A agitação é crítica na produção de carne cultivada, garantindo que as células recebam oxigênio e nutrientes enquanto evitam o acúmulo de resíduos. No entanto, a agitação excessiva causa problemas como descolamento celular, danos à membrana e crescimento reduzido. Encontrar o equilíbrio certo é essencial, especialmente em biorreatores de grande escala, onde até mesmo pequenos ajustes podem impactar a produção.
Pontos Principais:
- Agitação Ótima: Estudos mostram que 60 rpm em reatores de tanque agitado é ideal para equilibrar a entrega de nutrientes e o estresse de cisalhamento.
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Tipos de Biorreatores:
- Tanque Agitado: Mistura eficaz, mas com risco de alto estresse de cisalhamento.
- Biorreatores de Onda: Mistura suave, limitada pela transferência de oxigênio.
- Sistemas Airlift: Mistura uniforme com baixo estresse, mas requer controle preciso.
- Medidas de Proteção: Aditivos como Poloxamer 188 e oxigenação sem bolhas reduzem danos celulares.
- Desafios de Escalonamento: Sistemas maiores aumentam os riscos de cisalhamento, exigindo monitoramento preciso e modelagem CFD.
Manter o controle preciso da agitação é crucial para escalar a produção de carne cultivada enquanto protege a integridade celular.
Como a Agitação Afeta o Crescimento e a Sobrevivência Celular
O que Mostram Estudos Recentes
Pesquisas recentes identificaram limites específicos de agitação que impactam o crescimento e a sobrevivência celular. Por exemplo, um estudo ABM-CFD usando células FS-4 em microcarregadores em um biorreator de tanque agitado de 100 mL revelou que 60 rpm é a velocidade de mistura ideal. Nesta velocidade, nutrientes e oxigênio são distribuídos uniformemente, com o estresse de cisalhamento permanecendo entre 0–80 mPa. No entanto, exceder 60 rpm leva a danos e desprendimento celular devido ao aumento das forças.A 220 rpm, o número de Reynolds do impulsor dispara de 1.444 para 5.294,7, significando uma mudança para fluxo turbulento. Essa turbulência gera redemoinhos menores que os microcarregadores, o que pode prejudicar as células e suas membranas [2].
Outro estudo focado em células-tronco mesenquimais derivadas de cordão umbilical humano destacou como até mesmo pequenos aumentos na intensidade da agitação reduzem significativamente as taxas de adesão. Isso demonstra a alta sensibilidade das células aderentes ao estresse mecânico [6].
Esses achados enfatizam a importância de calibrar precisamente as velocidades de mistura, que continua sendo uma área chave de refinamento contínuo.
Encontrando a Intensidade de Mistura Adequada
O principal desafio é equilibrar a velocidade mínima de agitação necessária para suspender microcarregadores (N<sub>js</sub>) sem ultrapassar os limites de tensão de cisalhamento.Para células de carne, as condições ideais envolvem uma taxa de dissipação de energia em torno de 1 mW·kg⁻¹ e um tempo de mistura inferior a 10 segundos [1].
"Manter um micro e macroambiente favorável para as células sem submetê-las a estresse mecânico excessivo devido à agitação exigirá inovação e otimização nos designs e processos de biorreatores" [2].
A agitação excessiva pode ter dois efeitos prejudiciais: morte celular imediata quando o estresse ultrapassa um limite crítico, e estresse cumulativo levando à quiescência. Ambos os resultados prejudicam a produtividade. Isso torna o controle preciso sobre a intensidade da agitação um fator crítico para o sucesso comercial, especialmente na produção em larga escala. Em sistemas com volumes tão grandes quanto 20 m³, mesmo uma agitação mínima pode causar o descolamento das células, destacando a complexidade de aumentar a escala enquanto se mantém a viabilidade celular.
Introdução aos Biorreatores: Mistura, agitação & cisalhamento
Métodos de Mistura em Biorreatores e Seus Efeitos
Comparação de Tipos de Biorreatores para Produção de Carne Cultivada
Comparando Diferentes Sistemas de Biorreatores
O design de um biorreator desempenha um papel crítico no equilíbrio da distribuição de nutrientes e no gerenciamento do estresse mecânico. Cada tipo de biorreator cria condições de mistura distintas, que afetam diretamente a sobrevivência e a produtividade das células. Escolher o sistema certo significa encontrar um equilíbrio entre a entrega eficiente de nutrientes e a minimização das forças mecânicas que poderiam prejudicar as células.
Biorreatores de tanque agitado dependem de impelidores mecânicos para misturar a cultura. Impelidores Rushton produzem fluxos radiais, levando a zonas de cisalhamento localizadas, especialmente perto das pontas dos impelidores.Em contraste, os impelidores de lâmina inclinada e lâmina marinha criam fluxos mais suaves, que são mais adequados para células de mamíferos delicadas. Um estudo realizado em março de 2025 pelo State Key Laboratory of Bioreactor Engineering em Xangai comparou o desempenho de células CHO-K1 em biorreatores de tanque agitado e agitação orbital. O sistema de tanque agitado alcançou 71,6 × 10⁶ células/mL a 520 rpm, enquanto o sistema de agitação orbital atingiu 83 × 10⁶ células/mL a apenas 100 rpm [4].
Biorreatores de onda (balanço) eliminam completamente os impelidores, usando um saco descartável que balança em uma bandeja para criar ondas suaves para mistura. Este ambiente de baixo cisalhamento é ideal para linhagens celulares frágeis. No entanto, esses sistemas dependem de aeração superficial, o que pode limitar a transferência de oxigênio em culturas de alta densidade. Para manter a formação eficaz de ondas, o volume de trabalho é limitado a 50% da capacidade total do saco [7].
Biorreatores de elevação por ar utilizam mistura pneumática, onde aeração por gás circula o líquido entre um tubo de subida e um de descida. Sem partes móveis internas, os sistemas de elevação por ar proporcionam dissipação de energia uniforme e menores forças de cisalhamento em comparação com tanques agitados. Ao contrário dos biorreatores de onda, os designs de elevação por ar oferecem melhor transferência de oxigênio devido à sua circulação eficiente [7] .
| Tipo de Biorreator | Mecanismo de Mistura | Estresse de Cisalhamento | Densidade Celular Alcançada | Limitação Principal |
|---|---|---|---|---|
| Tanque Agitado | Impulsor mecânico | Alto (localizado) | 71.6 × 10⁶ células/mL | Risco de dano na ponta do impulsor |
| Agitação Orbital | Rotação do recipiente | Moderado | 83 × 10⁶ células/mL | Picos de estresse de cisalhamento |
| Onda (Balanço) | Balanço horizontal | Muito baixo | Alto | Transferência de oxigênio limitada |
| Airlift | Injeção de gás | Baixo (uniforme) | Alto | Requer controle preciso de gás |
"Em reatores de tanque agitado... a mistura localizada do impulsor gera grandes gradientes de cisalhamento que fazem com que as células experimentem estresse mecânico." – Cellexus [7]
À medida que os biorreatores aumentam de escala, os compromissos entre eficiência de mistura e proteção celular tornam-se mais evidentes.Sistemas de tanque agitado são altamente eficazes na distribuição de nutrientes, mas requerem ajustes cuidadosos de velocidade para evitar danos às células em zonas de alto cisalhamento. Por outro lado, biorreatores de onda e airlift proporcionam uma mistura mais suave, reduzindo o risco de estresse de cisalhamento, embora possam ter dificuldades com a entrega de oxigênio em culturas densas. Essas comparações destacam o equilíbrio delicado necessário para otimizar o bioprocessamento em larga escala enquanto protege a integridade celular.
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Reduzindo o Estresse de Cisalhamento e Melhorando o Crescimento Celular
Novos Designs de Biorreatores e Aditivos Protetores
Minimizar o estresse de cisalhamento é essencial para promover o crescimento celular na produção de carne cultivada. Inovações no design de biorreatores e o uso de aditivos protetores melhoraram significativamente a viabilidade celular e a eficiência de mistura.Uma abordagem promissora envolve biorreatores agitados orbitalmente, que dependem do movimento do vaso e da aeração superficial para evitar as forças de cisalhamento prejudiciais causadas pela mistura impulsionada por impelidor e ruptura de bolhas. Esses sistemas demonstraram resultados impressionantes, produzindo 83 × 10⁶ células/mL, em comparação com 71.6 × 10⁶ células/mL em sistemas tradicionais de tanque agitado [4] .
Nos sistemas de tanque agitado, a geometria do impelidor também faz diferença. Impelidores radiais Rushton criam padrões de fluxo que permitem que as células se recuperem em zonas "calmas", reduzindo o impacto das altas forças de cisalhamento. Como observaram os pesquisadores da TTP:
Células em reatores com impelidor radial Rushton se recuperam durante fases calmas, ao contrário daquelas em sistemas de impelidor axial duplo [5].
Para resultados ótimos na produção de carne cultivada, manter a velocidade da ponta do impelidor dentro de 0.6–1.8 m/s é recomendado para proteger o crescimento celular [9] .
Aditivos protetores como Poloxamer 188 (Pluronic F-68) desempenham um papel fundamental ao reduzir a tensão superficial na interface gás-líquido, protegendo as células de danos durante a formação e ruptura de bolhas. A concentração ideal para Poloxamer 188 é 1 g/L, pois quantidades maiores oferecem pouco benefício adicional [9]. Para células aderentes cultivadas em microcarregadores, um regime de agitação intermitente pode melhorar ainda mais os resultados. Por exemplo, usar um padrão de 30 minutos DESLIGADO e 5 minutos LIGADO durante a fase de semeadura incentiva a transferência de conta a conta enquanto minimiza o estresse hidrodinâmico. Esta abordagem permitiu que células satélites bovinas atingissem densidades de 3 × 10⁶ células/mL [3] .
Além dessas estratégias de design e aditivos, melhorar a entrega de oxigênio pode reduzir ainda mais o estresse de cisalhamento.
Usando Oxigenação Sem Bolhas
A oxigenação sem bolhas oferece outra maneira eficaz de proteger as células de danos por cisalhamento. A ruptura de bolhas na interface gás-líquido pode gerar taxas de dissipação de energia tão altas quanto 10⁶ a 10⁸ W/m³, excedendo em muito o limite subletal de 10⁴ W/m³ que a maioria das células de mamíferos pode tolerar [9] . Ao eliminar bolhas, este método ajuda a proteger culturas de alta densidade.
A aeração de superfície, comumente usada em biorreatores agitados orbitalmente e de balanço, é particularmente eficaz na redução de forças de cisalhamento.Conforme destacado em um estudo recente:
OSBs utilizam o movimento do corpo do vaso e a aeração da superfície para mitigar efetivamente os danos de cisalhamento causados por lâminas de impulsor tradicionais e formação ou quebra de bolhas [4].
Biorreatores oscilantes também mostram potencial para a produção de carne cultivada. Eles oferecem vantagens como descartabilidade, baixos custos operacionais e um ambiente hidrodinâmico suave [8].
No entanto, a aeração da superfície enfrenta desafios em densidades celulares muito altas. Por exemplo, um biorreator agitado orbitalmente alcançou um coeficiente de transferência de massa de oxigênio (kLa) de 20,12 h⁻¹ a 100 rpm, teoricamente suportando densidades celulares de até 118 × 10⁶ células/mL.Na prática, porém, à medida que a densidade celular excede 80 × 10⁶ células/mL, a viscosidade da suspensão aumenta, levando a um comportamento não newtoniano de afinamento por cisalhamento que reduz a eficiência de transferência de oxigênio. Isso destaca a necessidade de otimização cuidadosa à medida que as densidades celulares aumentam.
Controle da Agitação para Produção em Grande Escala
Ajuste de Velocidades de Mistura e Sistemas de Monitoramento
Em sistemas de grande escala, manter um controle preciso sobre a agitação é crucial. Nas primeiras 24 horas, é recomendado manter as velocidades de mistura entre 30–50 rpm para otimizar a fixação celular aos microcarregadores [6] . Um estudo da Universidade de Ciência e Tecnologia do Leste da China em junho de 2022 destaca a importância dessa abordagem: a 45 rpm, células-tronco mesenquimais derivadas do cordão umbilical humano alcançaram um 98.Taxa de adesão de 68% no Dia 1, enquanto aumentar a velocidade para 55 rpm fez com que as taxas de adesão caíssem para 51,32% [6] .
Após a fase de fixação, a agitação deve superar ligeiramente a velocidade de suspensão (N₍JS₎) para evitar o aglomerado de células. Pesquisas mostram que manter uma intensidade de agitação próxima a 1,3 × N₍JS₎ apoia o crescimento celular, enquanto exceder isso para 2 × N₍JS₎ prejudica o crescimento devido à eficiência reduzida de fixação [10] .
O monitoramento contínuo é crítico, dado as margens operacionais estreitas. Sistemas como o biorreator BioStar 1.5c usam software avançado para ajustar a agitação e o fluxo de gás com base no feedback em tempo real de sondas de oxigênio dissolvido (DO) e pH [6]. Sensores ópticos de DO desempenham um papel crucial aqui, oferecendo a precisão necessária para ajustar a agitação apenas quando os níveis de DO caem abaixo de um limite estabelecido - tipicamente em torno de 40% - minimizando assim o estresse de cisalhamento [7] [6]. A equipe da China Oriental empregou este método usando sondas Mettler Toledo, mantendo o DO em 40% e o pH em 7,2. Esta abordagem resultou em uma densidade celular máxima de 27,3 × 10⁵ células/mL, uma melhoria de 2,9 vezes em relação às técnicas padrão de cultura em batelada [6].
Ao aumentar a escala, modelos de dinâmica de fluidos computacional (CFD) são inestimáveis para determinar a velocidade ideal do impulsor para suspender microcarregadores sem exceder os limites de cisalhamento [10][6]. Em vez de simplesmente igualar as rpm entre os vasos, a análise CFD sugere alinhar a taxa de deformação de cisalhamento média em volume entre os reatores.Isso garante que o ambiente hidrodinâmico em um biorreator maior - como a escala de um frasco agitador de 200 mL para um biorreator de 1,5 L - permaneça propício ao crescimento celular [6].
Essas estratégias destacam a importância do controle e monitoramento precisos ao transitar para sistemas de biorreatores avançados.
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Conclusão
Encontrar o equilíbrio certo entre a entrega de oxigênio e nutrientes enquanto se evita o estresse de cisalhamento prejudicial é fundamental para otimizar a agitação em biorreatores de carne cultivada. Pesquisas mostram que isso pode ser alcançado escolhendo os designs de biorreatores corretos, ajustando finamente as velocidades de mistura e usando estratégias de proteção.
Técnicas como agitação intermitente, impelidores radiais Rushton e ajustes em tempo real monitorados através de CFD (Dinâmica de Fluidos Computacional) desempenham um grande papel em garantir que as células se recuperem bem e cresçam de forma constante. À medida que a produção escala de frascos de laboratório para volumes industriais, entender o comportamento de fluidos não newtonianos e manter escalas de comprimento de Kolmogorov consistentes torna-se crucial para evitar danos mecânicos. Esses avanços facilitam a proteção das células e simplificam os esforços de escalonamento.
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Perguntas Frequentes
Quais problemas a agitação excessiva pode causar em biorreatores para carne cultivada?
A agitação excessiva em biorreatores pode ser um problema sério para a produção de carne cultivada, pois pode impactar negativamente o crescimento e a sobrevivência das células. A mistura vigorosa cria alto estresse de cisalhamento, que pode prejudicar células animais delicadas. Esse tipo de estresse mecânico pode resultar em danos à membrana celular, redução da viabilidade e até mesmo prejudicar o desenvolvimento do tecido.
Para prevenir esses desafios, é crucial ajustar finamente os parâmetros de agitação.O objetivo é encontrar um equilíbrio entre a transferência eficiente de nutrientes e oxigênio, minimizando o estresse mecânico. Fatores-chave como o design do impulsor, a velocidade de mistura e a geometria do biorreator devem ser cuidadosamente ajustados para manter células saudáveis e produtivas durante todo o processo de cultivo.
Como a escolha do biorreator afeta o crescimento e a viabilidade das células na produção de carne cultivada?
A escolha do biorreator na produção de carne cultivada é crucial, pois impacta diretamente o crescimento e a saúde das células, afetando fatores como eficiência de mistura, transferência de oxigênio e estresse de cisalhamento.
Biorreatores de tanque agitado são uma opção popular para produção em larga escala porque oferecem controle preciso sobre essas condições. No entanto, eles também podem produzir forças de cisalhamento que podem prejudicar células frágeis, tornando essencial ajustar finamente os designs dos impulsores e os parâmetros operacionais para minimizar danos.
Outros designs, como biorreatores de elevação por ar, são mais simples e consomem menos energia. Mas eles podem não fornecer o mesmo nível de controle sobre a mistura, potencialmente afetando o crescimento celular. Por outro lado, biorreatores de fibra oca imitam vasos sanguíneos para suportar altas densidades celulares, embora ampliá-los possa ser um desafio.
Selecionar o biorreator certo se resume a encontrar o equilíbrio certo entre fatores como escalabilidade, custo e as necessidades específicas das células para garantir que elas cresçam e prosperem efetivamente para a produção de carne cultivada.
Como o estresse de cisalhamento pode ser reduzido durante a produção em larga escala de carne cultivada?
Minimizar o estresse de cisalhamento na produção em larga escala de carne cultivada requer ajustes cuidadosos no design e operação do biorreator. Fatores como tipo de impulsor, formato do reator e configurações de mistura desempenham um papel fundamental.Por exemplo, reduzir as velocidades das pontas dos impulsores ou optar por designs específicos de impulsores pode diminuir as forças de cisalhamento enquanto ainda mantém a mistura adequada e a entrega de oxigênio, que são cruciais para o crescimento celular.
Outra ferramenta útil nesse processo é dinâmica de fluidos computacional (CFD). As simulações de CFD permitem que os engenheiros estudem os padrões de fluxo e a distribuição de cisalhamento em detalhes, ajudando-os a fazer ajustes informados no design. Além disso, biorreatores de balanço ou misturados por ondas oferecem uma alternativa mais suave aos sistemas tradicionais de tanque agitado, pois produzem naturalmente forças de cisalhamento mais baixas. A incorporação de monitoramento em tempo real com sensores avançados e algoritmos de controle preditivo pode ajudar ainda mais a manter o estresse de cisalhamento dentro de limites seguros, garantindo um processo de produção mais suave.
