Việc mở rộng quy mô các bioreactor để sản xuất thịt nuôi cấy rất phức tạp, đặc biệt khi quản lý ứng suất cắt, một lực cơ học có thể gây hại cho tế bào động vật có vú trong quá trình mở rộng quy mô. Không giống như tế bào vi sinh vật, tế bào động vật có vú rất mong manh và nhạy cảm với lực xáo trộn và sục khí. Khi ứng suất cắt vượt quá 3 Pa, tế bào có thể bị vỡ, giảm khả năng sống sót và năng suất.
Để giải quyết những thách thức này, các kỹ sư dựa vào Động lực học chất lỏng tính toán (CFD) và mô hình thu nhỏ để dự đoán và quản lý ứng suất cắt trước khi sản xuất quy mô lớn. CFD phân tích các mô hình dòng chảy, vùng ứng suất cắt và hiệu quả trộn trong bioreactor, trong khi các mô hình thu nhỏ xác nhận những dự đoán này một cách thực nghiệm, giảm thiểu rủi ro trong quá trình mở rộng quy mô.
Những Điểm Chính:
- Giới Hạn Ứng Suất Cắt: Tế bào động vật có vú chịu đựng được đến 3 Pa; vượt quá mức này sẽ gây hại cho tế bào.
- Công cụ CFD: Các phương pháp tiên tiến như Mô phỏng Eddy Lớn (LES) và mô phỏng Lattice-Boltzmann (LB-LES) cho phép mô hình hóa chính xác dòng chảy và nhiễu loạn.
- Mô hình thu nhỏ: Những mô hình này tái tạo điều kiện của các bioreactor lớn trong các thiết lập nhỏ hơn để xác nhận dự đoán CFD.
-
Các yếu tố thiết kế:
- Sử dụng cánh khuấy nghiêng để giảm lực cắt.
- Duy trì chiều dài eddy Kolmogorov trên 20 μm để ngăn ngừa tổn thương tế bào.
- Giữ tốc độ đầu cánh khuấy dưới 1.5 m/s.
Bằng cách kết hợp các hiểu biết từ CFD với xác nhận thực nghiệm, các nhóm có thể tối ưu hóa thiết kế bioreactor cho sản xuất thịt nuôi cấy, đảm bảo sự sống sót của tế bào và mở rộng quy mô hiệu quả.
CFD Compass | Thực hành tốt nhất cho CFD Bioreactor
Sử dụng Động lực học Chất lỏng Tính toán (CFD) để Mô hình Hóa ứng Suất Cắt
Các Phương pháp CFD và Thông số Chính cho Các Loại Bioreactor Khác nhau trong Sản xuất Thịt Nuôi Cấy
Các mô phỏng CFD cung cấp cho kỹ sư các công cụ để lập bản đồ động lực học chất lỏng và lực cắt trong các bioreactor trước khi chúng được xây dựng thực tế. Thay vì dựa vào phương pháp thử và sai ở quy mô sản xuất, CFD giúp dự đoán các yếu tố quan trọng như vùng cắt cao, xoáy rối và khả năng sống của tế bào trong các phần cụ thể của bình chứa. Điều này đặc biệt quan trọng trong sản xuất thịt nuôi cấy, nơi mà quy mô bioreactor có thể đạt tới 200.000 lít - lớn hơn nhiều so với các bình chứa dược phẩm sinh học truyền thống [8]. Những thông tin dự đoán này hướng dẫn các thí nghiệm thu nhỏ và ảnh hưởng đến việc lựa chọn thiết bị.
Sự phát triển của các kỹ thuật tính toán đã rất đáng chú ý. Trong khi các mô hình Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS), như k-ε, vẫn được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp, các phương pháp tiên tiến như Large Eddy Simulations (LES) và mô phỏng Lattice-Boltzmann sử dụng GPU (LB-LES) đang đẩy mạnh giới hạn. Theo Giáo sư Miroslav Soos từ Đại học Hóa học và Công nghệ Prague, LB-LES dựa trên GPU có thể giải quyết các mô hình “nhanh hơn từ 100 đến 1,000 lần so với các bộ giải phương pháp thể tích hữu hạn thường dùng” [2]. Lợi thế về tốc độ này cho phép các kỹ sư mô phỏng các tàu lớn với độ chính xác cần thiết để phát hiện các xoáy gây hại cho tế bào.
Một ví dụ thực tế về khả năng của CFD đến từ các nhà nghiên cứu tại Regeneron Ireland DAC và Thermo Fisher Scientific. Họ đã thành công trong việc mở rộng quy trình nuôi cấy tế bào từ một bioreactor 2,000 lít sang một bioreactor sử dụng một lần 5,000 lít có hình dạng khác biệt.Thay vì dựa vào các phương pháp thực nghiệm, họ đã sử dụng CFD để phân tích các thông số như tốc độ chuyển khối, thời gian trộn, và tốc độ cắt. Cách tiếp cận này cho phép mở rộng quy mô thành công ngay từ lần thử đầu tiên, tránh được những thất bại tốn kém thường liên quan đến tỷ lệ công suất trên thể tích [5].
Thiết Lập CFD cho Các Bioreactor Bể Khuấy
Để thiết lập CFD cho các bioreactor bể khuấy, bắt đầu bằng việc xác định hình dạng của bình - bao gồm kích thước bể, thiết kế cánh khuấy (e.g., Rushton hoặc cánh nghiêng), và vị trí vách ngăn. Việc chọn mô hình nhiễu loạn phù hợp là rất quan trọng: mô hình k-ε có thể thực hiện tốt cho các hệ thống khí-lỏng, trong khi LB-LES cung cấp độ phân giải cao hơn để xác định các ứng suất đỉnh có thể gây hại cho tế bào. Một nghiên cứu hội tụ lưới đảm bảo rằng kết quả không phụ thuộc vào kích thước lưới.
Các điều kiện biên phải phản ánh các thông số hoạt động thực tế, chẳng hạn như tốc độ cánh khuấy, tỷ lệ khí sục, mật độ chất lỏng và độ nhớt. Đối với các ứng dụng thịt nuôi cấy, các mô hình kéo bọt bảo thủ thường được sử dụng để ước tính ứng suất cắt [8]. Hệ thống nên hoạt động trong chế độ hoàn toàn hỗn loạn, với số Reynolds vượt quá 10,000 để đảm bảo rằng số công suất vẫn nhất quán bất kể tốc độ cánh khuấy [1].
Dự đoán CFD cho việc chuyển oxy, thời gian trộn và ứng suất động lực học chất lỏng nên phù hợp với dữ liệu thực nghiệm được thu thập bằng cách sử dụng các đầu dò vi mô nhạy cảm với cắt hoặc các tập hợp hạt nano [2]. Ví dụ, một mô hình truyền khối lượng toán học đã hướng dẫn việc mở rộng trực tiếp quy trình nuôi cấy tế bào CHO từ một đơn vị để bàn 2 lít lên một lò phản ứng sinh học công nghiệp 1,500 lít tại Sartorius.Bằng cách sử dụng CFD để dự đoán nhu cầu oxy và loại bỏ CO₂, nhóm đã duy trì các thuộc tính chất lượng sản phẩm nhất quán - chẳng hạn như N-glycans và các biến thể điện tích - trên các quy mô [6].
CFD cho Các Loại Bioreactor Khác
Mặc dù các bể khuấy chiếm ưu thế trong nuôi cấy tế bào công nghiệp, các thiết kế bioreactor khác yêu cầu các phương pháp CFD phù hợp. Ví dụ, các bioreactor lắc hoặc sóng dựa vào phương pháp Thể Tích Chất Lỏng (VOF) để mô phỏng giao diện khí-lỏng, vì chuyển động sóng tạo ra ứng suất cắt trong các hệ thống này. Các thiết kế này tạo ra môi trường ứng suất cắt nhẹ nhàng hơn nhiều - ứng suất tối đa khoảng 0.01 Pa so với các bể khuấy - nhưng khả năng mở rộng của chúng bị hạn chế cho sản xuất thịt nuôi cấy quy mô lớn [4].
Ngược lại, các bioreactor sợi rỗng sử dụng các mô hình phương tiện xốp dựa trên các phương trình Brinkman để mô phỏng sự khuếch tán chất dinh dưỡng và sức cản dòng chảy qua màng.Các hệ thống giường tầng sôi yêu cầu các mô hình Euler-Lagrange để nắm bắt tương tác hạt-chất lỏng và sự mở rộng giường, trong khi các lò phản ứng sinh học airlift sử dụng phương pháp Euler-Euler để phân tích sự nhiễu loạn do bọt khí gây ra và sự giữ khí [4]. Mỗi thiết kế đi kèm với những thách thức độc đáo: giường tầng sôi phải cân bằng phân phối vi hạt với sự tiếp xúc cắt, trong khi các hệ thống airlift cần quản lý căng thẳng gây ra bởi bọt khí nổ, nguyên nhân hàng đầu gây chết tế bào trong các lò phản ứng sinh học có khí [1] [7].
Hiểu biết về các phương pháp CFD này là cần thiết để kiểm soát ứng suất cắt trong các thiết kế lò phản ứng sinh học khác nhau được sử dụng trong sản xuất thịt nuôi cấy.
| Loại Bioreactor | Phương pháp CFD | Yếu tố quan trọng |
|---|---|---|
| Bể khuấy | RANS (SST), LES, LB-LES | Tiêu tán năng lượng trong vùng cánh khuấy (εMax) |
| Sóng/Lắc | Thể tích chất lỏng (VOF) | Theo dõi giao diện khí-lỏng |
| Sợi rỗng | Môi trường xốp (Brinkman) | Dòng chảy dinh dưỡng và kháng màng |
| Giường lỏng | Euler-Lagrange | Tương tác giữa hạt và chất lỏng, mở rộng giường |
| Airlift | Euler-Euler | Nhiễu loạn từ bọt khí và giữ khí |
Các phương pháp CFD đa dạng này nhấn mạnh nhu cầu về các chiến lược tùy chỉnh, đóng vai trò quan trọng trong việc lựa chọn thiết bị và quản lý ứng suất cắt.
Mô Hình Thu Nhỏ và Xác Nhận Thực Nghiệm
Mặc dù Động Lực Học Chất Lỏng Tính Toán (CFD) cung cấp các dự đoán có giá trị, nhưng nó không thể thay thế nhu cầu thử nghiệm thực tế khi mở rộng quy trình. Xác nhận thực nghiệm đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo rằng các mô hình tính toán đại diện chính xác cho các điều kiện ứng suất cắt trong thế giới thực. Đây là lúc các mô hình thu nhỏ phát huy tác dụng, mô phỏng môi trường thủy động lực học của các lò phản ứng sinh học sản xuất lớn trong các hệ thống nhỏ hơn, dễ quản lý hơn. Bằng cách làm như vậy, chúng giảm thiểu rủi ro của các lỗi tốn kém khi chuyển từ quy mô nhỏ sang quy mô công nghiệp. Bước này không chỉ xác nhận các dự đoán của CFD mà còn đảm bảo một quy trình mở rộng quy mô đáng tin cậy và hiệu quả hơn.
Tạo Mô Hình Thu Nhỏ
Thiết kế một mô hình thu nhỏ bắt đầu với việc duy trì sự tương đồng hình học.Điều này có nghĩa là giữ nguyên tỷ lệ giữa các thành phần chính, chẳng hạn như chiều cao của bình chứa so với đường kính và đường kính cánh khuấy so với đường kính bể [11]. Khi hình học đã được căn chỉnh, các kỹ sư chọn tiêu chí tỷ lệ. Các lựa chọn phổ biến bao gồm công suất trên thể tích (P/V), tốc độ đầu cánh khuấy hoặc tỷ lệ tiêu tán năng lượng (EDR). Tuy nhiên, tập trung vào EDR cục bộ thay vì P/V trung bình cung cấp sự hiểu biết tốt hơn về tính không đồng nhất của lực cắt, điều này rất quan trọng cho việc mô hình hóa chính xác.
Một phương pháp tiên tiến hơn liên quan đến các mô phỏng đa ngăn. Ví dụ, vào tháng 2 năm 2021, Emmanuel Anane và nhóm của ông đã phát triển một mô phỏng giảm tỷ lệ hai ngăn kết hợp một bể phản ứng khuấy (STR) và một bể phản ứng dòng chảy cắm (PFR). Mô hình này được sử dụng để nghiên cứu cách các tế bào CHO phản ứng với các gradient oxy hòa tan. Nghiên cứu của họ đã tiết lộ một ngưỡng thời gian lưu trú quan trọng là 90 giây.Beyond this point, CHO cells showed a 15% drop in viable cell density and an increase in lactate accumulation [10]. This finding offers a clear benchmark for designing industrial bioreactors that maintain cell viability.
Để bảo vệ sự phát triển của tế bào, các kỹ sư thường nhắm đến việc giữ tốc độ đầu cánh quạt dưới 1.5 m/s [1]. Ngoài ra, chiều dài vi xoáy Kolmogorov - một thước đo của sự nhiễu loạn - nên vượt quá kích thước của các tế bào, thường là 20 μm hoặc lớn hơn đối với tế bào động vật có vú, để tránh thiệt hại thủy động lực học [1][3]. Ví dụ, ở mức năng lượng đầu vào 0.1 W/kg trong các nền văn hóa tế bào động vật, các vi xoáy nhỏ nhất khoảng 60 μm, cung cấp một vùng đệm an toàn [3].
Xác thực Dự đoán CFD Thông qua Thí nghiệm
Một khi mô hình thu nhỏ đã được thiết lập, các phương pháp thí nghiệm là cần thiết để xác thực các thông số được suy ra từ CFD. Kỹ thuật Đo Vận Tốc Hình Ảnh Hạt (PIV) là một kỹ thuật được sử dụng rộng rãi cho mục đích này. Bằng cách theo dõi các hạt trong chất lỏng, PIV giúp xác nhận liệu các mô hình dòng chảy và trường vận tốc trong mô hình thu nhỏ có phù hợp với dự đoán CFD hay không [12][4].
Phương pháp tiêm chất đánh dấu và khử màu cũng được sử dụng để xác thực thời gian trộn. Trong quá trình này, các chất đánh dấu như axit, bazơ hoặc dung dịch muối được đưa vào gần cánh khuấy, và sự phân bố của chúng được giám sát cho đến khi đạt được 95% đồng nhất [12][3]. Đối với các bioreactor tế bào động vật có vú quy mô lớn (5.000 L đến 20.000 L), thời gian trộn thường dao động từ 80 đến 180 giây [10].
Vào tháng 3 năm 2020, James Scully và đội ngũ của ông tại Regeneron Ireland DAC đã thành công trong việc mở rộng quy trình nuôi cấy tế bào từ một bioreactor 2.000 L lên một bioreactor sử dụng một lần 5.000 L với hình dạng khác. Họ đã dựa vào CFD để dự đoán các thông số chính như tốc độ truyền khối, thời gian trộn, và tốc độ cắt. Những dự đoán này sau đó đã được xác nhận thông qua các thí nghiệm đơn pha và đa pha, cho phép một nỗ lực mở rộng quy mô thành công ngay từ lần đầu tiên mà không cần các thử nghiệm quy mô lớn [5].
"Các mô phỏng CFD ngày càng được sử dụng để bổ sung cho các cuộc điều tra kỹ thuật quy trình cổ điển trong phòng thí nghiệm với các kết quả được giải quyết theo không gian và thời gian, hoặc thậm chí thay thế chúng khi các cuộc điều tra trong phòng thí nghiệm không thể thực hiện được." - Stefan Seidel, Trường Khoa học Đời sống, ZHAW [12]
Các kỹ thuật xác thực bổ sung bao gồm đo mô-men xoắn để xác nhận đầu vào công suất cụ thể (P/V) và các số công suất không thứ nguyên ở các tốc độ khuấy cụ thể [12][3]. Tốc độ truyền oxy được xác minh bằng các phương pháp như kỹ thuật gassing-out hoặc sulphite, xác định hệ số truyền khối lượng oxy thể tích (kLa) [12][7]. Đối với các hệ thống sử dụng vi hạt, các phương pháp giảm ánh sáng hoặc dựa trên camera được sử dụng để tìm tốc độ tối thiểu cần thiết để treo tất cả các hạt, đảm bảo rằng dự đoán CFD về phân bố pha rắn là chính xác [12][4].
sbb-itb-ffee270
Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Ứng Suất Cắt Trong Bioreactors
Để bảo vệ khả năng sống của tế bào trong quá trình mở rộng quy mô, việc hiểu các yếu tố vật lý điều khiển ứng suất cắt là rất quan trọng. Dự đoán của Động lực học Chất lỏng Tính toán (CFD) và xác nhận quy mô nhỏ cho thấy rằng tỷ lệ tiêu tán năng lượng (EDR) đóng vai trò then chốt. EDR đo lường cách năng lượng động của cánh khuấy chuyển đổi thành nhiệt, dẫn đến phân bố năng lượng không đồng đều. Ví dụ, trong các cánh khuấy nghiêng, năng lượng có xu hướng tập trung xung quanh cánh khuấy, tạo ra các vùng có ứng suất cắt cao có thể gây hại cho tế bào nếu không được quản lý đúng cách.
Thiết Kế Cánh Khuấy và Đầu Vào Năng Lượng
Loại cánh khuấy được sử dụng ảnh hưởng đáng kể đến mô hình dòng chảy và cường độ ứng suất cắt. Ví dụ, các tua-bin Rushton tạo ra dòng chảy hướng tâm và ứng suất cắt cao, làm cho chúng lý tưởng cho quá trình lên men vi sinh nhưng ít phù hợp hơn cho các tế bào động vật có vú nhạy cảm với ứng suất cắt.Mặt khác, cánh khuấy nghiêng tạo ra dòng chảy dọc trục với lực cắt thấp hơn và hiệu suất bơm tốt hơn ở cùng mức công suất đầu vào. Điều này khiến chúng trở thành lựa chọn ưu tiên cho các ứng dụng như sản xuất thịt nuôi cấy, nơi khả năng sống sót của tế bào là ưu tiên hàng đầu.
| Loại Cánh Khuấy | Mô Hình Dòng Chảy | Số Công Suất (Nₚ) | Mức Độ Cắt | Ứng Dụng Chính |
|---|---|---|---|---|
| Turbin Rushton | Hướng Kính | ~5.0 | Cao | Lên men vi sinh; phân tán khí [3] |
| Cánh Nghiêng | Dọc Trục | ~1.0 | Thấp đến Trung bình | Nuôi cấy tế bào động vật có vú; huyền phù chất rắn [3] |
Các chiến lược mở rộng thường dựa vào việc duy trì công suất đầu vào không đổi trên mỗi thể tích (P/V). Tuy nhiên, khi kích thước lò phản ứng tăng lên, điều này có thể dẫn đến tốc độ đầu cánh khuấy cao hơn. Đối với tế bào động vật có vú, tốc độ đầu cánh khuấy nên giữ dưới 1.5 m/s để tránh các vấn đề về tăng trưởng [1]. Trong các lò phản ứng quy mô lớn, việc sục khí có thể gây ra căng thẳng động lực học thậm chí còn lớn hơn so với cánh khuấy, đặc biệt là trong các bình chứa vượt quá 20 m³ [9]. Những yếu tố này liên quan chặt chẽ đến sự nhiễu loạn, điều này được khám phá thêm trong thảo luận về thang đo Kolmogorov.
Thang đo Kolmogorov và Mô hình hóa Nhiễu loạn
Thang đo Kolmogorov (λ) xác định kích thước của các xoáy nhiễu loạn nhỏ nhất nơi năng lượng tiêu tán dưới dạng nhiệt.Nếu các xoáy này nhỏ hơn đường kính tế bào, thiệt hại cơ học trở thành một mối quan ngại. Đối với tế bào động vật có vú, thường có kích thước 15–20 μm, chiều dài xoáy phải vượt quá 20 μm để tránh thiệt hại [1][3]. Ví dụ, với đầu vào năng lượng 0.1 W/kg, đường kính xoáy Kolmogorov khoảng 60 μm, cung cấp một vùng đệm an toàn [3].
"Nếu các thực thể sinh học (e.g., tế bào động vật có vú) nhỏ hơn λ [quy mô Kolmogorov] trong một bioreactor, thì thiệt hại do cắt cho các thực thể này sẽ không xảy ra." - Muhammad Arshad Chaudhry [3]
Vào tháng 8 năm 2024, các nhà nghiên cứu từ Boehringer Ingelheim Pharma và Đại học Hóa học và Công nghệ Prague đã sử dụng Mô phỏng Xoáy Lớn Lattice-Boltzmann (LB-LES) để xác nhận các dự đoán CFD trong một bioreactor công nghiệp 12,500 L.Bằng cách sử dụng các tập hợp hạt nano nhạy cảm với lực cắt, họ đã đo được áp lực động lực học tối đa và chứng minh rằng LB-LES có thể giải quyết các quy mô rối loạn nhanh hơn 100–1,000 lần so với các phương pháp truyền thống [2]. Những phát hiện này rất quan trọng trong việc phát triển các chiến lược để giảm thiểu áp lực cắt.
Giảm Áp Lực Cắt Sử Dụng Dữ Liệu Mô Hình Hóa
Mô hình hóa CFD cho phép các kỹ sư xác định các vùng có áp lực cắt cao và điều chỉnh điều kiện vận hành cho phù hợp. Một phương pháp hiệu quả là đưa các chất nền, cơ sở pH, hoặc chất chống tạo bọt gần vùng cánh khuấy thay vì trên bề mặt chất lỏng. Điều này đảm bảo phân phối nhanh chóng và giảm thiểu các gradient nồng độ cục bộ [3]. Trong sản xuất thịt nuôi cấy, áp lực cắt quá mức có thể làm tách tế bào khỏi các vi hạt, trong khi khuấy không đủ dẫn đến lắng đọng vi hạt và mất cân bằng dinh dưỡng [9].
Phụ gia bảo vệ như Pluronic F-68 (Poloxamer 188) thường được sử dụng để bảo vệ tế bào khỏi lực cắt, đặc biệt là những lực gây ra bởi sự nổ bong bóng trên bề mặt chất lỏng - một nguyên nhân chính dẫn đến cái chết của tế bào trong các lò phản ứng sinh học [1]. Với các chất hoạt động bề mặt này, năng lượng đầu vào lên đến 100,000 W/m³ đã được báo cáo mà không gây ra tác động chết người [1]. Ngoài ra, giữ vận tốc khí vào tại lỗ thoát khí dưới 30 m/s giúp giảm thiểu tổn thất năng suất và tỷ lệ tử vong của tế bào [1].
Tìm kiếm Thiết bị cho Quy mô Lò Phản Ứng Sinh Học
Làm thế nào Cellbase Hỗ trợ Mua sắm Lò Phản Ứng Sinh Học
Việc mở rộng quy mô lò phản ứng sinh học cho sản xuất thịt nuôi cấy đi kèm với những thách thức riêng. Đây là lúc
Khi sử dụng
Việc mở rộng quy mô thành công của các bioreactor được sử dụng trong ngành công nghiệp dược phẩm sinh học đóng vai trò lớn trong chất lượng và thời gian đưa sản phẩm ra thị trường [5].
Bằng cách tận dụng dữ liệu hỗ trợ CFD, các nhóm có thể tối ưu hóa việc lựa chọn thiết bị và giảm thiểu nhu cầu cho các lần thử nghiệm lặp lại [5]. Những hiểu biết này rất quan trọng để lựa chọn các bioreactor được thiết kế với quản lý ứng suất cắt tối ưu.
Chọn Thiết Bị để Kiểm Soát Ứng Suất Cắt
Để kiểm soát ứng suất cắt hiệu quả, một số thông số kỹ thuật của thiết bị đặc biệt quan trọng. Hình học cánh khuấy là một yếu tố then chốt. Ví dụ, cánh khuấy nghiêng tạo ra dòng chảy trục với số công suất (Np) khoảng 1.0, trong khi tuabin Rushton có Np cao hơn nhiều, khoảng 5.0.Điều này có nghĩa là các thiết kế cánh nghiêng tạo ra công suất ít hơn đáng kể và do đó, ít lực cắt hơn ở cùng tốc độ quay [3]. Đối với các ứng dụng liên quan đến tế bào động vật có vú được sử dụng trong thịt nuôi cấy, việc giữ vận tốc đầu cánh quạt dưới 1,5 m/s là cần thiết để tránh làm hỏng tế bào [1].
Cấu hình sparger là một yếu tố quan trọng khác cần xem xét. Để ngăn chặn lực cắt quá mức, thiết bị nên đảm bảo rằng vận tốc khí vào tại lỗ sparger duy trì dưới 30 m/s, và số Reynolds của lỗ dưới 2.000. Vượt quá các ngưỡng này có thể dẫn đến "chế độ phun tia", nơi mà bong bóng phân tán không đều và tạo ra các vùng lực cắt cục bộ [1]. Sparger lỗ khoan hoặc ống mở phù hợp hơn cho các tế bào nhạy cảm với lực cắt so với microsparger. Ngoài ra, thiết bị nên hỗ trợ khả năng tương thích thu nhỏ. Các nhà cung cấp cung cấp các mô hình để bàn (e.g., 3 L systems) tương tự về mặt hình học với các hệ thống quy mô lớn (2,000 L hoặc hơn) cho phép các nhóm xác nhận dự đoán CFD trên quy mô nhỏ hơn trước khi chuyển sang sản xuất quy mô đầy đủ [1][2].
Kết luận
Việc mở rộng quy mô các bioreactor cho sản xuất thịt nuôi cấy đòi hỏi phải từ bỏ các phương pháp thử và sai truyền thống và áp dụng các chiến lược dựa trên mô hình để giải quyết sự khác biệt về lực cắt cục bộ. Động lực học chất lỏng tính toán (CFD) đã trở thành một công cụ quan trọng trong quá trình này, cho phép các kỹ sư dự đoán môi trường thủy động lực học và hình dung các vùng lực cắt vượt ra ngoài tỷ lệ công suất trên thể tích đơn giản [1]. Bằng cách tuân thủ các thông số quan trọng - như giữ chiều dài xoáy Kolmogorov trên 20 μm và tốc độ đầu cánh quạt dưới 1.5 m/s - các kỹ sư có thể bảo vệ tế bào động vật có vú khỏi hư hại do lực cắt trong khi đảm bảo trộn và chuyển oxy đúng cách [1].
Các phương pháp tính toán tiên tiến, chẳng hạn như Mô phỏng Dòng chảy Lớn (LES) và kỹ thuật Lattice-Boltzmann, đã chứng minh hiệu quả của chúng trong việc mở rộng quy mô quy trình. Ví dụ, vào tháng 3 năm 2020, Regeneron Ireland DAC đã thành công trong việc mở rộng quy trình nuôi cấy tế bào từ một bioreactor 2.000 L sang một hệ thống sử dụng một lần 5.000 L có hình dạng khác biệt ngay từ lần đầu tiên. Điều này đạt được bằng cách sử dụng dự đoán CFD đa tham số, loại bỏ nhu cầu thử nghiệm vật lý rộng rãi [5]. Chiến lược "đúng ngay từ lần đầu" này không chỉ giảm thiểu rủi ro nhiễm bẩn mà còn rút ngắn thời gian ra thị trường - điều quan trọng đối với ngành thịt nuôi cấy.
Các phương pháp xác nhận thực nghiệm, chẳng hạn như Đo Vận tốc Hình ảnh Hạt (PIV), xác nhận thêm độ chính xác của các mô hình CFD [2]. Những mô hình đã được xác nhận này hiện đóng vai trò quan trọng trong các quyết định mua sắm.Các công ty như
Câu hỏi thường gặp
Động lực học chất lỏng tính toán (CFD) hỗ trợ mở rộng quy mô bioreactor cho sản xuất thịt nuôi cấy như thế nào?
Động lực học chất lỏng tính toán (CFD) là một bước đột phá khi nói đến việc mở rộng quy mô bioreactor cho thịt nuôi cấy. Nó cung cấp sự hiểu biết sâu sắc về động lực học dòng chảy, lực cắt, hiệu quả trộn, và tỷ lệ chuyển khối - tất cả đều là các yếu tố quan trọng để tạo ra môi trường lý tưởng cho sự phát triển của tế bào.
Với CFD, các kỹ sư có thể tối ưu hóa các yếu tố quan trọng như thiết kế cánh khuấy, tốc độ khuấy và phân tán khí. Điều này đảm bảo rằng các bioreactor hoạt động trong điều kiện tốt nhất có thể, bảo vệ cả sức khỏe tế bào và năng suất.
Hơn nữa, CFD cho phép chuyển từ các thiết lập phòng thí nghiệm nhỏ sang các bioreactor quy mô công nghiệp lớn mà không làm giảm hiệu quả hoặc tính nhất quán. Điều này có nghĩa là sản xuất thịt nuôi cấy có thể mở rộng một cách suôn sẻ trong khi duy trì các tiêu chuẩn cao.
Điều gì làm cho Mô phỏng Eddy Lớn (LES) tốt hơn các phương pháp truyền thống trong mô hình hóa bioreactor?
Mô phỏng Eddy Lớn (LES) cung cấp cái nhìn sâu sắc và chính xác hơn về dòng chảy rối trong bioreactor so với các phương pháp truyền thống như Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS).Bằng cách tập trung vào các dòng xoáy lớn và chỉ mô phỏng các chuyển động tiêu tán nhỏ nhất, LES có thể xác định các điểm nóng ứng suất cắt quan trọng, chẳng hạn như các vùng cắt cao do xoáy gây ra, mà có thể bị bỏ qua. Mức độ chi tiết này đóng vai trò quan trọng trong việc giảm thiệt hại tế bào và đảm bảo độ tin cậy cao hơn khi mở rộng quy mô sản xuất thịt nuôi cấy.
Không giống như các phương pháp phụ thuộc nhiều vào các tương quan thực nghiệm, LES cung cấp khả năng dự đoán mạnh mẽ hơn khi chuyển từ các lò phản ứng sinh học quy mô phòng thí nghiệm sang quy mô công nghiệp. Những tiến bộ trong kỹ thuật tính toán cũng đã làm cho LES trở nên dễ tiếp cận hơn, cho phép mô phỏng chi tiết mà không cần đến các nguồn tài nguyên tính toán cấm kỵ. Đối với các doanh nghiệp muốn tích hợp các thiết kế dựa trên LES,
Tại sao việc duy trì chiều dài Kolmogorov eddy trên 20 µm lại quan trọng đối với sự sống của tế bào động vật có vú?
Duy trì chiều dài Kolmogorov eddy trên khoảng 20 µm là rất quan trọng để bảo vệ tế bào động vật có vú trong quá trình vận hành bioreactor. Khi các eddy hỗn loạn này co lại dưới kích thước của tế bào, chúng có thể khiến tế bào chịu áp lực cắt quá mức, có nguy cơ làm hỏng màng tế bào và giảm khả năng sống của tế bào.
Giữ cho các cấu trúc hỗn loạn nhỏ nhất lớn hơn tế bào giúp giảm khả năng gây hại cơ học. Điều này không chỉ thúc đẩy các nền văn hóa tế bào khỏe mạnh hơn mà còn nâng cao hiệu suất tổng thể của bioreactor. Điều này càng trở nên quan trọng hơn trong quá trình mở rộng quy mô bioreactor, nơi việc đảm bảo điều kiện áp lực cắt nhất quán là đặc biệt khó khăn.
