La gestion de l'oxygène dissous (OD) est cruciale pour la culture de cellules animales dans des bioréacteurs, en particulier pour la production de viande cultivée. Des niveaux appropriés d'OD garantissent la croissance cellulaire, le métabolisme et la qualité du produit, mais l'augmentation de la production introduit des défis tels que la distribution inégale de l'oxygène et le stress de cisaillement. Voici ce que vous devez savoir :
- Notions de base sur l'OD : Les cellules animales prospèrent à une saturation en air de 20 à 40 %. Un faible OD provoque une hypoxie, ralentissant la croissance et augmentant le lactate, tandis qu'un OD élevé entraîne un stress oxydatif.
- Défis dans les grands bioréacteurs : L'augmentation de l'échelle réduit l'efficacité du transfert d'oxygène, crée des gradients d'OD et risque d'endommager les cellules par le stress de cisaillement.
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Solutions :
- Méthodes d'aération : Les systèmes à microbulles et les bioréacteurs à circulation d'air améliorent le transfert d'oxygène avec moins de dommages cellulaires.
- Capteurs : Les capteurs optiques et la spectroscopie Raman fournissent une surveillance précise et en temps réel de l'oxygène dissous.
- Outils Avancés : La dynamique des fluides numérique (CFD) et les systèmes de contrôle automatisés optimisent la distribution de l'oxygène.
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Approvisionnement : Des plateformes comme
Cellbase simplifient l'approvisionnement en équipements spécialisés, des bioréacteurs aux capteurs de haute précision.
Maintenir des niveaux constants d'oxygène dissous est essentiel pour augmenter la production de viande cultivée tout en garantissant qualité et efficacité.
Défis du Contrôle de l'Oxygène Dissous dans les Bioréacteurs de Viande Cultivée
Besoins en Oxygène des Cellules et Plages Optimales
Les cellules animales utilisées dans la production de viande cultivée ont des besoins précis en oxygène.Pour la plupart des cellules de mammifères, les niveaux d'oxygène dissous (OD) doivent rester entre 20 et 40 % de saturation en air pour soutenir une respiration saine et éviter l'accumulation de sous-produits métaboliques comme le lactate [5]. Tomber en dessous de cette plage peut entraver la croissance cellulaire et entraîner une accumulation de lactate, ce qui acidifie le milieu et inhibe davantage la croissance [5]. D'autre part, des niveaux excessifs d'oxygène (hyperoxie) peuvent déclencher un stress oxydatif, endommageant les composants cellulaires, réduisant la viabilité cellulaire et perturbant les processus de différenciation [5][3].
Problèmes d'ingénierie dans la gestion de l'OD
La faible solubilité de l'oxygène dans l'eau crée des défis considérables dans la conception des bioréacteurs. À 25°C et à pression atmosphérique standard, l'oxygène se dissout dans l'eau à seulement environ 8 mg/L [6].Même avec une aération vigoureuse, il est difficile de maintenir des niveaux adéquats de DO pour les cultures cellulaires denses. De plus, les méthodes traditionnelles d'aération et d'agitation peuvent générer un stress de cisaillement qui endommage les membranes fragiles des cellules animales, réduisant leur viabilité et interférant avec la différenciation [6].
Dans les bioréacteurs plus grands, la distribution inégale de DO devient un problème important. À mesure que les temps de mélange augmentent, des gradients d'oxygène se forment, entraînant des conditions hypoxiques dans certaines zones et hyperoxiques dans d'autres [7]. Cette variabilité peut entraîner une croissance cellulaire incohérente, des fluctuations de la qualité du produit et des rendements globaux inférieurs.
| Défi | Impact | Stratégie d'atténuation |
|---|---|---|
| Faible solubilité de l'oxygène | Disponibilité limitée en DO | Systèmes de microbulles, aération par membrane |
| Stress de cisaillement | Dommages cellulaires et viabilité réduite | Mélange doux, turbines à faible cisaillement |
| Distribution inégale | Croissance incohérente et qualité de produit variable | Conceptions de mélange avancées, modélisation CFD |
Ces problèmes deviennent encore plus prononcés à mesure que les bioréacteurs augmentent en échelle, ajoutant des couches de complexité à la gestion de l'oxygène.
Problèmes d'échelle du laboratoire à la production commerciale
L'augmentation de l'échelle des bioréacteurs amplifie les difficultés de maintien d'une distribution uniforme du DO.Les grands récipients connaissent des temps de mélange plus longs et des gradients d'oxygène plus prononcés, ce qui rend plus difficile le maintien de niveaux d'oxygène constants dans tout le [7]. Les techniques qui fonctionnent bien en laboratoire échouent souvent à l'échelle commerciale, nécessitant une ingénierie avancée pour correspondre aux taux de transfert d'oxygène (kLa) [7]. Le rapport surface/volume réduit dans les bioréacteurs plus grands diminue encore l'efficacité des méthodes d'aération traditionnelles. Pour relever ces défis, des conceptions de mélange avancées et la modélisation par dynamique des fluides computationnelle (CFD) sont essentielles. Ces outils aident à prédire et à minimiser les gradients d'oxygène avant qu'ils ne perturbent la production [7][6].
Les systèmes de surveillance et de contrôle en temps réel sont également essentiels pour gérer la DO dans les opérations à grande échelle.La production commerciale exige des systèmes automatisés capables de répondre aux changements rapides du métabolisme cellulaire et des besoins en oxygène [1][7]. Les capteurs optiques de DO, tels que le VisiFerm RS485-ECS, sont inestimables dans ces configurations, offrant une surveillance et un contrôle précis tout au long du processus de production [3].
Les enjeux financiers des défis de mise à l'échelle sont élevés. Un mauvais contrôle de DO à l'échelle commerciale peut entraîner des lots entiers ne répondant pas aux normes de qualité, causant des pertes financières importantes. Cela a conduit à des investissements dans des équipements spécialisés et des technologies de surveillance adaptés à la production de viande cultivée à grande échelle.
Technologies de surveillance de l'oxygène dissous
Technologies de capteurs de surveillance de l'OD
Dans la production de viande cultivée, trois principaux types de capteurs sont utilisés pour surveiller les niveaux d'oxygène dissous (OD) avec précision :
- Capteurs électrochimiques (type Clark) : Ces capteurs mesurent le courant de réduction de l'oxygène et sont connus pour leur fiabilité. Cependant, ils nécessitent un entretien régulier, comme le remplacement de la membrane, et consomment une petite quantité d'oxygène pendant les mesures.
- Capteurs optiques : Utilisant des colorants luminescents éteints par l'oxygène, les capteurs optiques fournissent des mesures rapides et non consomptives. Un exemple notable est le Hamilton VisiFerm RS485-ECS, qui offre une communication numérique et fonctionne bien même dans des conditions de bioréacteur difficiles [3].
- Spectroscopie Raman: Cette technologie permet une surveillance en temps réel et non invasive de plusieurs paramètres - y compris l'oxygène dissous (DO), le glucose et le lactate. Par exemple, le MarqMetrix All-In-One Process Raman Analyzer, équipé d'une sonde immergeable, démontre sa capacité dans l'analyse multiparamétrique [1]
Chaque technologie a ses points forts. Les capteurs de type Clark sont un choix bien établi, les capteurs optiques réduisent les besoins de maintenance, et la spectroscopie Raman offre des perspectives plus larges à un coût initial plus élevé. Ces options ouvrent la voie à l'intégration de données en temps réel dans les systèmes de contrôle automatisés.
Intégration des capteurs dans les systèmes de contrôle automatisés
Pour une surveillance efficace de l'oxygène dissous (DO), les capteurs doivent s'intégrer parfaitement aux systèmes de contrôle des bioréacteurs, soit par des connexions numériques, soit analogiques.Cette intégration permet des boucles de rétroaction en temps réel qui ajustent des facteurs tels que l'aération, l'agitation ou l'apport en oxygène pour maintenir des niveaux d'oxygène optimaux pour la croissance cellulaire.
Les logiciels de contrôle modernes, tels que les systèmes utilisant OPC UA, prennent en charge les ajustements automatisés. Par exemple, un essai récent de bioréacteur a démontré comment un analyseur Raman pouvait être intégré pour automatiser la régulation de l'oxygène dissous [1]. Ces avancées soulignent l'importance de la compatibilité des capteurs avec les systèmes de contrôle pour garantir une production efficace et cohérente.
Comparaison des technologies de capteurs
Choisir la bonne technologie de capteur nécessite de trouver un équilibre entre précision, maintenance et évolutivité.Voici une comparaison des caractéristiques clés :
| Type de capteur | Précision | Temps de réponse | Besoins de maintenance | Évolutivité | Limitations clés |
|---|---|---|---|---|---|
| Type Clark (Électrochimique) | Élevée | Modéré | Élevée (membrane, électrolyte) | Modérée | Consommation d'oxygène; sujet à l'encrassement |
| Optique (Luminescence) | Élevée | Rapide | Faible | Élevée | Sensible à l'encrassement; coût plus élevé |
| Spectroscopie Raman | Élevée (multi-paramétrique) | Rapide | Faible | Élevée (avec automatisation) | Configuration complexe; coût initial plus élevé |
Les capteurs électrochimiques sont fiables mais nécessitent un entretien fréquent.Les capteurs optiques, avec leur conception non consomptive, minimisent l'interférence avec les cultures cellulaires et réduisent la maintenance. Pendant ce temps, la spectroscopie Raman se distingue par sa capacité à surveiller plusieurs analytes simultanément, bien qu'elle implique une configuration plus complexe et des coûts plus élevés.
À mesure que l'industrie de la viande cultivée évolue, il y a un changement notable vers les technologies basées sur l'optique et le Raman. Ces options offrent des solutions de surveillance robustes et nécessitant peu de maintenance, garantissant des performances constantes sur des cycles de production prolongés et soutenant l'objectif de maintenir une haute qualité de produit.
Méthodes pour le Contrôle et l'Optimisation de l'Oxygène Dissous
Méthodes d'Aération et d'Agitation
Équilibrer le transfert d'oxygène tout en protégeant les cellules est essentiel en ce qui concerne l'aération et l'agitation. Dans la production de viande cultivée, trois méthodes principales se distinguent : l'aération de surface, le sparging et la génération de microbulles.
Aération de surface est l'option la plus douce, introduisant de l'oxygène à la surface du milieu avec un stress de cisaillement minimal. Cependant, à mesure que la production augmente, cette méthode devient moins efficace en raison de la surface limitée par rapport au volume du milieu.
Le barbotage traditionnel implique de faire buller de l'air ou de l'oxygène pur directement dans le milieu de culture à travers des diffuseurs immergés. Cette approche offre d'excellents taux de transfert d'oxygène et est bien adaptée à la production à grande échelle. Cela dit, elle introduit un stress de cisaillement plus élevé, ce qui peut affecter les cellules.
Les générateurs de microbulles créent des bulles beaucoup plus petites que les spargeurs standard, augmentant l'interface gaz-liquide. Cela permet un meilleur transfert d'oxygène tout en réduisant les dommages cellulaires, ce qui en fait une alternative solide au barbotage traditionnel.
Pour l'agitation, les systèmes d'agitation mécanique avec des conceptions d'hélices optimisées sont couramment utilisés. Ces systèmes visent à assurer une distribution uniforme de l'oxygène sans provoquer de forces de cisaillement nuisibles. Les réacteurs à cuve agitée sont un choix populaire en raison de leur capacité à maintenir un contrôle précis sur l'oxygène dissous, le pH et les paramètres de mélange lorsqu'ils sont finement réglés.
Les bioréacteurs à circulation d'air offrent une autre option, utilisant l'injection de gaz pour créer des schémas de circulation qui combinent aération et mélange. Ces systèmes sont économes en énergie et offrent un transfert d'oxygène amélioré, ce qui les rend attrayants pour les opérations à plus grande échelle.
En plus du mélange physique, les transporteurs d'oxygène peuvent encore améliorer la distribution de l'oxygène.
Transporteurs d'Oxygène
Les transporteurs d'oxygène sont des additifs qui augmentent l'oxygène dissous sans nécessiter une aération plus intense.Ces solutions incluent des solutions à base d'hémoglobine, des perfluorocarbures et des molécules synthétiques, qui peuvent toutes contenir et transporter des niveaux d'oxygène beaucoup plus élevés que les milieux de culture standard.
Ces transporteurs sont particulièrement utiles dans les cultures à haute densité où les méthodes traditionnelles peinent à répondre aux besoins en oxygène. En augmentant la capacité de transport d'oxygène du milieu, ils réduisent le besoin de barbotage à haute intensité ou d'agitation vigoureuse - particulièrement important pour la production à grande échelle.
- Les transporteurs à base d'hémoglobine sont très efficaces pour le transport de l'oxygène mais peuvent introduire des composants d'origine animale.
- Les perfluorocarbures sont synthétiques, offrant une haute solubilité en oxygène, bien qu'ils soient plus coûteux et nécessitent une manipulation soigneuse.
Les facteurs clés pour la mise en œuvre incluent l'assurance de la biocompatibilité avec les lignées cellulaires, le respect des exigences réglementaires, la gestion des coûts pour une utilisation à grande échelle, et l'assurance d'une facilité de retrait du produit final. Les études pilotes sont essentielles pour déterminer les bonnes concentrations et la compatibilité avec des processus spécifiques.
Tant les méthodes d'aération physique que celles utilisant des supports bénéficient d'outils de modélisation avancés pour affiner leur utilisation.
Outils de Modélisation et de Calcul
La dynamique des fluides numérique (CFD) est devenue essentielle pour optimiser la gestion de l'oxygène dissous dans les bioréacteurs de viande cultivée. Ces modèles aident à prédire les taux de transfert d'oxygène, les schémas de mélange et la distribution des contraintes de cisaillement, permettant aux ingénieurs d'affiner les conceptions des bioréacteurs avant leur construction physique.
Les simulations CFD permettent de tester différentes configurations de bioréacteurs, méthodes d'aération et stratégies d'agitation pour voir comment elles affectent la distribution de l'oxygène et la croissance cellulaire. Cela réduit le besoin d'expériences par essais et erreurs, économisant ainsi du temps et de l'argent.
Par exemple, la CFD peut mettre en évidence des zones mortes potentielles où les niveaux d'oxygène pourraient chuter trop bas ou identifier des zones avec un stress de cisaillement excessif qui pourrait nuire aux cellules. Ces informations guident les ajustements dans le placement des agitateurs, la position des diffuseurs ou la conception des chicanes pour améliorer les performances.
La technologie analytique des procédés (PAT) va plus loin en intégrant des données en temps réel provenant de capteurs. Combinée avec la CFD et les algorithmes d'apprentissage automatique, la PAT permet des ajustements automatisés de l'aération et du mélange, garantissant des conditions optimales tout au long du processus de culture.
Ensemble, ces outils - modélisation CFD, surveillance en temps réel et systèmes de contrôle automatisés - créent une approche efficace et évolutive pour gérer l'oxygène dissous. Cela soutient non seulement une qualité de produit constante, mais optimise également les opérations de la recherche en laboratoire à la production commerciale complète.
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Approvisionnement en Équipement pour le Contrôle de l'Oxygène Dissous dans la Production de Viande Cultivée
Équipement et Matériaux Nécessaires pour le Contrôle de l'Oxygène Dissous
La mise en œuvre d'un contrôle efficace de l'oxygène dissous (DO) dans la production de viande cultivée repose sur l'utilisation d'équipements spécialisés conçus pour répondre aux exigences uniques de la culture de cellules animales. Contrairement aux configurations de laboratoire conventionnelles, ces systèmes doivent maintenir des conditions environnementales précises pour soutenir la croissance cellulaire.
Les bioréacteurs sont l'épine dorsale de tout système de contrôle de l'oxygène dissous.Les conceptions telles que les bioréacteurs à cuve agitée et à circulation d'air, équipés de capteurs intégrés et de commandes automatisées, sont essentielles. Ces systèmes doivent maintenir les niveaux de DO entre 20 et 40 % de saturation en air pour tenir compte de la faible solubilité de l'oxygène dans les milieux de culture cellulaire - environ 45 fois moins que dans le sang. Cela rend la gestion précise de l'oxygène un facteur critique pour une production réussie [4].
Les capteurs de DO - disponibles en types ampérométriques, optiques ou paramagnétiques - jouent un rôle clé dans la surveillance des niveaux d'oxygène. Le choix du capteur dépend de facteurs tels que la précision, la facilité d'intégration et la compatibilité avec l'installation de production [4] [9].
Les contrôleurs de débit massique sont utilisés avec des transporteurs d'oxygène, tels que les perfluorocarbures, pour améliorer la solubilité de l'oxygène dans le milieu de culture.Ces systèmes sont particulièrement efficaces dans les cultures à haute densité, où les méthodes traditionnelles échouent souvent à répondre aux besoins en oxygène [8] [4].
Les technologies analytiques de processus avancées complètent la liste des équipements. Les systèmes de spectroscopie Raman, par exemple, permettent la surveillance simultanée de l'oxygène dissous (DO), du glucose, du lactate et d'autres paramètres essentiels. Ces systèmes permettent des boucles de rétroaction automatisées pour un contrôle précis du processus [1]. De plus, les capteurs Hamilton - initialement développés pour des applications biopharmaceutiques - fournissent désormais des mesures en ligne de la densité cellulaire viable, du pH, du DO et du CO₂ dissous, spécifiquement adaptés à la production de viande cultivée [9].
Lors du choix de l'équipement, les considérations clés incluent la compatibilité avec les cultures de cellules animales, l'évolutivité de la recherche à la production commerciale, l'intégration avec les systèmes automatisés, et la conformité aux normes réglementaires. Chacun de ces éléments est crucial pour maintenir les conditions d'oxygène précises requises pour la production évolutive de viande cultivée [5] [9].
Cellbase en tant que plateforme d'approvisionnement
Se procurer le bon équipement pour le contrôle de l'oxygène dissous peut être difficile en raison du paysage fragmenté des fournisseurs et des besoins spécifiques de l'industrie de la viande cultivée. C'est là que
Contrairement aux plateformes génériques de fournitures de laboratoire,
Pour les entreprises basées au Royaume-Uni,
Des fonctionnalités supplémentaires telles que la messagerie directe avec les fournisseurs et un système de demande de devis simplifient le processus d'approvisionnement. Les tableaux de bord d'intelligence de marché fournissent des informations sur les tendances de l'industrie et les modèles de demande, aidant les entreprises à planifier leurs besoins en équipement et leurs budgets pour l'expansion des opérations.
La plateforme offre également un support technique et des données de validation, permettant aux équipes d'approvisionnement d'évaluer les performances des équipements avant de s'engager dans des investissements importants.Cela réduit le risque de problèmes techniques et garantit la compatibilité avec les systèmes existants - un facteur essentiel lors de la gestion des exigences complexes du contrôle de l'oxygène dissous (DO) dans la production de viande cultivée. En rationalisant l'approvisionnement,
Comprendre les mesures de l'oxygène dissous (DO) dans les bioprocédés
Conclusion : Optimiser le contrôle de l'oxygène dissous pour le succès de la viande cultivée
Gérer efficacement l'oxygène dissous (DO) est une pierre angulaire de la réussite de la production de viande cultivée. Maintenir les niveaux de DO dans la plage de 20-40% de saturation en air assure une croissance cellulaire saine, un métabolisme efficace et une qualité de produit constante - des facteurs influencés par la faible solubilité naturelle de l'oxygène dans les milieux de culture cellulaire [5][4].
Passer des environnements de laboratoire à la production commerciale, cependant, introduit une série de défis. Les systèmes plus grands apportent des complexités telles qu'une efficacité réduite du transfert d'oxygène, un mélange inégal et le potentiel de zones hypoxiques, qui peuvent tous affecter gravement la viabilité cellulaire et le rendement.
Pour relever ces défis, une surveillance précise est essentielle. Les technologies de capteurs avancées, telles que les capteurs optiques, la spectroscopie Raman et les outils analytiques de processus intégrés, permettent des ajustements en temps réel des niveaux de DO. Ces systèmes réagissent rapidement aux écarts, garantissant des conditions stables [1][3]. De plus, des outils de calcul comme les modèles de dynamique des fluides et l'analyse chimiométrique fournissent des informations précieuses.Ils aident à prédire les taux de transfert d'oxygène et à identifier rapidement les zones problématiques potentielles, réduisant ainsi le besoin d'approches coûteuses par essais et erreurs lors de la montée en échelle [2][1].
Aborder ces obstacles techniques nécessite également des solutions spécifiques à l'industrie. Des plateformes comme
L'avenir de la viande cultivée repose sur la maîtrise de ces éléments interconnectés : maintenir des niveaux d'oxygène dissous constants, utiliser des outils de surveillance avancés, appliquer une optimisation basée sur les données et se procurer le bon équipement.Les entreprises qui alignent efficacement ces composants seront mieux positionnées pour répondre à la demande de l'industrie en matière de production évolutive et de haute qualité. En combinant des systèmes de capteurs de pointe, la modélisation computationnelle et l'approvisionnement spécialisé, les producteurs de viande cultivée peuvent atteindre une croissance fiable et efficace à grande échelle.
FAQ
Comment les systèmes de microbulles et les bioréacteurs à circulation d'air minimisent-ils les dommages cellulaires tout en assurant un transfert d'oxygène efficace dans les bioréacteurs à grande échelle ?
Les systèmes de microbulles et les bioréacteurs à circulation d'air sont conçus pour améliorer le transfert d'oxygène tout en minimisant le stress mécanique sur les cellules. Les systèmes de microbulles créent des bulles plus petites, ce qui augmente considérablement la surface d'échange gazeux. Cela garantit une meilleure distribution de l'oxygène sans introduire de forces de cisaillement excessives qui pourraient nuire aux cellules. D'autre part, les bioréacteurs à circulation d'air reposent sur une circulation douce alimentée par des bulles d'air.Cette approche aide à maintenir un environnement cohérent et évite les dommages cellulaires souvent associés aux turbines ou à d'autres méthodes d'agitation mécanique.
Ces technologies jouent un rôle crucial dans la production de viande cultivée, où préserver la viabilité cellulaire et encourager la croissance sont essentiels. En délivrant efficacement l'oxygène tout en minimisant le stress physique, ces systèmes assurent l'équilibre délicat nécessaire pour augmenter la production sans compromettre la santé cellulaire ou le rendement global.
Quels sont les avantages d'utiliser la spectroscopie Raman au lieu des capteurs électrochimiques traditionnels pour surveiller l'oxygène dissous dans les bioréacteurs ?
La spectroscopie Raman offre des avantages clairs par rapport aux capteurs électrochimiques traditionnels lorsqu'il s'agit de surveiller l'oxygène dissous dans les bioréacteurs. Une différence clé est que la spectroscopie Raman est non invasive.Bien que les capteurs électrochimiques doivent être en contact direct avec le milieu de culture, la spectroscopie Raman mesure les niveaux d'oxygène sans interagir physiquement avec l'environnement du bioréacteur. Cette approche réduit non seulement le risque de contamination, mais diminue également les exigences de maintenance.
Un autre avantage est sa capacité à fournir des données détaillées en temps réel. La spectroscopie Raman ne se contente pas de mesurer l'oxygène - elle peut également suivre d'autres paramètres chimiques, vous offrant une image plus complète des conditions du bioréacteur. Cela est particulièrement utile dans la production de viande cultivée, où l'environnement est à la fois complexe et en constante évolution. Maintenir les niveaux d'oxygène à un niveau optimal est crucial pour assurer une croissance cellulaire saine et maintenir la viabilité, et la spectroscopie Raman aide à atteindre ce niveau de précision.
Qu'est-ce qui rend difficile le maintien de niveaux d'oxygène dissous constants lors de l'agrandissement des bioréacteurs pour la production de viande cultivée, et comment la dynamique des fluides numérique peut-elle aider ?
À mesure que les bioréacteurs passent des environnements de laboratoire à une production commerciale à grande échelle, maintenir des niveaux d'oxygène dissous constants devient un défi plus difficile. Cela est dû à des facteurs tels que des volumes plus importants, des taux de transfert d'oxygène fluctuants et les complexités de la dynamique des fluides. Dans les bioréacteurs plus grands, la distribution de l'oxygène devient souvent inégale, ce qui peut nuire à la croissance cellulaire et réduire la productivité.
C'est là que la dynamique des fluides numérique (CFD) intervient comme un atout majeur. En simulant comment les fluides s'écoulent, les gaz s'échangent et le mélange se produit dans les bioréacteurs, la CFD permet d'affiner à la fois la conception et les conditions de fonctionnement. Le résultat ? Une distribution plus uniforme de l'oxygène, ce qui améliore l'efficacité et facilite l'agrandissement de la production de viande cultivée.
