使用德国presens传感器对培育肉生物工艺优化

O2、pH 值和 CO2使用 PreSens SensorPlugs 传感系统监测大肠杆菌培养物。

我们测试了 PreSens SensorPlugs 在微流体生物反应器 （MB） 中监测细菌培养物的功效，这在监测培养肉生物工艺中的潜在污染时非常重要。 大肠杆菌 （ATCC® 25922™） 在带有集成 SensorPlugs 的定制 MB 中培养。光学测量显示了大肠杆菌生长的特征过程，并允许随时精确评估当前的培养状态。

细胞培养基是培养肉生产中最重要的成本驱动因素。通过传感器的额外监测功能优化生物反应器的设计和仪器，有助于降低这些成本并实现每单位培养基体积的最大细胞生产能力。

长期以来，生物工艺中一直采用按比例缩小的方法来解决放大问题。小型化生物反应器作为一种在早期工艺开发中获取工艺相关数据的工具而蓬勃发展。我们在开发新一代低成本传感器时应用了这一原理，即“芯片实验室”（LoC） 方法，用于监测细胞培养基中的各种细胞培养参数，例如生物量、氨。

我们使用定制的微流体生物反应器，并辅以我们的阻抗传感器和光学传感器，并结合 O 传感器插头2， CO2和 pH 值，由 PreSens 提供。我们项目的主要思想是尝试确定微流控生物反应器内部正在进行的过程，并能够量化对细胞行为、细胞活力和试剂有效性的影响。我们测试了PreSens SensorPlugs 在微流控生物反应器中监测细菌和哺乳动物细胞培养物的功效。此外，我们还用人类唾液进行了一组试点实验，作为传感器在培育肉生物工艺最终产品的味道/风味评估中的应用的潜在进一步扩展。这里显示了我们的细菌培养监测结果。

材料和方法

多层 MB 芯片是使用透明和生物相容性材料玻璃和 PMMA 制造的。顶层和中间层是用 PMMA 制造的，互连层是使用 3M 双面胶带（3M™ GPT-020F，圣保罗，明尼苏达州 55144-1000，明尼阿波利斯，美国）制成的。用于细胞培养的芯片的底层由玻璃制成，其中阻抗传感器是用商用 Agfa-Gevaert NV 纳米银墨水和 15% 的 Ag 纳米颗粒和导电墨水打印的，使用压电控制喷墨打印机 Fuji Dimatix DMP-3000。传感器上覆盖有一层薄薄的 SU-8 3000 Microchem 光刻胶。顶层包含入口/出口孔，其直径适用于在填充芯片时移液样品。此外，在顶层还开了三个直径为 2.1 mm 的孔，用于安装PreSens SensorPlugs 。传感器通过孔与样品直接接触，从而能够实时测量样品中的参数。在芯片中间层制成的储液槽的样品体积为 1.8 mm。通过在胰蛋白胨大豆肉汤中接种细菌来制备大肠杆菌的过夜培养物。之后，使用过夜培养物制备 0.5 McFarlan 大肠杆菌培养物 （1.5 x 10 CFU/mL），用于在 MB 中培养。我们将芯片与 PreSens 传感器一起留在 37 °C 的微生物培养箱内（图 1）。

监控 O₂， CO₂和培养过程中的 pH 值

O 的测量结果₂， CO₂和微流控芯片中大肠杆菌培养过程中的 pH 值如图 2 所示。pH 值测量（图 2a）在培养大肠杆菌 3 小时期间给出了预期的结果。在初始滞后阶段之后，细菌进入指数生长期，其特征是细胞倍增率，即生成时间。在实验室中，大肠杆菌的生成时间从大约 15 - 20 分钟到 40 分钟不等。因此，在实验开始和结束时使用血细胞计数器测定大肠杆菌的浓度。图 3 显示了血细胞计数器的放大部分，即计数细胞单位的正方形。用微量移液管称取 10 μL 并置于血细胞计数器上。当计算所有方块中的细胞单位总数时，计算平均值并确定芯片上的总浓度。使用光学显微镜进行细菌计数过程。细菌数量增加了近 13 倍。图 2 显示，t = 0 分钟时的初始 pH 值（当我们在微流体芯片内接种细菌培养物时）约为 7.3。三小时后，我们观察到细菌培养物酸化 （pH ~ 6.8） 和 CO 百分比增加₂，同时 % O 降低₂在孵化期间。这些图表显示了大肠杆菌生长的预期特征过程。在第一个滞后生长期 （~ 1.5 h），pH 和 CO 没有显着变化₂.在这个阶段，消耗了氧气。~ 1.5 小时后，CO₂水平呈指数级上升，O₂减少。在这个阶段，TBS 培养基被细菌消耗，细胞进入对数生长期。氧含量随着细胞数量的增加而降低，并在实验期间降至零水平。这也表现在 CO 的增加₂.由于氧气有限，大肠杆菌细胞无法再在微流控芯片内生长，该过程进入固定相。3 小时后，O₂水平下降到 3%，而 CO₂增加到 4 %。用于微生物培养监测的传感器显示出全面的结果，并允许精确评估当前的培养状态。

结论

根据所呈现的结果，我们可以得出结论，PreSens SensorPlugs  是一种监测基本参数 （O2、pH 值、CO2） 在微流控细菌培养物中。PreSens SensorPlugs  对于培养生物过程优化中的按规模缩小方法分析和过程监控非常重要。未来的实验将针对培养过程的持续监测和优化，检查精油和抗生素对微生物反应器内不同抗菌和抗真菌活性的影响。该研究将侧重于寻找 pH 值、O 读数之间的相关性2和 CO2带有附加传感器（阻抗、光学和电化学）的传感器集成到我们在研究所开发的微流体生物反应器中，用于测量介质、代谢物或生物质的电导率。