Duy trì mức độ pH chính xác là rất quan trọng cho sản xuất thịt nuôi cấy. Tế bào động vật có vú phát triển mạnh trong một phạm vi pH hẹp (7.1–7.4), nhưng sự axit hóa chuyển hóa, tích tụ CO₂ và thách thức trong việc trộn làm cho việc kiểm soát pH trở nên phức tạp, đặc biệt là trong các lò phản ứng sinh học quy mô lớn. Các chiến lược hiệu quả bao gồm:
- Khí sục: Loại bỏ CO₂ dư thừa mà không làm tăng độ thẩm thấu hoặc gây ra các đỉnh pH cục bộ.
- Cảm biến tiên tiến: Cảm biến điện thế cung cấp độ chính xác cao cho hệ thống thép không gỉ, trong khi cảm biến quang học hoạt động tốt với các lò phản ứng sinh học dùng một lần.
- Tối ưu hóa đệm: Thêm các đệm như HEPES cải thiện độ ổn định nhưng cần cân bằng cẩn thận để tránh sản xuất lactate dư thừa.
- Hệ thống tự động: Điều chỉnh thời gian thực sử dụng vòng lặp phản hồi đảm bảo mức độ pH ổn định.
Các phương pháp này giúp vượt qua những thách thức như tích tụ axit lactic và ứng suất cắt, cải thiện sức khỏe tế bào và năng suất sản phẩm.
Hiểu về Đo pH trong Quy trình Sinh học
Những Thách Thức Chính trong Quản lý pH
Phần này đi sâu vào các yếu tố chính góp phần gây ra sự không ổn định của pH, dựa trên những thách thức đã được thảo luận trước đó.
Quá trình Axit hóa Chuyển hóa và Tích tụ Axit Lactic
Axit lactic là một trở ngại lớn trong quy trình sinh học thịt nuôi cấy. Khi các tế bào chuyển hóa glucose qua quá trình đường phân, chúng sản xuất lactate và ion hydro theo tỷ lệ 1:1. Quá trình này tạo ra một tải axit đáng kể, làm cho lactate trở thành nguyên nhân chính gây axit hóa môi trường [1].
Khả năng đệm của môi trường nuôi cấy tiêu chuẩn - thường nằm trong khoảng từ 1.1 đến 1.6 mM mỗi đơn vị pH [1] - thường không đủ trong các giai đoạn tăng trưởng tế bào nhanh chóng.Khi các tế bào nhân lên, lượng chất thải chuyển hóa của chúng tăng lên, làm quá tải khả năng của môi trường để duy trì độ pH ổn định. Sự giảm mạnh độ pH trong giai đoạn này có thể được quy trực tiếp cho việc sản xuất axit lactic glycolytic [1], nhấn mạnh vai trò then chốt của lactate trong việc làm mất ổn định độ pH của môi trường.
Những phức tạp không dừng lại ở đó. Sự tích tụ CO2 thêm một lớp phức tạp khác.
Sự Tích Tụ CO2 và Sự Trôi Dạt pH
Hô hấp tế bào đưa CO2 vào môi trường, nơi nó hòa tan để tạo thành axit carbonic. Vấn đề chính là áp suất một phần của CO2 hòa tan (pCO2), ảnh hưởng đến việc CO2 có thể thoát ra khỏi tế bào hay không. Khi mức pCO2 trong môi trường tăng quá cao, CO2 bị mắc kẹt bên trong tế bào, gây ra sự giảm nguy hiểm của pH nội bào và cuối cùng dẫn đến cái chết của tế bào [2].
"Nếu pCO2 quá cao, CO2 không thể rời khỏi tế bào, do đó pH nội bào sẽ giảm và tế bào sẽ chết." - Alicat Scientific [2]
Vấn đề này trở nên rõ ràng hơn trong các bioreactor quy mô lớn. Các hệ thống này có tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích thấp hơn, làm giảm hiệu quả của việc khử khí CO2 so với các bình chứa nhỏ hơn [3]. Ngay cả các hoạt động thường xuyên, như chuyển môi trường vào lò ấp CO2, cũng có thể gây ra biến động pH. Ví dụ, các thể tích môi trường nhỏ bắt đầu kiềm hóa gần như ngay lập tức, với hằng số thời gian là 2–3 giờ [1].
Bên cạnh các thách thức hóa học, các quá trình vật lý cũng đóng vai trò quan trọng trong sự bất ổn định của pH.
Ảnh hưởng của Trộn và Căng Thẳng Cắt lên Ổn định pH
Điều chỉnh pH bằng cách thêm một chất kiềm cũng mang lại những rủi ro riêng.Khi natri bicarbonat hoặc các bazơ tương tự được bơm vào các bioreactor, việc trộn kém có thể tạo ra các vùng có độ pH cao cục bộ gây hại cho các tế bào gần đó [2] [3]. Mặt khác, sự khuấy động mạnh mẽ cần thiết để phân phối bazơ đồng đều có thể dẫn đến căng thẳng cắt và hình thành bọt, cả hai đều gây hại cho các tế bào động vật có vú dễ vỡ [2] [3].
Trong các thí nghiệm được kiểm soát, việc thêm bazơ để ổn định pH thường làm giảm khả năng sống sót của tế bào do tăng độ thẩm thấu [3]. Điều này tạo ra một hành động cân bằng khó khăn: trộn không đủ dẫn đến các điểm nóng pH, trong khi trộn quá mức ngăn chặn các điểm nóng nhưng lại tăng căng thẳng cơ học. Vấn đề trở nên thách thức hơn trong quá trình mở rộng quy mô, nơi thời gian trộn dài hơn khiến việc duy trì kiểm soát pH hiệu quả mà không làm tổn hại đến sức khỏe tế bào trở nên khó khăn hơn.
Công nghệ giám sát và kiểm soát pH
Duy trì pH trong phạm vi hẹp từ 7.1–7.4 là rất quan trọng đối với nuôi cấy tế bào động vật có vú, đòi hỏi các công cụ giám sát chính xác và đáng tin cậy [2]. Cảm biến đo điện thế, hoạt động như các điện cực để đo ion hydro tự do, là tiêu chuẩn vàng cho giám sát pH liên tục trong các lò phản ứng sinh học [1]. Những cảm biến này cung cấp dữ liệu theo thời gian thực, cho phép các hệ thống tự động thực hiện điều chỉnh ngay lập tức để duy trì mức pH yêu cầu. Độ chính xác cao của chúng làm cho chúng trở nên cần thiết cho các hoạt động quy mô lớn. Bên cạnh đó, các chỉ thị quang học cung cấp một cách hiệu quả khác để đo pH.
Các chỉ thị quang học dựa vào phân tích quang phổ để cung cấp các phép đo pH định lượng.Mặc dù phenol red thường được sử dụng như một chỉ thị trực quan, nhưng các phép đo chính xác hơn được thực hiện thông qua phân tích tỷ lệ hấp thụ ở hai bước sóng cụ thể - 560 nm và 430 nm [1] . Phương pháp này bù đắp cho các yếu tố như thể tích môi trường hoặc nồng độ thuốc nhuộm, đảm bảo kết quả nhất quán và chính xác.
"Nồng độ của các ion H+ tự do không dễ dự đoán, nhưng may mắn là đơn giản để đo lường (e.g. với điện cực hoặc thuốc nhuộm chỉ thị)." - Johanna Michl et al., Đại học Oxford [1]
Các hệ thống kiểm soát pH hiện đại vượt xa việc giám sát bằng cách tích hợp các phép đo này vào các vòng phản hồi tự động điều chỉnh động mức pH.
Các hệ thống phản hồi tự động tận dụng dữ liệu cảm biến để thực hiện các điều chỉnh theo thời gian thực, loại bỏ nhu cầu can thiệp thủ công. Các hệ thống này có thể điều chỉnh pH bằng cách thêm một bazơ hoặc sử dụng kỹ thuật sục khí [2].Đối với các bioreactor quy mô lớn, việc sục khí đặc biệt hiệu quả. Sử dụng bộ điều khiển lưu lượng khối lượng, mức CO2 có thể được điều chỉnh nhanh chóng và đồng đều, đảm bảo điều chỉnh pH đồng nhất [2]. Ngược lại, bơm kiềm, mặc dù hiệu quả cho các hệ thống nhỏ hơn, có thể tạo ra sự mất cân bằng pH cục bộ và tăng độ thẩm thấu, làm cho nó kém thực tế hơn cho các bình chứa lớn hơn [2]. Tuy nhiên, việc sục khí đòi hỏi sự chú ý cẩn thận đến thiết kế của các bộ sục để tránh ứng suất cắt có thể gây hại cho các tế bào [2]. Đối với những người trong ngành sản xuất thịt nuôi cấy, đầu tư vào các hệ thống điều khiển khí tiên tiến có thể dẫn đến sức khỏe tế bào tốt hơn và năng suất cao hơn, làm cho nó trở thành một khoản chi tiêu đáng giá.
sbb-itb-ffee270
Chiến lược Quản lý pH ở Quy mô Lớn
Cảm biến pH Potentiometric và Quang học cho Bioreactor Thịt Nuôi Cấy
Cảm biến Potentiometric và Quang học: Một So sánh
Việc lựa chọn công nghệ cảm biến phù hợp trở nên ngày càng quan trọng khi sản xuất thịt nuôi cấy mở rộng quy mô. Cảm biến Potentiometric là lựa chọn hàng đầu cho các bioreactor thép không gỉ nhờ vào độ chính xác và phản hồi nhanh. Tuy nhiên, chúng đi kèm với những thách thức như cần hiệu chuẩn thường xuyên và dễ bị trôi trong quá trình kéo dài. Jacob Crowe, Quản lý Hỗ trợ Kỹ thuật Ứng dụng tại
"Theo thời gian, các phép đo pH có thể bị trôi, điều này sẽ ảnh hưởng đến sự ổn định và hiệu suất của quy trình.Điều quan trọng là phải giám sát và giảm thiểu sự trôi dạt pH để ngăn ngừa các tác động có hại đến cả quá trình trao đổi chất và quá trình tổng thể" [8].
Mặt khác, cảm biến quang học nổi lên như một lựa chọn thực tế, đặc biệt cho các hệ thống bioreactor sử dụng một lần. Những cảm biến này có thể được cài đặt sẵn trong các túi dùng một lần, giảm thiểu rủi ro nhiễm bẩn và loại bỏ nhu cầu tiệt trùng giữa các chu kỳ [7]. Trong các hệ thống vi lưu, cảm biến quang học đã cho thấy kết quả xuất sắc, đạt được tỷ lệ sống sót của tế bào là 95,45% ở mật độ 262,500 tế bào/mL [9].
| Tính năng | Cảm biến Potentiometric | Cảm biến Quang học |
|---|---|---|
| Độ chính xác | Cao, nhưng dễ bị trôi | Cao; lý tưởng cho giám sát thời gian thực |
| Bảo trì | Yêu cầu hiệu chuẩn thường xuyên | Tối thiểu; thường dùng một lần |
| Khả năng mở rộng | Tiêu chuẩn cho thiết lập thép không gỉ | Tuyệt vời cho sử dụng một lần và vi lưu chất |
| Thời gian phản hồi | Nhanh, bị giới hạn bởi độ ổn định của điện cực | Phản hồi thời gian thực tức thì |
| Chi phí liên quan | Chi phí lao động và bảo trì cao hơn | Lao động thấp hơn; tích hợp vào sản phẩm dùng một lần |
Việc lựa chọn cảm biến phần lớn phụ thuộc vào loại lò phản ứng.Các lò phản ứng sinh học bằng thép không gỉ có thể được hưởng lợi từ các cảm biến đo điện thế với các biện pháp quản lý trôi, trong khi các nền tảng sử dụng một lần có thể tận dụng sự dễ dàng của các cảm biến quang học tích hợp [7] [8]. Những quyết định này ảnh hưởng trực tiếp đến cách duy trì sự ổn định pH trong quá trình tối ưu hóa môi trường.
Tối ưu hóa Môi trường và Cải thiện Bộ đệm
Một khi các cảm biến phù hợp đã được lắp đặt, việc ổn định hệ thống đệm của môi trường nuôi cấy trở nên cần thiết để duy trì kiểm soát pH trong quá trình mở rộng quy mô. Các tế bào động vật có vú phụ thuộc vào hệ thống đệm CO₂/HCO₃⁻ (pKa 6.15 ở 37°C), nhưng khả năng đệm của nó thường không đủ. Ví dụ, DMEM tiêu chuẩn với 10% FBS thường chỉ cung cấp 1.1 đến 1.6 mM khả năng đệm [1].
Để giải quyết vấn đề này, việc thêm các bộ đệm không bay hơi (NVBs) như HEPES (pKa 7.3 ở 37°C) có thể tăng cường đáng kể khả năng đệm mà không gây ra sự thay đổi osmolality có vấn đề [1]. Phương pháp được khuyến nghị là chuẩn độ môi trường đến pH mục tiêu trước, sau đó thêm NaHCO₃ ở nồng độ phù hợp với pCO₂ của lò ấp. Cách tiếp cận này giảm thiểu sự trôi pH ban đầu khi môi trường mới tiếp xúc với CO₂, một quá trình có thể mất đến hai giờ với NVBs [1].
Tuy nhiên, các hệ thống đệm mạnh hơn có thể kích hoạt tăng glycolysis, dẫn đến sản xuất lactate cao hơn. Trong một số dòng tế bào, lên đến 90% glucose được chuyển đổi trực tiếp thành lactate [1], và cải thiện khả năng đệm đôi khi có thể khuếch đại hiệu ứng này, dẫn đến tích tụ axit lactic lớn hơn [10].
Kỹ thuật Sục khí và Khuấy trộn
Sục khí cung cấp một cách thực tế để quản lý pH trong sản xuất thịt nuôi cấy quy mô lớn.Alicat Scientific notes:
"Các bọt khí từ spargers có thể được trộn đều và phân phối nhanh hơn so với base, và với ít khuấy động hơn nhiều" [2].
Bằng cách phân phối bọt khí đồng đều, sparging cung cấp một phương pháp nhất quán hơn so với việc thêm base hóa học. Ví dụ, một nghiên cứu năm 2018 cho thấy rằng duy trì tốc độ sparge không đổi trong khi tăng cường thông khí không gian đầu cho phép các titres duy trì ổn định trong quá trình mở rộng từ 30 L đến 250 L [2].
Macro spargers, tạo ra các bọt khí có đường kính 1–4 mm, đặc biệt hiệu quả trong việc loại bỏ CO₂ dư thừa khỏi môi trường nuôi cấy. Điều này làm tăng pH một cách tự nhiên, tránh cần thiết phải sử dụng base hóa học có thể làm tăng độ thẩm thấu [2] [5]. Một chiến lược kiểm soát pH "chỉ dùng khí" mới sử dụng các vòng phản hồi sparging không khí tự động.Khi pH giảm, lưu lượng không khí tăng để loại bỏ nhiều CO₂ hơn. Phương pháp này đã được mở rộng thành công từ các bioreactor ambr®250 đến các bình chứa 200 L, duy trì mức pH chính xác trong suốt các quá trình nuôi cấy fed-batch [6] .
Việc cân bằng chuyển giao khí hiệu quả với áp lực cắt tối thiểu vẫn là một thách thức quan trọng trong quá trình mở rộng quy mô. Các bioreactor airlift, sử dụng tuần hoàn do khí điều khiển, cung cấp một lựa chọn trộn nhẹ nhàng hơn với áp lực cắt giảm. Các mô phỏng động lực học chất lỏng tính toán (CFD) cũng có thể giúp xác định các vùng áp lực cắt cao gần cánh quạt, cho phép tối ưu hóa thiết kế bioreactor trước khi mở rộng quy mô [4]. Kết hợp các phương pháp này với các công cụ tiên tiến từ
Thu mua Thiết bị Kiểm soát pH qua Cellbase
Tại sao Chọn Cellbase cho Mua sắm?
Kiểm soát pH chính xác là rất quan trọng trong quy trình sinh học thịt nuôi cấy, làm cho việc tìm nguồn cung ứng thiết bị phù hợp trở nên cần thiết. Các nền tảng cung cấp thiết bị phòng thí nghiệm chung thường thiếu kiến thức chuyên môn cần thiết cho các phạm vi pH chặt chẽ trong lĩnh vực này.
Bằng cách sử dụng
Tìm kiếm Công nghệ Kiểm soát pH Thông qua Cellbase
Để mở rộng quy mô, nền tảng cung cấp quyền truy cập vào bộ điều khiển lưu lượng khối lượng và các bộ phun chuyên dụng, rất quan trọng cho quản lý pH dựa trên khí hiệu quả. Như Alicat Scientific nhấn mạnh:
"Giữ pH ở mức sinh học lành mạnh có thể là công cụ mạnh mẽ nhất trong xử lý sinh học thượng nguồn để tăng nồng độ sản phẩm" [2].
Thêm vào đó,
Các chuyên gia mua sắm cũng có thể tìm nguồn cung cấp thiết bị cho việc loại bỏ CO₂, bao gồm cảm biến CO₂ có thể tiệt trùng và đầu dò pH sử dụng một lần. Những công cụ này hỗ trợ các chiến lược có thể mở rộng để duy trì kiểm soát pH chính xác, giúp dễ dàng tích hợp quản lý pH tiên tiến vào sản xuất quy mô lớn [11]. Bằng cách cung cấp các giải pháp mục tiêu,
Kết luận: Thực hành tốt nhất cho kiểm soát pH trong quy trình sinh học sản xuất thịt nuôi cấy
Duy trì phạm vi pH từ 7.1 đến 7.4 là rất quan trọng cho sự sống sót của các tế bào động vật có vú trong sản xuất thịt nuôi cấy [2] . Giữ pH trong phạm vi này đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện sản lượng sản phẩm trong quá trình sinh học thượng nguồn.
Để giải quyết các thách thức về kiểm soát pH, một số phương pháp hiệu quả đã xuất hiện. Một phương pháp nổi bật là sử dụng khí sục thay vì thêm bazơ trong quá trình mở rộng quy mô. Khí sục hiệu quả loại bỏ CO₂ dư thừa bằng cách phân phối đều với sự khuấy động tối thiểu, giúp tránh các vấn đề như không đồng nhất pH và dao động osmolality [2]. Một nghiên cứu năm 2021 của Aryogen Pharmed đã chứng minh sự thành công của phương pháp này ở quy mô 250 lít, đạt được mức tăng 51% trong sản lượng sản phẩm cuối cùng [3].
Một thực hành quan trọng khác là giám sát pH trực tiếp , cung cấp sự hiểu biết toàn diện hơn về sức khỏe của môi trường nuôi cấy so với chỉ dựa vào các phép đo pCO₂.Điều này đặc biệt quan trọng vì mức độ CO₂ hòa tan không tính đến sự tích tụ axit lactic, có thể chiếm tới 90% quá trình chuyển hóa glucose trong một số dòng tế bào [1]. Việc giám sát pH trực tiếp trở nên càng quan trọng hơn trong giai đoạn tăng trưởng theo cấp số nhân khi hoạt động trao đổi chất đạt đỉnh.
Đối với các bộ đệm không bay hơi như HEPES, cần phải xem xét sự cân bằng của bộ đệm. Các bộ đệm HEPES có thể mất đến hai giờ để ổn định và phải được chuẩn độ cẩn thận với bicarbonate và CO₂ [1]. Tuy nhiên, việc tăng khả năng đệm có thể vô tình làm tăng sản xuất lactate, điều này có thể làm phản tác dụng ổn định mong muốn [1]. Khi kết hợp với giám sát dựa trên cảm biến và kỹ thuật sục khí, những cân nhắc về bộ đệm này giúp duy trì điều kiện quy trình ổn định và tối ưu.
Câu hỏi thường gặp
Khí sục hỗ trợ kiểm soát pH trong sản xuất thịt nuôi cấy như thế nào?
Khí sục đóng vai trò quan trọng trong việc giữ cân bằng mức độ pH trong quá trình sản xuất thịt nuôi cấy. Khi các tế bào phát triển, chúng thải ra carbon dioxide (CO₂) như một sản phẩm phụ của quá trình hô hấp. CO₂ này có thể làm giảm pH của môi trường nuôi cấy, có thể gây hại cho sức khỏe tế bào. Bằng cách đưa các loại khí như không khí, oxy hoặc khí trơ vào trong bioreactor, khí sục giúp loại bỏ CO₂ dư thừa. Điều này ngăn môi trường trở nên quá axit và giữ cho pH ổn định.
Duy trì môi trường nuôi cấy trong phạm vi pH lý tưởng khoảng 7.1 đến 7.4 là rất quan trọng cho sự phát triển và năng suất tế bào khỏe mạnh. Khi kết hợp với các hệ thống đệm và giám sát thời gian thực bằng cảm biến pH, khí sục không chỉ cải thiện hiệu quả quy trình mà còn tăng cường khả năng sống sót của tế bào. Đây là một thành phần quan trọng trong việc đảm bảo thành công của quy trình sản xuất thịt nuôi cấy.
Điều gì khiến cảm biến điện thế trở thành lựa chọn tốt hơn so với cảm biến quang học cho việc giám sát pH trong sản xuất thịt nuôi cấy?
Cảm biến điện thế đóng vai trò quan trọng trong sản xuất thịt nuôi cấy nhờ khả năng cung cấp đo lường pH theo thời gian thực với độ chính xác cao. Duy trì mức pH thích hợp là điều cần thiết để tạo ra môi trường phù hợp cho sự phát triển của tế bào, và những cảm biến này xuất sắc trong việc cung cấp dữ liệu cần thiết để đạt được điều đó. Hơn nữa, chúng tương đối phải chăng và tích hợp liền mạch vào các lò phản ứng sinh học quy mô lớn, khiến chúng trở nên lý tưởng cho việc giám sát liên tục trong môi trường công nghiệp.
Hơn thế nữa, những cảm biến này được chế tạo để xử lý các thách thức của môi trường nuôi cấy phức tạp, cung cấp hiệu suất đáng tin cậy ngay cả trong điều kiện khắc nghiệt. Tuy nhiên, chúng cần được hiệu chuẩn định kỳ để duy trì độ chính xác của mình.Với sự kết hợp giữa độ chính xác, độ tin cậy và hiệu quả chi phí, cảm biến đo điện thế đã trở thành lựa chọn hàng đầu cho việc kiểm soát pH hiệu quả trong quy trình sinh học thịt nuôi cấy.
Tại sao sự tích tụ axit lactic lại làm cho việc duy trì mức pH ổn định trở nên khó khăn?
Sự tích tụ axit lactic làm phức tạp việc kiểm soát pH bằng cách tăng độ axit của môi trường nuôi cấy, khiến pH giảm. Điều này có thể gây hại cho khả năng sống và năng suất của tế bào, vì hầu hết các tế bào cần một khoảng pH được kiểm soát cẩn thận để phát triển và hoạt động đúng cách.
Quản lý mức độ axit lactic là rất quan trọng trong quy trình sinh học thịt nuôi cấy để hỗ trợ sự phát triển tế bào khỏe mạnh và duy trì chất lượng sản phẩm. Các phương pháp như giám sát pH theo thời gian thực, sử dụng chất đệm pH, hoặc điều chỉnh các giao thức cho ăn có thể giúp ổn định môi trường và tránh những dao động pH có hại.
