Energy Efficiency in Bioreactor Scale-Up Processes
Scaling up bioreactors for cultivated meat production - from small (1–5 L) to large (1,000+ L) systems - brings energy challenges. Larger volumes require more power for mixing, oxygen transfer,...
洞察 & 新闻
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pH和温度控制：对细胞生长的影响
维持精确的pH和温度对于培养哺乳动物细胞至关重要，尤其是在培养肉生产中。细胞需要一个受控的环境来增殖（增殖）并发育成肌肉纤维（分化）。以下是关键要点： 最佳条件：pH值必须保持在7.2–7.4之间，温度为37°C。即使是小的偏差（e.g，pH下降0.3个单位）也会减缓生长并降低生产力。 重要性：细胞需要消耗额外的能量来纠正不平衡，这会影响其生长效率。高密度培养尤其容易因乳酸积累而导致pH下降。 规模化挑战：较大的生物反应器面临不均匀的条件，如pH峰值或CO₂积累，使得精确控制更加困难。 解决方案：先进的生物反应器配备自动化系统和可靠的传感器，有助于保持稳定性，提高细胞生长和一致性。 无论是在实验室中培养细胞还是扩大生产规模，保持pH值和温度的稳定对于成功是不可或缺的。 生物反应器中的传感器 pH值和温度如何影响细胞生长 pH值和温度在生物反应器设计中的作用不仅仅是理论上的重要性——它们直接影响细胞代谢和生长。本节探讨这两个因素如何塑造细胞行为和生产力。 pH值对细胞代谢和活力的影响 当pH值偏离最佳范围时，细胞必须更加努力地维持平衡。例如，它们会激活Na⁺/H⁺反向转运蛋白等机制，这些机制消耗的能量本可以用于生长 [3]。这种能量重定向可以导致基因活动的重大变化。在一项研究中，将培养基的pH值降低到6.7，在短短24小时内导致超过2000个基因的表达水平发生变化[3]。 pH值和代谢之间的相互作用可以形成一个恶性循环。高糖酵解活性产生乳酸，从而降低培养基的pH值。在一些高密度培养中，多达90%的葡萄糖被转化为乳酸[2]，导致快速酸化。虽然这种酸化最终会停止进一步的乳酸生产，但代价是细胞生长显著减少[5]。 酸性和碱性极端条件都是有害的。虽然众所周知pH值低于7.1的酸性条件会阻碍生长，碱性条件 - 范围从pH 7.7到9。0 - 也可以减缓增殖并降低产品产量[2][4]。对于大多数哺乳动物细胞，临界的最低pH值在6.6到6.8之间。超出此范围，细胞面临凋亡或坏死的风险增加[5]。 这些由pH值驱动的代谢紊乱为温度在进一步影响细胞行为中的作用奠定了基础。 温度对细胞增殖和分化的影响 温度在代谢活动和气体溶解度中起着关键作用。虽然37°C是大多数培养的标准，但即使是轻微的偏差也会影响生长和蛋白质生产[3][5]。2017年在维也纳工业大学进行的一项研究证明了这一效果。研究人员在10–12立方米的搅拌罐生物反应器中使用CHO细胞模拟pH不均匀性。在指数生长期，短暂暴露于pH 9.0区域显著降低了最大可存活细胞密度和最终产品产量[4]. 在培养肉生产领域，温度控制具有双重目的。在增殖阶段，保持恒定的37°C可确保细胞的高效增殖。然而，已经开发出先进的温度响应系统，通过控制细胞粘附和脱离来促进无支架组织分层[6]. 显然，精确的温度调节与维持最佳pH值同样重要，以确保细胞的成功生长和分化。 pH值和温度的综合影响 pH值和温度之间的相互作用与CO₂化学密切相关。温度变化影响CO₂的溶解度，进而影响碳酸氢盐缓冲系统中的酸碱平衡[3]。较高的温度加速细胞代谢，增加乳酸和CO₂等副产物的产生。这进一步酸化了培养基，加重了细胞的压力[2][3]。 “溶解气体的溶解度，因此CO₂对酸碱化学的影响，强烈依赖于温度、渗透压、湿度和压力。” - Shannon...
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生物反应器中活细胞监测的分析方法
在生物反应器中监测活细胞对于培养肉生产至关重要。 扩大规模需要精确的工具来实时跟踪细胞健康和生长。本文回顾了关键方法，包括电容传感器、拉曼光谱和荧光，强调了它们在工业应用中的优缺点。 关键见解： 电容传感器：持续测量活细胞密度。对贴壁细胞有效，但对细胞大小变化敏感。 拉曼光谱：跟踪葡萄糖和乳酸等代谢物。理想用于水环境，但需要复杂的校准。 荧光：通过NADH/NADPH信号监测代谢活动。速度快，但受培养基背景信号影响。 挑战： 传统测试如台盼蓝是破坏性且缓慢的。高细胞密度和复杂培养基会干扰光学方法。 传感器污染和校准需求限制了效率。 选择合适的方法取决于工艺要求、生物反应器规模和无菌需求。对于大规模操作，结合多种技术通常能获得最佳结果。 基于电容的活细胞密度传感器 介电光谱的工作原理 电容传感器，也称为射频阻抗传感器，将活细胞视为微小的球形电容器。当电场施加到细胞悬浮液时，培养基中的离子和细胞质内的离子开始移动。它们最终遇到不导电的质膜，导致极化 - 膜上的电荷分离[5][6]。html 关键在于：只有膜完整的细胞才能极化。死亡细胞由于缺乏完整的膜，无法捕获离子，因此不对电容信号做出贡献[5][7]。Aber Instruments Ltd.的销售和市场总监John Carvell对此解释得很好： "射频（RF）阻抗……通常被认为是监测哺乳动物细胞培养中活细胞浓度的最稳健和可靠的方法。" [5] 介电光谱通过测量细胞悬浮液在不同频率下的介电特性（或介电常数）来进行扩展。此过程生成一个β-色散曲线，显示随着电场频率的升高，细胞极化能力的下降[6]。 单频读数通常反映可行的生物体积——即活细胞所占据的总体积——而不仅仅是细胞的数量。较大的细胞自然比较小的细胞对信号的贡献更大[5][6]。 这些原理构成了电容传感器技术的基础，使其成为生物反应器系统中的一种有价值的工具。 在培养肉生物反应器中使用电容传感器 电容传感器兼容一次性和多次使用的生物反应器系统。对于一次性设置，传感器一次性圆盘可以焊接到柔性薄膜袋中或通过预装配的管口插入[5][9]。在不锈钢系统中，可重复使用的12毫米探头通过无菌端口连接[9]。一个实际的例子来自亚琛大学，研究人员在一个20升摇摆式一次性生物反应器中使用BioPAT ViaMass系统监测CHO DG44细胞。他们在电容读数与总细胞体积之间实现了强相关性（回归系数为0.95）[5]。同样，荷兰的Xpand Biotechnology在他们的Scinus细胞扩增系统中使用Aber生物量传感器来跟踪在微载体上以60 g/L密度生长的间充质干细胞（MSCs）。传感器有效地追踪了从150...
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如何实施过程分析技术 (PAT)
过程分析技术 (PAT) 将实时质量监控集成到制造过程中，提高一致性并减少浪费。它在培养肉生产中尤其有用，因为对 pH、氧气和营养等因素的精确控制至关重要。PAT 结合在线传感器、化学计量学和自动化系统，以确保产品质量，同时符合监管标准。 实施 PAT 的关键步骤： 识别关键过程参数 (CPPs)： 关注温度、溶解氧、pH 和葡萄糖等因素。 选择监控工具： 使用在线传感器（e.g，如拉曼光谱）进行实时数据监控。 集成 PAT 系统： 将传感器连接到生物反应器以实现自动反馈控制。 开发预测模型： 使用数据分析优化流程。 确保合规： 遵循GMP、ISO 17025和其他监管指南。 像Cellbase这样的平台简化了培养肉生产的设备采购，提供了针对行业需求量身定制的工具。通过采用PAT，您可以提高效率、降低成本并保持高产品标准。 在培养肉生产中实施PAT的5个步骤 生物加工专家小组讨论 I - PAT实施 识别关键工艺参数（CPPs）...
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冷链监控的前五大传感器
在运输过程中保持精确的温度和湿度对于培养肉至关重要。小的波动可能会导致货物变质和浪费。先进的物联网传感器现在提供实时监控，确保产品完整性并符合严格的法规，如FSMA和EN12830。以下是五款旨在保护冷链的顶级传感器： Monnit 无线温度传感器：提供高精度（±0.5°C至±1°C）、长电池寿命（最长12年），并在温度超出范围时即时警报。价格从£144.00起。 Monnit 无线湿度传感器：跟踪0–100% RH，具有600米无线范围和10年电池寿命。非常适合防止与湿气相关的损害。 SpotSee ColdChain Complete：一次性视觉指示器，当温度超过限制时会变色。具有成本效益且无需电池。 Sensitech 温度传感器：通过 TempTale® 设备提供实时数据和警报，确保合规并减少变质风险。 Controlant 物联网传感器：使用 4G/5G 和 LoRaWAN 进行连续监控和即时警报，确保运输过程中的安全条件。 这些传感器有助于减少浪费，保护质量，并符合监管标准。每个传感器都提供独特的优势，以应对冷链物流的挑战。 前五名冷链监控传感器对比图表 Monnit 的冷链远程监控解决方案 1.Monnit 无线温度传感器 Monnit ALTA 无线温度传感器 荣获 2024...
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实时媒体分析与自动采样系统
自动化采样系统正在改变生物工艺的监测方式，特别是在培养肉生产中。这些系统提供频繁、精确和实时的数据，涉及营养水平、代谢物和细胞健康等关键因素——这是手动采样无法比拟的。通过每2-3小时运行一次，而不是每天手动一次，它们提供了代谢变化的更清晰图景，有助于防止代价高昂的生产错误。 关键点包括： 效率：采样、分析和清洗周期在15分钟内完成。 无菌性：系统保持无菌状态超过370小时，降低污染风险。 准确性：葡萄糖测量偏差仅为1.1%，氨基酸分析提供近乎实时的见解。 劳动力节省：减少手动干预，释放员工用于其他任务。 应用：提高培养肉生产的一致性和可扩展性。 这些系统与HPLC和拉曼光谱等先进工具无缝集成，实现精确的营养监测和实时过程调整。因此，它们支持更好的质量控制、减少变异性和更高效的生产工作流程。 手动与自动采样系统：生物加工中的性能比较 自动采样技术研究 研究方法和方法论 自动采样技术的最新进展显著优化了其在培养肉生产中的应用。这些研究专注于将自动采样系统与分析工具集成，同时在整个过程中保持无菌。通常，研究人员将自动采样器与诸如HPLC和毛细管电泳等已建立的方法结合使用，以监测在线传感器通常难以准确测量的复杂代谢物。 2020年5月，维也纳工业大学的一个团队研究了Numera系统，由Securecell AG开发，并在CHO补料分批培养过程中使用Lucullus PIMS软件。他们监测了18种氨基酸以及IgG产品水平，在连续操作的370小时内保持了无菌状态[2]。随着细胞密度的增加，系统设置的调整（如“推出时间”）变得至关重要[2]。 同样地，在2017年8月，Rosanne M.Guijt从塔斯马尼亚大学采用顺序注射毛细管电泳 (SI-CE)来监测五个平行的Jurkat细胞悬浮培养。四天内，该系统对每个培养进行了96次检测，每次电泳分离仅需12分钟。值得注意的是，每个烧瓶仅需5.78 mL（每次分析少于60 µL），使其非常适合高通量筛选而不会显著减少培养体积[6]。这些精确和系统的方法为深入了解性能数据奠定了基础。 研究结果和性能数据 这些研究的结果强调了自动采样系统的效率和精确性。例如，维也纳团队在葡萄糖测量中实现了1.1%的相对标准偏差。此外，通过校正样品稀释引起的系统误差，将偏差降低到低至0.1%到3%的真实值[2]。这种精确度远优于手动采样通常提供的水平。 采样频率是另一个关键优势。虽然手动采样通常每天仅限一次，但自动化系统可以每天采样8到24次，捕捉到可能被忽视的代谢变化。在维也纳的研究中，氨基酸分析在样品采集后45分钟延迟内完成，提供了关于营养耗竭的近实时洞察[2]。塔斯马尼亚研究强调了另一个关键好处：通过将乳酸数据与实时细胞密度测量进行标准化，研究人员可以区分化合物如鱼藤酮和氯喹酮的药理效应与简单的生物量变化[6]。这种细致程度几乎不可能通过传统的手动采样实现，因为不频繁的数据点常常掩盖了关键的代谢模式。 用于培养基监测的传感器技术 传感器和分析工具的类型 传感器技术在精炼实时培养基监测中起着关键作用，特别是在培养肉生产中。各种传感器被用来密切关注培养基成分和细胞健康。例如，标准的在线传感器持续测量pH值、温度和溶解氧，确保条件保持在细胞生长的理想状态[7]。在测量活细胞密度时，电容探头是唯一可商用的在线解决方案。这些探头使用电场来检测活细胞，因为完整的细胞膜充当微小的电容器，区分活细胞与死细胞和碎片[7]。 光谱传感器提供了一种非侵入式的方法来跟踪代谢活动。例如，紫外-可见光谱法分析光的吸收和散射（200–740 nm）以估算细胞密度并识别受损细胞的核酸[7]。荧光光谱法监测自然存在的荧光团，如NADH、NADPH和色氨酸，提供有关培养物代谢状态的宝贵实时见解，而不干扰过程[7]。同时，拉曼光谱法生成培养基的分子指纹，能够精确跟踪葡萄糖、乳酸和氨基酸水平，误差极小[7][2]。事实上，在线拉曼传感器显示出显著的准确性，在复杂介质中，酪氨酸的均方根误差为0.41 mM，色氨酸为0.24 mM[2]。这些光谱工具通过提供快速、非破坏性的代谢分析来补充自动采样系统。...
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生物反应器放大：剪切应力建模技术
扩大用于培养肉生产的生物反应器是复杂的，尤其是在管理剪切应力时，这是一种在放大过程中可能损害哺乳动物细胞的机械力。与微生物细胞不同，哺乳动物细胞脆弱且对湍流和曝气力敏感。当剪切应力超过3 Pa时，细胞可能破裂，降低活力和生产力。 为了解决这些挑战，工程师依靠计算流体动力学 (CFD)和缩小模型来预测和管理剪切应力，然后再进行全面生产。CFD 分析生物反应器中的流动模式、剪切区和混合效率，而缩小模型则通过实验验证这些预测，最大限度地降低放大过程中的风险。 关键要点： 剪切应力限制：哺乳动物细胞可耐受高达3 Pa；超过此值会损害细胞。 CFD 工具：先进的方法如大涡模拟 (LES) 和格子-Boltzmann 模拟 (LB-LES) 能够精确地模拟流动和湍流。 缩小模型：这些模型在较小的设置中复制大型生物反应器的条件，以验证 CFD 预测。 设计考虑： 使用倾斜叶片搅拌器以降低剪切力。 保持 Kolmogorov 涡流长度大于 20 μm 以防止细胞损伤。 保持搅拌器尖端速度低于 1.5 m/s。 通过结合...
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培育肉类的7大净化工具
污染是培养肉生产中的一个主要障碍，批次失败率达到11.2%，在大规模操作中攀升至19.5%。这不仅浪费了生长培养基（占生产成本的50%以上）等资源，还扰乱了时间表。有效的去污是降低这些风险的关键。以下是用于保持培养肉设施无菌的主要工具的快速概述： 工业级清洁剂和去油剂：去除脂肪和蛋白质等有机残留物，是预消毒清洁的关键。 食品级消毒剂：在清洁后减少微生物负荷，针对细菌和生物膜。 就地清洗（CIP）系统：无需拆卸即可自动清洗生物反应器和管道内部。 紫外线去污灯：使用UV-C光在无化学品的情况下消毒表面和空气。 过氧化氢蒸汽发生器：为房间和设备提供彻底的、无接触的消毒。 不锈钢消毒衣柜：在受控环境中对工具、个人防护装备和小型设备进行消毒。 自动传感器清洁站：保持生物反应器探头的清洁和功能，以维持准确的监测。 每种工具都解决特定的污染挑战，从清洁表面到消毒设备和维护生物安全标准。结合这些方法可确保更安全、更高效的生产，同时减少昂贵的故障。下面，我们深入探讨每种工具的工作原理及其在培养肉生产中的实际应用。 培养肉生产的7种去污工具比较 1.工业级清洁剂和去油剂 工业级清洁剂和去油剂在保持培养肉生产设施的清洁方面起着至关重要的作用。这些强效清洁剂旨在物理去除生产过程中积聚在表面和设备上的有机残留物，如脂肪、蛋白质和细胞碎片。跳过这一步基本的清洁步骤可能会削弱消毒效果，因为剩余的有机物质可能会保护细菌免受消毒剂的影响。 初步清洁后，使用特定的应用程序来改善整体去污过程。 主要应用 pH范围为10.5–11.5的碱性清洁剂（至少含有200 ppm的活性碱度和200 ppm的氯）在分解有机污垢方面非常有效。另一方面，酸性化合物用于去除嵌在设备缝隙中的矿物沉积物[7]。对于垂直表面，建议使用高泡氯化清洁剂，因为其延长的接触时间——通常为15分钟——可确保彻底清洁[6]. 去污方法 清洁开始时使用温水（<48.9°C）冲洗表面，然后进行手动擦洗以破坏生物膜。对于就地清洗（CIP）系统，建议使用低泡碱性清洁剂以避免泵气蚀等问题[5][8]。一旦使用清洁剂后，必须用饮用水彻底冲洗。这一步至关重要，因为大多数清洁剂是碱性的，而许多消毒剂是酸性的——任何残留的清洁剂都可能中和消毒剂，使其失效[8]. 与培养肉设备的兼容性 材料兼容性是另一个关键考虑因素。氯化产品，例如，会导致橡胶或硅胶部件（如生物反应器密封件和管道）过早磨损[7]。对于生物反应器过滤器、通风柜或316级不锈钢罐等精密设备，使用专用去油剂可以去除硬化的油脂而不损坏敏感表面[4]。无泡碱性去油剂也非常适合使用工业洗地机对地板和墙壁等大面积进行深度清洁[4]。 优点和局限性 虽然洗涤剂在去除促进细菌生长的有机物方面效果显著，但它们无法杀死顽固的细菌，如沙门氏菌和大肠杆菌[8]。这一局限性突显了需要进行两步过程：清洁后进行消毒。影响洗涤剂性能的因素包括水质，如pH值和硬度。在干燥的加工环境中，传统的湿洗涤剂可能不适用，因为过多的水分会导致霉菌生长。此外，遵循制造商的稀释指南至关重要——过度稀释会降低效果，而过于浓缩的溶液可能会损坏设备并危及产品安全[8]. 对于培养肉行业的专业人士，这些必需的清洁剂可在Cellbase，一个专门为满足行业需求而设计的B2B市场上获得。 2. 食品级消毒剂 在使用洗涤剂清洁后，食品级消毒剂在将微生物减少到安全水平方面起着关键作用。这些化学剂对形成生物膜的细菌特别有效，生物膜为像L.monocytogenes。一项在23个食品加工设施中进行的研究显示，即使在完成清洁和消毒程序后，65%的设施仍然检测出李斯特菌阳性[9]。 消毒剂的有效性在很大程度上取决于彻底的预清洁。当蛋白质残留在表面时，其性能会显著下降。例如，次氯酸盐溶液通常能达到5.5 log的减少率，但在有机物存在的情况下，其有效性会骤降至仅2.8[9]。通过首先去除有机残留物，消毒剂才能有效地消除剩余的微生物。 主要应用...
