Agitation er kritisk i produktionen af dyrket kød, da det sikrer, at cellerne modtager ilt og næringsstoffer, samtidig med at ophobning af affald undgås. Dog kan overdreven agitation forårsage problemer som celledetachment, membranskader og reduceret vækst. At finde den rette balance er essentielt, især i storskala bioreaktorer, hvor selv små justeringer kan påvirke produktionen.
Vigtige Punkter:
- Optimal Agitation: Studier viser, at 60 rpm i omrørte tankreaktorer er ideelt til at balancere næringsstoflevering og skærestress.
-
Bioreaktortyper:
- Omrørt Tank: Effektiv blanding, men risikerer højt skærestress.
- Bølge Bioreaktorer: Skånsom blanding, begrænset af iltoverførsel.
- Luftløftsystemer: Ensartet blanding med lav stress, men kræver præcis kontrol.
- Beskyttelsesforanstaltninger: Tilsætningsstoffer som Poloxamer 188 og boblefri iltning reducerer celledamage.
- Skaleringsudfordringer: Større systemer øger risikoen for skærekraft, hvilket kræver præcis overvågning og CFD-modellering.
Opretholdelse af præcis omrøringskontrol er afgørende for skalering af dyrket kødproduktion, mens celleintegriteten beskyttes.
Hvordan omrøring påvirker cellevækst og overlevelse
Hvad nyere studier viser
Nyere forskning har identificeret specifikke omrøringstærskler, der påvirker cellevækst og overlevelse. For eksempel afslørede en ABM-CFD-undersøgelse med FS-4-celler på mikrobærere i en 100 mL omrørt-tank bioreaktor, at 60 rpm er den optimale omrøringshastighed. Ved denne hastighed fordeles næringsstoffer og ilt jævnt, med skærestress forbliver mellem 0–80 mPa. Men at overskride 60 rpm fører til celledamage og løsrivelse på grund af øgede kræfter.Ved 220 rpm stiger impellerens Reynolds-tal fra 1.444 til 5.294,7, hvilket betyder en overgang til turbulent strømning. Denne turbulens genererer hvirvler, der er mindre end mikrobærerne, hvilket kan skade cellerne og deres membraner [2].
En anden undersøgelse med fokus på mesenkymale stamceller afledt fra menneskelige navlestrenge fremhævede, hvordan selv små stigninger i agitationsintensitet reducerer adhæsionsraterne betydeligt. Dette demonstrerer den høje følsomhed af adherente celler over for mekanisk stress [6].
Disse fund understreger vigtigheden af præcist at kalibrere blandingshastigheder, hvilket forbliver et nøgleområde for løbende forbedring.
At finde den rette blandingsintensitet
Den største udfordring er at balancere den minimale agitationshastighed, der er nødvendig for at suspendere mikrobærere (N<sub>js</sub>) uden at overskride grænserne for skærestress.For kød celler, de ideelle betingelser involverer en energidissipationshastighed på omkring 1 mW·kg⁻¹ og en blandingstid under 10 sekunder [1].
"At opretholde et gunstigt mikro- og makromiljø for celler uden at udsætte dem for overdreven mekanisk stress fra omrøring vil kræve innovation og optimering af bioreaktordesigns og -processer" [2].
Overdreven omrøring kan have to skadelige effekter: øjeblikkelig celledød når stress overstiger en kritisk tærskel, og kumulativ stress der fører til stilstand. Begge udfald hæmmer produktiviteten. Dette gør præcis kontrol over omrøringsintensitet til en kritisk faktor for kommerciel succes, især i storskala produktion. I systemer med volumener så store som 20 m³ kan selv minimal omrøring forårsage celledetachment, hvilket fremhæver kompleksiteten ved opskalering samtidig med at cellelevedygtigheden opretholdes.
Introduktion til bioreaktorer: Blandning, omrøring & skæring
Bioreaktorblandingsmetoder og deres effekter
Sammenligning af bioreaktortyper til produktion af dyrket kød
Sammenligning af forskellige bioreaktorsystemer
Designet af en bioreaktor spiller en kritisk rolle i at balancere næringsstofdistribution og håndtere mekanisk stress. Hver type bioreaktor skaber forskellige blandingsforhold, som direkte påvirker celleoverlevelse og produktivitet. At vælge det rigtige system betyder at finde en balance mellem effektiv næringsstoflevering og minimering af mekaniske kræfter, der kan skade cellerne.
Omrørte tankbioreaktorer er afhængige af mekaniske impellere til at blande kulturen. Rushton-impellere producerer radiale strømme, hvilket fører til lokaliserede skærezoner, især nær impellerens spidser.I modsætning hertil skaber skråbladede og marinebladede impellere mere skånsomme strømme, som er bedre egnet til sarte pattedyrsceller. En undersøgelse udført i marts 2025 af State Key Laboratory of Bioreactor Engineering i Shanghai sammenlignede CHO-K1 cellepræstation i omrørte tank- og orbitalt rystede bioreaktorer. Det omrørte tanksystem opnåede 71,6 × 10⁶ celler/mL ved 520 rpm, mens det orbitalt rystede system nåede 83 × 10⁶ celler/mL ved kun 100 rpm [4].
Wave (rocking) bioreaktorer eliminerer impellere helt ved at bruge en engangspose, der rokker på en bakke for at skabe blide bølger til blanding. Dette lav-shear miljø er ideelt til skrøbelige cellelinjer. Dog afhænger disse systemer af overfladebeluftning, hvilket kan begrænse iltoverførsel i høj-densitetskulturer. For at opretholde effektiv bølgedannelse er arbejdsmængden begrænset til 50% af posens samlede kapacitet [7].
Airlift-bioreaktorer bruger pneumatisk omrøring, hvor gasindblæsning cirkulerer væsken mellem en stigrør og en faldstrøm. Uden interne bevægelige dele giver airlift-systemer ensartet energifordeling og lavere skærekraft sammenlignet med omrørte tanke. I modsætning til wave-bioreaktorer tilbyder airlift-designs bedre iltoverførsel på grund af deres effektive cirkulation [7] .
| Bioreaktortype | Omrøringsmekanisme | Skærespænding | Opnået celletæthed | Vigtig begrænsning |
|---|---|---|---|---|
| Omrørt tank | Mekanisk impeller | Høj (lokaliseret) | 71.6 × 10⁶ celler/mL | Risiko for skader på impellerspids |
| Orbitalt rystet | Beholderrotation | Moderat | 83 × 10⁶ celler/mL | Toppe af skærespænding |
| Bølge (vugge) | Horisontal vugning | Meget lav | Høj | Begrænset iltoverførsel |
| Luftløft | Gasindblæsning | Lav (ensartet) | Høj | Kræver præcis gaskontrol |
"I omrørte tankreaktorer... lokaliseret impellerblanding genererer store skæregradienter, der får celler til at opleve mekanisk stress." – Cellexus [7]
Når bioreaktorer skaleres op, bliver afvejningerne mellem blandingseffektivitet og cellebeskyttelse mere tydelige.Omrørte tanksystemer er meget effektive til at fordele næringsstoffer, men kræver omhyggelige hastighedsjusteringer for at undgå at beskadige celler i høj-shear zoner. På den anden side giver bølge- og luftløftbioreaktorer en mere skånsom omrøring, hvilket reducerer risikoen for shear stress, selvom de kan have problemer med iltlevering i tætte kulturer. Disse sammenligninger understreger den fine balance, der kræves for at optimere storskalabioprocessering, samtidig med at celleintegriteten beskyttes.
sbb-itb-ffee270
Reducing Shear Stress and Improving Cell Growth
New Bioreactor Designs and Protective Additives
Minimering af shear stress er afgørende for at fremme cellevækst i produktionen af dyrket kød. Innovationer inden for bioreaktordesign og brugen af beskyttende tilsætningsstoffer har betydeligt forbedret cellelevedygtighed og omrøringseffektivitet.En lovende tilgang involverer orbitalt rystede bioreaktorer, som er afhængige af beholderens bevægelse og overfladebeluftning for at undgå de skadelige skærekræfter forårsaget af impeller-drevet blanding og boblebrud. Disse systemer har vist imponerende resultater, med en udbytte på 83 × 10⁶ celler/mL, sammenlignet med 71.6 × 10⁶ celler/mL i traditionelle omrørte tank-systemer [4] .
I omrørte tank-systemer gør geometrien af impelleren også en forskel. Radiale Rushton-impellere skaber strømningsmønstre, der tillader celler at komme sig i "rolige" zoner, hvilket reducerer påvirkningen af høje skærekræfter. Som forskere fra TTP observerede:
Celler i radiale Rushton-impellerreaktorer kommer sig under rolige faser, i modsætning til dem i dobbelt aksiale impellersystemer [5].
For optimale resultater i produktion af dyrket kød, skal impeller-spidsens hastighed holdes inden for 0.6–1.8 m/s anbefales for at beskytte cellevækst [9] .
Beskyttende additiver som Poloxamer 188 (Pluronic F-68) spiller en vigtig rolle ved at reducere overfladespændingen ved gas-væske-grænsefladen, hvilket beskytter celler mod skader under bobledannelse og -brud. Den ideelle koncentration for Poloxamer 188 er 1 g/L, da større mængder giver lidt ekstra fordel [9]. For adherente celler dyrket på mikrobærere kan et intermitterende omrøringsregime yderligere forbedre resultaterne. For eksempel kan brugen af et mønster med 30 minutter OFF og 5 minutter ON under såningsfasen fremme perle-til-perle-overførsel, samtidig med at hydrodynamisk stress minimeres. Denne tilgang har gjort det muligt for bovine satellitceller at nå tætheder på 3 × 10⁶ celler/mL [3] .
Ud over disse design- og additivstrategier kan forbedring af iltlevering yderligere reducere forskydningsspænding.
Brug af boblefri iltning
Boblefri iltning tilbyder en anden effektiv måde at beskytte celler mod forskydningsskader. Boblebrud ved gas-væske-grænsefladen kan generere energidissipationsrater så høje som 10⁶ til 10⁸ W/m³, langt over den subletale tærskel på 10⁴ W/m³, som de fleste pattedyrsceller kan tolerere [9] . Ved at eliminere bobler hjælper denne metode med at beskytte høj-densitetskulturer.
Overfladebeluftning, almindeligt anvendt i orbitale rystede og vuggende bioreaktorer, er særligt effektiv til at reducere forskydningskræfter.Som fremhævet i en nylig undersøgelse:
OSB'er udnytter fartøjets kropsbevægelse og overfladebeluftning til effektivt at afbøde skader forårsaget af traditionelle impellerblade og bobledannelse eller -brud [4].
Vuggende bioreaktorer viser også potentiale for produktion af dyrket kød. De tilbyder fordele som engangsbrug, lave driftsomkostninger og et skånsomt hydrodynamisk miljø [8].
Dog står overfladebeluftning over for udfordringer ved meget høje celletætheder. For eksempel opnåede en orbitalt rystet bioreaktor en iltmasseoverførselskoefficient (kLa) på 20.12 h⁻¹ ved 100 rpm, hvilket teoretisk understøtter celletætheder op til 118 × 10⁶ celler/mL.I praksis, når celletætheden overstiger 80 × 10⁶ celler/mL, øges suspensionens viskositet, hvilket fører til ikke-Newtonsk, shear-thinning adfærd, der reducerer iltoverførselseffektiviteten. Dette fremhæver behovet for omhyggelig optimering, når celletæthederne stiger.
Kontrol af omrøring til storskalaproduktion
Justering af blandingshastigheder og overvågningssystemer
I storskalasystemer er det afgørende at opretholde præcis kontrol over omrøringen. I de første 24 timer anbefales det at holde blandingshastighederne mellem 30–50 rpm for at optimere cellevedhæftning til mikrobærere [6] . En undersøgelse fra East China University of Science and Technology i juni 2022 fremhæver vigtigheden af denne tilgang: ved 45 rpm opnåede humane mesenkymale stamceller afledt fra navlestreng en 98.68% overholdelsesrate på Dag 1, mens en stigning i hastigheden til 55 rpm fik overholdelsesraterne til at falde til 51,32% [6] .
Efter tilhæftningsfasen bør omrøringen let overstige den netop suspenderede hastighed (N₍JS₎) for at forhindre celleklumpning. Forskning viser, at opretholdelse af en omrøringsintensitet nær 1,3 × N₍JS₎ understøtter cellevækst, mens overskridelse af dette til 2 × N₍JS₎ hæmmer væksten på grund af reduceret tilhæftningseffektivitet [10] .
Kontinuerlig overvågning er kritisk, givet de snævre operationelle marginer. Systemer som BioStar 1.5c bioreaktoren bruger avanceret software til at justere omrøring og gasflow baseret på realtidsfeedback fra opløst ilt (DO) og pH-prober [6].Optiske DO-sensorer spiller en vigtig rolle her, idet de tilbyder den præcision, der er nødvendig for at finjustere omrøring kun, når DO-niveauerne falder under en fastsat tærskel - typisk omkring 40% - og derved minimere skærestress [7] [6]. East China-teamet anvendte denne metode ved hjælp af Mettler Toledo prober, og opretholdt DO på 40% og pH på 7,2. Denne tilgang resulterede i en maksimal celletæthed på 27,3 × 10⁵ celler/mL, en 2,9-dobling i forhold til standard batch-kulturteknikker [6].
Ved opskalering er computervæskedynamik (CFD) modeller uvurderlige til at bestemme den optimale impellerhastighed for at suspendere mikrobærere uden at overskride skæregrænser [10][6]. I stedet for blot at matche rpm mellem beholdere, foreslår CFD-analyse at justere den volumen-gennemsnitlige skærestrainrate mellem reaktorer. Dette sikrer, at det hydrodynamiske miljø i en større bioreaktor - såsom skalering fra en 200 mL spinnerkolbe til en 1,5 L bioreaktor - forbliver gunstigt for cellevækst [6].
Disse strategier fremhæver vigtigheden af præcis kontrol og overvågning ved overgang til avancerede bioreaktorsystemer.
Finding Specialised Equipment Through Cellbase
At finde det rette udstyr til produktion af dyrket kød kan være vanskeligt. Standard laboratorieforsyningsplatforme imødekommer ofte ikke de specifikke behov i dette felt, såsom lav-shear impellere eller optiske opløste iltsensorer skræddersyet til høj-densitet pattedyrscellekulturer. Dette er hvor
Som den første dedikerede B2B-markedsplads for den dyrkede kødindustri,
Uanset om du opgraderer dine overvågningssystemer eller skaffer specialiserede komponenter, strømliner platforme som
Konklusion
At finde den rette balance mellem ilt- og næringsstoflevering, samtidig med at undgå skadelig skærestress, er nøglen til at optimere omrøring i bioreaktorer til dyrket kød. Forskning viser, at dette kan opnås ved at vælge de rigtige bioreaktordesigns, finjustere omrøringshastigheder og anvende beskyttelsesstrategier.
Teknikker som intermitterende omrøring, radiale Rushton-impellere og realtidsjusteringer overvåget gennem CFD (Computational Fluid Dynamics) spiller en stor rolle i at sikre, at celler kommer sig godt og vokser stabilt. Når produktionen skaleres op fra laboratorieflasker til industrielle volumener, bliver forståelsen af ikke-Newtonsk væskebehavior og opretholdelse af konsistente Kolmogorov-længdeskalaer afgørende for at undgå mekanisk skade. Disse fremskridt gør det lettere at beskytte celler og forenkle skaleringsindsatsen.
Platforme såsom
Ofte stillede spørgsmål
Hvilke problemer kan overdreven omrøring forårsage i bioreaktorer til dyrket kød?
Overdreven omrøring i bioreaktorer kan være et alvorligt problem for produktion af dyrket kød, da det kan påvirke cellevækst og overlevelse negativt. Kraftig omrøring skaber høj skærespænding, hvilket kan skade sarte dyreceller. Denne form for mekanisk stress kan resultere i skader på cellemembranen, reduceret levedygtighed og endda hæmmet vævsudvikling.
For at forhindre disse udfordringer er det afgørende at finjustere omrøringsparametrene.Målet er at finde en balance mellem effektiv næringsstof- og iltoverførsel, samtidig med at mekanisk stress minimeres. Vigtige faktorer som impellerdesign, omrøringshastighed og bioreaktorens geometri skal justeres omhyggeligt for at opretholde sunde, produktive celler gennem hele dyrkningsprocessen.
Hvordan påvirker valget af bioreaktor cellevækst og levedygtighed i produktionen af dyrket kød?
Valget af bioreaktor i produktionen af dyrket kød er afgørende, da det direkte påvirker cellevækst og sundhed ved at påvirke faktorer som blandingseffektivitet, iltoverførsel og skærekraft.
Omrørte tankbioreaktorer er et populært valg til storskalaproduktion, fordi de tilbyder præcis kontrol over disse forhold. Dog kan de også producere skærekrafter, der kan skade skrøbelige celler, hvilket gør det essentielt at finjustere impellerdesign og driftsparametre for at minimere skader.
Andre designs, såsom airlift-bioreaktorer , er enklere og bruger mindre energi. Men de giver måske ikke samme niveau af kontrol over blanding, hvilket potentielt kan påvirke cellevækst. På den anden side efterligner hulfiber-bioreaktorer blodkar for at understøtte høje celletætheder, selvom opskalering kan være en udfordring.
Valget af den rigtige bioreaktor handler om at finde den rette balance mellem faktorer som skalerbarhed, omkostninger og cellernes specifikke behov for at sikre, at de vokser og trives effektivt til produktion af dyrket kød.
Hvordan kan skærestress reduceres under storskala produktion af dyrket kød?
Minimering af skærestress i storskala produktion af dyrket kød kræver omhyggelige justeringer af bioreaktordesign og drift. Faktorer som impellertype, reaktorform og blandingsindstillinger spiller en vigtig rolle.For eksempel kan reduktion af impellerens spidshastigheder eller valg af specifikke impellerdesigns reducere skærekræfterne, samtidig med at korrekt blanding og iltlevering opretholdes, hvilket er afgørende for cellevækst.
Et andet nyttigt værktøj i denne proces er computational fluid dynamics (CFD). CFD-simuleringer gør det muligt for ingeniører at studere strømningsmønstre og skærefordeling i detaljer, hvilket hjælper dem med at foretage informerede designjusteringer. Derudover tilbyder vuggende eller bølgeblandede bioreaktorer et mere skånsomt alternativ til traditionelle omrørte tank-systemer, da de naturligt producerer lavere skærekræfter. Inkorporering af realtidsmonitorering med avancerede sensorer og forudsigende kontrolalgoritmer kan yderligere hjælpe med at holde skærespændingen inden for sikre grænser, hvilket sikrer en mere gnidningsfri produktionsproces.
