Energy Efficiency in Bioreactor Scale-Up Processes
Scaling up bioreactors for cultivated meat production - from small (1–5 L) to large (1,000+ L) systems - brings energy challenges. Larger volumes require more power for mixing, oxygen transfer,...
インサイト & ニュース
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<p>pHと温度管理：細胞成長への影響</p>
哺乳類細胞を育てるためには、pHと温度を正確に維持することが特に培養肉の生産において重要です。細胞は増殖（増殖）し、筋繊維に発達（分化）するために制御された環境を必要とします。ここでの重要なポイントは次のとおりです: 最適条件: pHは7.2–7.4の間に保ち、温度は37°Cにする必要があります。わずかな偏差（e.g., pHが0.3単位下がるなど）でも成長が遅くなり、生産性が低下します。 なぜ重要か: 細胞は不均衡を修正するために余分なエネルギーを消費し、それが成長効率に影響を与えます。高密度培養は特に乳酸の蓄積によるpH低下に陥りやすいです。 スケールでの課題: 大型バイオリアクターはpHの急上昇やCO₂の蓄積など不均一な条件に直面し、正確な制御が難しくなります。 ソリューション: 高度なバイオリアクターは、自動化システムと信頼性の高いセンサーを備えており、安定性を維持し、細胞の成長と一貫性を向上させます。 ラボで細胞を育てる場合でも、生産のためにスケールアップする場合でも、pHと温度を安定させることは成功のために不可欠です。 バイオリアクター内のセンサー pHと温度が細胞成長に与える影響 バイオリアクター設計におけるpHと温度の役割は、理論的な重要性を超えて、細胞の代謝と成長に直接影響を与えます。このセクションでは、これら2つの要因が細胞の行動と生産性をどのように形作るかを探ります。 pHが細胞代謝と生存率に与える影響 pHレベルが最適範囲から逸脱すると、細胞はバランスを維持するためにより多くの労力を要します。例えば、Na⁺/H⁺アンチポーターのようなメカニズムを活性化し、成長に使われるはずのエネルギーを消費します。[3].このエネルギーの再配分は、遺伝子活動の大きな変化を引き起こす可能性があります。ある研究では、培地のpHを6.7に下げると、わずか24時間以内に2,000以上の遺伝子がその発現レベルを変化させました[3]. pHと代謝の相互作用は悪循環を生み出す可能性があります。高い解糖活性は乳酸を生成し、培地のpHを下げます。いくつかの高密度培養では、最大90%のグルコースが乳酸に変換され[2]、急速な酸性化を引き起こします。この酸性化は最終的にさらなる乳酸生成を停止させますが、細胞成長が著しく減少するという代償を伴います[5]. 酸性およびアルカリ性の極端な条件は有害です。pH 7.1未満の酸性条件が成長を妨げることは広く知られていますが、アルカリ性条件 - pH 7.7から9の範囲。0 - は、増殖を遅らせ、製品の収量を減少させることもあります[2][4]。ほとんどの哺乳類細胞にとって、重要な下限pHは6.6から6.8の間です。この範囲を超えると、細胞はアポトーシスやネクローシスのリスクが高まります[5]。 これらのpHによる代謝の混乱は、温度が細胞の挙動にさらに影響を与える役割を果たす舞台を設定します。 細胞増殖と分化に対する温度の影響 温度は代謝活動とガスの溶解度において重要な役割を果たします。ほとんどの培養において37°Cが標準ですが、わずかな偏差でも成長やタンパク質生産に影響を与える可能性があります[3][5]。2017年にウィーン工科大学で行われた研究がこの効果を示しました。研究者たちは、pHの不均一性をシミュレートするために10–12 m³の撹拌タンクバイオリアクターでCHO細胞を使用しました。指数増殖期におけるpH 9.0ゾーンへの一時的な曝露は、最大生存細胞密度と最終製品収率の両方を著しく低下させました[4]. 培養肉生産の分野では、温度管理は二重の目的を果たします。増殖期には、安定した37°Cを維持することで効率的な細胞増殖が確保されます。しかし、細胞の接着と剥離を制御することで、足場のない組織層を形成するための高度な温度応答システムが開発されています[6]....
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バイオリアクターにおける生細胞モニタリングのための分析方法
バイオリアクター内の生細胞のモニタリングは、培養肉の生産において重要です。 スケーリングには、細胞の健康状態と成長をリアルタイムで追跡するための正確なツールが必要です。この記事では、キャパシタンスセンサー、ラマン分光法、蛍光を含む主要な方法をレビューし、産業用途におけるそれらの強みと限界を強調します。 重要な洞察: キャパシタンスセンサー: 生存細胞密度を継続的に測定します。接着細胞に効果的ですが、細胞サイズの変化に敏感です。 ラマン分光法: グルコースや乳酸のような代謝物を追跡します。水性環境に理想的ですが、複雑なキャリブレーションが必要です。 蛍光: NADH/NADPH信号を介して代謝活動をモニターします。迅速ですが、培地の背景信号に影響されます。 課題: トリパンブルーのような従来のテストは破壊的で遅いです。高い細胞密度と複雑な培地は光学的方法に干渉します。 センサーの汚れと校正の必要性が効率を制限します。 適切な方法を選択するには、プロセスの要件、バイオリアクターの規模、および無菌性のニーズに依存します。大規模な操作では、複数の技術を組み合わせることで最良の結果が得られることがよくあります。 生細胞密度のための静電容量ベースのセンサー 誘電分光法の仕組み 静電容量センサー、または高周波インピーダンスセンサーとしても知られるこれらのセンサーは、生きた細胞を小さな球状のコンデンサーとして扱います。細胞の懸濁液に電場を加えると、培地中のイオンと細胞質内のイオンが動き始めます。最終的に非導電性の細胞膜に遭遇し、分極 - 膜を横切る電荷の分離を引き起こします[5][6]。ここでのポイントは、膜が無傷の細胞だけが分極できるということです。膜が無傷でない死んだ細胞はイオンを捕捉できず、したがってキャパシタンス信号に寄与しません[5][7]。Aber Instruments Ltd.の営業・マーケティングディレクターであるJohn Carvellはこれをよく説明しています: "高周波（RF）インピーダンス...は、哺乳類細胞培養における生細胞濃度を監視するための最も堅牢で信頼性の高い方法と一般的に見なされています。" [5] 誘電分光法は、さまざまな周波数にわたる細胞懸濁液の誘電特性（または誘電率）を測定することによってこれを拡張します。このプロセスは、電場周波数が上昇するにつれて細胞の分極能力がどのように低下するかを示すβ分散曲線を生成します[6]。単一周波数の読み取りは、しばしば細胞の数だけでなく、生存可能なバイオボリューム - 生きている細胞が占める総体積 - を反映します。大きな細胞は小さな細胞よりも自然に信号に多く寄与します[5][6]. これらの原理は、キャパシタンスセンサー技術の基盤を形成し、バイオリアクターシステムにおいて貴重なツールとなっています。 培養肉バイオリアクターにおけるキャパシタンスセンサーの使用...
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プロセス分析技術 (PAT) の実装方法
プロセス分析技術（PAT）は、製造プロセスにリアルタイムの品質監視を統合し、一貫性を向上させ、廃棄物を削減します。これは、pH、酸素、栄養素などの要因を正確に制御することが重要な培養肉の生産に特に有用です。PATは、インラインセンサー、ケモメトリックス、自動化システムを組み合わせて、規制基準を満たしながら製品の品質を確保します。 PATを実装するための重要なステップ: 重要なプロセスパラメータ（CPP）の特定: 温度、溶存酸素、pH、グルコースなどの要因に焦点を当てます。 監視ツールの選択: リアルタイムデータのためにインラインセンサー（e.g、ラマン分光法）を使用します。 PATシステムの統合: センサーをバイオリアクターに接続して自動フィードバック制御を行います。 予測モデルの開発: データ分析を使用してプロセスを最適化します。 コンプライアンスの確保: GMP、ISO 17025、その他の規制ガイドラインに従う。 Cellbaseのようなプラットフォームは、培養肉生産のための機器調達を簡素化し、業界のニーズに合わせたツールを提供します。PATを採用することで、効率を向上させ、コストを削減し、高い製品基準を維持できます。 培養肉生産におけるPAT導入のための5ステッププロセス バイオプロセス専門家パネルディスカッション I - PAT導入 重要プロセスパラメータ（CPP）の特定 培養肉生産の成功を確実にするためには、細胞の生存率、バイオマス収量、製品品質に影響を与える重要プロセスパラメータ（CPP）を特定することが不可欠です。これを誤管理すると、全生産が危険にさらされる可能性があります。監視すべき主要パラメータ 温度は重要な要素です。哺乳類の細胞は約37°Cで最適に成長し、魚類や昆虫の細胞は最適な代謝活動を維持するために、より低温の環境を必要とします[2]. 溶存酸素 (DO)は、好気性代謝にとってもう一つの重要な要素です。生産が拡大するにつれて、十分な酸素移動を確保することがより困難になります[2]。酸素が不足すると、細胞は嫌気性代謝に切り替わり、乳酸の蓄積を引き起こし、成長を妨げる可能性があります。 pHレベルは、培養の代謝状態を示す指標です。変動があると、酵素活性が妨げられ、細胞の健康が損なわれ、製品の特性（例えば、食感や保水性）に影響を与える可能性があります[2][3]。二酸化炭素 (CO₂) のレベルは、特に大規模な運用において慎重に管理する必要があります。動物細胞はCO₂レベルの上昇に特に敏感であり、継続的な監視が不可欠です [2]. グルコースと栄養素 は細胞の主なエネルギー源です。グルコースレベルが低すぎると、細胞が飢餓状態になり、死滅や早期分化を引き起こす可能性があります...
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コールドチェーンモニタリングのためのトップ5センサー
輸送中の正確な温度と湿度の維持は、培養肉にとって非常に重要です。小さな変動でも出荷品を台無しにし、廃棄につながる可能性があります。高度なIoTセンサーは、リアルタイムの監視を提供し、FSMAやEN12830のような厳しい規制に準拠しながら製品の完全性を確保します。以下は、コールドチェーンを保護するために設計された5つのトップセンサーです: Monnit ワイヤレス温度センサー: 高精度（±0.5°Cから±1°C）、長いバッテリー寿命（最大12年）、温度違反の即時アラートを提供します。価格は£144.00からです。 Monnit ワイヤレス湿度センサー: 0–100% RHを追跡し、600mのワイヤレス範囲と10年のバッテリー寿命を持ちます。湿気による損傷を防ぐのに理想的です。 SpotSee ColdChain Complete: 温度が限界を超えると色が変わる使い捨ての視覚インジケーター。コスト効率が高く、バッテリー不要です。 Sensitech 温度センサー: TempTale® デバイスを通じてリアルタイムデータとアラートを提供し、コンプライアンスを確保し、腐敗リスクを低減します。 Controlant IoTセンサー: 4G/5GおよびLoRaWANを使用して、継続的な監視と即時アラートを提供し、輸送中の安全な状態を確保します。 これらのセンサーは、廃棄物を削減し、品質を保護し、規制基準を満たすのに役立ちます。それぞれがコールドチェーン物流の課題に合わせた独自の利点を提供します。 トップ5 コールドチェーンモニタリングセンサー比較チャート Monnitのコールドチェーン用リモートモニタリングソリューション 1.Monnit ワイヤレス温度センサー Monnit ALTA ワイヤレス温度センサーは、2024年のIoTプロダクト・オブ・ザ・イヤー賞を受賞しました[7]。このセンサーは、培養肉の物流において画期的な存在であり、さまざまな温度ニーズに対応するモデルを提供しています。標準バージョンは–40°Cから125°Cの範囲で±1°Cの精度で動作し、低温モデルは–200°Cから0°Cをカバーし、さらに細かい±0.5°Cの精度を持っています[7][8]。 温度範囲と精度 厳格な基準に基づいて構築されたこのセンサーは、精度と信頼性を確保します。各ユニットには、NISTトレーサブルな校正証明書が付属しており、標準モデルは25ヶ月間、低温バリアントは13ヶ月間有効です[7][9]。これらの認証は、ヨーロッパのEN12830コールドチェーントレーサビリティ要件およびFDAの21...
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自動サンプリングシステムによるリアルタイムメディア分析
自動化サンプリングシステムは、特に培養肉の生産において、バイオプロセスの監視方法を変革しています。これらのシステムは、栄養素レベル、代謝物、細胞の健康状態などの重要な要素に関する頻繁で正確かつリアルタイムのデータを提供し、手動サンプリングでは実現できないものです。手動では1日1回のところを、2～3時間ごとに実行することで、代謝の変化をより明確に把握し、コストのかかる生産エラーを防ぐのに役立ちます。 主なポイントは以下の通りです: 効率性: サンプリング、分析、洗浄サイクルは15分以内で完了します。 無菌性: システムは370時間以上無菌状態を維持し、汚染リスクを低減します。 正確性: グルコース測定の誤差はわずか1.1%で、アミノ酸分析はほぼリアルタイムの洞察を提供します。 労働節約: 手動介入を最小限に抑え、スタッフが他の作業に専念できるようにします。 アプリケーション: 培養肉生産における一貫性とスケーラビリティを向上させます。 これらのシステムは、HPLCやラマン分光法のような高度なツールとシームレスに統合され、正確な栄養素のモニタリングとリアルタイムのプロセス調整を可能にします。その結果、より良い品質管理、変動の削減、より効率的な生産ワークフローをサポートします。 手動 vs 自動サンプリングシステム: バイオプロセスにおける性能比較 自動サンプリング技術に関する研究 研究方法とアプローチ 自動サンプリング技術の最近の進歩は、培養肉生産におけるその応用を大幅に洗練しました。これらの研究は、プロセス全体での無菌性を維持しながら、分析ツールと自動サンプリングシステムの統合に焦点を当てています。通常、研究者は自動サンプラーをHPLCやキャピラリー電気泳動のような確立された方法と組み合わせて、インラインセンサーでは正確に測定するのが難しい複雑な代謝物を監視します。 2020年5月、ウィーン工科大学のチームは、CHOフィードバッチ培養中にLucullus PIMSソフトウェアを利用して、NumeraシステムをSecurecell AGによって調査しました。彼らは18種類のアミノ酸とIgG製品レベルを監視し、連続運転370時間の間、驚異的な無菌状態を維持しました[2]。細胞密度が増加するにつれて、「プッシュアウト時間」などのシステム設定の調整が重要になりました[2]。 同様に、2017年8月、ロザンヌ・M。Guijtは、タスマニア大学から、逐次注入キャピラリー電気泳動（SI-CE）を用いて、Jurkat細胞の5つの並行懸濁培養をモニターしました。4日間にわたり、システムは各培養につき96のアッセイを実施し、各電気泳動分離にはわずか12分しかかかりませんでした。驚くべきことに、フラスコあたり5.78 mL（分析あたり60 µL未満）しか必要とせず、培養量を大幅に減らすことなくハイスループットスクリーニングに理想的です[6]。これらの正確で体系的な方法は、パフォーマンスデータへのより深い洞察の基盤を築きます。 研究結果とパフォーマンスデータ これらの研究から得られた発見は、自動サンプリングシステムの効率と精度を強調しています。例えば、ウィーンのチームは、グルコース測定で1.1%の相対標準偏差を達成しました。さらに、サンプル希釈によって引き起こされる系統的誤差が修正され、真の値からの偏差が0.1%から3%にまで低減されました[2]。この精度のレベルは、通常の手動サンプリングが提供するものよりもはるかに優れています。 サンプリング頻度も重要な利点です。手動サンプリングは通常1日1回に制限されますが、自動化システムは1日8回から24回サンプリングでき、見逃されがちな代謝変化を捉えることができます。ウィーンの研究では、アミノ酸分析がサンプル採取から45分遅れで完了し、栄養素の枯渇に関するほぼリアルタイムの洞察を提供しました[2]。タスマニアの研究は、もう一つの重要な利点を強調しました。リアルタイムの細胞密度測定に対して乳酸データを正規化することにより、研究者はロテノンやクリオキノールのような化合物の薬理効果を単純なバイオマスの変化から区別することができました[6]。このレベルの詳細さは、従来の手動サンプリングではほぼ達成不可能であり、まばらなデータポイントが重要な代謝パターンをしばしば隠してしまいます。 メディアモニタリングのためのセンサー技術...
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バイオリアクターのスケーリング: せん断応力モデリング技術
培養肉生産のためのバイオリアクターのスケーリングは複雑であり、特にスケールアップ中に哺乳類細胞を損傷する可能性のある機械的力であるせん断応力の管理が重要です。微生物細胞とは異なり、哺乳類細胞は壊れやすく、乱流やエアレーションの力に敏感です。せん断応力が3 Paを超えると、細胞が破裂し、細胞の生存率と生産性が低下します。 これらの課題に対処するために、エンジニアは計算流体力学 (CFD)とスケールダウンモデルに依存して、フルスケール生産前にせん断応力を予測し管理します。CFDはバイオリアクター内の流れのパターン、せん断ゾーン、混合効率を分析し、スケールダウンモデルはこれらの予測を実験的に検証し、スケールアップ時のリスクを最小限に抑えます。 重要なポイント: せん断応力の限界: 哺乳類細胞は3 Paまで耐えられます。これを超えると細胞が損傷します。 CFDツール: ラージ・エディ・シミュレーション（LES）やラティス・ボルツマン・シミュレーション（LB-LES）などの高度な手法により、流れと乱流の正確なモデリングが可能になります。 スケールダウンモデル: これらは、大規模なバイオリアクターの条件を小規模なセットアップで再現し、CFD予測を検証します。 設計上の考慮事項: 低せん断のためにピッチドブレードインペラーを使用します。 コルモゴロフ渦長を20μm以上に維持して、細胞の損傷を防ぎます。 インペラーチップ速度を1.5 m/s以下に保ちます。 CFDの洞察を実験的検証と組み合わせることで、チームは培養肉生産のためのバイオリアクターデザインを最適化し、細胞の生存と効率的なスケーリングを確保できます。CFDコンパス | バイオリアクターCFDのベストプラクティス 計算流体力学（CFD）を使用したせん断応力のモデル化 培養肉生産における異なるバイオリアクタータイプのためのCFDアプローチと主要パラメータ CFDシミュレーションは、エンジニアに物理的に構築される前にバイオリアクター内の流体力学とせん断力をマッピングするツールを提供します。生産規模での試行錯誤の方法に頼る代わりに、CFDは特定の容器の部分での高せん断ゾーン、乱流渦、細胞の生存率などの重要な要因を予測するのに役立ちます。これは、バイオリアクターの規模が最終的に200,000リットルに達する可能性がある培養肉生産において特に重要です - これは従来のバイオ医薬品容器よりもはるかに大きいです[8]。これらの予測的洞察は、スケールダウン実験を導き、機器の選択に影響を与えます。計算技術の進化は著しいものがあります。k-εのようなレイノルズ平均ナビエ・ストークス（RANS）モデルは業界で広く使用されていますが、ラージ・エディ・シミュレーション（LES）やGPUを活用したラティス・ボルツマンシミュレーション（LB-LES）のような先進的な手法が限界を押し広げています。プラハ化学技術大学のミロスラフ・スース教授によれば、GPUベースのLB-LESは「一般的に使用される有限体積法ソルバーよりも100倍から1,000倍速くモデルを解くことができる」[2]とのことです。この速度の利点により、エンジニアは細胞に損傷を与える渦を検出するために必要な精度で大規模な容器をシミュレートすることができます。 CFDの能力の実用的な例として、Regeneron Ireland DACとThermo Fisher Scientificの研究者が挙げられます。彼らは、2,000リットルのバイオリアクターから幾何学的に異なる5,000リットルのシングルユースバイオリアクターへの細胞培養プロセスのスケールアップに成功しました。...
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培養肉のためのトップ7除染ツール
培養肉の生産において、汚染は大きな障害となっており、バッチの失敗率は11.2%に達し、大規模な運用では19.5%にまで上昇しています。これにより、成長培地（生産コストの50%以上）などのリソースが無駄になり、スケジュールが乱れます。効果的な除染はこれらのリスクを最小限に抑えるための鍵です。培養肉施設での無菌状態を維持するために使用される主要なツールの概要を以下に示します: 工業用洗剤および脱脂剤: 脂肪やタンパク質などの有機残留物を除去し、事前消毒のための清掃に不可欠です。 食品用消毒剤: 清掃後の微生物負荷を減少させ、細菌やバイオフィルムを対象とします。 定置洗浄（CIP）システム: バイオリアクターや配管の内部洗浄を分解せずに自動化します。 UV除染ランプ: UV-C光を使用して、化学薬品を使わずに表面や空気を消毒します。 過酸化水素蒸気発生器: 部屋や機器の徹底的で非接触の滅菌を提供します。 ステンレススチール消毒ワードローブ: ツール、PPE、小型機器を制御された環境で消毒します。 自動センサークリーニングステーション: バイオリアクタープローブを清潔で機能的に保ち、正確なモニタリングを維持します。 各ツールは、表面の清掃から機器の滅菌、バイオセーフティ基準の維持まで、特定の汚染課題に対応します。これらの方法を組み合わせることで、より安全で効率的な生産を実現し、コストのかかる失敗を減らします。以下では、各ツールの動作と培養肉生産における実用的な応用について詳しく説明します。 培養肉生産のための7つの除染ツールの比較 1.工業用洗剤と脱脂剤 工業用洗剤と脱脂剤は、培養肉生産施設の清潔さを維持する上で重要な役割を果たします。これらの強力な洗浄剤は、製造中に表面や機器に蓄積する脂肪、タンパク質、細胞の破片などの有機残留物を物理的に除去するように設計されています。この重要な洗浄ステップを省略すると、消毒の努力が損なわれる可能性があり、残留する有機物が消毒剤から細菌を保護することがあります。 初期の洗浄後、全体的な除染プロセスを改善するために特定のアプリケーションが使用されます。 主な用途 pH範囲が10.5〜11.5のアルカリ性洗剤（少なくとも200 ppmの活性アルカリ性と200 ppmの塩素を含む）は、有機汚れを分解するのに非常に効果的です。一方、酸性化合物は、機器の隙間に詰まった鉱物堆積物を除去するために使用されます[7]。 垂直面には、高発泡の塩素系クリーナーが好まれます。通常15分の接触時間が確保され、徹底的な清掃が可能です[6]. 除染方法 清掃は、温水（<48.9°C）で表面をすすぐことから始まり、バイオフィルムを破壊するために手動で擦ります。定置洗浄（CIP）システムには、ポンプのキャビテーションなどの問題を避けるために低発泡の苛性クリーナーが推奨されます[5][8]。洗剤を適用した後は、飲料水で完全にすすぐことが不可欠です。このステップは非常に重要です。なぜなら、ほとんどの洗剤はアルカリ性であり、多くの消毒剤は酸性であるため、残留洗剤が消毒剤を中和し、効果を失わせる可能性があるからです[8]. 培養肉機器との互換性 材料の互換性も重要な考慮事項です。塩素系製品は、バイオリアクターのシールやチューブに見られるゴムやシリコン部品に早期の摩耗や損傷を引き起こす可能性があります[7]。バイオリアクターフィルター、ヒュームフード、316グレードのステンレス鋼タンクのような繊細な機器には、敏感な表面を損なうことなく硬化したグリースを除去するために、特殊な脱脂剤が使用されます[4]。泡立たないアルカリ性脱脂剤は、工業用スクラバーマシンを使用して床や壁などの広いエリアを徹底的に清掃するのにも理想的です[4]。 利点と制限...
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成長培地分析のための分光法
分光法は、培養肉生産における培地のモニタリングを迅速かつ正確に行う方法を提供します。グルコースやグルタミンなどの栄養素をリアルタイムで追跡することで、細胞の成長を最適化し、品質を維持するのに役立ちます。特に注目すべき2つの方法があります: NIR分光法: 780–2,500 nmの範囲で動作し、グルコースや乳酸のような栄養素や代謝物を追跡するのに理想的です。コスト効率が高く、バイオリアクターと容易に統合できますが、水の信号による干渉を受ける可能性があります。 ラマン分光法: 非弾性光散乱を使用して非常に特異的な分子データを提供します。水が支配的な環境でうまく機能し、乳酸やグルコースのような代謝物に対して精度を提供しますが、コストが高くなります。 どちらの方法も、栄養素の供給と汚染検出のための自動化システムをサポートし、効率を向上させ、手動サンプリングのリスクを軽減します。プラットフォームCellbaseは、培養肉プロセスとの互換性を確保しながら、機器の選択を簡素化します。 成長媒体分析のためのNIR分光法 NIR分光法の仕組み 近赤外（NIR）分光法は780 nmから2,500 nmの波長範囲で動作し、基本的な分子振動の倍音と組み合わせバンドの検出に焦点を当てています[7]。これにより、C-H、O-H、N-Hのような結合を特定するのに特に効果的で、これらはグルコース、アミノ酸、タンパク質などの分子によく見られます。 このプロセスは、成長媒体にNIR光を照射し、異なる波長でどれだけの光が吸収されるかを測定することを含みます。各分子は、媒体の組成に関する洞察を提供するユニークなスペクトルパターン、または「フィンガープリント」を生成します。しかし、スペクトルバンドがしばしば重なるため、部分最小二乗回帰のような高度なケモメトリックス技術が、正確な定量データを抽出するために必要です [1]. NIR分光法の際立った利点の一つは、非侵襲的であることです。プローブは標準的なイングルドポートを使用してバイオリアクターに直接統合でき、滅菌サイクル（SIP/CIP）に耐えるように設計されており、産業衛生基準に適合しています [10]。プロセスを中断せずに測定できるこの能力は、成長培地のモニタリングにおいてNIRを貴重なツールにしています。 成長培地モニタリングにおけるNIRの応用 NIR分光法は、グルコース、グルタミン、アミノ酸、乳酸、アンモニア、総細胞数（TCC）などの重要な栄養素や代謝物を追跡するために広く使用されています [6][8]。リアルタイムデータを提供することで、生産者は栄養素の枯渇を早期に検出し、細胞の生存率への影響を防いだり、有害な副産物が蓄積する前に特定することができます。 NIRの実用的な利点は、研究によって実証されています。例えば、ある調査では、撹拌槽型バイオリアクターでのオンラインモニタリングにNIRを使用し、グルコースの予測誤差を1.54 mM、乳酸の予測誤差を0.83 mM [8]で達成しました。細胞がマイクロキャリア上で成長する培養肉プロセスでは、ビーズによる光散乱効果のため、システム固有のキャリブレーションが重要です。サノフィ・パスツールでの研究では、Cytodex 1マイクロキャリア上で成長するVero細胞のモニタリングにNIRを成功裏に適用し、グルコースの予測精度を0.36 g/l、乳酸の予測精度を0.29 g/l [9]で達成しました。これらの発見は、異なるシステムに対するカスタマイズされたキャリブレーションの重要性を強調しています。 "NIR分光法（NIRS）は、分析された溶液中に存在するすべての成分の「シグネチャー」を代表するスペクトルを提供する、現場でのPATツールの有望な代替手段です。" Annie Marc,...
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血清不使用培地生産のための経済モデリング
血清不使用培地 (SFM) は、培養肉の生産において重要であり、FBSのような動物由来の血清を置き換えることで、倫理的な懸念や規制の要求に対応します。しかし、その高コスト - 生産費用の50%以上を占めることが多い - は商業的な実現可能性への大きな障壁です。以下は知っておくべきことです: 主要なコスト要因: FGF-2やTGF-βのような成長因子がSFMのコストを支配し、いくつかの配合では98%に達します。アルブミンのような組換えタンパク質も重要です。 コスト削減戦略: 食品グレードの材料を使用することで、医薬品グレードの材料よりも最大82%安価になります。 メディアリサイクル技術を採用して、廃棄物を削減し効率を向上させます。 分子農業や細胞株の遺伝子工学など、コスト効率の良い成長因子の生産方法を開発します。 スケーリングの影響: より大きなバイオリアクター (e.g.、260,000 L エアリフトリアクター) はコストを50%以上削減できます。パイロットスケールの革新により、SFMコストは1リットルあたり£0.06まで低下しました。 課題: 高い汚染リスク、組換えタンパク質の供給制限、安定した低コストの成長因子の必要性。 SFMコストの削減は、競争力のある価格で培養肉を生産するために不可欠です。連続製造や食品グレードの代替品などの現在の進歩により、業界はこの目標に近づいています。 Dr.ピーター・ストジオス: 無血清培地用の低コスト成長因子 無血清培地のコスト内訳 無血清培地のコスト内訳: 成長因子対基礎成分 主なコスト成分 無血清培地に関しては、成長因子と組換えタンパク質がコスト構造を支配しており、しばしば総費用の95%以上を占めます。例えば、Essential 8培地では、2つの特定の成長因子がほぼすべてのコストを占めています。Beefy-9培地では、アルブミン、FGF-2、およびインスリンが合計で約60%のコストを占めています[2]。...
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バイオリアクターの無菌試験方法
無菌試験は培養肉の生産において重要であり、わずかな汚染でも高価なバッチの失敗につながる可能性があります。このプロセスは、有害な微生物がバイオリアクターの運転を妨げないようにし、製品の品質と財務の健全性を保護します。汚染率は平均11.2%で、大規模生産では19.5%に上昇しており、生産者は無菌環境を維持する上で大きな課題に直面しています。 主なポイントは以下の通りです: 主な汚染源: 人員、原材料、バイオリアクターの運転は、微生物の一般的な侵入経路です。 試験方法: 大容量には膜ろ過、小容量には直接接種、製造中のバイオバーデン試験が広く使用されています。 リアルタイムモニタリング: 溶存酸素センサーや排ガス分析などのツールは、微生物活動の早期検出を可能にします。 新興技術: AI駆動のモニタリング、コールドプラズマ滅菌、そして自動化されたイメージングシステムは、より迅速で正確な汚染管理を提供します。 培養肉の生産者にとって、従来の無菌試験と先進的なモニタリングソリューションを組み合わせることは、リスクを軽減し生産効率を向上させるために不可欠です。 Rocker Discover - 無菌試験の実施方法 sbb-itb-ffee270バイオリアクターシステムにおける汚染源 バイオリアクターシステムでのバッチ失敗を防ぐためには、汚染がどこから発生するかを特定することが重要です。汚染物質は通常、微生物、粒子状物質、エンドトキシンの3つの主要なカテゴリーに分類されます。各タイプは培養肉生産において独自の課題を提示するため、特定の予防戦略を開発することが不可欠です。人員は汚染の主な原因です。皮膚の剥離、不適切なガウンの着用、または不十分な手指衛生を通じて汚染物質を持ち込むことがよくあります[4][7]。厳格なプロトコルがあっても、単純な動きが気流を乱し、汚染物質が蓄積する乱流や停滞した領域を生じさせる可能性があります[4][9]。U.S。食品医薬品局は、滅菌された薬剤、成分、容器、または閉鎖部を無菌組立の前または中に手動または機械的に操作することは汚染のリスクを伴うため、慎重な管理が必要であると述べています[4]。 環境要因も重要な役割を果たします。例えば、10～15パスカルの正圧を維持できないと、未ろ過の空気が無菌ゾーンに入る可能性があります[3][4]。さらに、粒子保持率が99.97%を下回るHEPAフィルターの非効率性や、圧縮ガスフィルターの不具合などの問題は、迅速に無菌性を損なう可能性があります[4]。 原材料および細胞株の汚染 バイオリアクターシステムに入る原材料は、主要な汚染リスクです。未確認の成分、培養基成分、および細胞株（専門のB2Bマーケットプレイスを通じて入手可能）は、日和見病原体を持ち込む可能性があります[2]。細胞培養培地の栄養豊富な環境は特に汚染に対して脆弱であり、培養肉プロセスは微生物バイオプロセスと比較してより脆弱です[8]。 オートクレーブ処理ができない熱感受性の成分は特にリスクが高く、ろ過のような代替の滅菌方法が必要です[1][8]。さらに、接種プロセス自体にも固有のリスクがあります。膜をアルコールで消毒したり、開放炎の近くで手順を実行したりしても、細胞株導入中の汚染を完全に防ぐ保証はありません[8]。これらのリスクは、システムに導入される前に原材料を徹底的に検証することの重要性を強調しています。 バイオリアクターの運用リスク バイオリアクター内の日常業務は、多くの汚染の機会を提供します。手動サンプリングは特に高リスクです。アクセスポイントが増えるたびに、汚染物質を導入する可能性が高まります[1]。シールの損傷、Oリングの破損、または未滅菌の閉鎖などの問題は、リスクをさらに高めます[4][8]。さらに、適切な除染を行わずに低分類エリアから高分類ゾーンに材料を移すことも、もう一つの重大な脆弱性です[7]。 厳格な環境管理の維持は譲れません。クリーンルームエリア間の圧力差は継続的に監視され、異常な変化があれば直ちに調査されるべきです[4]。クラス100（ISO 5）の重要エリアでは、0.5 μm以上の粒子数は、作業中に1立方メートルあたり3,520粒子未満でなければなりません[4]。さらに、エアロゾル化された消毒剤や70%イソプロピルアルコールをエアサンプラーの近くで使用すると、粒子の測定値が増加する可能性があり、ガスフィルターに凝縮液が付着すると詰まりを引き起こしたり、微生物の成長を促進したりする可能性があります[4][7]. これらの運用リスクは、バイオリアクターのプロセスを保護するために厳格な無菌試験方法を実施することの重要性を強調しています。 バイオリアクターの無菌試験方法 バイオリアクターの無菌試験方法の比較 バイオリアクターに適した無菌試験を選択するには、バイオリアクターのサイズ、生産段階とスケーリングの課題、およびサンプルの組成（特に阻害剤が存在する場合）が重要です。ほとんどの産業用途では、メンブレンフィルトレーションが一般的な方法です[3]。一方、PCRのような分子技術は、特定の汚染物質の迅速な検出を提供します。以下では、培養肉生産に特化した方法を探り、大規模および小規模サンプルテストのユニークな課題に対処します。...
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バイオリアクターにおける足場の分解を測定する方法
足場の分解は、培養肉の生産における重要な要素です。組織の成長と一致する必要があります。速すぎると細胞が支持を失い、遅すぎると組織の発展が妨げられます。バイオリアクター、特に動的フローを伴うものは、静的なセットアップと比較して分解を加速し、酸性副産物を放出し、足場の構造を変化させます。正確な測定は、生産のスケーリングにおける一貫性と品質を保証します。 重要な洞察: 材料選択: PCL（遅い分解）やPLGA（速い分解）のようなブレンドはカスタマイズを可能にします。 バイオリアクターのセットアップ: 動的フロー（e.g., 4 mL/min）は生理学的条件を模倣しますが、加水分解を加速します。 測定方法: 重量減少（重量分析）。 構造変化（SEMイメージング）。 分子量追跡（GPC）。 透過性のためのリアルタイムpHモニタリングとサイクリックボルタンメトリー。 技術を組み合わせることで、劣化の詳細な理解が得られ、信頼性の高い培養肉生産のための足場設計とバイオリアクター条件の最適化に役立ちます。 足場の準備とバイオリアクターのセットアップ 正確な劣化測定を達成するには、正確な基準条件を確立し、バイオリアクターを適切に構成することが重要です。不十分な準備は、不均一な湿度レベルや滅菌エラーなどの問題を引き起こし、劣化結果を歪める可能性があります。これらの初期段階は信頼性のある分析の基盤です。 足場材料の選択 適切な足場材料の選択は重要であり、劣化速度は組織形成の速度と一致する必要があります。バイオマテリアルの研究は、「理想的な体内劣化速度は組織形成の速度と同じか、やや遅いかもしれない」と示唆しています。[3]。培養肉の場合、細胞が細胞外マトリックスを発達させるのに十分な期間構造を保持し、最終的には組織の成熟を可能にするために分解する材料を使用することを意味します。ポリマーをブレンドすることで、これらの特性を微調整することができます。例えば、ポリ(ε‑カプロラクトン) (PCL)は耐久性と遅い分解で知られており、ポリ(D,L‑乳酸‑コ‑グリコール酸) (PLGA)はより速く分解しますが、構造的サポートは少ないです[1]。2022年3月、サラゴサ大学の研究者たちは、PCLとPLGAの50:50の混合物から直径7 mm、高さ2 mmの円筒形の足場を3Dプリントで作成しました。流量4 mL/minのカスタマイズされた灌流バイオリアクターでこれらの足場をテストしたところ、動的流れ条件が静的セットアップと比較して4週間の期間で加水分解を大幅に加速することが観察されました[1]。合成ポリエステルのPLGAのような疎水性足場は、水の浸透を防ぎ、培養媒体が内部の孔にアクセスするのを制限する可能性があります。これに対処するために、疎水性足場をエタノールで予備湿潤し、完全なバッファー浸透を確保します[3]。さらに、PLGAの組成、特に乳酸とグリコール酸の比率は、その分解速度に直接影響を与え、グリコール酸の含有量が高いほど分解が速くなります[1]。 材料特性 ポリ(ε‑カプロラクトン) (PCL) ポリ(D,L‑乳酸‑コ‑グリコール酸) (PLGA) 分解速度 遅い[1]...
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官能検査：培養肉の主要指標
培養肉が従来の肉の感覚的特性を再現するためには、官能検査が重要です。主要な指標には以下が含まれます: ジューシーさ: ガスクロマトグラフィー-質量分析（GC-MS）と調理中の水分損失テストを使用して測定します。課題には脂肪含有量と水分保持の再現が含まれます。 柔らかさ: テクスチャープロファイル分析（TPA）とワーナーブラッツラー剪断力（WBSF）で評価されます。培養肉はより柔らかい食感を実現する可能性を示しています。 口当たりと食感: レオロジーと足場の剛性を通じて分析されます。現在の製品は、全体のカットの繊維状の複雑さに欠けています。 風味と香り: GC-MSや電子鼻のような技術を使用して、メイラード反応からの化合物などの主要な化合物を特定し、肉の風味を模倣します。 培養肉はジューシーさと風味の複雑さに苦労していますが、共培養システムと風味を強化する足場の進歩により、従来の肉とのギャップが縮まっています。 培養肉の主要な官能評価指標 ジューシーさ：測定方法と発見 従来の肉のジューシーさを培養代替品で再現することは難しいとされています。研究者たちは、脂肪細胞（脂肪細胞）を筋肉細胞と共培養するか、脂質に富んだ別の「脂肪ブロック」を生成することでこれに取り組んでいます。これらのアプローチは、湿気の保持を改善し、ジューシーさに寄与する油っぽい風味プロファイルを強化することを目的としています[1][9]。 ジューシーさを測定するために、ガスクロマトグラフィー-質量分析（GC-MS）が一般的に使用されます。この方法は、ノナナールや2-エチル-1-ヘキサノールのような揮発性化合物を特定し、「脂っこい」口当たりやジューシーさの感覚に重要です[1][3]。別のアプローチでは、肉のサンプルを65°C、70°C、75°Cの特定の内部温度まで調理し、その過程での水分損失を測定します[5]。研究者たちは、脂肪生成の増加が水分保持を高めるだけでなく、ローストビーフの香りを模倣する揮発性化合物を生成することを発見しました[1]。 ジューシーさの研究におけるこれらの進展は、柔らかさなどの他の重要な食感の特性を探求する道を開きます。 柔らかさ：評価とベンチマーク ジューシーさの次に、柔らかさは培養肉の品質を決定する上で重要な要素として際立っています。 二つの主要な方法が柔らかさを評価するために使用されます：テクスチャープロファイル分析 (TPA) と ワーナーブラッツラー剪断力 (WBSF)。 TPA は二重圧縮試験を通じて咀嚼プロセスをシミュレートし、硬さ、弾力性、凝集性、咀嚼性、回復力などの側面を測定します [2]。 WBSF はV字型の刃を使用して、肉サンプルを剪断するのに必要な力を測定します [7][2]。 2022年の研究 [2]...
