Khuấy trộn là yếu tố quan trọng trong sản xuất thịt nuôi cấy, đảm bảo các tế bào nhận được oxy và chất dinh dưỡng trong khi tránh tích tụ chất thải. Tuy nhiên, khuấy trộn quá mức gây ra các vấn đề như tách tế bào, hư hại màng và giảm tăng trưởng. Đạt được sự cân bằng đúng là điều cần thiết, đặc biệt trong các bioreactor quy mô lớn, nơi mà ngay cả những điều chỉnh nhỏ cũng có thể ảnh hưởng đến sản xuất.
Những Điểm Chính:
- Khuấy Trộn Tối Ưu: Các nghiên cứu cho thấy 60 vòng/phút trong các reactor khuấy trộn là lý tưởng để cân bằng việc cung cấp chất dinh dưỡng và ứng suất cắt.
-
Các Loại Bioreactor:
- Reactor Khuấy Trộn: Trộn hiệu quả nhưng có nguy cơ ứng suất cắt cao.
- Bioreactor Sóng: Trộn nhẹ nhàng, bị giới hạn bởi việc chuyển oxy.
- Hệ Thống Airlift: Trộn đồng đều với ứng suất thấp nhưng yêu cầu kiểm soát chính xác.
- Các Biện Pháp Bảo Vệ: Các chất phụ gia như Poloxamer 188 và oxy hóa không có bọt giảm thiểu tổn thương tế bào.
- Thách Thức Khi Mở Rộng Quy Mô: Hệ thống lớn hơn tăng nguy cơ cắt, đòi hỏi giám sát chính xác và mô hình hóa CFD.
Duy trì kiểm soát khuấy chính xác là rất quan trọng để mở rộng sản xuất thịt nuôi cấy trong khi bảo vệ tính toàn vẹn của tế bào.
Ảnh Hưởng Của Khuấy Đến Sự Phát Triển Và Sống Sót Của Tế Bào
Những Nghiên Cứu Gần Đây Cho Thấy
Nghiên cứu gần đây đã xác định ngưỡng khuấy cụ thể ảnh hưởng đến sự phát triển và sống sót của tế bào. Ví dụ, một nghiên cứu ABM-CFD sử dụng tế bào FS-4 trên vi hạt trong một bioreactor khuấy 100 mL cho thấy 60 rpm là tốc độ trộn tối ưu. Ở tốc độ này, chất dinh dưỡng và oxy được phân phối đều, với ứng suất cắt duy trì trong khoảng 0–80 mPa. Tuy nhiên, vượt quá 60 rpm dẫn đến tổn thương và tách rời tế bào do lực tăng lên.Ở tốc độ 220 vòng/phút, số Reynolds của cánh khuấy tăng vọt từ 1,444 lên 5,294.7, biểu thị sự chuyển đổi sang dòng chảy rối. Sự rối loạn này tạo ra các xoáy nhỏ hơn các vi hạt, có thể gây hại cho tế bào và màng của chúng [2].
Một nghiên cứu khác tập trung vào tế bào gốc trung mô từ dây rốn người đã nhấn mạnh rằng ngay cả sự gia tăng nhẹ trong cường độ khuấy cũng làm giảm đáng kể tỷ lệ bám dính. Điều này cho thấy độ nhạy cao của các tế bào bám dính đối với căng thẳng cơ học [6].
Những phát hiện này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc hiệu chỉnh chính xác tốc độ khuấy, đây vẫn là một lĩnh vực cần cải tiến liên tục.
Tìm Cường Độ Khuấy Phù Hợp
Thách thức chính là cân bằng tốc độ khuấy tối thiểu cần thiết để treo vi hạt (N<sub>js</sub>) mà không vượt quá giới hạn căng thẳng cắt.Đối với tế bào thịt, điều kiện lý tưởng bao gồm tỷ lệ tiêu tán năng lượng khoảng 1 mW·kg⁻¹ và thời gian trộn dưới 10 giây [1].
"Duy trì môi trường vi mô và vĩ mô thuận lợi cho tế bào mà không gây căng thẳng cơ học quá mức từ việc khuấy sẽ đòi hỏi sự đổi mới và tối ưu hóa trong thiết kế và quy trình của bioreactor" [2].
Khuấy quá mức có thể gây ra hai tác động có hại: tế bào chết ngay lập tức khi căng thẳng vượt qua ngưỡng tới hạn, và căng thẳng tích lũy dẫn đến trạng thái tĩnh. Cả hai kết quả đều cản trở năng suất. Điều này làm cho việc kiểm soát chính xác cường độ khuấy trở thành yếu tố quan trọng cho thành công thương mại, đặc biệt là trong sản xuất quy mô lớn. Trong các hệ thống có thể tích lớn tới 20 m³, ngay cả khuấy tối thiểu cũng có thể gây tách tế bào, nhấn mạnh sự phức tạp của việc mở rộng quy mô trong khi duy trì khả năng sống của tế bào.
Giới thiệu về Bioreactor: Trộn, khuấy & cắt
Phương pháp Trộn Bioreactor và Ảnh hưởng của Chúng
So sánh Các Loại Bioreactor cho Sản Xuất Thịt Nuôi Cấy
So sánh Các Hệ Thống Bioreactor Khác Nhau
Thiết kế của một bioreactor đóng vai trò quan trọng trong việc cân bằng phân phối dinh dưỡng và quản lý căng thẳng cơ học. Mỗi loại bioreactor tạo ra các điều kiện trộn khác nhau, ảnh hưởng trực tiếp đến sự sống sót và năng suất của tế bào. Lựa chọn hệ thống phù hợp có nghĩa là tìm kiếm sự cân bằng giữa việc cung cấp dinh dưỡng hiệu quả và giảm thiểu các lực cơ học có thể gây hại cho tế bào.
Bioreactor bể khuấy dựa vào cánh khuấy cơ học để trộn văn hóa. Cánh khuấy Rushton tạo ra dòng chảy hướng tâm, dẫn đến các vùng cắt cục bộ, đặc biệt là gần đầu cánh khuấy.Ngược lại, cánh khuấy dạng nghiêng và cánh khuấy dạng biển tạo ra dòng chảy nhẹ nhàng hơn, phù hợp hơn cho các tế bào động vật có vú nhạy cảm. Một nghiên cứu được thực hiện vào tháng 3 năm 2025 bởi Phòng Thí Nghiệm Trọng Điểm Quốc Gia về Kỹ Thuật Bioreactor tại Thượng Hải đã so sánh hiệu suất tế bào CHO-K1 trong các bioreactor khuấy và lắc quỹ đạo. Hệ thống khuấy đạt 71.6 × 10⁶ tế bào/mL ở 520 vòng/phút, trong khi hệ thống lắc quỹ đạo đạt 83 × 10⁶ tế bào/mL chỉ ở 100 vòng/phút [4].
Bioreactor dạng sóng (lắc) loại bỏ hoàn toàn cánh khuấy, sử dụng một túi dùng một lần lắc trên khay để tạo ra sóng nhẹ nhàng cho việc trộn. Môi trường có lực cắt thấp này lý tưởng cho các dòng tế bào dễ vỡ. Tuy nhiên, các hệ thống này phụ thuộc vào sự thông khí bề mặt, có thể hạn chế việc chuyển oxy trong các nền văn hóa có mật độ cao. Để duy trì sự hình thành sóng hiệu quả, thể tích làm việc được giới hạn ở mức 50% tổng dung tích của túi [7].
Bioreactor nâng khí sử dụng trộn khí nén, nơi mà khí được thổi vào để tuần hoàn chất lỏng giữa ống nâng và ống hạ. Không có các bộ phận chuyển động bên trong, hệ thống nâng khí cung cấp sự phân tán năng lượng đồng đều và lực cắt thấp hơn so với bể khuấy. Không giống như các bioreactor sóng, thiết kế nâng khí cung cấp khả năng chuyển oxy tốt hơn nhờ vào tuần hoàn hiệu quả [7] .
| Loại Bioreactor | Cơ chế Trộn | Ứng Suất Cắt | Mật Độ Tế Bào Đạt Được | Hạn Chế Chính |
|---|---|---|---|---|
| Bể Khuấy | Cánh khuấy cơ học | Cao (cục bộ) | 71.6 × 10⁶ tế bào/mL | Nguy cơ hư hỏng đầu cánh khuấy |
| Lắc quỹ đạo | Xoay bình chứa | Trung bình | 83 × 10⁶ tế bào/mL | Đỉnh của ứng suất cắt |
| Sóng (Lắc) | Lắc ngang | Rất thấp | Cao | Chuyển giao oxy hạn chế |
| Thổi khí | Phun khí | Thấp (đồng đều) | Cao | Yêu cầu kiểm soát khí chính xác |
"Trong các bể phản ứng khuấy... sự trộn cục bộ của cánh khuấy tạo ra các gradient ứng suất cắt lớn khiến tế bào chịu căng thẳng cơ học." – Cellexus [7]
Khi các bể phản ứng sinh học mở rộng, sự đánh đổi giữa hiệu quả trộn và bảo vệ tế bào trở nên rõ ràng hơn.Hệ thống bể khuấy rất hiệu quả trong việc phân phối chất dinh dưỡng nhưng cần điều chỉnh tốc độ cẩn thận để tránh làm hỏng tế bào trong các vùng có lực cắt cao. Mặt khác, các bioreactor sóng và nâng khí cung cấp sự trộn nhẹ nhàng hơn, giảm nguy cơ căng thẳng do lực cắt, mặc dù chúng có thể gặp khó khăn trong việc cung cấp oxy trong các nền văn hóa dày đặc. Những so sánh này nhấn mạnh sự cân bằng tinh tế cần thiết để tối ưu hóa quy trình sinh học quy mô lớn trong khi bảo vệ tính toàn vẹn của tế bào.
sbb-itb-ffee270
Giảm Căng Thẳng Do Lực Cắt và Cải Thiện Sự Phát Triển Của Tế Bào
Thiết Kế Bioreactor Mới và Phụ Gia Bảo Vệ
Giảm thiểu căng thẳng do lực cắt là điều cần thiết để thúc đẩy sự phát triển của tế bào trong sản xuất thịt nuôi cấy. Những đổi mới trong thiết kế bioreactor và việc sử dụng phụ gia bảo vệ đã cải thiện đáng kể khả năng sống sót của tế bào và hiệu quả trộn.Một phương pháp đầy hứa hẹn liên quan đến các bioreactor lắc quỹ đạo, dựa vào chuyển động của bình và sục khí bề mặt để tránh các lực cắt gây hại do trộn bằng cánh khuấy và vỡ bong bóng. Các hệ thống này đã cho thấy kết quả ấn tượng, đạt được 83 × 10⁶ tế bào/mL, so với 71.6 × 10⁶ tế bào/mL trong các hệ thống bể khuấy truyền thống [4] .
Trong các hệ thống bể khuấy, hình dạng của cánh khuấy cũng tạo ra sự khác biệt. Cánh khuấy Rushton hướng tâm tạo ra các mô hình dòng chảy cho phép tế bào phục hồi trong các vùng "yên tĩnh", giảm tác động của lực cắt cao. Như các nhà nghiên cứu từ TTP đã quan sát:
Tế bào trong các lò phản ứng cánh khuấy Rushton hướng tâm phục hồi trong các giai đoạn yên tĩnh, không giống như những tế bào trong các hệ thống cánh khuấy trục kép [5].
Để đạt kết quả tối ưu trong sản xuất thịt nuôi cấy, giữ vận tốc đầu cánh khuấy trong khoảng 0.6–1.8 m/s được khuyến nghị để bảo vệ sự phát triển của tế bào [9] .
Các chất phụ gia bảo vệ như Poloxamer 188 (Pluronic F-68) đóng vai trò quan trọng bằng cách giảm sức căng bề mặt tại giao diện khí-lỏng, bảo vệ tế bào khỏi hư hại trong quá trình hình thành và vỡ bong bóng. Nồng độ lý tưởng cho Poloxamer 188 là 1 g/L, vì lượng cao hơn không mang lại lợi ích bổ sung đáng kể [9]. Đối với các tế bào bám dính được nuôi trên vi hạt, chế độ khuấy gián đoạn có thể cải thiện kết quả hơn nữa. Ví dụ, sử dụng mô hình 30 phút TẮT và 5 phút BẬT trong giai đoạn gieo hạt khuyến khích chuyển giao từ hạt sang hạt trong khi giảm thiểu căng thẳng thủy động lực học. Cách tiếp cận này đã cho phép các tế bào vệ tinh bò đạt mật độ 3 × 10⁶ tế bào/mL [3] .
Ngoài các chiến lược thiết kế và phụ gia này, cải thiện việc cung cấp oxy có thể giảm thêm ứng suất cắt.
Sử dụng Oxy Hóa Không Bong Bóng
Oxy hóa không bong bóng cung cấp một cách hiệu quả khác để bảo vệ tế bào khỏi hư hại do cắt. Sự vỡ bong bóng tại giao diện khí-lỏng có thể tạo ra tỷ lệ tiêu tán năng lượng cao tới 10⁶ đến 10⁸ W/m³, vượt xa ngưỡng dưới gây chết của 10⁴ W/m³ mà hầu hết các tế bào động vật có vú có thể chịu đựng [9] . Bằng cách loại bỏ bong bóng, phương pháp này giúp bảo vệ các nền văn hóa mật độ cao.
Sự thông khí bề mặt, thường được sử dụng trong các bioreactor lắc quỹ đạo và lắc, đặc biệt hiệu quả trong việc giảm lực cắt.Như được nêu bật trong một nghiên cứu gần đây:
OSBs sử dụng chuyển động thân tàu và sục khí bề mặt để giảm thiểu hiệu quả thiệt hại cắt do cánh khuấy truyền thống và sự hình thành hoặc vỡ bong bóng [4].
Các bioreactor lắc cũng cho thấy triển vọng trong sản xuất thịt nuôi cấy. Chúng mang lại lợi thế như khả năng sử dụng một lần, chi phí vận hành thấp và môi trường thủy động lực học nhẹ nhàng [8].
Tuy nhiên, sục khí bề mặt gặp phải thách thức ở mật độ tế bào rất cao. Ví dụ, một bioreactor lắc quỹ đạo đạt được hệ số chuyển khối oxy (kLa) là 20.12 h⁻¹ ở 100 rpm, lý thuyết hỗ trợ mật độ tế bào lên đến 118 × 10⁶ tế bào/mL.Tuy nhiên, trong thực tế, khi mật độ tế bào vượt quá 80 × 10⁶ tế bào/mL, độ nhớt của hỗn dịch tăng lên, dẫn đến hành vi không theo định luật Newton, làm giảm hiệu quả chuyển oxy. Điều này nhấn mạnh sự cần thiết phải tối ưu hóa cẩn thận khi mật độ tế bào tăng lên.
Kiểm Soát Khuấy Động Cho Sản Xuất Quy Mô Lớn
Điều Chỉnh Tốc Độ Trộn và Hệ Thống Giám Sát
Trong các hệ thống quy mô lớn, duy trì kiểm soát chính xác đối với khuấy động là rất quan trọng. Trong 24 giờ đầu tiên, khuyến nghị giữ tốc độ trộn trong khoảng 30–50 rpm để tối ưu hóa sự bám dính của tế bào vào vi hạt [6] . Một nghiên cứu từ Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc Đông vào tháng 6 năm 2022 nhấn mạnh tầm quan trọng của phương pháp này: ở tốc độ 45 rpm, các tế bào gốc trung mô có nguồn gốc từ dây rốn người đạt được 98.Tỷ lệ tuân thủ 68% vào Ngày 1, trong khi tăng tốc độ lên 55 vòng/phút khiến tỷ lệ tuân thủ giảm mạnh xuống 51,32% [6] .
Sau giai đoạn gắn kết, sự khuấy động nên vượt nhẹ tốc độ vừa đủ để treo (N₍JS₎) để ngăn ngừa sự kết tụ của tế bào. Nghiên cứu cho thấy duy trì cường độ khuấy gần 1,3 × N₍JS₎ hỗ trợ sự phát triển của tế bào, trong khi vượt quá mức này đến 2 × N₍JS₎ cản trở sự phát triển do giảm hiệu quả gắn kết [10] .
Giám sát liên tục là rất quan trọng, do biên độ hoạt động hẹp. Các hệ thống như bioreactor BioStar 1.5c sử dụng phần mềm tiên tiến để điều chỉnh sự khuấy động và lưu lượng khí dựa trên phản hồi thời gian thực từ các đầu dò oxy hòa tan (DO) và pH [6].Các cảm biến DO quang học đóng vai trò quan trọng ở đây, cung cấp độ chính xác cần thiết để điều chỉnh sự khuấy động chỉ khi mức DO giảm xuống dưới ngưỡng đã đặt - thường là khoảng 40% - do đó giảm thiểu ứng suất cắt [7] [6]. Đội ngũ tại Đông Trung Quốc đã áp dụng phương pháp này bằng cách sử dụng đầu dò Mettler Toledo, duy trì DO ở mức 40% và pH ở mức 7.2. Cách tiếp cận này đã dẫn đến mật độ tế bào tối đa là 27.3 × 10⁵ tế bào/mL, cải thiện 2.9 lần so với các kỹ thuật nuôi cấy mẻ tiêu chuẩn [6].
Khi mở rộng quy mô, các mô hình động lực học chất lỏng tính toán (CFD) rất có giá trị trong việc xác định tốc độ cánh khuấy tối ưu để treo các hạt vi mô mà không vượt quá giới hạn ứng suất cắt [10][6]. Thay vì chỉ đơn giản là khớp vòng quay giữa các bình, phân tích CFD đề xuất điều chỉnh tốc độ biến dạng cắt trung bình theo thể tích giữa các lò phản ứng.Điều này đảm bảo rằng môi trường thủy động lực học trong một bioreactor lớn hơn - chẳng hạn như mở rộng từ bình quay 200 mL đến bioreactor 1,5 L - vẫn thuận lợi cho sự phát triển của tế bào [6].
Những chiến lược này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc kiểm soát và giám sát chính xác khi chuyển sang các hệ thống bioreactor tiên tiến.
Tìm kiếm Thiết bị Chuyên dụng Qua Cellbase
Tìm nguồn cung cấp thiết bị phù hợp cho sản xuất thịt nuôi cấy có thể gặp khó khăn. Các nền tảng cung cấp thiết bị phòng thí nghiệm tiêu chuẩn thường không đáp ứng nhu cầu cụ thể của lĩnh vực này, chẳng hạn như cánh khuấy ít cắt hoặc cảm biến oxy hòa tan quang học được thiết kế cho các nền văn hóa tế bào động vật có vú mật độ cao. Đây là nơi
Là thị trường B2B đầu tiên dành riêng cho ngành công nghiệp thịt nuôi cấy,
Dù bạn đang nâng cấp hệ thống giám sát hay tìm nguồn cung cấp các thành phần chuyên biệt, các nền tảng như
Kết luận
Đạt được sự cân bằng đúng giữa việc cung cấp oxy và chất dinh dưỡng trong khi tránh căng thẳng cắt có hại là chìa khóa để tối ưu hóa sự khuấy động trong các lò phản ứng sinh học thịt nuôi cấy. Nghiên cứu cho thấy điều này có thể đạt được bằng cách chọn thiết kế lò phản ứng sinh học phù hợp, điều chỉnh tốc độ khuấy và sử dụng các chiến lược bảo vệ.
Các kỹ thuật như khuấy gián đoạn, cánh khuấy Rushton hướng tâm và điều chỉnh thời gian thực được giám sát thông qua CFD (Động lực học chất lỏng tính toán) đóng vai trò lớn trong việc đảm bảo tế bào phục hồi tốt và phát triển ổn định. Khi sản xuất mở rộng từ bình thí nghiệm đến khối lượng công nghiệp, việc hiểu hành vi chất lỏng phi Newton và duy trì các thang chiều dài Kolmogorov nhất quán trở nên quan trọng để tránh hư hại cơ học. Những tiến bộ này giúp bảo vệ tế bào dễ dàng hơn và đơn giản hóa nỗ lực mở rộng quy mô.
Các nền tảng như
Câu hỏi thường gặp
Những vấn đề nào có thể gây ra do khuấy động quá mức trong các bioreactor cho thịt nuôi cấy?
Khuấy động quá mức trong các bioreactor có thể là một vấn đề nghiêm trọng đối với sản xuất thịt nuôi cấy, vì nó có thể ảnh hưởng tiêu cực đến sự phát triển và sống sót của tế bào. Trộn mạnh tạo ra ứng suất cắt cao, có thể gây hại cho các tế bào động vật nhạy cảm. Loại căng thẳng cơ học này có thể dẫn đến tổn thương màng tế bào, giảm khả năng sống sót và thậm chí cản trở sự phát triển của mô.
Để ngăn chặn những thách thức này, điều quan trọng là phải điều chỉnh các thông số khuấy động một cách chính xác.Mục tiêu là đạt được sự cân bằng giữa việc chuyển giao chất dinh dưỡng và oxy hiệu quả trong khi giảm thiểu căng thẳng cơ học. Các yếu tố quan trọng như thiết kế cánh khuấy, tốc độ trộn và hình dạng của bioreactor phải được điều chỉnh cẩn thận để duy trì các tế bào khỏe mạnh, năng suất trong suốt quá trình nuôi cấy.
Lựa chọn bioreactor ảnh hưởng như thế nào đến sự phát triển và khả năng sống của tế bào trong sản xuất thịt nuôi cấy?
Lựa chọn bioreactor trong sản xuất thịt nuôi cấy là rất quan trọng, vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển và sức khỏe của tế bào bằng cách ảnh hưởng đến các yếu tố như hiệu quả trộn, chuyển giao oxy và căng thẳng cắt.
Bioreactor bể khuấy là một lựa chọn phổ biến cho sản xuất quy mô lớn vì chúng cung cấp khả năng kiểm soát chính xác các điều kiện này. Tuy nhiên, chúng cũng có thể tạo ra lực cắt có thể gây hại cho các tế bào dễ vỡ, làm cho việc điều chỉnh thiết kế cánh khuấy và các thông số vận hành trở nên cần thiết để giảm thiểu thiệt hại.
Các thiết kế khác, chẳng hạn như bioreactor nâng không khí, đơn giản hơn và tiêu thụ ít năng lượng hơn. Nhưng chúng có thể không cung cấp mức độ kiểm soát trộn tương tự, có thể ảnh hưởng đến sự phát triển của tế bào. Mặt khác, bioreactor sợi rỗng mô phỏng mạch máu để hỗ trợ mật độ tế bào cao, mặc dù việc mở rộng chúng có thể là một thách thức.
Việc chọn bioreactor phù hợp phụ thuộc vào việc tìm kiếm sự cân bằng đúng đắn giữa các yếu tố như khả năng mở rộng, chi phí và nhu cầu cụ thể của tế bào để đảm bảo chúng phát triển và phát triển hiệu quả cho sản xuất thịt nuôi cấy.
Làm thế nào để giảm ứng suất cắt trong sản xuất thịt nuôi cấy quy mô lớn?
Giảm thiểu ứng suất cắt trong sản xuất thịt nuôi cấy quy mô lớn đòi hỏi phải điều chỉnh cẩn thận thiết kế và vận hành bioreactor. Các yếu tố như loại cánh khuấy, hình dạng reactor và cài đặt trộn đóng vai trò quan trọng.Ví dụ, giảm tốc độ đầu cánh quạt hoặc chọn thiết kế cánh quạt cụ thể có thể giảm lực cắt trong khi vẫn duy trì sự trộn và cung cấp oxy đúng cách, điều này rất quan trọng cho sự phát triển của tế bào.
Một công cụ hữu ích khác trong quá trình này là động lực học chất lỏng tính toán (CFD). Các mô phỏng CFD cho phép các kỹ sư nghiên cứu chi tiết các mô hình dòng chảy và phân bố lực cắt, giúp họ thực hiện các điều chỉnh thiết kế có thông tin. Ngoài ra, các bioreactor lắc hoặc trộn sóng cung cấp một giải pháp thay thế nhẹ nhàng hơn so với các hệ thống bể khuấy truyền thống, vì chúng tự nhiên tạo ra lực cắt thấp hơn. Việc tích hợp giám sát thời gian thực với các cảm biến tiên tiến và thuật toán điều khiển dự đoán có thể giúp giữ lực cắt trong giới hạn an toàn, đảm bảo quá trình sản xuất mượt mà hơn.
