Agitatie is cruciaal in de productie van gekweekt vlees, omdat het ervoor zorgt dat cellen zuurstof en voedingsstoffen ontvangen terwijl ophoping van afvalstoffen wordt vermeden. Overmatige agitatie veroorzaakt echter problemen zoals celonthechting, membraanschade en verminderde groei. Het vinden van de juiste balans is essentieel, vooral in grootschalige bioreactoren, waar zelfs kleine aanpassingen de productie kunnen beïnvloeden.
Belangrijkste punten:
- Optimale Agitatie: Studies tonen aan dat 60 rpm in roertankreactoren ideaal is voor het balanceren van voedingsstoflevering en schuifspanning.
-
Bioreactor Types:
- Roertank: Effectieve menging maar risico op hoge schuifspanning.
- Wave Bioreactors: Zachte menging, beperkt door zuurstofoverdracht.
- Airlift Systemen: Uniforme menging met lage spanning maar vereisen nauwkeurige controle.
- Beschermende Maatregelen: Additieven zoals Poloxamer 188 en zuurstofvoorziening zonder luchtbellen verminderen celschade.
- Schaaluitdagingen: Grotere systemen verhogen het risico op schuifkrachten, wat nauwkeurige monitoring en CFD-modellering vereist.
Het handhaven van nauwkeurige agitatiecontrole is cruciaal voor het opschalen van de productie van gekweekt vlees terwijl de celintegriteit wordt beschermd.
Hoe Agitatie Celgroei en Overleving Beïnvloedt
Wat Recente Studies Laten Zien
Recent onderzoek heeft specifieke agitatiedrempels geïdentificeerd die de celgroei en overleving beïnvloeden. Bijvoorbeeld, een ABM-CFD-studie met FS-4-cellen op microcarriers in een 100 mL roertankbioreactor toonde aan dat 60 rpm de optimale mengsnelheid is. Bij deze snelheid worden voedingsstoffen en zuurstof gelijkmatig verdeeld, met schuifspanning tussen 0–80 mPa. Echter, het overschrijden van 60 rpm leidt tot celschade en loslating door toegenomen krachten.Bij 220 rpm stijgt het Reynolds-getal van de waaier van 1.444 naar 5.294,7, wat een verschuiving naar turbulente stroming aangeeft. Deze turbulentie genereert wervelingen die kleiner zijn dan de microcarriers, wat schadelijk kan zijn voor de cellen en hun membranen [2].
Een andere studie gericht op mesenchymale stamcellen afgeleid van de menselijke navelstreng benadrukte hoe zelfs lichte verhogingen van de agitatie-intensiteit de adhesiesnelheden aanzienlijk verminderen. Dit toont de hoge gevoeligheid van adherente cellen voor mechanische stress aan [6].
Deze bevindingen benadrukken het belang van het nauwkeurig kalibreren van mengsnelheden, wat een belangrijk gebied van voortdurende verfijning blijft.
De Juiste Mengintensiteit Vinden
De grootste uitdaging is het balanceren van de minimale agitatie snelheid die nodig is om microcarriers te suspenderen (N<sub>js</sub>) zonder de grens van schuifspanning te overschrijden.Voor vleescelen omvatten de ideale omstandigheden een energiedissipatietempo van ongeveer 1 mW·kg⁻¹ en een mengtijd van minder dan 10 seconden [1].
"Het handhaven van een gunstige micro- en macro-omgeving voor cellen zonder ze bloot te stellen aan overmatige mechanische stress door roeren, vereist innovatie en optimalisatie van bioreactorontwerpen en -processen" [2].
Overmatige agitatie kan twee schadelijke effecten hebben: onmiddellijke celdood wanneer stress een kritische drempel overschrijdt, en cumulatieve stress die leidt tot quiescentie. Beide uitkomsten belemmeren de productiviteit. Dit maakt nauwkeurige controle over de intensiteit van agitatie een cruciale factor voor commercieel succes, vooral bij grootschalige productie. In systemen met volumes tot wel 20 m³ kan zelfs minimale agitatie celonthechting veroorzaken, wat de complexiteit van opschaling benadrukt terwijl de cellevensvatbaarheid behouden blijft.
Inleiding tot bioreactoren: Mengen, agitatie & schuifspanning
Bioreactor mengmethoden en hun effecten
Vergelijking van bioreactortypen voor de productie van gekweekt vlees
Vergelijking van verschillende bioreactorsystemen
Het ontwerp van een bioreactor speelt een cruciale rol bij het balanceren van de voedingsstofverdeling en het beheersen van mechanische stress. Elk type bioreactor creëert verschillende mengomstandigheden, die direct van invloed zijn op de overleving en productiviteit van cellen. Het kiezen van het juiste systeem betekent het vinden van een balans tussen efficiënte voedingsstoftoevoer en het minimaliseren van mechanische krachten die de cellen kunnen beschadigen.
Roertankbioreactoren vertrouwen op mechanische roerwerken om de cultuur te mengen. Rushton-roerwerken produceren radiale stromingen, wat leidt tot gelokaliseerde schuifzones, vooral nabij de uiteinden van de roerwerken.In tegenstelling daarmee creëren impellers met schuin blad en marineblad zachtere stromingen, die beter geschikt zijn voor delicate zoogdiercellen. Een studie uitgevoerd in maart 2025 door het State Key Laboratory of Bioreactor Engineering in Shanghai vergeleek de prestaties van CHO-K1 cellen in roertank- en orbitale schudbioreactoren. Het roertanksysteem bereikte 71,6 × 10⁶ cellen/mL bij 520 rpm, terwijl het orbitale schudsysteem 83 × 10⁶ cellen/mL bereikte bij slechts 100 rpm [4].
Wave (rocking) bioreactoren elimineren impellers volledig, door gebruik te maken van een wegwerpzak die op een tray schommelt om zachte golven voor menging te creëren. Deze omgeving met lage schuifkracht is ideaal voor kwetsbare cellijnen. Deze systemen zijn echter afhankelijk van oppervlaktebeluchting, wat de zuurstofoverdracht in hoge-dichtheidsculturen kan beperken. Om effectieve golfvorming te behouden, is het werkvolume beperkt tot 50% van de totale capaciteit van de zak [7].
Airlift-bioreactoren gebruiken pneumatische menging, waarbij gassparging de vloeistof circuleert tussen een stijgbuis en een daalbuis. Zonder interne bewegende delen bieden airliftsystemen een uniforme energiedissipatie en lagere schuifkrachten vergeleken met roertanks. In tegenstelling tot golfbioreactoren bieden airliftdesigns een betere zuurstofoverdracht dankzij hun efficiënte circulatie [7] .
| Bioreactortype | Mengmechanisme | Schuifspanning | Bereikte celdichtheid | Belangrijkste beperking |
|---|---|---|---|---|
| Roertank | Mechanische roerder | Hoog (gelokaliseerd) | 71.6 × 10⁶ cellen/mL | Risico op schade aan de impellerpunt |
| Orbitale Schudding | Rotatie van het vat | Gemiddeld | 83 × 10⁶ cellen/mL | Pieken van schuifspanning |
| Golf (Schommeling) | Horizontale schommeling | Zeer laag | Hoog | Beperkte zuurstofoverdracht |
| Luchtlift | Gasbeluchting | Laag (uniform) | Hoog | Vereist nauwkeurige gasregeling |
"In geroerde tankreactoren... genereert lokale impellermenging grote schuifgradiënten die ervoor zorgen dat cellen mechanische stress ervaren." – Cellexus [7]
Naarmate bioreactoren opschalen, worden de afwegingen tussen mengingsefficiëntie en celbescherming duidelijker.Roersysteemreactoren zijn zeer effectief in het verdelen van voedingsstoffen, maar vereisen zorgvuldige snelheidsaanpassingen om te voorkomen dat cellen beschadigd raken in zones met hoge schuifspanning. Aan de andere kant bieden golf- en luchtliftbioreactoren zachtere menging, waardoor het risico op schuifspanning wordt verminderd, hoewel ze moeite kunnen hebben met zuurstoftoevoer in dichte culturen. Deze vergelijkingen benadrukken de delicate balans die nodig is om grootschalige bioprocessen te optimaliseren terwijl de celintegriteit wordt beschermd.
sbb-itb-ffee270
Vermindering van Schuifspanning en Verbetering van Celgroei
Nieuwe Bioreactorontwerpen en Beschermende Additieven
Het minimaliseren van schuifspanning is essentieel voor het bevorderen van celgroei in de productie van gekweekt vlees. Innovaties in bioreactorontwerp en het gebruik van beschermende additieven hebben de celviabiliteit en mengefficiëntie aanzienlijk verbeterd.Een veelbelovende benadering omvat orbitale geschudde bioreactoren, die vertrouwen op beweging van het vat en oppervlaktebeluchting om de schadelijke schuifkrachten te vermijden die worden veroorzaakt door door een roerwerk aangedreven menging en het barsten van bellen. Deze systemen hebben indrukwekkende resultaten laten zien, met een opbrengst van 83 × 10⁶ cellen/mL, vergeleken met 71.6 × 10⁶ cellen/mL in traditionele roertanksystemen [4] .
In roertanksystemen maakt de geometrie van het roerwerk ook een verschil. Radiale Rushton-roerwerken creëren stromingspatronen die cellen in staat stellen te herstellen in "rustige" zones, waardoor de impact van hoge schuifkrachten wordt verminderd. Zoals onderzoekers van TTP observeerden:
Cellen in radiale Rushton-roerwerkreactoren herstellen tijdens rustige fasen, in tegenstelling tot die in dubbele axiale roerwerksystemen [5].
Voor optimale resultaten in de productie van gekweekt vlees, moet de snelheid van de roerwerkpunt binnen 0.6–1.8 m/s wordt aanbevolen om de celgroei te beschermen [9] .
Beschermende additieven zoals Poloxamer 188 (Pluronic F-68) spelen een sleutelrol door de oppervlaktespanning aan het gas-vloeistofgrensvlak te verminderen, waardoor cellen worden beschermd tegen schade tijdens de vorming en het barsten van bellen. De ideale concentratie voor Poloxamer 188 is 1 g/L, aangezien hogere hoeveelheden weinig extra voordeel bieden [9]. Voor adherente cellen die op microcarriers worden gekweekt, kan een intermitterend roerregime de resultaten verder verbeteren. Bijvoorbeeld, het gebruik van een patroon van 30 minuten UIT en 5 minuten AAN tijdens de zaadfase bevordert de overdracht van kraal tot kraal terwijl hydrodynamische stress wordt geminimaliseerd. Deze aanpak heeft het mogelijk gemaakt dat runder-satellietcellen dichtheden bereiken van 3 × 10⁶ cellen/mL [3] .
Naast deze ontwerp- en additieve strategieën kan het verbeteren van de zuurstoftoevoer de schuifspanning verder verminderen.
Gebruik van Bubbelvrije Zuurstofvoorziening
Bubbelvrije zuurstofvoorziening biedt een andere effectieve manier om cellen te beschermen tegen schuifschade. Het barsten van bellen aan het gas-vloeistofgrensvlak kan energiedissipatietarieven genereren tot wel 10⁶ tot 10⁸ W/m³, wat ver boven de sublethale drempel van 10⁴ W/m³ ligt die de meeste zoogdiercellen kunnen verdragen [9] . Door bellen te elimineren, helpt deze methode om hoogdichtheidsculturen te beschermen.
Oppervlaktebeluchting, vaak gebruikt in orbitale schud- en schommelbioreactoren, is bijzonder effectief in het verminderen van schuifkrachten.Zoals benadrukt in een recente studie:
OSB's maken gebruik van de beweging van het vatlichaam en oppervlaktebeluchting om effectief schuurbeschadiging veroorzaakt door traditionele roerbladen en belvorming of -breuk te verminderen [4].
Schommelende bioreactoren tonen ook potentieel voor de productie van gekweekt vlees. Ze bieden voordelen zoals wegwerpbaarheid, lage operationele kosten en een zachte hydrodynamische omgeving [8].
Echter, oppervlaktebeluchting kent uitdagingen bij zeer hoge celdichtheden. Bijvoorbeeld, een orbitale schudbioreactor behaalde een zuurstofmassatransfercoëfficiënt (kLa) van 20.12 h⁻¹ bij 100 rpm, theoretisch ondersteunend tot celdichtheden van 118 × 10⁶ cellen/mL.In de praktijk, echter, als de celdichtheid 80 × 10⁶ cellen/mL overschrijdt, neemt de viscositeit van de suspensie toe, wat leidt tot niet-Newtoniaans, shear-thinning gedrag dat de zuurstofoverdrachtsefficiëntie vermindert. Dit benadrukt de noodzaak van zorgvuldige optimalisatie naarmate de celdichtheden toenemen.
Beheersing van Agitatie voor Grootschalige Productie
Aanpassen van Mengsnelheden en Monitoringsystemen
In grootschalige systemen is het cruciaal om nauwkeurige controle over agitatie te behouden. Voor de eerste 24 uur wordt aanbevolen om de mengsnelheden tussen 30–50 rpm te houden om de celhechting aan microcarriers te optimaliseren [6] . Een studie van East China University of Science and Technology in juni 2022 benadrukt het belang van deze aanpak: bij 45 rpm bereikten menselijke mesenchymale stamcellen afgeleid van de navelstreng een 98.68% nalevingspercentage op Dag 1, terwijl het verhogen van de snelheid tot 55 rpm ervoor zorgde dat de nalevingspercentages kelderden naar 51,32% [6] .
Na de hechtingsfase moet de agitatie iets boven de net-gesuspendeerde snelheid (N₍JS₎) liggen om celklontering te voorkomen. Onderzoek toont aan dat het handhaven van een agitatie-intensiteit nabij 1,3 × N₍JS₎ celgroei ondersteunt, terwijl het overschrijden hiervan tot 2 × N₍JS₎ de groei belemmert door verminderde hechtingsefficiëntie [10] .
Continue monitoring is cruciaal, gezien de smalle operationele marges. Systemen zoals de BioStar 1.5c bioreactor gebruiken geavanceerde software om agitatie en gasstroom aan te passen op basis van realtime feedback van opgeloste zuurstof (DO) en pH-sondes [6].Optische DO-sensoren spelen hier een cruciale rol, door de precisie te bieden die nodig is om de agitatie alleen bij te stellen wanneer de DO-niveaus onder een ingestelde drempelwaarde dalen - meestal rond 40% - waardoor de schuifspanning wordt geminimaliseerd [7] [6]. Het team in Oost-China paste deze methode toe met behulp van Mettler Toledo sondes, waarbij de DO op 40% en de pH op 7,2 werd gehouden. Deze aanpak resulteerde in een maximale celdichtheid van 27,3 × 10⁵ cellen/mL, een verbetering van 2,9 keer ten opzichte van standaard batchcultuurtechnieken [6].
Bij opschaling zijn computationele vloeistofdynamica (CFD) modellen van onschatbare waarde voor het bepalen van de optimale roersnelheid om microcarriers te suspenderen zonder de schuiflimieten te overschrijden [10][6]. In plaats van simpelweg het aantal omwentelingen per minuut tussen vaten te matchen, suggereert CFD-analyse om de volume-gemiddelde schuifvervormingssnelheid tussen reactoren op elkaar af te stemmen. Dit zorgt ervoor dat de hydrodynamische omgeving in een grotere bioreactor - zoals opschaling van een 200 mL spinnerfles naar een 1,5 L bioreactor - bevorderlijk blijft voor celgroei [6].
Deze strategieën benadrukken het belang van nauwkeurige controle en monitoring bij de overgang naar geavanceerde bioreactorsystemen.
Gespecialiseerde Apparatuur Vinden Via Cellbase
Het vinden van de juiste apparatuur voor de productie van gekweekt vlees kan lastig zijn. Standaard laboratoriumleveringsplatforms voldoen vaak niet aan de specifieke behoeften van dit vakgebied, zoals lage-shear roerwerken of optische opgeloste zuurstofsensoren die zijn afgestemd op hoge-dichtheid zoogdiercelculturen. Dit is waar
Als de eerste toegewijde B2B-marktplaats voor de gekweekte vleesindustrie,
Of u nu uw monitoringsystemen aan het upgraden bent of gespecialiseerde componenten aan het inkopen bent, platforms zoals
Conclusie
Het vinden van de juiste balans tussen zuurstof- en voedingsstoffentoediening, terwijl schadelijke schuifspanning wordt vermeden, is essentieel voor het optimaliseren van agitatie in bioreactoren voor gekweekt vlees. Onderzoek toont aan dat dit kan worden bereikt door de juiste bioreactorontwerpen te kiezen, mengsnelheden fijn af te stemmen en beschermende strategieën te gebruiken.
Technieken zoals intermitterend roeren, radiale Rushton-impellers en realtime aanpassingen die worden gecontroleerd via CFD (Computational Fluid Dynamics) spelen een grote rol bij het zorgen dat cellen goed herstellen en gestaag groeien. Naarmate de productie opschaalt van laboratoriumflessen naar industriële volumes, wordt het begrijpen van niet-Newtoniaans vloeistofgedrag en het handhaven van consistente Kolmogorov-lengteschalen cruciaal om mechanische schade te voorkomen. Deze vooruitgangen maken het gemakkelijker om cellen te beschermen en schaalinspanningen te vereenvoudigen.
Platforms zoals
Veelgestelde Vragen
Welke problemen kan overmatige agitatie veroorzaken in bioreactoren voor gekweekt vlees?
Overmatige agitatie in bioreactoren kan een serieus probleem zijn voor de productie van gekweekt vlees, omdat het de celgroei en overleving negatief kan beïnvloeden. Hevig mengen creëert hoge schuifspanning, wat schadelijk kan zijn voor delicate dierlijke cellen. Dit soort mechanische stress kan leiden tot schade aan de celmembranen, verminderde levensvatbaarheid en zelfs belemmerde weefselontwikkeling.
Om deze uitdagingen te voorkomen, is het cruciaal om de agitatiesparameters nauwkeurig af te stemmen.Het doel is om een balans te vinden tussen efficiënte overdracht van voedingsstoffen en zuurstof, terwijl mechanische stress wordt geminimaliseerd. Belangrijke factoren zoals het ontwerp van de roerder, de mengsnelheid en de geometrie van de bioreactor moeten zorgvuldig worden aangepast om gezonde, productieve cellen gedurende het kweekproces te behouden.
Hoe beïnvloedt de keuze van de bioreactor de celgroei en levensvatbaarheid in de productie van gekweekt vlees?
De keuze van de bioreactor in de productie van gekweekt vlees is cruciaal, omdat het direct invloed heeft op de celgroei en gezondheid door factoren zoals mengingsefficiëntie, zuurstofoverdracht en schuifspanning te beïnvloeden.
Roertankbioreactoren zijn een populaire optie voor grootschalige productie omdat ze nauwkeurige controle over deze omstandigheden bieden. Ze kunnen echter ook schuifkrachten produceren die kwetsbare cellen kunnen beschadigen, waardoor het essentieel is om het ontwerp van de roerder en de bedrijfsparameters fijn af te stemmen om schade te minimaliseren.
Andere ontwerpen, zoals luchtliftbioreactoren, zijn eenvoudiger en verbruiken minder energie. Maar ze bieden mogelijk niet hetzelfde niveau van controle over het mengen, wat de celgroei kan beïnvloeden. Aan de andere kant bootsen holle-vezelbioreactoren bloedvaten na om hoge celdichtheden te ondersteunen, hoewel het opschalen ervan een uitdaging kan zijn.
Het selecteren van de juiste bioreactor komt neer op het vinden van de juiste balans tussen factoren zoals schaalbaarheid, kosten en de specifieke behoeften van de cellen om ervoor te zorgen dat ze effectief groeien en gedijen voor de productie van gekweekt vlees.
Hoe kan schuifspanning worden verminderd tijdens grootschalige productie van gekweekt vlees?
Het minimaliseren van schuifspanning in grootschalige productie van gekweekt vlees vereist zorgvuldige aanpassingen aan het ontwerp en de werking van de bioreactor. Factoren zoals het type roerder, de vorm van de reactor en de menginstellingen spelen een cruciale rol.Bijvoorbeeld, het verlagen van de snelheid van de impellerpunten of het kiezen voor specifieke impellerontwerpen kan de schuifkrachten verminderen terwijl toch een goede menging en zuurstoftoevoer behouden blijft, wat cruciaal is voor celgroei.
Een ander nuttig hulpmiddel in dit proces is computational fluid dynamics (CFD). CFD-simulaties stellen ingenieurs in staat om stromingspatronen en schuifverdeling in detail te bestuderen, waardoor ze weloverwogen ontwerpaanpassingen kunnen maken. Bovendien bieden schommelende of golfgemengde bioreactoren een zachter alternatief voor traditionele roertank-systemen, omdat ze van nature lagere schuifkrachten produceren. Het integreren van realtime monitoring met geavanceerde sensoren en voorspellende regelalgoritmen kan verder helpen om de schuifspanning binnen veilige grenzen te houden, wat zorgt voor een soepeler productieproces.
