基于生物反应器微环境评价的养殖肉制品合理规模化生产策略

关键发现：

1、 混合速度对bADSCs增殖的影响

图1 在缩小的T-25模型中扩增bADSCs

混合速度是基于微载体培养工艺中的关键工艺参数，有效的混合可以增强液体混合，加速物质和能量的转移，但过高的混合速度会增加流体剪切力，导致细胞损伤，特别是在细胞分裂过程中。因此，研究人员首先使用缩小版的T-25培养瓶模型研究了bADSCs的适当混合速度。测试了6种混合速度，范围为20-80 rpm。因为20 rpm过低，导致微载体沉降和聚集，抑制细胞增殖。基于CFD模拟，将流场的剪切环境作为后续bADSCs生物工艺放大过程的关键考虑因素。

2、 CFD模型构建及精度验证

图2 1 L和10 L生物反应器的CFD模型构建和混合时间模拟

混合时间反映了在给定功率输入下达到指定均匀度所需的时间，这是评价生物反应器混合性能的关键参数。此外，可通过比较冷模型实验和CFD模拟得到的混合时间来验证CFD模型的准确性。在本研究中，研究人员构建了1 L和10 L生物反应器的CFD模型，然后进行混合时间模拟以验证模型的准确性。

3、 流动场中剪应力的大小和分布

图3 生物反应器中剪切应力的大小和分布

剪切应力是生物工艺放大过程中的关键参数。通过CFD模拟，研究人员定量计算了全局流场（全局）和局部流场的平均剪切应力。剪切应力作为一种物理刺激，可以激活细胞表面的机械敏感受体，从而通过相关的细胞内信号通路影响细胞行为。这种效应在工业规模的生物反应器中尤为明显，容器尺寸的增大导致流体动力学条件更加复杂。因此，需要更精细地设计和控制生物反应器，以确保在大规模培养过程中为细胞提供合适的剪切微环境，从而实现与实验室规模培养相一致的生长和功能。

4、 基于CFD模拟的bADSCs生物过程的合理放大

图4 基于CFD模拟的bADSCs生物过程的合理放大

为了验证从计算流体动力学模拟中得出的最佳混合速度，研究人员在1升生物反应器中以4种不同的速度培养bADSCs，这些速度范围从60到120转/分钟。结果显示，在不同混合速度下，细胞生长存在显著差异。在培养第6天，通过明场显微镜观察发现，当混合速度为80转/分钟时，微载体上的bADSCs形态良好且汇合度最高。在研究人员的研究中，CFD模拟在将bADSCs生物工艺从T-25培养瓶合理放大到10升生物反应器的过程中发挥了关键作用。通过CFD模拟，研究人员成功预测了不同操作条件下的剪切微环境。此外，通过匹配相似的剪切环境，研究人员在T-25培养瓶、1升和10升生物反应器中实现了bADSCs形态和生长动力学的高度一致性。该模拟不仅克服了传统经验方法在生物反应器结构和流动动力学方面的局限性，而且显著减少了工业规模下昂贵且耗时的实验需求。未来的研究将重点使用计算流体动力学模拟，以更精确地控制大规模生物反应器中微载体的分布和流动特性，从而提高细胞附着效率和培养密度。为此，研究人员将在实验室规模上模拟非均匀流场环境，不仅考虑单一剪切微环境，还将全面分析混合和传质等工程参数与细胞生长和代谢之间的关系。此外，研究人员将利用计算流体动力学技术，根据不同流场环境下的细胞生长状态，设计和优化大型生物反应器的搅拌器结构和尺寸、混合速度以及曝气速率，以实现对大规模生物反应器过程条件和控制策略的准确预测。

结论

本研究提出了一种用于放大不同几何形状生物反应器的流场的方法。通过模拟流体动力学，从T-25缩小模型中定量分析了在不同混合速度下的流场中的柯尔莫哥洛夫长度尺度和剪切应力，预测出1升和10升生物反应器中bADSCs培养的最佳混合速度。并在1升和10升生物反应器中成功放大bADSCs的培养，证明了计算流体动力学预测的准确性。这种方法对于指导剪切敏感细胞的生物工艺放大至关重要，并将促进大规模生产培养肉。

原文：

Wanqiang Sun , Haohao Tang , Luyi Wang , Guocheng Du , Jingwen Zhou , Jian Chen , Xin Guan. (2025). Rational scaling-up strategy for cultured meat production based on bioreactor micro-environment evaluation. Food Bioscience, DOI: 10.1016/j.fbio.2024.105737