人造肉生产设备细胞生物反应器

细胞生物反应器可用于食品肉类替代品、药物和大规模生产的蛋白质，具有巨大的市场潜力和环境效益，同时解决了畜牧业带来的伦理问题。动植物细胞培养的基础科学现在已经发展得很好，世界各地的许多公司都打算从实验室转向制造。但进行规模生产具有很大挑战性。

From cultivated meats to medicines, bioreactors are coming to the factory floor (nature.com)

“活细胞生长的生物反应器将发挥关键作用，但目前存在产能紧缩，”德国生物工程公司The Cultivated B（TCB）首席执行官Hamid Noori说。

为了扩大规模，生物制造商需要降低操作生物反应器所需的专业知识水平。“大型制造工厂主要雇用被视为非专家，操作员而不是工艺工程师的工人，”麻省理工学院化学工程部门执行官Kristala Prather说。该行业需要更简单，适应性更强，可重复使用和可持续的生物反应器技术，这促使TCB开发他们说任何人都可以使用的生物反应器。

牛津组织工程和生物加工中心主任Cathy Ye完全有能力评估扩大细胞农业的挑战，她具有哺乳动物细胞培养的研究背景，最近作为栽培肉类初创公司Ivy Farm的联合创始人进入市场。

“一个主要的技术问题是控制大量脆弱哺乳动物细胞的破坏性剪切力，同时保持细胞在其维持流体中的必要搅拌，”Ye说。从实验室转移到工厂需要更大的生物反应器，但这些生物反应器比较小的实验室生物反应器具有更高的剪切力。如果控制不当，这种过大的压力会导致细胞损伤。

Prather还看到了运营成本和资本成本这一关键问题的障碍。“虽然制造人造肉制品的科学可能已经准备好，但这样做的成本必须满足可行商业模式的参数。

TCB使用计算流体动力学优化生物反应器设计，并将仿真与实验结果进行比较。探索性技术插图显示了生物反应器容器（左）、用于加热/冷却的高效温度控制系统或“夹套”（右上）和优化的螺旋桨设计，以减少混合时对电池的剪切应力（右下）。

生物反应器控制单元具有一键式界面，便于所有背景的用户导航。

生物反应器本质上是一个大桶，通常由不锈钢制成，允许活细胞在可以滋养它们并保持健康的环境中繁殖。细胞必须在其生长培养基中稳定但温和地混合，通常通过一系列旋转桨。需要合适的管道来输送营养物质并提取作为产品的细胞。一些选项允许连续提取，而其他选项则以批量生产运行 - 以特定的时间间隔收获所有细胞。除了合适的营养水平和冒泡的氧气供应外，必须监测和控制的关键环境因素是温度、pH 值和二氧化碳水平。

这些是TCB在设计其生物反应器时考虑的，这些生物反应器允许高效的可扩展性，并针对加速细胞增殖进行了优化。然而，“我们新生物反应器的主要区别因素是它们的易用性，”Noori说，并将其比作第一代计算机（庞大，昂贵和复杂）与现代图形用户界面系统之间的差异。“我们正在采用一项复杂的专业技术，并将其转变为任何人都可以使用的系统。

传统生物反应器的主要客户是研究实验室和制药行业，两者都拥有博士学位和多年经验的高素质操作员。“我们的生物反应器可以改变这一切，”Noori说。“对大规模细胞和蛋白质生产的需求显然正在增长，市场已准备好大幅扩张。他补充说，开发可供许多不同人使用的产品是有意义的。

但是，实现这些市场进步所需的关键创新是什么？德国第二大肉类加工公司InFamily Foods的联合首席执行官Wolfgang Kühnl强调，这些在于控制系统和直观的控制面板，TCB比其他型号要简单得多。“这些采用自动化水平，以及预编程，允许操作员在没有任何生物学细节知识的情况下培育生长的细胞，”他说。自动化方面还有助于控制剪切力，减少细胞损伤。但叶警告说，扩大人造肉生产可能需要更大的大桶。

TCB新型生物反应器的另一个优点是模块化，这意味着单个生物反应器可以很容易地适应不同的需求、细胞和产品——不仅适用于养殖肉类和食品生产，也适用于制药、化妆品和个人护理行业。例如，很容易将这些设备从产生细菌或植物细胞切换到应对脆弱的哺乳动物细胞所需的更温和的护理。操作员只需请求必要的预编程调整，即可自动进行。这避免了为不同的产品流购买不同生物反应器的费用。它使TCB能够在几周内完成新生物反应器的订单，而传统装置则需要一年或更长时间。

为了可持续性和降低成本，TCB还探索了创新方法，以回收和再利用尽可能多的生长培养基成分。Noori说：“我们不希望用户在可以净化并反馈到工艺中时丢弃非常昂贵的材料，这也节省了能源。“我们可以引导客户采用更高效和可持续的生态系统方法，每批使用的电力要少得多。

提高可持续性的一个方面来自提取细胞副产品：由细胞产生但不是制造过程的主要产品的生化物。这使得这些有用的物质成为其他批次细胞的营养物质。

TCB生物反应器已经可供研究人员和政府机构使用，Noori说他们将提供有价值的反馈。全系列产品（容量从 1 升到 1000 升）将于 2023 年底推出。

Noori说，凭借模块化设计，易用性和可持续性，生物反应器适用于初创企业和小型公司。许多公司在科学创新方面取得了长足的进步，但很难将这些产品从实验室推向市场。随着生物反应器技术的新发展，这变得更加容易。

“为了在没有专门洁净室的食品加工环境中工作，生物反应器必须易于操作，并且过程必须稳健且高度自动化，”Kühnl 说。这是TCB要处理的基本任务。