Het opschalen van bioreactoren voor de productie van gekweekt vlees is complex, vooral bij het beheren van schuifspanning, een mechanische kracht die zoogdiercellen kan beschadigen tijdens opschaling. In tegenstelling tot microbiële cellen zijn zoogdiercellen kwetsbaar en gevoelig voor turbulentie en beluchtingskrachten. Wanneer de schuifspanning 3 Pa overschrijdt, kunnen cellen scheuren, wat de levensvatbaarheid en productiviteit vermindert.
Om deze uitdagingen aan te pakken, vertrouwen ingenieurs op Computational Fluid Dynamics (CFD) en scale-down modellen om schuifspanning te voorspellen en te beheren voordat de productie op volledige schaal plaatsvindt. CFD analyseert stromingspatronen, schuifzones en mengefficiëntie in bioreactoren, terwijl scale-down modellen deze voorspellingen experimenteel valideren, waardoor risico's tijdens opschaling worden geminimaliseerd.
Belangrijkste punten:
- Limieten voor schuifspanning: Zoogdiercellen verdragen tot 3 Pa; overschrijding hiervan beschadigt cellen.
- CFD Tools: Geavanceerde methoden zoals Large Eddy Simulations (LES) en Lattice-Boltzmann simulaties (LB-LES) maken nauwkeurige modellering van stroming en turbulentie mogelijk.
- Scale-Down Modellen: Deze repliceren grote bioreactoromstandigheden in kleinere opstellingen om CFD-voorspellingen te valideren.
-
Ontwerp Overwegingen:
- Gebruik schuinbladige roerwerken voor lagere schuifspanning.
- Houd Kolmogorov wervellengtes boven 20 μm om celschade te voorkomen.
- Houd de roerwerktipsnelheden onder 1,5 m/s.
Door CFD-inzichten te combineren met experimentele validatie, kunnen teams bioreactorontwerpen optimaliseren voor de productie van gekweekt vlees, waarbij celoverleving en efficiënte opschaling worden gewaarborgd.
CFD Kompas | Beste Praktijken voor Bioreactor CFD
Het Gebruik van Computational Fluid Dynamics (CFD) om Schuifspanning te Modelleren
CFD Benaderingen en Belangrijke Parameters voor Verschillende Bioreactortypen in de Productie van Gekweekt Vlees
CFD-simulaties geven ingenieurs de tools om stromingsdynamica en schuifkrachten binnen bioreactoren in kaart te brengen voordat ze fysiek worden gebouwd. In plaats van te vertrouwen op trial-and-error methoden op productieschaal, helpt CFD bij het voorspellen van kritieke factoren zoals hoge-schuifzones, turbulente wervelingen en cellevensvatbaarheid in specifieke delen van het vat. Dit is vooral belangrijk in de productie van gekweekt vlees, waar bioreactorschalen uiteindelijk 200.000 liter kunnen bereiken - veel groter dan traditionele biofarmaceutische vaten [8]. Deze voorspellende inzichten sturen schaal-down experimenten en beïnvloeden de selectie van apparatuur.
De evolutie van computationele technieken is opmerkelijk geweest. Terwijl Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) modellen, zoals k-ε, nog steeds veel gebruikt worden in de industrie, duwen geavanceerde methoden zoals Large Eddy Simulations (LES) en GPU-aangedreven Lattice-Boltzmann simulaties (LB-LES) de grenzen. Volgens Professor Miroslav Soos van de Universiteit voor Chemie en Technologie Praag, kunnen GPU-gebaseerde LB-LES modellen "100 tot 1.000 keer sneller oplossen dan de veelgebruikte eindige volumemethode-oplossers" [2]. Dit snelheidsvoordeel stelt ingenieurs in staat om massieve vaten te simuleren met de precisie die nodig is om celbeschadigende wervelingen te detecteren.
Een praktisch voorbeeld van de mogelijkheden van CFD komt van onderzoekers bij Regeneron Ireland DAC en Thermo Fisher Scientific. Zij hebben met succes een celkweekproces opgeschaald van een 2.000-liter bioreactor naar een geometrisch verschillende 5.000-liter single-use bioreactor.In plaats van te vertrouwen op empirische heuristieken, gebruikten ze CFD om parameters zoals massatransfersnelheden, mengtijden en schuifsnelheden te analyseren. Deze benadering maakte een succesvolle opschaling bij de eerste poging mogelijk, waardoor de kostbare mislukkingen die vaak gepaard gaan met opschaling op basis van het vermogen-per-volume-verhouding werden vermeden [5].
CFD instellen voor geroerde tankbioreactoren
Om CFD in te stellen voor geroerde tankbioreactoren, begint u met het definiëren van de vatgeometrie - dit omvat tankafmetingen, roerderontwerp (e.g., Rushton of schuinblad), en de plaatsing van schotten. Het kiezen van het juiste turbulentie model is cruciaal: het realiseerbare k-ε model werkt goed voor gas-vloeistofsystemen, terwijl LB-LES een hogere resolutie biedt voor het identificeren van piekspanningen die schadelijk kunnen zijn voor cellen. Een roosterconvergentie studie zorgt ervoor dat de resultaten niet afhankelijk zijn van de maaswijdte.
Randvoorwaarden moeten de operationele parameters uit de echte wereld weerspiegelen, zoals de snelheid van de waaier, gasbeluchtingssnelheden, vloeistofdichtheid en viscositeit. Voor toepassingen in gekweekt vlees worden vaak conservatieve belweerstandsmodellen gebruikt om de schuifspanning te schatten [8]. Het systeem moet werken in een volledig turbulente regime, met Reynolds-getallen boven de 10.000 om ervoor te zorgen dat het vermogensgetal consistent blijft, ongeacht de snelheid van de waaier [1].
CFD-voorspellingen voor zuurstofoverdracht, mengtijden en hydrodynamische stress moeten overeenkomen met experimentele gegevens verzameld met behulp van schuifgevoelige microprobes of nanopartikelaggregaten [2]. Bijvoorbeeld, een wiskundig massatransfermodel leidde de directe opschaling van een CHO-celcultuurproces van een 2-liter bench-top eenheid naar een 1.500-liter industriële bioreactor bij Sartorius.Door CFD te gebruiken om de zuurstofvraag en CO₂-verwijdering te voorspellen, handhaafde het team consistente productkwaliteitskenmerken - zoals N-glycanen en ladingsvarianten - over verschillende schalen [6].
CFD voor Andere Bioreactortypen
Hoewel roertanks de industriële celkweek domineren, vereisen andere bioreactorontwerpen op maat gemaakte CFD-benaderingen. Bijvoorbeeld, schommelende of golfbioreactoren vertrouwen op de Volume of Fluid (VOF) methode om het gas-vloeistof grensvlak te simuleren, aangezien golfbeweging schuifspanning in deze systemen aandrijft. Deze ontwerpen creëren veel zachtere schuifomgevingen - de maximale spanning is ongeveer 0,01 Pa vergeleken met roertanks - maar hun schaalbaarheid is beperkt voor grootschalige productie van gekweekt vlees [4].
Holle-vezel bioreactoren daarentegen gebruiken poreuze mediamodellen gebaseerd op Brinkman-vergelijkingen om nutriëntendiffusie en stromingsweerstand door membranen te simuleren. Fluidised bed-systemen vereisen Euler-Lagrange-modellen om de interacties tussen deeltjes en vloeistof en de beduitbreiding vast te leggen, terwijl airlift-bioreactoren Euler-Euler-methoden gebruiken om door bellen veroorzaakte turbulentie en gasopslag te analyseren [4]. Elk ontwerp brengt unieke uitdagingen met zich mee: gefluïdiseerde bedden moeten de verdeling van microcarriers in evenwicht brengen met blootstelling aan schuifspanning, terwijl airlift-systemen de spanningen moeten beheersen die worden veroorzaakt door barstende bellen, een belangrijke oorzaak van celdood in beluchte bioreactoren [1] [7].
Het begrijpen van deze CFD-benaderingen is essentieel voor het beheersen van schuifspanning in verschillende bioreactorontwerpen die worden gebruikt bij de productie van gekweekt vlees.
| Bioreactor Type | CFD Benadering | Belangrijke Overweging |
|---|---|---|
| Geroerde Tank | RANS (SST), LES, LB-LES | Energiedissipatie in de waaierzone (εMax) |
| Golf/Schommeling | Volume of Fluid (VOF) | Volgen van het gas-vloeistof grensvlak |
| Holle Vezel | Porous Media (Brinkman) | Voedingsstroom en membraanweerstand |
| Gefluïdiseerd Bed | Euler-Lagrange | Interactie tussen deeltjes en vloeistof, beduitbreiding |
| Airlift | Euler-Euler | Turbulentie door bellen en gasopslag |
Deze gevarieerde CFD-methoden benadrukken de noodzaak van aangepaste strategieën, die een cruciale rol spelen bij de selectie van apparatuur en het beheer van schuifspanning.
Schaalmodellen en Experimentele Validatie
Hoewel Computational Fluid Dynamics (CFD) waardevolle voorspellingen biedt, kan het de noodzaak van testen in de echte wereld bij het opschalen van processen niet vervangen. Experimentele validatie speelt een cruciale rol bij het waarborgen dat computationele modellen de reële schuifspanningsomstandigheden nauwkeurig weergeven. Hier komen schaalmodellen in beeld, die de hydrodynamische omgeving van grote productiebioreactoren nabootsen in kleinere, gemakkelijker te beheren systemen. Op deze manier verminderen ze het risico op kostbare fouten bij de overgang van kleinschalige naar industriële operaties. Deze stap bevestigt niet alleen CFD-voorspellingen, maar zorgt ook voor een betrouwbaarder en effectiever opschalingsproces.
Het Creëren van Schaalmodellen
Het ontwerpen van een schaalmodel begint met het behouden van geometrische gelijkenis.Dit betekent dat dezelfde verhoudingen tussen belangrijke componenten behouden blijven, zoals de verhouding tussen de hoogte en diameter van het vat en de diameter van de roerder ten opzichte van de diameter van de tank [11]. Zodra de geometrie is uitgelijnd, selecteren ingenieurs een schaalcriterium. Veelvoorkomende keuzes zijn vermogen per volume (P/V), roerdertipsnelheid of energiedissipatietempo (EDR). Echter, het focussen op gelokaliseerde EDR in plaats van gemiddelde P/V biedt een beter begrip van schuifheterogeniteit, wat cruciaal is voor nauwkeurige modellering.
Een meer geavanceerde benadering omvat multi-compartiment simulators. Bijvoorbeeld, in februari 2021 ontwikkelden Emmanuel Anane en zijn team een tweevoudige schaal-down simulator die een geroerde tankreactor (STR) en een plug-flow reactor (PFR) combineert. Dit model werd gebruikt om te bestuderen hoe CHO-cellen reageren op opgeloste zuurstofgradiënten. Hun onderzoek onthulde een kritische verblijftijd drempel van 90 seconden.Voorbij dit punt vertoonden CHO-cellen een daling van 15% in de levensvatbare celdichtheid en een toename in lactaataccumulatie [10]. Deze bevinding biedt een duidelijke maatstaf voor het ontwerpen van industriële bioreactoren die de celviabiliteit behouden.
Om de celgroei te beschermen, streven ingenieurs er vaak naar om de snelheid van de impellerpunt onder 1,5 m/s te houden [1]. Bovendien moet de Kolmogorov microeddy-lengte - een maat voor turbulentie - groter zijn dan de grootte van de cellen, typisch 20 μm of meer voor zoogdiercellen, om hydrodynamische schade te voorkomen [1][3]. Bijvoorbeeld, bij een energie-invoer van 0,1 W/kg in dierlijke celculturen zijn de kleinste wervelingen ongeveer 60 μm, wat een veilige buffer biedt [3].
Validatie van CFD-voorspellingen door experimenten
Zodra er een schaalmodel is opgesteld, zijn experimentele methoden essentieel voor het valideren van de parameters die zijn afgeleid van CFD. Particle Image Velocimetry (PIV) is een veelgebruikte techniek voor dit doel. Door deeltjes in de vloeistof te volgen, helpt PIV te bevestigen of de stromingspatronen en snelheidsvelden in het schaalmodel overeenkomen met de CFD-voorspellingen [12][4].
Tracerinjectie en ontkleuringsmethoden worden ook gebruikt om mengtijden te valideren. In dit proces worden tracers zoals zuren, basen of zoutoplossingen in de buurt van de roerder geïntroduceerd en hun distributie wordt gevolgd totdat 95% homogeniteit is bereikt [12][3]. Voor grootschalige zoogdiercelbioreactoren (5.000 L tot 20.000 L) variëren de mengtijden doorgaans van 80 tot 180 seconden [10].
In maart 2020 hebben James Scully en zijn team bij Regeneron Ireland DAC met succes een celkweekproces opgeschaald van een 2.000 L bioreactor naar een 5.000 L single-use bioreactor met een andere geometrie. Ze vertrouwden op CFD om belangrijke parameters zoals massatransfersnelheden, mengtijden en schuifsnelheden te voorspellen. Deze voorspellingen werden vervolgens gevalideerd door middel van experimenten met één fase en meerfasen, waardoor een succesvolle eerste poging tot opschaling mogelijk werd zonder de noodzaak van grootschalige pilootruns [5].
"CFD-simulaties worden steeds vaker gebruikt om klassieke procesengineeringonderzoeken in het laboratorium aan te vullen met ruimtelijk en temporeel opgeloste resultaten, of zelfs te vervangen wanneer laboratoriumonderzoeken niet mogelijk zijn." - Stefan Seidel, School of Life Sciences, ZHAW [12]
Aanvullende validatietechnieken omvatten koppelmeting om specifieke vermogensinvoer (P/V) en dimensieloze vermogensgetallen bij specifieke roersnelheden te bevestigen [12][3]. Zuurstofoverdrachtssnelheden worden geverifieerd met methoden zoals de uitgastechniek of sulfiettechniek, die de volumetrische zuurstofmassatransfercoëfficiënt (kLa) bepalen [12][7]. Voor systemen die microcarriers gebruiken, worden lichtverzwakkings- of cameragebaseerde methoden toegepast om de minimale snelheid te vinden die nodig is om alle deeltjes te suspenderen, zodat CFD-voorspellingen van de vaste-faseverdeling nauwkeurig zijn [12][4].
sbb-itb-ffee270
Factoren die de schuifspanning in bioreactoren beïnvloeden
Om de levensvatbaarheid van cellen tijdens opschaling te beschermen, is het begrijpen van de fysieke factoren die schuifspanning veroorzaken cruciaal. Voorspellingen met Computational Fluid Dynamics (CFD) en schaalverkleiningsvalidaties onthullen dat de energiedissipatietempo (EDR) een sleutelrol speelt. EDR meet hoe de kinetische energie van de roerder wordt omgezet in warmte, wat leidt tot een ongelijke energiedistributie. Bijvoorbeeld, in roerders met schuine bladen, neigt energie zich te concentreren rond de roerder, waardoor zones van hoge schuifspanning ontstaan die cellen kunnen beschadigen als ze niet goed worden beheerd.
Roerderontwerp en vermogensinvoer
Het type roerder dat wordt gebruikt, beïnvloedt aanzienlijk de stromingspatronen en de intensiteit van de schuifspanning. Rushton-turbines genereren bijvoorbeeld radiale stroming en hoge schuifspanning, waardoor ze ideaal zijn voor microbiële fermentatie, maar minder geschikt voor shear-gevoelige zoogdiercellen.Aan de andere kant creëren pitched-blade impellers axiale stroming met lagere shear en betere pompefficiëntie bij dezelfde vermogensinvoer. Dit maakt ze de voorkeurskeuze voor toepassingen zoals de productie van gekweekt vlees, waar de levensvatbaarheid van cellen een prioriteit is.
| Type Impeller | Stroompatroon | Vermogensgetal (Nₚ) | Shearniveau | Primaire Toepassing |
|---|---|---|---|---|
| Rushton Turbine | Radiaal | ~5.0 | Hoog | Microbiële fermentatie; gasdispersie[3] |
| Pitched-Blade | Axiaal | ~1.0 | Laag tot Matig | Mammalencelcultuur; suspensie van vaste stoffen [3] |
Schaalstrategieën zijn vaak afhankelijk van het handhaven van een constante vermogensinvoer per volume (P/V). Echter, naarmate de reactor groter wordt, kan dit leiden tot hogere omtreksnelheden van de roerder. Voor mammalencellen moeten de omtreksnelheden onder 1,5 m/s blijven om groeiproblemen te voorkomen [1]. In grootschalige reactoren kan beluchting nog meer hydrodynamische stress veroorzaken dan roerders, vooral in vaten die groter zijn dan 20 m³ [9]. Deze factoren zijn nauw verbonden met turbulentie, wat verder wordt onderzocht in de bespreking van de Kolmogorov-schaal.
Kolmogorov-schaal en Turbulentiemodellering
De Kolmogorov-schaal (λ) definieert de grootte van de kleinste turbulente wervelingen waar energie als warmte wordt gedissipeerd.Als deze wervelingen kleiner zijn dan de cel diameter, wordt mechanische schade een zorg. Voor zoogdiercellen, die typisch 15–20 μm groot zijn, moet de wervellengte meer dan 20 μm zijn om schade te voorkomen [1][3]. Bijvoorbeeld, bij een energie-invoer van 0,1 W/kg is de Kolmogorov werveldiameter ongeveer 60 μm, wat een veilige buffer biedt [3].
"Als biologische entiteiten (e.g., zoogdiercellen) kleiner zijn dan λ [Kolmogorov schaal] in een bioreactor, dan zal schuifschade aan dergelijke entiteiten niet optreden." - Muhammad Arshad Chaudhry [3]
In augustus 2024 gebruikten onderzoekers van Boehringer Ingelheim Pharma en de Universiteit voor Chemie en Technologie Praag Lattice-Boltzmann Large Eddy Simulations (LB-LES) om CFD-voorspellingen te valideren in een industriële bioreactor van 12.500 L.Door gebruik te maken van shear-gevoelige nanopartikelaggregaten, maten ze maximale hydrodynamische stress en toonden ze aan dat LB-LES turbulente schalen kon oplossen 100–1.000 keer sneller dan traditionele methoden [2]. Deze bevindingen zijn instrumenteel bij het ontwikkelen van strategieën om shear-stress te minimaliseren.
Shear-stress verminderen met behulp van modelleringsgegevens
CFD-modellering stelt ingenieurs in staat om zones met hoge shear te identificeren en de bedrijfsomstandigheden dienovereenkomstig aan te passen. Een effectieve benadering is het introduceren van substraten, pH-bases of antischuimmiddelen nabij de roerzone in plaats van aan het vloeistofoppervlak. Dit zorgt voor een snelle distributie en minimaliseert lokale concentratiegradiënten [3]. In de productie van gekweekt vlees kan overmatige shear cellen van microcarriers losmaken, terwijl onvoldoende agitatie leidt tot het bezinken van microcarriers en onevenwichtigheden in voedingsstoffen [9].
Beschermende additieven zoals Pluronic F-68 (Poloxamer 188) worden vaak gebruikt om cellen te beschermen tegen schuifkrachten, met name die veroorzaakt door het barsten van bellen aan het vloeistofoppervlak - een belangrijke oorzaak van celdood in bioreactoren [1]. Met deze oppervlakteactieve stoffen zijn energie-invoeren tot wel 100.000 W/m³ gerapporteerd zonder dodelijke effecten [1]. Bovendien helpt het houden van de gassnelheid bij de spargeropening onder 30 m/s om productiviteitsverliezen en celdood te verminderen [1].
Apparatuur vinden voor opschaling van bioreactoren
Hoe Cellbase de aanschaf van bioreactoren ondersteunt
Het opschalen van bioreactoren voor de productie van gekweekt vlees brengt zijn eigen uitdagingen met zich mee. Dit is waar
Bij het gebruik van
Succesvolle opschaling van de bioreactoren die binnen de biofarmaceutische industrie worden gebruikt, speelt een grote rol in de kwaliteit en de tijd tot marktintroductie van deze producten [5].
Door gebruik te maken van CFD-ondersteunde gegevens, kunnen teams de selectie van apparatuur stroomlijnen en de noodzaak van herhaalde proefruns minimaliseren [5]. Deze inzichten zijn cruciaal voor het kiezen van bioreactoren die zijn ontworpen met optimaal beheer van schuifspanning in gedachten.
Apparatuur kiezen voor beheersing van schuifspanning
Om schuifspanning effectief te beheersen, zijn bepaalde specificaties van apparatuur bijzonder belangrijk. De geometrie van de roerder is een belangrijke factor. Bijvoorbeeld, roerders met schuin geplaatste bladen genereren axiale stroming met een vermogensgetal (Np) van ongeveer 1,0, terwijl Rushton-turbines een veel hoger Np van rond de 5,0 hebben.Dit betekent dat ontwerpen met gekantelde bladen aanzienlijk minder vermogen produceren en daardoor minder schuifkracht bij dezelfde rotatiesnelheid [3]. Voor toepassingen met zoogdiercellen die worden gebruikt in gekweekt vlees, is het essentieel om de snelheid van de impellerpunt onder 1,5 m/s te houden om celschade te voorkomen [1].
Spargerconfiguratie is een andere kritische overweging. Om overmatige schuifkracht te voorkomen, moet de apparatuur ervoor zorgen dat de gassnelheid bij de spargeropening onder 30 m/s blijft en het Reynoldsgetal van de opening onder 2.000 blijft. Het overschrijden van deze drempels kan leiden tot het "jetting regime", waarbij bellen ongelijkmatig verspreiden en gelokaliseerde schuifzones creëren [1]. Spargers met geboorde gaten of open pijpen zijn beter geschikt voor schuifgevoelige cellen in vergelijking met microspargers. Bovendien moet de apparatuur schaal-down compatibiliteit ondersteunen. Leveranciers die tafelmodellen aanbieden (e.g., 3 L-systemen) die geometrisch vergelijkbaar zijn met grootschalige systemen (2.000 L of meer) stellen teams in staat om CFD-voorspellingen op kleinere schaal te valideren voordat ze overgaan tot grootschalige productie [1][2].
Conclusie
Het opschalen van bioreactoren voor de productie van gekweekt vlees vereist het loslaten van traditionele trial-and-error methoden en het omarmen van modelgestuurde strategieën om lokale schuifverschillen aan te pakken. Computational Fluid Dynamics (CFD) is een belangrijk hulpmiddel geworden in dit proces, waardoor ingenieurs hydrodynamische omgevingen kunnen voorspellen en schuifzones kunnen visualiseren buiten eenvoudige vermogen-per-volume verhoudingen [1]. Door zich te houden aan kritische parameters - zoals het houden van Kolmogorov wervellengtes boven 20 μm en impeller-tipsnelheden onder 1,5 m/s - kunnen ingenieurs zoogdiercellen beschermen tegen schuifschade en tegelijkertijd zorgen voor een goede menging en zuurstofoverdracht [1].
Geavanceerde computationele methoden, zoals Large Eddy Simulation (LES) en Lattice-Boltzmann technieken, hebben hun effectiviteit aangetoond bij het opschalen van processen. Bijvoorbeeld, in maart 2020 heeft Regeneron Ireland DAC met succes een celkweekproces opgeschaald van een 2.000 L bioreactor naar een geometrisch verschillend 5.000 L single-use systeem bij de eerste poging. Dit werd bereikt met behulp van multiparameter CFD-voorspellingen, waardoor de noodzaak voor uitgebreide fysieke proeven werd geëlimineerd [5]. Deze "first-time-right" strategie vermindert niet alleen de risico's op besmetting, maar verkort ook de tijd tot de markt - cruciaal voor de sector van gekweekt vlees.
Experimentele validatiemethoden, zoals Particle Image Velocimetry (PIV), bevestigen verder de nauwkeurigheid van CFD-modellen [2]. Deze gevalideerde modellen spelen nu een cruciale rol in inkoopbeslissingen.Bedrijven zoals
Veelgestelde Vragen
Hoe ondersteunt Computational Fluid Dynamics (CFD) de opschaling van bioreactoren voor de productie van gekweekt vlees?
Computational Fluid Dynamics (CFD) is een game-changer als het gaat om het opschalen van bioreactoren voor gekweekt vlees. Het biedt een diepgaand inzicht in stroomdynamica, schuifspanning, mengings efficiëntie, en massatransfersnelheden - allemaal kritische factoren voor het creëren van de ideale omgeving voor celgroei.
Met CFD kunnen ingenieurs essentiële elementen optimaliseren zoals het ontwerp van de waaier, de roersnelheid en gasinjectie. Dit zorgt ervoor dat de bioreactoren onder de best mogelijke omstandigheden werken, waardoor zowel de gezondheid van de cellen als de productiviteit wordt beschermd.
Bovendien maakt CFD het mogelijk om van kleine laboratoriumopstellingen naar grote industriële bioreactoren te gaan zonder in te boeten op efficiëntie of consistentie. Dit betekent dat de productie van gekweekt vlees soepel kan opschalen terwijl hoge standaarden worden gehandhaafd.
Wat maakt Large Eddy Simulations (LES) beter dan traditionele methoden voor bioreactormodellering?
Large Eddy Simulations (LES) bieden een dieper en nauwkeuriger inzicht in turbulente stroming binnen bioreactoren vergeleken met traditionele methoden zoals Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS).Door zich te concentreren op grootschalige wervelingen en alleen de kleinste dissipatieve bewegingen te modelleren, kan LES kritieke schuifspanningshotspots identificeren, zoals door vortex veroorzaakte hoge-schuifzones, die anders over het hoofd zouden worden gezien. Dit detailniveau speelt een cruciale rol bij het verminderen van celschade en het waarborgen van grotere betrouwbaarheid bij het opschalen van de productie van gekweekt vlees.
In tegenstelling tot methoden die sterk afhankelijk zijn van empirische correlaties, biedt LES sterkere voorspellende mogelijkheden bij de overgang van laboratoriumschaal naar industriële bioreactoren. Vooruitgang in computationele technieken heeft LES ook toegankelijker gemaakt, waardoor gedetailleerde simulaties mogelijk zijn zonder de noodzaak van prohibitieve computationele middelen. Voor bedrijven die LES-gedreven ontwerpen willen integreren,
Waarom is het belangrijk om Kolmogorov-wervellengtes boven de 20 µm te houden voor de levensvatbaarheid van zoogdiercellen?
Het handhaven van Kolmogorov-wervellengtes boven ongeveer 20 µm is cruciaal voor het beschermen van zoogdiercellen tijdens bioreactoroperaties. Wanneer deze turbulente wervels kleiner worden dan de grootte van de cellen, kunnen ze de cellen blootstellen aan overmatige schuifspanning, wat het risico met zich meebrengt dat hun membranen beschadigd raken en de levensvatbaarheid van de cellen afneemt.
Door de kleinste turbulente structuren groter te houden dan de cellen, wordt de kans op mechanische schade verminderd. Dit bevordert niet alleen gezondere celculturen, maar verbetert ook de algehele prestaties van de bioreactor. Deze overweging wordt nog belangrijker tijdens de opschaling van de bioreactor, waar het waarborgen van consistente schuifspanningsomstandigheden aanzienlijk moeilijker is.
