Hur omrörning påverkar celltillväxt i odlat kött

Q: What problems can excessive agitation cause in bioreactors for cultivated meat?

Excessive agitation in bioreactors can be a serious problem for cultivated meat production, as it can negatively impact cell growth and survival. Vigorous mixing creates high shear stress, which can harm delicate animal cells. This kind of mechanical stress can result in cell membrane damage, reduced viability, and even hindered tissue development. To prevent these challenges, it's crucial to fine-tune agitation parameters. The goal is to strike a balance between efficient nutrient and oxygen transfer while minimising mechanical stress. Key factors like impeller design, mixing speed, and the geometry of the bioreactor must be carefully adjusted to maintain healthy, productive cells throughout the cultivation process.

Q: How does the choice of bioreactor affect cell growth and viability in cultivated meat production?

The choice of bioreactor in cultivated meat production is crucial, as it directly impacts cell growth and health by affecting factors like mixing efficiency, oxygen transfer, and shear stress. Stirred-tank bioreactors are a popular option for large-scale production because they offer precise control over these conditions. However, they can also produce shear forces that might harm fragile cells, making it essential to fine-tune impeller designs and operating parameters to minimise damage. Other designs, such as airlift bioreactors , are simpler and consume less energy. But they may not provide the same level of control over mixing, potentially affecting cell growth. On the other hand, hollow-fibre bioreactors mimic blood vessels to support high cell densities, though scaling them up can be a challenge. Selecting the right bioreactor comes down to finding the right balance between factors like scalability, cost, and the specific needs of the cells to ensure they grow and thrive effectively for cultivated meat production.

Q: How can shear stress be reduced during large-scale cultivated meat production?

Minimising shear stress in large-scale cultivated meat production requires careful adjustments to bioreactor design and operation. Factors like impeller type, reactor shape, and mixing settings play a key role. For instance, reducing impeller tip speeds or opting for specific impeller designs can lower shear forces while still maintaining proper mixing and oxygen delivery, which are crucial for cell growth. Another useful tool in this process is computational fluid dynamics (CFD) . CFD simulations enable engineers to study flow patterns and shear distribution in detail, helping them make informed design tweaks. Additionally, rocking or wave-mixed bioreactors offer a gentler alternative to traditional stirred-tank systems, as they naturally produce lower shear forces. Incorporating real-time monitoring with advanced sensors and predictive control algorithms can further help keep shear stress within safe limits, ensuring a smoother production process.

Omrörning är avgörande i produktionen av odlat kött, vilket säkerställer att cellerna får syre och näringsämnen samtidigt som avfallsansamling undviks. Men överdriven omrörning orsakar problem som celldelning, membranskador och minskad tillväxt. Att hitta rätt balans är viktigt, särskilt i storskaliga bioreaktorer, där även små justeringar kan påverka produktionen.

Viktiga punkter:

Optimal omrörning: Studier visar att 60 rpm i omrörda tankreaktorer är idealiskt för att balansera näringstillförsel och skjuvspänning.
Bioreaktortyper:
- Omrörd tank: Effektiv blandning men risk för hög skjuvspänning.
- Vågbaserade bioreaktorer: Skonsam blandning, begränsad av syreöverföring.
- Luftlyftsystem: Enhetlig blandning med låg stress men kräver exakt kontroll.
Skyddsåtgärder: Tillsatser som Poloxamer 188 och syresättning utan bubblor minskar cellskador.
Skalningsutmaningar: Större system ökar risken för skjuvning, vilket kräver noggrann övervakning och CFD-modellering.

Att upprätthålla exakt omrörningskontroll är avgörande för att skala produktionen av odlat kött samtidigt som cellernas integritet skyddas.

Hur omrörning påverkar celltillväxt och överlevnad

Vad senaste studier visar

Ny forskning har identifierat specifika omrörningströsklar som påverkar celltillväxt och överlevnad. Till exempel visade en ABM-CFD-studie med FS-4-celler på mikrobärare i en 100 mL omrörningstankbioreaktor att 60 rpm är den optimala blandningshastigheten. Vid denna hastighet fördelas näringsämnen och syre jämnt, med skjuvspänning som ligger mellan 0–80 mPa. Men att överskrida 60 rpm leder till cellskador och avlossning på grund av ökade krafter.Vid 220 rpm skjuter impeller Reynolds-talet i höjden från 1 444 till 5 294,7, vilket innebär en övergång till turbulent flöde. Denna turbulens genererar virvlar mindre än mikrobärarna, vilket kan skada cellerna och deras membran ^[2].

En annan studie som fokuserade på mesenkymala stamceller från mänsklig navelsträng visade hur även små ökningar i omrörningsintensitet avsevärt minskar vidhäftningsgraden. Detta visar den höga känsligheten hos adherenta celler för mekanisk stress ^[6].

Dessa resultat betonar vikten av att noggrant kalibrera blandningshastigheter, vilket förblir ett nyckelområde för pågående förbättringar.

Hitta rätt blandningsintensitet

Den största utmaningen är att balansera den minsta omrörningshastigheten som behövs för att suspendera mikrobärare (N<sub>js</sub>) utan att överskrida skjuvspänningsgränserna.För köttceller innebär de ideala förhållandena en energidissipationshastighet på omkring 1 mW·kg⁻¹ och en blandningstid under 10 sekunder ^[1].

"Att upprätthålla en gynnsam mikro- och makromiljö för celler utan att utsätta dem för överdriven mekanisk stress från omrörning kommer att kräva innovation och optimering av bioreaktordesigner och processer" ^[2].

Överdriven omrörning kan ha två skadliga effekter: omedelbar celldöd när stressen överstiger en kritisk tröskel, och kumulativ stress som leder till viloläge. Båda utfallen hindrar produktiviteten. Detta gör exakt kontroll över omrörningsintensiteten till en kritisk faktor för kommersiell framgång, särskilt i storskalig produktion. I system med volymer så stora som 20 m³ kan även minimal omrörning orsaka celldelning, vilket understryker komplexiteten i att skala upp samtidigt som cellernas livskraft bibehålls.

Introduktion till bioreaktorer: Blandning, omrörning & skjuvning

Blandningsmetoder i bioreaktorer och deras effekter

Bioreactor Types Comparison for Cultivated Meat Production — Jämförelse av bioreaktortyper för produktion av odlat kött

Jämförelse av olika bioreaktorsystem

Utformningen av en bioreaktor spelar en avgörande roll i att balansera näringsfördelning och hantera mekanisk stress. Varje typ av bioreaktor skapar unika blandningsförhållanden, som direkt påverkar cellöverlevnad och produktivitet. Att välja rätt system innebär att hitta en balans mellan effektiv näringstillförsel och att minimera mekaniska krafter som kan skada cellerna.

Omrörda tankbioreaktorer förlitar sig på mekaniska omrörare för att blanda kulturen. Rushton-omrörare producerar radiella flöden, vilket leder till lokaliserade skjuvzoner, särskilt nära omrörarens spetsar.I motsats till detta skapar impellrar med lutande blad och marina blad mildare flöden, vilket är bättre lämpat för känsliga däggdjursceller. En studie genomförd i mars 2025 av State Key Laboratory of Bioreactor Engineering i Shanghai jämförde CHO-K1 cellprestanda i omrörda tankar och orbitalt skakade bioreaktorer. Det omrörda tanksystemet uppnådde 71,6 × 10⁶ celler/mL vid 520 rpm, medan det orbitalt skakade systemet nådde 83 × 10⁶ celler/mL vid endast 100 rpm ^[4].

Wave (rocking) bioreaktorer eliminerar impellrar helt och hållet, genom att använda en engångspåse som gungar på en bricka för att skapa milda vågor för blandning. Denna lågshearmiljö är idealisk för ömtåliga cellinjer. Dock är dessa system beroende av ytluftning, vilket kan begränsa syreöverföringen i högdensitetskulturer. För att bibehålla effektiv vågbildning är arbetsvolymen begränsad till 50% av påsens totala kapacitet ^[7].

Airlift-bioreaktorer använder pneumatisk blandning, där gasinblåsning cirkulerar vätskan mellan en stigande och en fallande del. Utan interna rörliga delar ger airlift-system en jämn energidissipation och lägre skjuvkrafter jämfört med omrörda tankar. Till skillnad från vågbioreaktorer erbjuder airlift-design bättre syreöverföring tack vare deras effektiva cirkulation ^[7].

Bioreaktortyp	Blandningsmekanism	Skjuvspänning	Uppnådd celldensitet	Huvudbegränsning
Omrörd tank	Mekanisk impeller	Hög (lokaliserad)	71.6 × 10⁶ celler/mL	Risk för skada på impellertopp
Orbitalskakning	Kärlrotation	Måttlig	83 × 10⁶ celler/mL	Toppar av skjuvspänning
Våg (Gungning)	Horisontell gungning	Mycket låg	Hög	Begränsad syreöverföring
Luftlyft	Gasbubbling	Låg (enhetlig)	Hög	Kräver exakt gaskontroll

"I omrörda tankreaktorer... lokaliserad impellermixning genererar stora skjuvgradienter som orsakar att celler upplever mekanisk stress." – Cellexus ^[7]

När bioreaktorer skalar upp blir avvägningarna mellan mixningseffektivitet och cellskydd mer uppenbara.Omrörda tanksystem är mycket effektiva för att distribuera näringsämnen men kräver noggranna hastighetsjusteringar för att undvika att skada celler i högskjuvningszoner. Å andra sidan erbjuder våg- och luftlyftbioreaktorer skonsammare blandning, vilket minskar risken för skjuvspänning, även om de kan ha svårt med syreleverans i täta kulturer. Dessa jämförelser understryker den känsliga balansen som krävs för att optimera storskalig bioprocessering samtidigt som cellintegriteten skyddas.

Reducing Shear Stress and Improving Cell Growth

New Bioreactor Designs and Protective Additives

Att minimera skjuvspänning är avgörande för att främja celltillväxt i odlad köttproduktion. Innovationer inom bioreaktordesign och användning av skyddande tillsatser har avsevärt förbättrat cellviabilitet och blandningseffektivitet.Ett lovande tillvägagångssätt involverar orbitalskakade bioreaktorer, som förlitar sig på kärlets rörelse och ytaeration för att undvika de skadliga skjuvkrafter som orsakas av impellerdriven blandning och bubbelbrott. Dessa system har visat imponerande resultat, med 83 × 10⁶ celler/mL, jämfört med 71.6 × 10⁶ celler/mL i traditionella omrörda tanksystem ^[4].

I omrörda tanksystem gör även impellerns geometri en skillnad. Radiala Rushton-impellrar skapar flödesmönster som tillåter celler att återhämta sig i "lugna" zoner, vilket minskar påverkan av höga skjuvkrafter. Som forskare från TTP observerade:

Celler i radiala Rushton-impellerreaktorer återhämtar sig under lugna faser, till skillnad från de i dubbla axiella impellersystem ^[5].

För optimala resultat i odlad köttproduktion, hålls impeller-spetsens hastighet inom 0.6–1.8 m/s rekommenderas för att skydda celltillväxt ^[9].

Skyddande tillsatser som Poloxamer 188 (Pluronic F-68) spelar en nyckelroll genom att minska ytspänningen vid gas–vätskegränssnittet, vilket skyddar celler från skador under bubbelbildning och bristning. Den ideala koncentrationen för Poloxamer 188 är 1 g/L, eftersom högre mängder ger liten ytterligare nytta ^[9]. För adherenta celler odlade på mikrobärare kan ett intermittent omrörningsregime ytterligare förbättra resultaten. Till exempel, att använda ett mönster av 30 minuter AV och 5 minuter PÅ under såddfasen uppmuntrar överföring från pärla till pärla samtidigt som hydrodynamisk stress minimeras. Denna metod har gjort det möjligt för bovina satellitceller att nå densiteter av 3 × 10⁶ celler/mL ^[3].

Förutom dessa design- och tillsatsstrategier kan förbättrad syretillförsel ytterligare minska skjuvspänningen.

Använda bubbel-fri syresättning

Bubbel-fri syresättning erbjuder ett annat effektivt sätt att skydda celler från skjuvskador. Bubbelbrott vid gas-vätskegränssnittet kan generera energidissipationshastigheter så höga som 10⁶ till 10⁸ W/m³, vilket långt överstiger den subletala tröskeln på 10⁴ W/m³ som de flesta däggdjursceller kan tolerera ^[9] . Genom att eliminera bubblor hjälper denna metod till att skydda högdensitetskulturer.

Ytluftning, som vanligtvis används i orbitalskakade och gungande bioreaktorer, är särskilt effektiv för att minska skjuvkrafter.Som framhävt i en nyligen genomförd studie:

OSB:er utnyttjar kärlets kroppsrörelse och ytaeration för att effektivt minska skjuvskador orsakade av traditionella impellerblad och bubbelbildning eller -brott ^[4].

Vaggande bioreaktorer visar också lovande resultat för odlat köttproduktion. De erbjuder fördelar som engångsbruk, låga driftskostnader och en skonsam hydrodynamisk miljö ^[8].

Dock står ytaeration inför utmaningar vid mycket höga celldensiteter. Till exempel uppnådde en orbitalskakad bioreaktor en syremasstransferkoefficient (kLa) på 20.12 h⁻¹ vid 100 rpm, vilket teoretiskt stödjer celldensiteter upp till 118 × 10⁶ celler/mL.I praktiken, när celldensiteten överstiger 80 × 10⁶ celler/mL, ökar suspensionens viskositet, vilket leder till icke-Newtonsk, skjuvtunnande beteende som minskar syreöverföringseffektiviteten. Detta understryker behovet av noggrann optimering när celldensiteterna ökar.

Kontroll av omrörning för storskalig produktion

Justering av blandningshastigheter och övervakningssystem

I storskaliga system är det avgörande att upprätthålla exakt kontroll över omrörningen. Under de första 24 timmarna rekommenderas det att hålla blandningshastigheterna mellan 30–50 rpm för att optimera cellfästning till mikrobärare ^[6] . En studie från East China University of Science and Technology i juni 2022 understryker vikten av detta tillvägagångssätt: vid 45 rpm uppnådde mänskliga mesenkymala stamceller från navelsträng 98.68% följsamhetsgrad på dag 1, medan en ökning av hastigheten till 55 rpm fick följsamhetsgraden att sjunka till 51,32% ^[6] .

Efter fästfasen bör omrörningen något överstiga den precis suspenderade hastigheten (N₍JS₎) för att förhindra cellklumpning. Forskning visar att bibehålla en omrörningsintensitet nära 1,3 × N₍JS₎ stödjer celltillväxt, medan att överskrida detta till 2 × N₍JS₎ hämmar tillväxten på grund av minskad fästeffektivitet ^[10] .

Kontinuerlig övervakning är kritisk, med tanke på de smala operativa marginalerna. System som BioStar 1.5c bioreaktor använder avancerad programvara för att justera omrörning och gasflöde baserat på realtidsfeedback från löst syre (DO) och pH-prober ^[6].Optiska DO-sensorer spelar en nyckelroll här, och erbjuder den precision som behövs för att finjustera omrörning endast när DO-nivåerna faller under en fastställd tröskel - vanligtvis runt 40% - vilket därmed minimerar skjuvspänning ^[7] ^[6]. East China-teamet använde denna metod med Mettler Toledo sonder, och bibehöll DO vid 40% och pH vid 7,2. Denna metod resulterade i en maximal celldensitet på 27,3 × 10⁵ celler/mL, en 2,9-faldig förbättring jämfört med standard batchkulturtekniker ^[6].

Vid uppskalning är beräkningsvätskedynamik (CFD) modeller ovärderliga för att bestämma den optimala omrörarhastigheten för att suspendera mikrobärare utan att överskrida skjuvgränser ^[10]^[6]. Istället för att helt enkelt matcha rpm mellan kärl, föreslår CFD-analys att justera den volymgenomsnittliga skjuvdeformationshastigheten mellan reaktorer.Detta säkerställer att den hydrodynamiska miljön i en större bioreaktor - såsom att skala från en 200 mL spinnerflaska till en 1,5 L bioreaktor - förblir gynnsam för celltillväxt ^[6].

Dessa strategier belyser vikten av noggrann kontroll och övervakning vid övergång till avancerade bioreaktorsystem.

Hitta specialiserad utrustning genom Cellbase

Cellbase

Att hitta rätt utrustning för produktion av odlat kött kan vara knepigt. Standardplattformar för laboratorieförsörjning tillgodoser ofta inte de specifika behoven inom detta område, såsom lågskjuvande impellrar eller optiska syresensorer anpassade för högdensitetskulturer av däggdjursceller. Det är här Cellbase visar sig ovärderlig för forsknings- och produktionsteam.

Som den första dedikerade B2B-marknadsplatsen för den odlade köttindustrin, Cellbase kopplar samman forskare med betrodda leverantörer av bioreaktorkomponenter, övervakningssensorer och mikrobärarsystem som är speciellt utformade för denna sektor. Plattformens kuraterade listor inkluderar detaljerade specifikationer - såsom kompatibilitet med ställningar, serumfria system eller GMP-efterlevnad - vilket gör det enklare att hitta utrustning som uppfyller de exakta tekniska kraven för din process. För team som skalar upp från spinnerflaskor till automatiserade bioreaktorsystem, förenklar Cellbase upphandlingen genom att erbjuda direkt tillgång till leverantörer som förstår de unika utmaningarna med produktion av odlat kött. Detta sparar tid och minskar risken för tekniska missmatchningar.

Oavsett om du uppgraderar dina övervakningssystem eller skaffar specialiserade komponenter, förenklar plattformar som Cellbase processen och säkerställer att du har rätt verktyg för att avancera produktionen.

Slutsats

Att hitta rätt balans mellan syretillförsel och näringstillförsel samtidigt som man undviker skadlig skjuvspänning är nyckeln till att optimera omrörning i bioreaktorer för odlat kött. Forskning visar att detta kan uppnås genom att välja rätt bioreaktordesigner, finjustera blandningshastigheter och använda skyddande strategier.

Tekniker som intermittent omrörning, radiella Rushton-omrörare och realtidsjusteringar övervakade genom CFD (Computational Fluid Dynamics) spelar en stor roll för att säkerställa att cellerna återhämtar sig väl och växer stadigt. När produktionen skalar upp från laboratorieflaskor till industriella volymer blir det avgörande att förstå icke-Newtonsk vätskebeteende och bibehålla konsekventa Kolmogorov-längdskalor för att undvika mekaniska skador. Dessa framsteg gör det enklare att skydda celler och förenkla skalningsinsatser.

Plattformar som Cellbase stödjer ytterligare denna process genom att koppla samman forskare med leverantörer som förstår de specifika kraven för produktion av odlat kött. Detta skräddarsydda tillvägagångssätt hjälper till att minimera tekniska problem och påskyndar resan från småskaliga experiment till fullskalig kommersiell verksamhet.

Vanliga frågor

Vilka problem kan överdriven omrörning orsaka i bioreaktorer för odlat kött?

Överdriven omrörning i bioreaktorer kan vara ett allvarligt problem för produktion av odlat kött, eftersom det kan påverka celltillväxt och överlevnad negativt. Kraftig blandning skapar hög skjuvspänning, vilket kan skada känsliga djurceller. Denna typ av mekanisk stress kan resultera i cellmembranskador, minskad livskraft och till och med hindrad vävnadsutveckling.

För att förhindra dessa utmaningar är det viktigt att finjustera omrörningsparametrarna.Målet är att hitta en balans mellan effektiv närings- och syreöverföring samtidigt som man minimerar mekanisk stress. Viktiga faktorer som omrörardesign, blandningshastighet och bioreaktorns geometri måste noggrant justeras för att bibehålla friska, produktiva celler under hela odlingsprocessen.

Hur påverkar valet av bioreaktor celltillväxt och livskraft i produktionen av odlat kött?

Valet av bioreaktor i produktionen av odlat kött är avgörande, eftersom det direkt påverkar celltillväxt och hälsa genom att påverka faktorer som blandningseffektivitet, syreöverföring och skjuvspänning.

Omrörda tankbioreaktorer är ett populärt alternativ för storskalig produktion eftersom de erbjuder exakt kontroll över dessa förhållanden. Dock kan de också producera skjuvkrafter som kan skada ömtåliga celler, vilket gör det viktigt att finjustera omrörardesigner och driftsparametrar för att minimera skador.

Andra designer, såsom lyftbioreaktorer , är enklare och förbrukar mindre energi. Men de kanske inte ger samma nivå av kontroll över blandning, vilket potentiellt kan påverka celltillväxten. Å andra sidan, hålfiberbioreaktorer efterliknar blodkärl för att stödja höga celldensiteter, även om det kan vara en utmaning att skala upp dem.

Att välja rätt bioreaktor handlar om att hitta rätt balans mellan faktorer som skalbarhet, kostnad och cellernas specifika behov för att säkerställa att de växer och trivs effektivt för produktion av odlat kött.

Hur kan skjuvspänning minskas under storskalig produktion av odlat kött?

Att minimera skjuvspänning i storskalig produktion av odlat kött kräver noggranna justeringar av bioreaktorns design och drift. Faktorer som impellertyp, reaktorform och blandningsinställningar spelar en nyckelroll.Till exempel kan minskning av impellerhastigheter eller val av specifika impellerdesigner minska skjuvkrafter samtidigt som korrekt blandning och syretillförsel bibehålls, vilket är avgörande för celltillväxt.

Ett annat användbart verktyg i denna process är computational fluid dynamics (CFD). CFD-simuleringar gör det möjligt för ingenjörer att studera flödesmönster och skjuvfördelning i detalj, vilket hjälper dem att göra informerade designjusteringar. Dessutom erbjuder gungande eller vågblandade bioreaktorer ett mildare alternativ till traditionella omrörda tanksystem, eftersom de naturligt producerar lägre skjuvkrafter. Att integrera realtidsövervakning med avancerade sensorer och prediktiva kontrollalgoritmer kan ytterligare hjälpa till att hålla skjuvspänningen inom säkra gränser, vilket säkerställer en smidigare produktionsprocess.