiên cứu năm 2022 từ Đại học Chiang Mai đã giới thiệu một bioreactor tự động in 3D với giám sát pH màu sắc. Hệ thống này duy trì pH ở mức 7.4 ± 0.2 và đạt được hơn 80% khả năng sống của tế bào, tăng cường đáng kể sự phát triển của tế bào trong 72 giờ so với thay đổi môi trường thủ công [8].
Một ví dụ đáng chú ý khác đến từ Merck Biodevelopment ở Martillac, Pháp. Vào tháng 12 năm 2013, nhóm đã thử nghiệm Mobius CellReady 3L bioreactor sử dụng một lần cho các quy trình perfusion. Sử dụng công nghệ Alternative Tangential Flow (ATF) để giữ lại tế bào và trao đổi môi trường tự động, họ đã đạt được sự gia tăng 2.9 lần trong sản xuất kháng thể đơn dòng so với chế độ batch.Các nhà nghiên cứu Aurore Polès-Lahille và Flavien Thuet đã báo cáo rằng hệ thống tự động này hỗ trợ mật độ tế bào 33 triệu tế bào/mL trong khi duy trì mức pH từ 6.80 đến 7.10 [10]. Các hệ thống này cung cấp dữ liệu liên tục, cho phép điều chỉnh theo thời gian thực để tối ưu hóa sự phát triển và năng suất của tế bào [8].
Các bioreactor tiên tiến, cảm biến và hệ thống điều khiển cho sản xuất thịt nuôi cấy có sẵn thông qua các nhà cung cấp như
sbb-itb-ffee270
Kết quả Nghiên cứu: Kết quả Kiểm soát pH và Nhiệt độ
Hệ thống Điều khiển Tự động so với Thủ công
Vào tháng 4 năm 2022, các nhà nghiên cứu Suruk Udomsom, Pathinan Paengnakorn và nhóm của họ tại Đại học Chiang Mai đã thử nghiệm một bioreactor lập trình tự động sử dụng tế bào sợi L929 của chuột. Hệ thống này thực hiện làm mới một phần môi trường mỗi 6 giờ trong suốt 72 giờ.Kết quả? Sự phát triển tế bào cao hơn đáng kể trong hệ thống tự động so với các phương pháp nuôi cấy thủ công truyền thống. Bioreactor duy trì pH ổn định ở mức 7.4 ± 0.2, với khả năng sống của tế bào luôn trên 80% trong suốt thí nghiệm [8].
Ngược lại, các hệ thống thủ công gặp phải thách thức. Khi môi trường được lấy ra khỏi lò ấp CO₂ để kiểm tra, nó bắt đầu kiềm hóa gần như ngay lập tức, với hằng số thời gian từ 2–3 giờ. Khi được đặt trở lại vào lò ấp, mất khoảng 45 phút để trở về pH đúng [2]. Những dao động này có thể làm mất ổn định tế bào. Tuy nhiên, các hệ thống tự động được thiết kế để loại bỏ những sự không nhất quán này, đảm bảo môi trường ổn định hơn cho sự phát triển của tế bào.
Kiểm Tra Các Dải pH và Nhiệt Độ Khác Nhau
Vào tháng 4 năm 2019, Johanna Michl và nhóm của cô tại Đại học Oxford đã khám phá hoạt động trao đổi chất của các tế bào DLD1 trong khoảng thời gian ủ 6 ngày. Khi mức glucose được giữ trên 12 mM, các tế bào đã sản xuất khoảng 20 mM axit lactic, dẫn đến sự axit hóa môi trường. Nghiên cứu phát hiện rằng ngay cả những sai lệch nhỏ so với pH tối ưu 7.4 - cụ thể là những thay đổi lớn hơn 0.3 đơn vị - đã làm giảm tỷ lệ tăng sinh trên ba dòng tế bào động vật có vú: NCI-H747, DLD1 và Caco2 [2][3].
"Sự phát triển của tế bào... là tối ưu ở pH 7.4, nhưng khi pH môi trường lệch khỏi 7.4 bởi > 0.3 đơn vị, cả ba dòng tế bào đều thể hiện tỷ lệ tăng sinh giảm." – Shannon G. Klein et al.[3]
Trong các nền văn hóa mẻ tiêu chuẩn, sự thay đổi pH là phổ biến do hoạt động trao đổi chất. Đặc biệt, các nền văn hóa mật độ cao có thể trải qua mức oxy hòa tan giảm xuống còn 0,95% [3]. Những phát hiện này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc duy trì sự ổn định môi trường, đặc biệt khi mở rộng sản xuất thịt nuôi cấy.
Kết quả cho các loại tế bào thịt nuôi cấy
Mở rộng trên các nghiên cứu có kiểm soát, các mô phỏng thu nhỏ đã làm sáng tỏ những thách thức trong việc duy trì sự ổn định pH và nhiệt độ trong các hệ thống bioreactor lớn. Vào tháng 7 năm 2017, các nhà nghiên cứu tại Đại học Công nghệ Vienna, do Matthias Brunner và Jens Fricke dẫn đầu, đã sử dụng mô hình thu nhỏ hai ngăn để mô phỏng các điều kiện trong một bioreactor khuấy 10–12 m³. Họ đã cho các tế bào CHO tiếp xúc với các khoảng thời gian ngắn của pH 9.0 để mô phỏng sự không đồng nhất do việc thêm bazơ trong các hệ thống quy mô lớn.Ngay cả khi tiếp xúc ngắn hạn với các mức pH cao như vậy cũng làm gián đoạn tốc độ tăng trưởng cụ thể trong giai đoạn lũy thừa, dẫn đến giảm mật độ tế bào khả thi tối đa và giảm năng suất sản phẩm [4].
"Ngay cả khi tiếp xúc ngắn hạn của tế bào với các giá trị pH cao trong các quy trình quy mô lớn có thể ảnh hưởng đến sinh lý tế bào và hiệu suất quy trình tổng thể." – Matthias Brunner et al. [4]
Trong một số nuôi cấy tế bào động vật có vú, khoảng 90% glucose được chuyển hóa thành lactate, điều này nhấn mạnh sự cần thiết của việc đệm pH tích cực. Những phát hiện này nhấn mạnh vai trò quan trọng của việc kiểm soát môi trường chính xác trong suốt quá trình sản xuất để đảm bảo sự phát triển và năng suất tế bào tối ưu.
Lựa chọn Thiết bị và Mở rộng Quy mô Bioreactor
So sánh Các Loại Bioreactor cho Sản Xuất Thịt Nuôi Cấy
Yêu Cầu Thiết Kế cho Kiểm Soát pH và Nhiệt Độ
Các bioreactor được sử dụng cho sản xuất thịt nuôi cấy cần có hệ thống kiểm soát chính xác để duy trì phạm vi pH hẹp từ 7.2–7.4 [1]. Các hệ thống tiên tiến như bộ điều khiển dự đoán mô hình phi tuyến (NMPC) và bộ điều khiển thích ứng đặc biệt hiệu quả trong việc điều chỉnh tốc độ cho ăn trong khi giữ pH và nhiệt độ ổn định [12]. Các hệ thống phản hồi tự động cũng đóng vai trò quan trọng trong việc loại bỏ sự không nhất quán do điều chỉnh thủ công.
Để điều chỉnh pH ổn định, đệm CO₂/bicarbonate rất hiệu quả.CO₂ hoạt động như một chất đệm tự nhiên gần pH trung tính và không ăn mòn, làm cho nó trở thành một lựa chọn phù hợp [1][2][11]. Để xử lý nhiệt chuyển hóa sinh ra trong quá trình phát triển tế bào, các bioreactor nên được trang bị bộ trao đổi nhiệt hoặc hệ thống dòng chảy dịch vụ [1][12].
Các tế bào thịt nuôi cấy, đặc biệt là tiền thân của tế bào cơ, rất nhạy cảm với căng thẳng động lực học do tính chất phụ thuộc vào điểm neo của chúng. Những tế bào này dễ vỡ hơn nhiều so với các tế bào thích nghi với huyền phù [1]. Để bảo vệ chúng, các phương pháp sục khí không bọt như ống silicone thấm khí được ưa chuộng hơn các kỹ thuật sục khí truyền thống, có thể gây ra căng thẳng cắt gây hại [1][11].Ngoài ra, tích hợp các cảm biến chất lượng cao - chẳng hạn như đầu dò trong dòng cho pH và oxy hòa tan (pO₂), cùng với cảm biến khí thải để giám sát áp suất carbon dioxide (pCO₂) - cho phép kiểm soát môi trường theo thời gian thực [13].
Mặc dù các chiến lược kiểm soát này hoạt động tốt trong các hệ thống nhỏ hơn, việc duy trì cùng mức độ chính xác trở nên phức tạp hơn khi kích thước của bioreactor tăng lên.
Thách Thức Khi Mở Rộng Bioreactor Lớn Hơn
Mở rộng bioreactor từ môi trường phòng thí nghiệm đến sản xuất thương mại đưa ra một loạt các thách thức. Ở các thể tích lớn hơn, các gradient trong nồng độ ion hydro, carbon dioxide và oxy hòa tan có thể xuất hiện, dẫn đến điều kiện môi trường không đồng đều [13][14]. Những sự không nhất quán này đặc biệt gây vấn đề cho thịt nuôi cấy, nơi mà sự phát triển tế bào đồng đều là rất quan trọng.Ví dụ, trong các quy trình fed-batch quy mô lớn, mức độ CO₂ hòa tan (dCO₂) có thể đạt 75–225 mg/L, trong khi oxy hòa tan vẫn dưới 8.0 mg/L [11]. Sự tích tụ CO₂ này có thể khiến mức độ pH giảm xuống thấp nhất là 6.8 [13].
"Hiểu biết về sự tương tác của các thông số quy trình đặc biệt hữu ích trong quá trình mở rộng quy mô, nơi các biến đổi không mong muốn của pH, độ căng oxy hòa tan (pO₂) và độ căng carbon dioxide (pCO₂) có khả năng xảy ra nhất." – Matthias Brunner et al. [13]
Duy trì nhiệt độ ổn định ở mức 37°C là một yếu tố quan trọng khác, đòi hỏi phải loại bỏ liên tục nhiệt chuyển hóa [1]. Đạt được sự cân bằng này đòi hỏi sự khuấy động đủ để đảm bảo tính đồng nhất, nhưng tốc độ cánh khuấy quá cao có thể làm hỏng các tế bào nhạy cảm với lực cắt [1].Để giải quyết những vấn đề này ở quy mô thương mại, có thể cần phải tách biệt việc kiểm soát pH và pCO₂. Ví dụ, sử dụng HCl hoặc NaOH để điều chỉnh pH thay vì chỉ dựa vào khí CO₂ có thể ngăn ngừa độc tính CO₂ trong khi duy trì mức pH ổn định [13].
| Loại Bioreactor | Mật độ Tế bào Có thể Đạt được (tế bào/mL) | Thể Tích Hoạt động cho 1 kg Sinh khối |
|---|---|---|
| Bể Khuấy (STR) | 1.90 × 10⁵ – 2 × 10⁶ | 570 L |
| Giường Đóng gói (PBB) | 2.93 × 10⁶ | 110 L |
| Sợi Rỗng (HFB) | 10⁸ – 10⁹ | 1.4 L |
Thiết Bị Nguồn Qua Cellbase
Tìm kiếm các bioreactor đáp ứng nhu cầu cụ thể của sản xuất thịt nuôi cấy có thể là một nhiệm vụ khó khăn.
Không giống như các nền tảng cung cấp phòng thí nghiệm chung,
Kết luận
Duy trì kiểm soát chính xác pH và nhiệt độ là vô cùng quan trọng trong sản xuất thịt nuôi cấy. Những yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng sống sót của tế bào và sự nhất quán trong tăng trưởng. Ngay cả một sự lệch nhỏ - chỉ 0,3 đơn vị pH ngoài phạm vi tối ưu - có thể cản trở đáng kể sự phát triển của tế bào [3]. Tương tự, nhiệt độ ổn định là cần thiết để duy trì cân bằng trao đổi chất hỗ trợ sự phát triển của tế bào.Johanna Michl từ Đại học Oxford nhấn mạnh sự nhạy cảm này, lưu ý:
"Các quá trình sinh học cực kỳ nhạy cảm với hóa học axit-bazơ" [2]
Độ chính xác này trở nên thách thức hơn ở quy mô thương mại, nơi việc duy trì cân bằng nội môi trên các khối lượng lớn đưa ra những trở ngại kỹ thuật đáng kể.
Việc chuyển từ các phương pháp phòng thí nghiệm thủ công sang các quy trình sinh học tự động là một cột mốc quan trọng để làm cho sản xuất thịt nuôi cấy bền vững về mặt tài chính và có thể tái tạo. Tự động hóa loại bỏ những sự không nhất quán liên quan đến giám sát thủ công. Các hệ thống lò phản ứng sinh học tiên tiến - từ bể khuấy đến thiết lập sợi rỗng - cung cấp khả năng mật độ tế bào khác nhau đồng thời ảnh hưởng đến diện tích vật lý của cơ sở và hiệu quả của môi trường.
Tuy nhiên, việc mở rộng quy mô mang lại những phức tạp riêng.Các lò phản ứng sinh học quy mô lớn, thường trong khoảng 10–12 m³, đặc biệt dễ gặp phải sự không nhất quán về pH. Ví dụ, các đỉnh pH cục bộ có thể đạt tới 9.0 trong quá trình thêm kiềm [4], nhấn mạnh sự cần thiết của các cơ chế kiểm soát mạnh mẽ. Shannon G. Klein từ Trung tâm Nghiên cứu Biển Đỏ nhấn mạnh tầm quan trọng của việc duy trì các điều kiện ổn định:
"Duy trì các điều kiện sinh lý liên quan trong nuôi cấy tế bào là vô cùng quan trọng để đảm bảo tính tái lập của các phát hiện đã công bố và sự liên quan chuyển dịch của dữ liệu thực nghiệm đến các ứng dụng lâm sàng" [3]
Để giải quyết những thách thức này, các thiết bị chuyên dụng và hệ thống giám sát tiên tiến là cần thiết. Các nền tảng như
Với hơn 175 công ty hiện đang hoạt động trong ngành công nghiệp thịt nuôi cấy trên sáu châu lục và các khoản đầu tư vượt quá £2.4 tỷ [15], duy trì điều kiện pH và nhiệt độ tối ưu là điều then chốt cho thành công thương mại. Những đổi mới trong thiết kế bioreactor, tự động hóa và mua sắm chuyên biệt đang cho phép ngành công nghiệp chuyển từ các phòng thí nghiệm nghiên cứu sang các cơ sở sản xuất quy mô lớn. Những tiến bộ này đang định hình tương lai của thịt nuôi cấy, giúp ngành vượt qua những thách thức cấp bách nhất.
Câu hỏi thường gặp
Tại sao việc kiểm soát pH và nhiệt độ lại quan trọng trong quá trình sản xuất thịt nuôi cấy?
Kiểm soát chính xác pH và nhiệt độ là vô cùng quan trọng khi sản xuất thịt nuôi cấy, vì các tế bào động vật có vú rất nhạy cảm với những thay đổi nhỏ trong môi trường. Hầu hết các dòng tế bào được sử dụng trong quá trình này phát triển tốt nhất ở nhiệt độ tối ưu khoảng 37°C. Tuy nhiên, ngay cả những dao động nhỏ - chẳng hạn như nhiệt độ vượt quá 38°C hoặc giảm quá thấp - có thể ảnh hưởng đáng kể đến khả năng sống của tế bào, làm chậm sự phát triển của chúng hoặc cản trở các chức năng trao đổi chất. Tương tự, việc giữ pH ổn định trong khoảng từ 7.0 đến 7.4 cũng quan trọng không kém. Những thay đổi trong khoảng này, thường do các sản phẩm phụ trao đổi chất như CO₂ hoặc lactate gây ra, có thể gây hại cho sự phát triển của tế bào và làm giảm chất lượng mô.
Trong các bioreactor quy mô lớn, việc duy trì pH và nhiệt độ đồng đều trong toàn bộ hệ thống trở nên càng quan trọng hơn.Sự điều chỉnh nhất quán trong toàn bộ bioreactor đảm bảo sự phát triển tế bào có thể dự đoán và hỗ trợ sự phát triển, phân biệt và kết cấu của sản phẩm cuối cùng. Nó cũng giúp giảm thiểu các điều chỉnh thử nghiệm và sai sót tốn kém trong quá trình sản xuất. Đối với các nhà nghiên cứu và nhà sản xuất trong ngành công nghiệp thịt nuôi cấy, các nền tảng như
Các bioreactor tự động cải thiện sự phát triển tế bào như thế nào so với các hệ thống thủ công?
Các bioreactor tự động mang lại một mức độ chính xác mới trong việc quản lý các thông số chính như nhiệt độ, pH, và oxy hòa tan, đảm bảo các điều kiện lý tưởng cho sự phát triển tế bào. Ví dụ, các hệ thống này thường duy trì nhiệt độ khoảng 37°C và mức pH từ 7.0 đến 7.4.Được trang bị các cảm biến tiên tiến, chúng liên tục giám sát các biến số này và thực hiện các điều chỉnh nhanh chóng - cho dù đó là sưởi ấm, làm mát, điều chỉnh lưu lượng khí, hay cân bằng mức axit và bazơ. Phản ứng gần như tức thì này loại bỏ các sự chậm trễ và sai sót thường thấy với các can thiệp thủ công. Kết quả? Một môi trường ổn định giúp giảm căng thẳng tế bào, tăng hiệu quả trao đổi chất, và thúc đẩy tốc độ tăng trưởng và mật độ tế bào cao hơn.
Hơn nữa, các bioreactor hiện đại sử dụng phân tích dựa trên đám mây để theo dõi hiệu suất, tối ưu hóa lịch trình cho ăn, và điều chỉnh các quy trình trong các lần sản xuất khác nhau. Trong bối cảnh thịt nuôi cấy, những đổi mới này có nghĩa là năng suất tế bào cao hơn, phát triển mô nhanh hơn, và chi phí sản xuất thấp hơn. Đối với những người trong lĩnh vực này, các nền tảng như
Những thách thức chính trong việc mở rộng quy mô các lò phản ứng sinh học cho sản xuất thịt nuôi cấy là gì?
Mở rộng quy mô các lò phản ứng sinh học để sản xuất thịt nuôi cấy không phải là một nhiệm vụ nhỏ. Khi kích thước của các lò phản ứng này tăng lên, việc duy trì kiểm soát chặt chẽ các yếu tố như pH, nhiệt độ, và khí hòa tan trở nên ngày càng thách thức. Những biến động này có thể dẫn đến sự phát triển tế bào không đồng đều và sự không nhất quán trong sản phẩm cuối cùng. Các trở ngại phổ biến bao gồm trộn không hiệu quả, chuyển oxy hạn chế, và phản ứng chậm của cảm biến, tất cả đều có thể làm gián đoạn sự cân bằng tinh tế cần thiết cho nuôi cấy tế bào tối ưu.
Một lớp phức tạp khác đến từ việc sử dụng các dòng tế bào bám dính. Những tế bào này cần các bề mặt lớn hoặc hệ thống vi hạt chuyên biệt để phát triển. Khi hệ thống mở rộng, điều quan trọng là phải hỗ trợ các tế bào này đúng cách mà không gây ra căng thẳng cơ học có thể gây hại.Ngoài ra, các bioreactor quy mô công nghiệp phải đảm bảo phân phối nhiệt độ đồng đều, duy trì vô trùng và tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn thực phẩm nghiêm ngặt - tất cả trong khi giữ chi phí ở mức có thể quản lý được.
Để giải quyết những thách thức này, các nền tảng như
