Transisi dari Kultur Shaker ke Bioreactor: Panduan Scale-Up Bioproses

Dalam penelitian bioproses, hampir setiap kultur sel maupun fermentasi diawali dengan incubator shaker. Metode ini menjadi standar di berbagai laboratorium karena

• Ekonomis & fleksibel: Ideal untuk riset tahap awal.
• Mendukung skrining: Sangat baik untuk strain screening, optimasi media, dan evaluasi pertumbuhan kultur secara simultan.

Namun, saat penelitian memasuki tahap process development atau persiapan menuju skala pilot, peneliti sering menghadapi tantangan: performa kultur pada shaker sering kali tidak berbanding lurus saat dipindahkan ke bioreaktor. Laju pertumbuhan sel bisa menurun, waktu fermentasi menjadi lebih panjang, atau profil produk bergeser dari yang diharapkan.

Knowledge Insights

Scale-up bukan berarti hanya memperbesar volume kultur. Ketika proses dipindahkan dari shaker ke bioreaktor, kondisi fisik, kimia, dan biologis di dalam sistem ikut berubah. Faktor seperti transfer oksigen, sistem pencampuran, aerasi, hingga pengendalian parameter proses akan memengaruhi performa kultur secara keseluruhan.

Perbedaan peran: Shaker vs Bioreaktor
Meskipun sama-sama digunakan untuk menumbuhkan kultur, shaker dan bioreaktor dirancang untuk tujuan pengembangan proses yang berbeda:

• Shaker: Dirancang untuk tahap eksplorasi dan skrining awal. Memungkinkan banyak eksperimen berjalan parallel dengan biaya/investasi yang relatif rendah
• Bioreaktor: Dirancang untuk pengembangan proses (process development) dan scale-up. Menyediakan lingkungan kultur yang terkontrol ketat untuk mengoptimalkan proses serta menghasilkan data yang konsisten dan reproducible.

Gambar 1. Eppendorf Incubator Shaker portfolio

Meskipun instrument shaker modern sudah dilengkapi dengan kontrol suhu dan agitasi yang presisi, terdapat perbedaan mendasar pada kapabilitas kontrol proses jika dibandingkan dengan sistem bioreaktor. Ringkasan perbedaannya dapat dilihat pada table berikut:

Tabel 1. Perbandingan Kultur Menggunakan Shaker dan Bioreactor

Perubahan Lingkungan Kultur & Tantangan Scale-Up
Memindahkan kultur dari shaker ke bioreaktor bukan sekadar memperbesar volume, melainkan mengubah seluruh lingkungan tumbuh sel. Terdapat 4 perubahan utama yang sekaligus menjadi tantangan kritis dalam scale-up:

Gambar 2. Perubahan Lingkungan Kultur Saat Transisi ke Bioreactor

1. Transfer oksigen (Oxygen Transfer Rate / OTR)

• Perubahan: Pasokan oksigen pada shaker hanya mengandalkan gerakan permukaan. Di bioreaktor ketersediaan oksigen dijaga melalui aerasi aktif (sparging) dan agitasi.
• Tantangan: Kebutuhan O₂ melonjak seiring bertambahnya volume. Sistem aerasi yang kurang optimal akan memicu oxygen limitation, melambatkan pertumbuhan sel, dan menurunkan hasil fermentasi.

2. Mixing & Shear stress

• Perubahan: Shaker menggunakan gerakan orbital sederhana, sedangkan bioreaktor menggunakan impeller untuk meratakan nutrisi, O₂, dan suhu.
• Tantangan: Agitasi berlebihan menghasilkan shear stress yang dapat merusak dinding sel yang sensitive. Sebaliknya, agitasi yang terlalu lambat memicu ketidakmerataan (gradient) nutrisi.

3. Pengendalian parameter proses (process control)

• Perubahan: Pada shaker, kondisi pH dan DO bergerak bebas. Di bioreaktor, seluruh parameter dipantau dan disesuaikan secara otomatis.
• Tantangan: Fluktuasi kecil pada pH atau suhu dapat memicu cell stress dan menyebabkan variasi kualitas hasil fermentasi antar-batch.

4. Ketersediaan Data Proses (Data Availability)

• Perubahan: Bioreaktor merekam data proses secara kontinu (real-time), bukan hanya di akhir fermentasi.
• Tantangan: Aerasi tinggi sering memicu busa berlebih (foaming) yang dapat menyumbat filter, mengganggu sensor, dan meningkatkan risiko kontaminasi.

Kapan saat yang tepat beralih ke bioreaktor?
Tidak semua tahap riset harus langsung menggunakan bioreaktor. Incubator shaker tetap menjadi pilihan paling efisien untuk tahap eksplorasi awal.

Namun, transisi ke sistem bioreaktor disarankan untuk segera dilakukan apabila proses telah memenuhi 5 indikasi kesiapan berikut:

1. Hasil antar percobaan mulai tidak konsisten
2. Membutuhkan kontrol pH selama fermentasi
3. Perlu monitor DO secara real time
4. Akan mengembangkan feeding strategy
5. Bersiap menuju pilot scale

Apabila beberapa kondisi tersebut mulai ditemui selama penelitian, penggunaan bioreactor dapat membantu meningkatkan kontrol proses sekaligus menghasilkan data yang lebih akurat untuk pengembangan berikutnya.

Pemilihan Platform Bioproses untuk Scale-up yang Terintegrasi
Untuk mendukung kelancaran transisi dari skala laboratorium hingga skala produksi, diperlukan ekosistem bioreaktor yang adaptif. Portfolio Eppendorf sistem bioproses dirancang untuk mengatasi berbagai tantangan parameter kritis di setiap tahapan riset:

Gambar 3. Eppendorf Bioprocess portfolio

Sistem instrument idealnya dipilih berdasarkan target kapasitas dan tujuan proses:

• Small-scale: DASbox® Mini Bioreactor System, DASGIP® Parallel Bioreactor System, dan SciVario® twin sangat tepat untuk kebutuhan high-throughput screening dan optimasi awal.
• Bench-scale: BioFlo® 120 dan BioFlo® 320 dirancang untuk memfasilitasi peningkatan volume kultur dengan pengendalian parameter yang lebih komprehensif.
• Pilot/production-scale: BioFlo® 720 mendukung proses bervolume besar sembari mempertahankan filosofi pengoperasian yang seragam (seamless transition).

Cell culture scale-up
Untuk aplikasi cell culture scale up, Eppendorf menawarkan solusi yang dapat dikembangkan mulai dari 100 mL hingga 500 L.

• Single-use bioreactors: Portofolio BioBLU® c Single-Use Bioreactors tersedia dalam berbagai ukuran mulai dari 100 mL hingga 40 L, sehingga memudahkan pengembangan proses dari tahap laboratorium. Untuk transisi menuju skala produksi, BioFlo® 720 kompatibel dengan Thermo Scientific™ HyPerforma™ Single-Use Bioreactors dengan volume kerja hingga 500 L, sehingga scale-up dapat dilakukan secara lebih efisien.
• Glass bioreactors: Eppendorf juga menyediakan glass bioreactors untuk aplikasi kultur sel dengan volume kerja 60 mL hingga 10,5 L. Seluruh vessel kompatibel dengan platform bioproses Eppendorf pada skala kecil maupun bench-scale sehingga memberikan fleksibilitas dalam pengembangan proses tanpa harus berpindah sistem.

Fermentation scale-up
Untuk aplikasi fermentation scale up, Eppendorf menyediakan solusi yang mendukung pengembangan proses mulai dari 60 mL hingga 10,5 L.

• Glass bioreactors: Bioreactor kaca tersedia untuk aplikasi fermentasi mikroba dengan volume kerja 60 mL hingga 10,5 L dan kompatibel dengan seluruh platform bioproses Eppendorf pada skala laboratorium.
• Single-use bioreactors: Portofolio BioBLU® f Single-Use Bioreactors tersedia dengan volume kerja 65 mL hingga 3,75 L. Bioreactor tangki berpengaduk ini dirancang untuk memenuhi kebutuhan spesifik fermentasi sekaligus memberikan kemudahan dalam proses persiapan dan pergantian vessel.

Kesimpulan
Kultur menggunakan shaker tetap menjadi fondasi penting dalam penelitian bioproses karena mampu mendukung berbagai tahap eksplorasi secara sederhana dan efisien. Namun, ketika penelitian berkembang menuju optimasi proses dan scale-up, lingkungan kultur mengalami perubahan yang tidak dapat diabaikan.

Pemahaman terhadap perubahan transfer oksigen, sistem pencampuran, pengendalian parameter proses, serta ketersediaan data merupakan kunci untuk menghasilkan proses yang lebih stabil dan dapat direproduksi. Dengan memilih platform bioreactor yang sesuai, peneliti dapat melakukan transisi dari penelitian skala laboratorium menuju pengembangan proses dengan lebih percaya diri sekaligus mempersiapkan langkah berikutnya menuju skala pilot maupun produksi.

Social Media kami
WhatsApp: wa.me/628111781333
Email: sales@ibs.co.id  
Instagram: https://www.instagram.com/infiniti.ibs/
LinkedIn: https://www.linkedin.com/company/infiniti-ibs