Agitaatio on kriittinen tekijä viljellyn lihan tuotannossa, varmistaen solujen hapen ja ravinteiden saannin samalla kun estetään jätteen kertyminen. Liiallinen agitaatio aiheuttaa kuitenkin ongelmia, kuten solujen irtoamista, kalvovaurioita ja kasvun heikkenemistä. Oikean tasapainon löytäminen on olennaista, erityisesti suurissa bioreaktoreissa, joissa jopa pienet säädöt voivat vaikuttaa tuotantoon.
Keskeiset huomiot:
- Optimaalinen agitaatio: Tutkimukset osoittavat, että 60 rpm sekoitussäiliöreaktoreissa on ihanteellinen ravinteiden toimituksen ja leikkausjännityksen tasapainottamiseksi.
-
Bioreaktorityypit:
- Sekoittava säiliö: Tehokas sekoitus, mutta riski korkeasta leikkausjännityksestä.
- Aaltoreaktorit: Hellävarainen sekoitus, rajoittuu hapensiirtoon.
- Ilmanvaihtojärjestelmät: Tasainen sekoitus matalalla jännityksellä, mutta vaatii tarkkaa hallintaa.
- Suojaavat Toimenpiteet: Lisäaineet kuten Poloxamer 188 ja kuplaton hapetus vähentävät soluvaurioita.
- Skaalaushaasteet: Suuremmat järjestelmät lisäävät leikkausriskejä, mikä vaatii tarkkaa seurantaa ja CFD-mallinnusta.
Tarkka sekoituksen hallinta on ratkaisevan tärkeää viljellyn lihan tuotannon skaalaamisessa solujen eheyden suojelemiseksi.
Kuinka Sekoitus Vaikuttaa Solujen Kasvuun ja Selviytymiseen
Mitä Viimeaikaiset Tutkimukset Osoittavat
Viimeaikaiset tutkimukset ovat tunnistaneet tietyt sekoituskynnykset, jotka vaikuttavat solujen kasvuun ja selviytymiseen. Esimerkiksi ABM-CFD-tutkimus, jossa käytettiin FS-4-soluja mikrokantajilla 100 ml:n sekoitussäiliöbioreaktorissa, paljasti, että 60 rpm on optimaalinen sekoitusnopeus. Tällä nopeudella ravinteet ja happi jakautuvat tasaisesti, ja leikkausjännitys pysyy välillä 0–80 mPa. Kuitenkin 60 rpm:n ylittäminen johtaa soluvaurioihin ja irtoamiseen lisääntyneiden voimien vuoksi.220 kierroksella minuutissa juoksupyörän Reynolds-luku nousee huimasti 1 444:stä 5 294,7:ään, mikä merkitsee siirtymistä turbulenttiin virtaukseen. Tämä turbulenssi synnyttää mikroalustaa pienempiä pyörteitä, jotka voivat vahingoittaa soluja ja niiden kalvoja [2].
Toinen tutkimus, joka keskittyi ihmisen napanuorasta johdettuihin mesenkymaalisoluihin, korosti, kuinka jopa pienet lisäykset sekoitusintensiteetissä vähentävät merkittävästi tarttumisnopeuksia. Tämä osoittaa kiinnittyvien solujen korkean herkkyyden mekaaniselle rasitukselle [6].
Nämä havainnot korostavat sekoitusnopeuksien tarkan kalibroinnin tärkeyttä, mikä on edelleen keskeinen jatkuvan parantamisen alue.
Oikean sekoitusintensiteetin löytäminen
Päähaasteena on tasapainottaa mikroalustojen suspendoimiseen tarvittava vähimmäissekoitusnopeus (N<sub>js</sub>) ylittämättä leikkausjännitysrajoja.Lihassoluille ihanteelliset olosuhteet sisältävät energian hajautumisnopeuden noin 1 mW·kg⁻¹ ja sekoitusajan alle 10 sekuntia [1].
"Solujen suotuisan mikro- ja makroympäristön ylläpitäminen ilman, että niitä altistetaan liialliselle mekaaniselle rasitukselle sekoittamisesta, vaatii bioreaktorien suunnittelun ja prosessien innovointia ja optimointia" [2].
Liiallisella sekoituksella voi olla kaksi haitallista vaikutusta: välitön solukuolema, kun stressi ylittää kriittisen kynnyksen, ja kumulatiivinen stressi, joka johtaa lepotilaan. Molemmat tulokset haittaavat tuottavuutta. Tämä tekee sekoituksen voimakkuuden tarkan hallinnan kriittiseksi tekijäksi kaupallisen menestyksen kannalta, erityisesti laajamittaisessa tuotannossa. Järjestelmissä, joiden tilavuus on jopa 20 m³, jopa vähäinen sekoitus voi aiheuttaa solujen irtoamista, mikä korostaa monimutkaisuutta, kun tuotantoa laajennetaan solujen elinkelpoisuuden säilyttämiseksi.
Johdanto bioreaktoreihin: sekoitus, agitaatio & leikkaus
Bioreaktorin sekoitusmenetelmät ja niiden vaikutukset
Bioreaktorityyppien vertailu viljellyn lihan tuotannossa
Eri bioreaktorijärjestelmien vertailu
Bioreaktorin suunnittelu on kriittisessä roolissa ravinteiden jakautumisen tasapainottamisessa ja mekaanisen rasituksen hallinnassa. Jokainen bioreaktorityyppi luo erilaisia sekoitusolosuhteita, jotka vaikuttavat suoraan solujen selviytymiseen ja tuottavuuteen. Oikean järjestelmän valinta tarkoittaa tasapainon löytämistä tehokkaan ravinteiden toimituksen ja mekaanisten voimien minimoinnin välillä, jotka voisivat vahingoittaa soluja.
Sekoitetut säiliöbioreaktorit käyttävät mekaanisia juoksupyöriä kulttuurin sekoittamiseen. Rushton-juoksupyörät tuottavat säteittäisiä virtauksia, mikä johtaa paikallisiin leikkausvyöhykkeisiin, erityisesti juoksupyörän kärkien lähellä.Sen sijaan kaltevat terä- ja meriteräsiipipyörät luovat lempeämpiä virtauksia, jotka sopivat paremmin herkille nisäkässoluille. Maaliskuussa 2025 State Key Laboratory of Bioreactor Engineering Shanghaissa suoritti tutkimuksen, jossa verrattiin CHO-K1 solujen suorituskykyä sekoitetuissa säiliöissä ja kiertävästi ravistetuissa bioreaktoreissa. Sekoitettu säiliöjärjestelmä saavutti 71,6 × 10⁶ solua/mL nopeudella 520 rpm, kun taas kiertävästi ravistettu järjestelmä saavutti 83 × 10⁶ solua/mL vain 100 rpm nopeudella [4].
Wave (keinuvat) bioreaktorit poistavat siipipyörät kokonaan, käyttäen kertakäyttöistä pussia, joka keinuu tarjottimella luoden lempeitä aaltoja sekoittamiseen. Tämä matalan leikkausvoiman ympäristö on ihanteellinen hauraille solulinjoille. Kuitenkin nämä järjestelmät ovat riippuvaisia pintailmastuksesta, mikä voi rajoittaa hapensiirtoa suuritiheyksisissä viljelmissä. Jotta aaltojen muodostuminen pysyisi tehokkaana, työskentelytilavuus on rajattu 50% pussin kokonaiskapasiteetista [7].
Airlift-bioreaktorit käyttävät pneumaattista sekoitusta, jossa kaasun spargaus kierrättää nestettä nousuputken ja laskuputken välillä. Ilman sisäisiä liikkuvia osia, airlift-järjestelmät tarjoavat tasaisen energian jakautumisen ja alhaisemmat leikkausvoimat verrattuna sekoitussäiliöihin. Toisin kuin aalto-bioreaktorit, airlift-suunnitelmat tarjoavat paremman hapensiirron tehokkaan kierrätyksensä ansiosta [7] .
| Bioreaktorityyppi | Sekoitusmekanismi | Leikkausjännitys | Saavutettu solutiheys | Keskeinen rajoitus |
|---|---|---|---|---|
| Sekoitetankki | Mekaaninen juoksupyörä | Korkea (paikallinen) | 71.6 × 10⁶ solua/mL | Riski juoksupyörän kärjen vaurioitumisesta |
| Orbitaalinen ravistus | Astian pyöriminen | Kohtalainen | 83 × 10⁶ solua/mL | Leikkausjännityksen huiput |
| Aalto (keinunta) | Vaakasuora keinunta | Erittäin matala | Korkea | Rajoitettu hapensiirto |
| Ilman nosto | Kaasun syöttö | Matala (yhtenäinen) | Korkea | Vaatii tarkkaa kaasun hallintaa |
"Sekoitussäiliöreaktoreissa... paikallinen juoksupyörän sekoitus tuottaa suuria leikkausgradientteja, jotka aiheuttavat soluille mekaanista rasitusta." – Cellexus [7]
Kun bioreaktorit skaalautuvat, sekoitustehokkuuden ja solujen suojelun väliset kompromissit tulevat selvemmiksi.Sekoitetut säiliöjärjestelmät ovat erittäin tehokkaita ravinteiden jakelussa, mutta vaativat huolellista nopeuden säätöä solujen vaurioitumisen välttämiseksi suurten leikkausvoimien alueilla. Toisaalta aalto- ja ilmankohotusbioreaktorit tarjoavat lempeämpää sekoitusta, mikä vähentää leikkausjännityksen riskiä, vaikka ne saattavat kamppailla hapen toimituksessa tiheissä viljelmissä. Nämä vertailut korostavat herkkää tasapainoa, joka vaaditaan suurimittaisen bioprosessoinnin optimoimiseksi samalla kun suojellaan solujen eheyttä.
sbb-itb-ffee270
Leikkausjännityksen vähentäminen ja solujen kasvun parantaminen
Uudet bioreaktorimallit ja suojaavat lisäaineet
Leikkausjännityksen minimointi on olennaista solujen kasvun edistämiseksi viljellyn lihan tuotannossa. Innovaatiot bioreaktorisuunnittelussa ja suojaavien lisäaineiden käyttö ovat merkittävästi parantaneet solujen elinkelpoisuutta ja sekoitustehokkuutta.Yksi lupaava lähestymistapa sisältää kiertävästi ravistetut bioreaktorit, jotka hyödyntävät astian liikettä ja pintailmastusta välttääkseen siipipyörän aiheuttamat vahingolliset leikkausvoimat ja kuplien rikkoutumisen. Nämä järjestelmät ovat osoittaneet vaikuttavia tuloksia, tuottaen 83 × 10⁶ solua/mL, verrattuna 71.6 × 10⁶ solua/mL perinteisissä sekoitussäiliöjärjestelmissä [4] .
Sekoitetuissa säiliöjärjestelmissä myös siipipyörän geometrialla on merkitystä. Radiaaliset Rushton-siipipyörät luovat virtauskuvioita, jotka mahdollistavat solujen toipumisen "rauhallisissa" vyöhykkeissä, vähentäen korkeiden leikkausvoimien vaikutusta. Kuten TTP:n tutkijat havaitsivat:
Solut radiaalisissa Rushton-siipipyöräreaktoreissa toipuvat rauhallisina vaiheina, toisin kuin kaksoisakselisiipipyöräjärjestelmissä [5].
Optimaalisten tulosten saavuttamiseksi viljellyn lihan tuotannossa, siipipyörän kärjen nopeus tulisi pitää 0.6–1.8 m/s on suositeltavaa solujen kasvun suojaamiseksi [9] .
Suojaavat lisäaineet, kuten Poloxamer 188 (Pluronic F-68), ovat keskeisessä roolissa vähentämällä pintajännitystä kaasu-neste rajapinnassa, suojaten soluja vaurioilta kuplien muodostumisen ja puhkeamisen aikana. Ihanteellinen pitoisuus Poloxamer 188:lle on 1 g/L, sillä suuremmat määrät tarjoavat vain vähän lisähyötyä [9]. Adherenttien solujen kasvattamisessa mikrokantajilla, ajoittainen sekoitusohjelma voi parantaa tuloksia. Esimerkiksi käyttämällä mallia 30 minuuttia POIS ja 5 minuuttia PÄÄLLÄ kylvövaiheen aikana edistetään helmi-helmisiirtoa samalla kun minimoidaan hydrodynaaminen rasitus. Tämä lähestymistapa on mahdollistanut naudan satelliittisolujen saavuttaa tiheyksiä 3 × 10⁶ solua/mL [3] .
Näiden suunnittelu- ja lisästrategioiden lisäksi hapen toimituksen parantaminen voi edelleen vähentää leikkausjännitystä.
Käyttämällä kuplavapaata hapetusta
Kuplavapaa hapetus tarjoaa toisen tehokkaan tavan suojata soluja leikkausvaurioilta. Kuplan repeäminen kaasu-neste rajapinnassa voi tuottaa energian hajaantumisnopeuksia, jotka ovat jopa 10⁶ - 10⁸ W/m³, mikä ylittää huomattavasti 10⁴ W/m³ alittavan kynnyksen, jonka useimmat nisäkässolut voivat sietää [9] . Kuplien poistaminen auttaa suojaamaan suuritiheyksisiä viljelmiä.
Pintailmastointi, jota käytetään yleisesti kiertävästi ravistetuissa ja keinuvissa bioreaktoreissa, on erityisen tehokas vähentämään leikkausvoimia.Kuten äskettäisessä tutkimuksessa korostettiin:
OSB:t hyödyntävät aluksen rungon liikettä ja pintailmastusta tehokkaasti vähentääkseen perinteisten juoksupyörien ja kuplien muodostumisen tai rikkoutumisen aiheuttamaa leikkausvauriota [4].
Keinuvat bioreaktorit osoittavat myös lupausta viljellyn lihan tuotannossa. Ne tarjoavat etuja, kuten kertakäyttöisyyden, alhaiset käyttökustannukset ja lempeän hydrodynaamisen ympäristön [8].
Kuitenkin pintailmastus kohtaa haasteita erittäin korkeissa solutiheyksissä. Esimerkiksi kiertävästi ravistettu bioreaktori saavutti hapen massansiirtokertoimen (kLa) 20.12 h⁻¹ 100 rpm:ssä, mikä teoreettisesti tukee solutiheyksiä jopa 118 × 10⁶ solua/mL.Käytännössä, kun solutiheys ylittää 80 × 10⁶ solua/mL, suspensioiden viskositeetti kasvaa, mikä johtaa ei-Newtonilaiseen, leikkausohentuvaan käyttäytymiseen, joka vähentää hapensiirtotehokkuutta. Tämä korostaa huolellisen optimoinnin tarvetta solutiheyksien kasvaessa.
Agitaation hallinta suurimittakaavaisessa tuotannossa
Sekoitusnopeuksien säätäminen ja valvontajärjestelmät
Suurimittakaavaisissa järjestelmissä tarkan agitaation hallinnan ylläpitäminen on ratkaisevan tärkeää. Ensimmäisten 24 tunnin aikana suositellaan pitämään sekoitusnopeudet välillä 30–50 rpm solujen kiinnittymisen optimoimiseksi mikrokantajiin [6] .Tutkimus East China University of Science and Technology -yliopistosta kesäkuussa 2022 korostaa tämän lähestymistavan merkitystä: 45 rpm:ssä ihmisen napanuorasta johdetut mesenkymaaliset kantasolut saavuttivat 98.68% kiinnittymisasteen päivänä 1, kun taas nopeuden nostaminen 55 rpm:ään aiheutti kiinnittymisasteiden romahtamisen 51.32% [6] .
Kiinnittymisvaiheen jälkeen sekoituksen tulisi hieman ylittää juuri suspendoituneen nopeuden (N₍JS₎) estääkseen solujen paakkuuntumisen. Tutkimukset osoittavat, että sekoituksen intensiteetin pitäminen lähellä 1.3 × N₍JS₎ tukee solujen kasvua, kun taas tämän ylittäminen 2 × N₍JS₎ haittaa kasvua vähentyneen kiinnittymistehokkuuden vuoksi [10] .
Jatkuva seuranta on kriittistä, koska toiminta-alueet ovat kapeat. Järjestelmät kuten BioStar 1.5c-bioreaktori käyttää edistynyttä ohjelmistoa säätämään sekoitusta ja kaasun virtausta liuenneen hapen (DO) ja pH-antureiden reaaliaikaisen palautteen perusteella [6]. Optiset DO-anturit ovat tässä keskeisessä roolissa, tarjoten tarvittavan tarkkuuden hienosäätää sekoitusta vain silloin, kun DO-tasot laskevat asetetun kynnyksen alle - tyypillisesti noin 40% - minimoiden siten leikkausjännityksen [7] [6]. Itä-Kiinan tiimi käytti tätä menetelmää Mettler Toledo -antureilla, pitäen DO:n tasolla 40% ja pH:n 7.2. Tämä lähestymistapa johti solutiheyden maksimointiin 27.3 × 10⁵ solua/mL , mikä on 2.9-kertainen parannus verrattuna tavanomaisiin eräkulttuuritekniikoihin [6].
Kun laajennetaan, laskennalliset virtausdynamiikan (CFD) mallit ovat korvaamattomia määritettäessä optimaalista juoksupyörän nopeutta mikrokantajien suspendoimiseksi ylittämättä leikkausrajoja [10][6]. Sen sijaan, että yksinkertaisesti sovitettaisiin kierrosnopeus astioiden välillä, CFD-analyysi ehdottaa reaktoreiden tilavuuskeskiarvoisen leikkausmuutosnopeuden yhdenmukaistamista. Tämä varmistaa, että hydrodynaaminen ympäristö suuremmassa bioreaktorissa - kuten laajennettaessa 200 ml:n pyörivästä pullosta 1,5 litran bioreaktoriin - pysyy solujen kasvulle suotuisana [6].
Nämä strategiat korostavat tarkan hallinnan ja seurannan merkitystä siirryttäessä kehittyneisiin bioreaktorijärjestelmiin.
Erikoislaitteiden Löytäminen Cellbase
Oikean laitteiston hankkiminen viljellyn lihan tuotantoon voi olla hankalaa. Vakiolaboratoriotarvikealustat eivät usein vastaa tämän alan erityistarpeita, kuten vähäleikkauspotkurit tai optiset liuenneen hapen anturit, jotka on räätälöity tiheille nisäkässoluviljelmille. Tässä
Kultivoidun lihan teollisuuden ensimmäisenä omistautuneena B2B-markkinapaikkana
Olipa kyseessä valvontajärjestelmien päivittäminen tai erikoiskomponenttien hankinta,
Päätelmä
Hapen ja ravinteiden toimituksen tasapainottaminen samalla kun vältetään haitallinen leikkausjännitys on avain viljellyn lihan bioreaktoreiden sekoituksen optimointiin. Tutkimukset osoittavat, että tämä voidaan saavuttaa valitsemalla oikeat bioreaktorimallit, hienosäätämällä sekoitusnopeuksia ja käyttämällä suojausstrategioita.
Tekniikat, kuten ajoittainen sekoitus, radiaaliset Rushton-siipipyörät ja reaaliaikaiset säädöt, joita seurataan CFD:n (Computational Fluid Dynamics) avulla, ovat merkittävässä roolissa varmistamassa, että solut toipuvat hyvin ja kasvavat tasaisesti.Kun tuotanto laajenee laboratoriopulloista teollisiin määriin, on tärkeää ymmärtää ei-Newtonilaisten nesteiden käyttäytyminen ja ylläpitää johdonmukaisia Kolmogorovin pituusasteikkoja mekaanisten vaurioiden välttämiseksi. Nämä edistysaskeleet helpottavat solujen suojaamista ja yksinkertaistavat skaalauspyrkimyksiä.
Alustat, kuten
UKK
Mitä ongelmia liiallinen sekoitus voi aiheuttaa bioreaktoreissa viljellylle lihalle?
Liiallinen sekoitus bioreaktoreissa voi olla vakava ongelma viljellyn lihan tuotannossa, koska se voi vaikuttaa negatiivisesti solujen kasvuun ja selviytymiseen. Voimakas sekoitus luo suurta leikkausjännitystä, mikä voi vahingoittaa herkkiä eläinsoluja.Tällainen mekaaninen rasitus voi johtaa solukalvon vaurioitumiseen, vähentyneeseen elinkelpoisuuteen ja jopa estää kudoksen kehittymistä.
Näiden haasteiden ehkäisemiseksi on tärkeää hienosäätää sekoitusparametreja. Tavoitteena on löytää tasapaino tehokkaan ravinteiden ja hapen siirron välillä samalla, kun minimoidaan mekaaninen rasitus. Tärkeät tekijät, kuten juoksupyörän muotoilu, sekoitusnopeus ja bioreaktorin geometria, on säädettävä huolellisesti, jotta solut pysyvät terveinä ja tuottavina koko viljelyprosessin ajan.
Miten bioreaktorin valinta vaikuttaa solujen kasvuun ja elinkelpoisuuteen viljellyn lihan tuotannossa?
Bioreaktorin valinta viljellyn lihan tuotannossa on ratkaisevan tärkeää, koska se vaikuttaa suoraan solujen kasvuun ja terveyteen vaikuttamalla tekijöihin, kuten sekoitustehokkuuteen, hapensiirtoon ja leikkausjännitykseen.
Sekoitetut säiliöbioreaktorit ovat suosittu vaihtoehto suurimittakaavaiseen tuotantoon, koska ne tarjoavat tarkan hallinnan näiden olosuhteiden yli. Ne voivat kuitenkin myös tuottaa leikkausvoimia, jotka saattavat vahingoittaa herkkiä soluja, joten on tärkeää hienosäätää juoksupyörän suunnittelua ja käyttöparametreja vaurioiden minimoimiseksi.
Muut suunnittelut, kuten ilmankuljetusbioreaktorit , ovat yksinkertaisempia ja kuluttavat vähemmän energiaa. Ne eivät kuitenkaan välttämättä tarjoa samaa sekoitustason hallintaa, mikä voi vaikuttaa solujen kasvuun. Toisaalta onttokuitubioreaktorit jäljittelevät verisuonia tukemaan korkeita solutiheyksiä, vaikka niiden skaalaaminen voi olla haaste.
Oikean bioreaktorin valinta perustuu tasapainon löytämiseen tekijöiden, kuten skaalautuvuuden, kustannusten ja solujen erityistarpeiden välillä, jotta ne kasvavat ja menestyvät tehokkaasti viljellyn lihan tuotannossa.
Miten leikkausjännitystä voidaan vähentää suurimittaisessa viljellyn lihan tuotannossa?
Leikkausjännityksen minimointi suurimittaisessa viljellyn lihan tuotannossa vaatii huolellisia säätöjä bioreaktorin suunnittelussa ja toiminnassa. Tekijät kuten juoksutintyypit, reaktorin muoto ja sekoitusasetukset ovat keskeisessä roolissa. Esimerkiksi juoksuttimen kärjen nopeuden vähentäminen tai tiettyjen juoksutinsuunnitelmien valitseminen voi alentaa leikkausvoimia samalla kun säilytetään asianmukainen sekoitus ja hapen toimitus, jotka ovat ratkaisevia solujen kasvulle.
Toinen hyödyllinen työkalu tässä prosessissa on laskennallinen virtausdynamiikka (CFD). CFD-simulaatiot mahdollistavat insinöörien tutkia virtauskuvioita ja leikkausjakaumaa yksityiskohtaisesti, auttaen heitä tekemään tietoon perustuvia suunnittelumuutoksia. Lisäksi keinuvia tai aalto-sekoitettuja bioreaktoreita tarjoavat lempeämmän vaihtoehdon perinteisille sekoitustankkijärjestelmille, sillä ne tuottavat luonnostaan alhaisempia leikkausvoimia.Reaaliaikaisen seurannan yhdistäminen kehittyneisiin antureihin ja ennakoiviin ohjausalgoritmeihin voi edelleen auttaa pitämään leikkausjännityksen turvallisissa rajoissa, mikä varmistaa sujuvamman tuotantoprosessin.
