培養肉生産のためのバイオリアクターのスケールアップ - 小型（1–5 L）から大型（1,000+ L）システムへの移行 - はエネルギーの課題をもたらします。より大きな容量は、混合、酸素移動、熱制御のためにより多くの電力を必要としますが、効率も向上します。例えば、5 m³から100 m³に移行することで、特定のエネルギー使用量を最大88%削減できます。しかし、大型システムでの混合が遅いと、酸素と栄養の不均衡が生じ、細胞の成長に影響を与える可能性があります。自動制御システムや「フラッディングポイント」操作のような戦略は、エネルギー使用をバランスさせ、細胞の生存率を維持するのに役立ちます。知っておくべきことは次のとおりです: 小型バイオリアクター: リットルあたりのエネルギーが高く、混合が速く、熱の除去が容易ですが、大規模生産には理想的ではありません。 大型バイオリアクター: リットルあたりのエネルギーが低く、混合が遅く、熱とガスの管理がより複雑ですが、商業生産には適しています。 エネルギー効率は規模が大きくなるにつれて向上しますが、細胞の品質を維持するためには、高度な自動化と攪拌、通気、温度の正確な制御が必要です。 発酵プロセスの設計とスケールアップ：上流処理（USP） sbb-itb-ffee2701. 小規模バイオリアクター（1–5 L） 実験室規模のバイオリアクターは、産業用のものとは非常に異なるエネルギー条件で動作します。この小規模では、プロセスの性能は一般的に輸送現象よりも細胞動態により影響を受けます [2]。高い表面積対体積比により熱除去が簡単になりますが、攪拌パラメータを大規模システムに直接スケールアップすることはできません。この動的な特性により、この段階では攪拌がエネルギー消費の主な要因となることがよくあります。 小規模システムでは、エネルギー使用は主に攪拌と混合によって決まります。大規模なバイオリアクターと同じ体積当たりの電力入力（P/V）を達成するためには、小型のものはインペラの直径が小さいため、より高いインペラ速度が必要です[2][9]。培養肉の生産において重要な哺乳動物細胞培養では、P/Vが20–40 W/m³であることが通常最適です。この範囲は、細胞の成長をサポートしながら細胞凝集を最小限に抑えます[5]。 曝気はさらに複雑さを増します。体積質量移動係数（kLa）は、酸素が細胞にどれだけ効率的に到達するかを測定します。しかし、kLaを改善するために攪拌を増やすと、流体力学的せん断応力も増加する可能性があります。シアーセンシティブなプロセス、例えばレンチウイルスの生産では、マイクロスパージャーが機能的なウイルスタイターを最大25%減少させる可能性があるため、オープンパイプスパージャーが好まれることが多いです[5]。フラッディングポイントに近い運転、低い攪拌と高い曝気を伴うことで、酸素移動のニーズを満たしながらエネルギー使用をバランスさせることができます[1]。 これらのバイオリアクターにおける熱管理は、通常、ジャケットや内部コイルのような水冷システムによって過剰な熱を放散することで行われます。機械的攪拌の各ワットは、効率的に除去されなければならない熱を生成します。さらに、微生物の代謝活動は、消費される酸素1グラムあたり約14.7 kJの熱を生成します[7]。必要な冷却能力は、生成される総熱量と冷却システムの効率に依存し、通常の性能係数は約0.6です。バッチ操作の異なる段階で攪拌機の設定を調整することは、エネルギー消費を大幅に削減することができます[7]. 現代の小規模バイオリアクターは、センサーとアルゴリズムを使用してpH、酸素レベル、温度を動的に調整する自動化システムを備えています。これらのシステムは、各成長段階で必要な冷却や攪拌のみを適用し、エネルギーの無駄を削減します[6][10]。Cellbaseのようなプラットフォームを通じて機器を調達する培養肉企業にとって、高度な自動化機能を備えたバイオリアクターを選ぶことは不可欠です。これらのツールは、エネルギー使用を最適化するだけでなく、エネルギー要件の正確な予測を提供し、大規模な運用への移行を計画する際に重要です。 2.大規模バイオリアクター（1,000リットル以上） 生産をスケールアップする際、混合時間が大幅に増加するため、課題が増えます。小型の3リットルシステムではわずか10秒だった混合時間が、5,000リットルから20,000リットルの巨大な容器では80〜180秒と大幅に長くなります。これらの遅い混合時間は、溶存酸素の勾配や代謝の変化などの運用上の障害を引き起こし、定常期における生存細胞密度を最大15%減少させる可能性があります[4]。培養肉生産に使用される哺乳類細胞培養では、混合時間が90秒を超えると代謝変化が引き起こされ、乳酸の蓄積を招くことがあります[4]。これらの問題に対処するためには、大規模での攪拌および曝気戦略の調整が不可欠です。 これらの大容量では、エネルギー需要が変化します。初期段階では、酸素移動速度が低い場合、攪拌がエネルギー使用においてより大きな役割を果たします。しかし、細胞の成長が加速するにつれて、通気が支配的な要因となり、電力消費の70％を占めるようになります。ガスの流れが液体の混合を妨げる点であるフラッディングポイント付近での操作は依然として重要ですが、この規模では主に通気によるエネルギー負荷の管理に関するものです。ヘッドスペース圧力を増加させることも効果的な戦術であり、酸素の溶解度を高め、酸素移動速度が高い場合に高い攪拌速度の必要性を減少させます[9]. スケールでの熱管理もより複雑になりますが、より高い効率を得る機会を提供します。例えば、工業的な発酵では、電力要件の範囲が広く、イタコン酸の発酵は平均0.51...
