La agitación es crítica en la producción de carne cultivada, asegurando que las células reciban oxígeno y nutrientes mientras se evita la acumulación de desechos. Sin embargo, una agitación excesiva causa problemas como el desprendimiento de células, daño a la membrana y crecimiento reducido. Lograr el equilibrio adecuado es esencial, particularmente en biorreactores a gran escala, donde incluso ajustes menores pueden impactar la producción.
Puntos Clave:
- Agitación Óptima: Los estudios muestran que 60 rpm en reactores de tanque agitado es ideal para equilibrar la entrega de nutrientes y el estrés de cizallamiento.
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Tipos de Biorreactores:
- Tanque Agitado: Mezcla efectiva pero con riesgo de alto estrés de cizallamiento.
- Biorreactores de Onda: Mezcla suave, limitada por la transferencia de oxígeno.
- Sistemas de Aireación: Mezcla uniforme con bajo estrés pero requieren control preciso.
- Medidas de Protección: Aditivos como Poloxamer 188 y la oxigenación sin burbujas reducen el daño celular.
- Desafíos de Escalado: Los sistemas más grandes aumentan los riesgos de cizallamiento, requiriendo un monitoreo preciso y modelado CFD.
Mantener un control preciso de la agitación es crucial para escalar la producción de carne cultivada mientras se protege la integridad celular.
Cómo la Agitación Afecta el Crecimiento y la Supervivencia Celular
Lo que Muestran Estudios Recientes
Investigaciones recientes han identificado umbrales específicos de agitación que impactan el crecimiento y la supervivencia celular. Por ejemplo, un estudio ABM-CFD utilizando células FS-4 en microportadores en un biorreactor de tanque agitado de 100 mL reveló que 60 rpm es la velocidad de mezcla óptima. A esta velocidad, los nutrientes y el oxígeno se distribuyen uniformemente, con el estrés de cizallamiento permaneciendo entre 0–80 mPa. Sin embargo, exceder las 60 rpm conduce a daño y desprendimiento celular debido a las fuerzas incrementadas.A 220 rpm, el número de Reynolds del impulsor se dispara de 1,444 a 5,294.7, lo que indica un cambio a flujo turbulento. Esta turbulencia genera remolinos más pequeños que los microportadores, lo que puede dañar las células y sus membranas [2].
Otro estudio centrado en células madre mesenquimales derivadas del cordón umbilical humano destacó cómo incluso ligeros aumentos en la intensidad de la agitación reducen significativamente las tasas de adhesión. Esto demuestra la alta sensibilidad de las células adherentes al estrés mecánico [6].
Estos hallazgos enfatizan la importancia de calibrar con precisión las velocidades de mezcla, lo que sigue siendo un área clave de mejora continua.
Encontrar la Intensidad de Mezcla Adecuada
El principal desafío es equilibrar la velocidad mínima de agitación necesaria para suspender los microportadores (N<sub>js</sub>) sin superar los límites de esfuerzo cortante. Para las células de carne, las condiciones ideales implican una tasa de disipación de energía de alrededor de 1 mW·kg⁻¹ y un tiempo de mezcla inferior a 10 segundos [1].
"Mantener un micro y macroambiente favorable para las células sin someterlas a un estrés mecánico excesivo por agitación requerirá innovación y optimización en los diseños y procesos de biorreactores" [2].
La agitación excesiva puede tener dos efectos perjudiciales: la muerte celular inmediata cuando el estrés supera un umbral crítico, y el estrés acumulativo que lleva a la quiescencia. Ambos resultados obstaculizan la productividad. Esto hace que el control preciso sobre la intensidad de la agitación sea un factor crítico para el éxito comercial, especialmente en la producción a gran escala. En sistemas con volúmenes tan grandes como 20 m³, incluso una agitación mínima puede causar el desprendimiento celular, destacando la complejidad de escalar mientras se mantiene la viabilidad celular.
Introducción a los biorreactores: Mezcla, agitación & cizallamiento
Métodos de mezcla de biorreactores y sus efectos
Comparación de tipos de biorreactores para la producción de carne cultivada
Comparación de diferentes sistemas de biorreactores
El diseño de un biorreactor juega un papel crítico en el equilibrio de la distribución de nutrientes y la gestión del estrés mecánico. Cada tipo de biorreactor crea condiciones de mezcla distintas, que afectan directamente la supervivencia y productividad celular. Elegir el sistema adecuado significa encontrar un equilibrio entre la entrega eficiente de nutrientes y minimizar las fuerzas mecánicas que podrían dañar las células.
Los biorreactores de tanque agitado dependen de impulsores mecánicos para mezclar el cultivo. Los impulsores Rushton producen flujos radiales, lo que lleva a zonas de cizallamiento localizadas, especialmente cerca de las puntas del impulsor.En contraste, los impulsores de palas inclinadas y de palas marinas crean flujos más suaves, que son más adecuados para células de mamíferos delicadas. Un estudio realizado en marzo de 2025 por el State Key Laboratory of Bioreactor Engineering en Shanghái comparó el rendimiento de células CHO-K1 en biorreactores de tanque agitado y de agitación orbital. El sistema de tanque agitado alcanzó 71.6 × 10⁶ células/mL a 520 rpm, mientras que el sistema de agitación orbital alcanzó 83 × 10⁶ células/mL a solo 100 rpm [4].
Los biorreactores de onda (oscilantes) eliminan completamente los impulsores, utilizando una bolsa desechable que se balancea en una bandeja para crear ondas suaves para la mezcla. Este entorno de bajo cizallamiento es ideal para líneas celulares frágiles. Sin embargo, estos sistemas dependen de la aireación superficial, lo que puede limitar la transferencia de oxígeno en cultivos de alta densidad. Para mantener una formación de ondas efectiva, el volumen de trabajo se limita al 50% de la capacidad total de la bolsa [7].
Los biorreactores de elevación por aire utilizan mezcla neumática, donde el burbujeo de gas circula el líquido entre un elevador y un bajante. Sin partes móviles internas, los sistemas de elevación por aire proporcionan una disipación de energía uniforme y fuerzas de cizallamiento más bajas en comparación con los tanques agitados. A diferencia de los biorreactores de onda, los diseños de elevación por aire ofrecen una mejor transferencia de oxígeno debido a su circulación eficiente [7] .
| Tipo de Biorreactor | Mecanismo de Mezcla | Estrés de Cizallamiento | Densidad Celular Alcanzada | Limitación Clave |
|---|---|---|---|---|
| Tanque Agitado | Impulsor mecánico | Alto (localizado) | 71.6 × 10⁶ células/mL | Riesgo de daño en la punta del impulsor |
| Agitación orbital | Rotación del recipiente | Moderado | 83 × 10⁶ células/mL | Picos de esfuerzo cortante |
| Onda (Balanceo) | Balanceo horizontal | Muy bajo | Alto | Transferencia de oxígeno limitada |
| Airlift | Inyección de gas | Bajo (uniforme) | Alto | Requiere control preciso de gas |
"En los reactores de tanque agitado... la mezcla localizada del impulsor genera grandes gradientes de cizallamiento que causan que las células experimenten estrés mecánico." – Cellexus [7]
A medida que los biorreactores aumentan de escala, las compensaciones entre la eficiencia de mezcla y la protección celular se vuelven más evidentes.Los sistemas de tanque agitado son altamente efectivos para distribuir nutrientes, pero requieren ajustes cuidadosos de velocidad para evitar dañar las células en zonas de alto cizallamiento. Por otro lado, los biorreactores de onda y de elevación por aire proporcionan una mezcla más suave, reduciendo el riesgo de estrés por cizallamiento, aunque pueden tener dificultades con la entrega de oxígeno en cultivos densos. Estas comparaciones subrayan el delicado equilibrio necesario para optimizar el bioprocesamiento a gran escala mientras se protege la integridad celular.
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Reducción del Estrés por Cizallamiento y Mejora del Crecimiento Celular
Nuevos Diseños de Biorreactores y Aditivos Protectores
Minimizar el estrés por cizallamiento es esencial para promover el crecimiento celular en la producción de carne cultivada. Las innovaciones en el diseño de biorreactores y el uso de aditivos protectores han mejorado significativamente la viabilidad celular y la eficiencia de mezcla.Un enfoque prometedor implica biorreactores agitados orbitalmente, que dependen del movimiento del recipiente y la aireación superficial para evitar las fuerzas de cizallamiento dañinas causadas por la mezcla impulsada por el impulsor y la ruptura de burbujas. Estos sistemas han demostrado resultados impresionantes, produciendo 83 × 10⁶ células/mL, en comparación con 71.6 × 10⁶ células/mL en sistemas tradicionales de tanque agitado [4] .
En los sistemas de tanque agitado, la geometría del impulsor también marca una diferencia. Los impulsores radiales Rushton crean patrones de flujo que permiten a las células recuperarse en zonas "calmas", reduciendo el impacto de las altas fuerzas de cizallamiento. Como observaron los investigadores de TTP:
Las células en reactores con impulsores radiales Rushton se recuperan durante las fases de calma, a diferencia de aquellas en sistemas de doble impulsor axial [5].
Para obtener resultados óptimos en la producción de carne cultivada, mantener la velocidad de la punta del impulsor dentro de 0.6–1.8 m/s se recomienda para proteger el crecimiento celular [9] .
Aditivos protectores como Poloxamer 188 (Pluronic F-68) juegan un papel clave al reducir la tensión superficial en la interfaz gas-líquido, protegiendo las células del daño durante la formación y ruptura de burbujas. La concentración ideal para Poloxamer 188 es 1 g/L, ya que cantidades mayores proporcionan poco beneficio adicional [9]. Para células adherentes cultivadas en microportadores, un régimen de agitación intermitente puede mejorar aún más los resultados. Por ejemplo, usar un patrón de 30 minutos APAGADO y 5 minutos ENCENDIDO durante la fase de siembra fomenta la transferencia de perla a perla mientras minimiza el estrés hidrodinámico. Este enfoque ha permitido que las células satélite bovinas alcancen densidades de 3 × 10⁶ células/mL [3] .
Además de estas estrategias de diseño y aditivas, mejorar la entrega de oxígeno puede reducir aún más el estrés de cizallamiento.
Uso de Oxigenación Sin Burbujas
La oxigenación sin burbujas ofrece otra forma efectiva de proteger las células del daño por cizallamiento. La ruptura de burbujas en la interfaz gas-líquido puede generar tasas de disipación de energía tan altas como 10⁶ a 10⁸ W/m³, superando con creces el umbral subletal de 10⁴ W/m³ que la mayoría de las células de mamíferos pueden tolerar [9] . Al eliminar las burbujas, este método ayuda a proteger cultivos de alta densidad.
La aireación superficial, comúnmente utilizada en biorreactores de agitación orbital y de balanceo, es particularmente efectiva para reducir las fuerzas de cizallamiento.Como se destacó en un estudio reciente:
Los OSBs utilizan el movimiento del cuerpo del recipiente y la aireación de la superficie para mitigar eficazmente el daño por cizallamiento causado por las palas de impulsor tradicionales y la formación o ruptura de burbujas [4].
Los biorreactores oscilantes también muestran potencial para la producción de carne cultivada. Ofrecen ventajas como la desechabilidad, bajos costos operativos y un entorno hidrodinámico suave [8].
Sin embargo, la aireación de la superficie enfrenta desafíos a densidades celulares muy altas. Por ejemplo, un biorreactor agitado orbitalmente logró un coeficiente de transferencia de masa de oxígeno (kLa) de 20.12 h⁻¹ a 100 rpm, teóricamente soportando densidades celulares de hasta 118 × 10⁶ células/mL.En la práctica, sin embargo, a medida que la densidad celular supera 80 × 10⁶ células/mL, la viscosidad de la suspensión aumenta, lo que lleva a un comportamiento no newtoniano de adelgazamiento por cizallamiento que reduce la eficiencia de transferencia de oxígeno. Esto resalta la necesidad de una optimización cuidadosa a medida que aumentan las densidades celulares.
Control de la Agitación para Producción a Gran Escala
Ajuste de Velocidades de Mezcla y Sistemas de Monitoreo
En sistemas a gran escala, mantener un control preciso sobre la agitación es crucial. Durante las primeras 24 horas, se recomienda mantener las velocidades de mezcla entre 30–50 rpm para optimizar la adhesión celular a los microportadores [6] . Un estudio de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China Oriental en junio de 2022 destaca la importancia de este enfoque: a 45 rpm, las células madre mesenquimales derivadas del cordón umbilical humano lograron un 98.68% tasa de adherencia en el Día 1, mientras que aumentar la velocidad a 55 rpm hizo que las tasas de adherencia cayeran a 51.32% [6] .
Después de la fase de adhesión, la agitación debe superar ligeramente la velocidad justo suspendida (N₍JS₎) para evitar la aglomeración de células. La investigación muestra que mantener una intensidad de agitación cerca de 1.3 × N₍JS₎ apoya el crecimiento celular, mientras que exceder esto a 2 × N₍JS₎ obstaculiza el crecimiento debido a la reducción de la eficiencia de adhesión [10] .
El monitoreo continuo es crítico, dado los márgenes operativos estrechos. Sistemas como el biorreactor BioStar 1.5c utilizan software avanzado para ajustar la agitación y el flujo de gas basado en retroalimentación en tiempo real de sondas de oxígeno disuelto (DO) y pH [6]. Los sensores ópticos de DO juegan un papel clave aquí, ofreciendo la precisión necesaria para ajustar la agitación solo cuando los niveles de DO caen por debajo de un umbral establecido - típicamente alrededor de 40% - minimizando así el estrés de cizallamiento [7] [6]. El equipo de China Oriental empleó este método utilizando sondas Mettler Toledo, manteniendo el DO al 40% y el pH a 7.2. Este enfoque resultó en una densidad celular máxima de 27.3 × 10⁵ células/mL, una mejora de 2.9 veces sobre las técnicas estándar de cultivo por lotes [6].
Al escalar, los modelos de dinámica de fluidos computacional (CFD) son invaluables para determinar la velocidad óptima del impulsor para suspender microportadores sin exceder los límites de cizallamiento [10][6]. En lugar de simplemente igualar las rpm entre recipientes, el análisis CFD sugiere alinear la tasa de deformación por cizallamiento promedio de volumen entre reactores. Esto asegura que el entorno hidrodinámico en un biorreactor más grande, como escalar de un matraz de agitación de 200 mL a un biorreactor de 1.5 L, siga siendo propicio para el crecimiento celular [6].
Estas estrategias destacan la importancia del control y monitoreo precisos al pasar a sistemas de biorreactores avanzados.
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Conclusión
Lograr el equilibrio adecuado entre la entrega de oxígeno y nutrientes mientras se evita el estrés de cizallamiento perjudicial es clave para optimizar la agitación en biorreactores de carne cultivada. La investigación muestra que esto se puede lograr eligiendo los diseños de biorreactores correctos, ajustando finamente las velocidades de mezcla y utilizando estrategias de protección.
Técnicas como la agitación intermitente, los impulsores radiales Rushton y los ajustes en tiempo real monitoreados a través de CFD (Dinámica de Fluidos Computacional) juegan un papel importante en asegurar que las células se recuperen bien y crezcan de manera constante. A medida que la producción escala de matraces de laboratorio a volúmenes industriales, comprender el comportamiento de fluidos no newtonianos y mantener escalas de longitud de Kolmogorov consistentes se vuelve crucial para evitar daños mecánicos. Estos avances facilitan la protección de las células y simplifican los esfuerzos de escalado.
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Preguntas Frecuentes
¿Qué problemas puede causar la agitación excesiva en biorreactores para carne cultivada?
La agitación excesiva en biorreactores puede ser un problema serio para la producción de carne cultivada, ya que puede afectar negativamente el crecimiento y la supervivencia celular. La mezcla vigorosa crea un alto esfuerzo de corte, lo que puede dañar las delicadas células animales. Este tipo de estrés mecánico puede resultar en daño a la membrana celular, viabilidad reducida e incluso obstaculizar el desarrollo del tejido.
Para prevenir estos desafíos, es crucial ajustar finamente los parámetros de agitación.El objetivo es lograr un equilibrio entre la transferencia eficiente de nutrientes y oxígeno mientras se minimiza el estrés mecánico. Factores clave como el diseño del impulsor, la velocidad de mezcla y la geometría del biorreactor deben ajustarse cuidadosamente para mantener células saludables y productivas durante todo el proceso de cultivo.
¿Cómo afecta la elección del biorreactor al crecimiento y viabilidad celular en la producción de carne cultivada?
La elección del biorreactor en la producción de carne cultivada es crucial, ya que impacta directamente en el crecimiento y la salud celular al afectar factores como la eficiencia de mezcla, la transferencia de oxígeno y el estrés de cizallamiento.
Biorreactores de tanque agitado son una opción popular para la producción a gran escala porque ofrecen un control preciso sobre estas condiciones. Sin embargo, también pueden producir fuerzas de cizallamiento que podrían dañar células frágiles, por lo que es esencial ajustar finamente los diseños de los impulsores y los parámetros de operación para minimizar el daño.
Otros diseños, como biorreactores de elevación por aire, son más simples y consumen menos energía. Pero pueden no proporcionar el mismo nivel de control sobre la mezcla, lo que podría afectar el crecimiento celular. Por otro lado, biorreactores de fibra hueca imitan los vasos sanguíneos para soportar altas densidades celulares, aunque escalarlos puede ser un desafío.
Seleccionar el biorreactor adecuado se reduce a encontrar el equilibrio correcto entre factores como la escalabilidad, el costo y las necesidades específicas de las células para asegurar que crezcan y prosperen efectivamente para la producción de carne cultivada.
¿Cómo se puede reducir el estrés de cizallamiento durante la producción a gran escala de carne cultivada?
Minimizar el estrés de cizallamiento en la producción a gran escala de carne cultivada requiere ajustes cuidadosos en el diseño y operación del biorreactor. Factores como el tipo de impulsor, la forma del reactor y la configuración de la mezcla juegan un papel clave.Por ejemplo, reducir las velocidades de punta del impulsor u optar por diseños específicos de impulsores puede disminuir las fuerzas de cizallamiento mientras se mantiene una mezcla adecuada y la entrega de oxígeno, que son cruciales para el crecimiento celular.
Otra herramienta útil en este proceso es la dinámica de fluidos computacional (CFD). Las simulaciones CFD permiten a los ingenieros estudiar los patrones de flujo y la distribución de cizallamiento en detalle, ayudándoles a realizar ajustes de diseño informados. Además, los biorreactores de balanceo o mezcla por ondas ofrecen una alternativa más suave a los sistemas tradicionales de tanque agitado, ya que producen naturalmente fuerzas de cizallamiento más bajas. Incorporar monitoreo en tiempo real con sensores avanzados y algoritmos de control predictivo puede ayudar aún más a mantener el estrés de cizallamiento dentro de límites seguros, asegurando un proceso de producción más fluido.
