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使用presens傳感器對培育肉生物工藝優化
點擊次數：22 更新時間：2025-10-10
 

O2、pH 值和 CO2使用 PreSens SensorPlugs 傳感系統監測大腸桿菌培養物。

 

我們測試了 PreSens SensorPlugs在微流體生物反應器 （MB） 中監測細菌培養物的功效，這在監測培養肉生物工藝中的潛在污染時非常重要。 大腸桿菌 （ATCC® 25922™） 在帶有集成 SensorPlugs 的定制 MB 中培養。光學測量顯示了大腸桿菌生長的特征過程，并允許隨時精確評估當前的培養狀態。

 

細胞培養基是培養肉生產中最重要的成本驅動因素。通過傳感器的額外監測功能優化生物反應器的設計和儀器，有助于降低這些成本并實現每單位培養基體積的最大細胞生產能力。

長期以來，生物工藝中一直采用按比例縮小的方法來解決放大問題。小型化生物反應器作為一種在早期工藝開發中獲取工藝相關數據的工具而蓬勃發展。我們在開發新一代低成本傳感器時應用了這一原理，即“芯片實驗室"（LoC） 方法，用于監測細胞培養基中的各種細胞培養參數，例如生物量、氨。

我們使用定制的微流體生物反應器，并輔以我們的阻抗傳感器和光學傳感器，并結合 O 傳感器插頭2， CO2和 pH 值，由 PreSens 提供。我們項目的主要思想是嘗試確定微流控生物反應器內部正在進行的過程，并能夠量化對細胞行為、細胞活力和試劑有效性的影響。我們測試了 PreSens SensorPlugs 在微流控生物反應器中監測細菌和哺乳動物細胞培養物的功效。此外，我們還用人類唾液進行了一組試點實驗，作為傳感器在培育肉生物工藝最終產品的味道/風味評估中的應用的潛在進一步擴展。這里顯示了我們的細菌培養監測結果。

 

材料和方法

多層 MB 芯片是使用透明和生物相容性材料玻璃和 PMMA 制造的。頂層和中間層是用 PMMA 制造的，互連層是使用 3M 雙面膠帶（3M™ GPT-020F，圣保羅，明尼蘇達州 55144-1000，明尼阿波利斯，美國）制成的。用于細胞培養的芯片的底層由玻璃制成，其中阻抗傳感器是用商用 Agfa-Gevaert NV 納米銀墨水和 15% 的 Ag 納米顆粒和導電墨水打印的，使用壓電控制噴墨打印機 Fuji Dimatix DMP-3000。傳感器上覆蓋有一層薄薄的 SU-8 3000 Microchem 光刻膠。頂層包含入口/出口孔，其直徑適用于在填充芯片時移液樣品。此外，在頂層還開了三個直徑為 2.1 mm 的孔，用于安裝 PreSens SensorPlugs。傳感器通過孔與樣品直接接觸，從而能夠實時測量樣品中的參數。在芯片中間層制成的儲液槽的樣品體積為 1.8 mm。通過在胰蛋白胨大豆肉湯中接種細菌來制備大腸桿菌的過夜培養物。之后，使用過夜培養物制備 0.5 McFarlan 大腸桿菌培養物 （1.5 x 10 CFU/mL），用于在 MB 中培養。我們將芯片與 PreSens 傳感器一起留在 37 °C 的微生物培養箱內（圖 1）。


監控 O2， CO2和培養過程中的 pH 值

O 的測量結果2， CO2和微流控芯片中大腸桿菌培養過程中的 pH 值如圖 2 所示。pH 值測量（圖 2a）在培養大腸桿菌 3 小時期間給出了預期的結果。在初始滯后階段之后，細菌進入指數生長期，其特征是細胞倍增率，即生成時間。在實驗室中，大腸桿菌的生成時間從大約 15 - 20 分鐘到 40 分鐘不等。因此，在實驗開始和結束時使用血細胞計數器測定大腸桿菌的濃度。圖 3 顯示了血細胞計數器的放大部分，即計數細胞單位的正方形。用微量移液管稱取 10 μL 并置于血細胞計數器上。當計算所有方塊中的細胞單位總數時，計算平均值并確定芯片上的總濃度。使用光學顯微鏡進行細菌計數過程。細菌數量增加了近 13 倍。圖 2 顯示，t = 0 分鐘時的初始 pH 值（當我們在微流體芯片內接種細菌培養物時）約為 7.3。三小時后，我們觀察到細菌培養物酸化 （pH ~ 6.8） 和 CO 百分比增加2，同時 % O 降低2在孵化期間。這些圖表顯示了大腸桿菌生長的預期特征過程。在第一個滯后生長期 （~ 1.5 h），pH 和 CO 沒有顯著變化2.在這個階段，消耗了氧氣。~ 1.5 小時后，CO2水平呈指數級上升，O2減少。在這個階段，TBS 培養基被細菌消耗，細胞進入對數生長期。氧含量隨著細胞數量的增加而降低，并在實驗期間降至零水平。這也表現在 CO 的增加2.由于氧氣有限，大腸桿菌細胞無法再在微流控芯片內生長，該過程進入固定相。3 小時后，O2水平下降到 3%，而 CO2增加到 4 %。用于微生物培養監測的傳感器顯示出全面的結果，并允許精確評估當前的培養狀態。


結論

根據所呈現的結果，我們可以得出結論，PMMA 制造的是一種監測基本參數 （O2、pH 值、CO2） 在微流控細菌培養物中。PMMA 制造的 對于培養生物過程優化中的按規模縮小方法分析和過程監控非常重要。未來的實驗將針對培養過程的持續監測和優化，檢查精油和抗生素對微生物反應器內不同抗菌和抗真菌活性的影響。該研究將側重于尋找 pH 值、O 讀數之間的相關性2和 CO2帶有附加傳感器（阻抗、光學和電化學）的傳感器集成到我們在研究所開發的微流體生物反應器中，用于測量介質、代謝物或生物質的電導率。
 
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