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Publicação
Optimization of Bioreactors for Proliferation of Mammalian Cells in Cultivated Meat Production
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Orientador(es)
Resumo(s)
With the increasing volume of meat consumed in the world, and the consequent pollution problems that arise from farm animal cultivation, new ways to produce meat keep growing in research. The focus of this study is on the production of meat using cultivated mammalian cells, mainly the optimization of bioreactor systems and the conditions needed to achieve economically viable production of cells for human consumption. The first part of the study is focused on the optimization of mass transfer coefficient in the aerated bioreactors. Several impeller geometries were tested, and in the case of a Toroidal geometry, the power number was estimated at 2.8, which is higher than the commonly used elephant ear impeller. The increase of stirring speed and aeration flow rate was shown to be linearly proportional to an increase in oxygen mass transfer rate. The experimental data failed to fit the empirical model studied, which showed the importance of specific models for each geometry and range of parameters. The impeller optimal position was shown in accordance to the literature, 1/2 to 2/3 of the vessel’s diameter. Membrane aeration was tested, without reaching scalable results. The existence of baffles in the vessel was proven beneficial and the size of bubbles was proven hard to predict and of low importance for higher scale. The second part studied the growth and viability of mammalian cells. The effect of shear stress was evaluated and proved the necessity of the addition of a shear protectant. The use of PEMF was tested against foaming, but no clear correlation was reached. A fedbatch cultivation was tested and the amino acid changes in the media was also evaluated and used to test the adaptation of a previously developed metabolic model. The error obtained was high, leading to the need of further optimization and cultivation data.
Com o aumento do consumo mundial de carne e os consequentes problemas de poluição decorrentes da criação de animais para o mesmo, novas formas de produzir carne continuam a ser objeto de investigação. O foco deste estudo é a produção de carne utilizando células de mamíferos cultivadas, principalmente a otimização de sistemas de biorreatores e as condições necessárias para alcançar uma produção economicamente viável de carne para consumo humano. A primeira parte do estudo centra-se na otimização do coeficiente de transferência de massa nos biorreatores com arejamento. Estudaram-se várias geometrias de agitadores e, no caso de uma geometria toroidal, o número de potência foi estimado em 2.8, o que é superior à geometria orelha de elefante comumente utilizada. O aumento da velocidade de agitação e do caudal de arejamento mostrou-se linearmente proporcional a um aumento do coeficiente de transferência de massa de oxigénio. Os dados experimentais não se ajustaram ao modelo empírico estudado, o que mostrou a importância de modelos específicos para cada geometria e gama de parâmetros. A posição óptima do agitador foi demonstrada em concordância com a literatura, estando no intervalo de ½ a 2/3 do diâmetro do biorreator. Foi testado o arejamento por membrana, sem atingir resultados escaláveis. A existência de chicanas no recipiente revelou-se benéfica e o tamanho das bolhas revelou-se difícil de prever e de pouca importância para uma maior escala. A segunda parte estudou o crescimento e a viabilidade das células de mamíferos. O efeito do shear stress foi avaliado e comprovou a necessidade da adição de um protetor químico. A utilização de PEMF foi testada contra a formação de espuma, mas não se obteve uma correlação clara. Foi testada uma cultura em regime fed-batch e as alterações de aminoácidos no meio foram também avaliadas e utilizadas para testar a adaptação de um modelo metabólico previamente desenvolvido. O erro obtido foi elevado, levando à necessidade de mais otimização e dados de cultivo.
Com o aumento do consumo mundial de carne e os consequentes problemas de poluição decorrentes da criação de animais para o mesmo, novas formas de produzir carne continuam a ser objeto de investigação. O foco deste estudo é a produção de carne utilizando células de mamíferos cultivadas, principalmente a otimização de sistemas de biorreatores e as condições necessárias para alcançar uma produção economicamente viável de carne para consumo humano. A primeira parte do estudo centra-se na otimização do coeficiente de transferência de massa nos biorreatores com arejamento. Estudaram-se várias geometrias de agitadores e, no caso de uma geometria toroidal, o número de potência foi estimado em 2.8, o que é superior à geometria orelha de elefante comumente utilizada. O aumento da velocidade de agitação e do caudal de arejamento mostrou-se linearmente proporcional a um aumento do coeficiente de transferência de massa de oxigénio. Os dados experimentais não se ajustaram ao modelo empírico estudado, o que mostrou a importância de modelos específicos para cada geometria e gama de parâmetros. A posição óptima do agitador foi demonstrada em concordância com a literatura, estando no intervalo de ½ a 2/3 do diâmetro do biorreator. Foi testado o arejamento por membrana, sem atingir resultados escaláveis. A existência de chicanas no recipiente revelou-se benéfica e o tamanho das bolhas revelou-se difícil de prever e de pouca importância para uma maior escala. A segunda parte estudou o crescimento e a viabilidade das células de mamíferos. O efeito do shear stress foi avaliado e comprovou a necessidade da adição de um protetor químico. A utilização de PEMF foi testada contra a formação de espuma, mas não se obteve uma correlação clara. Foi testada uma cultura em regime fed-batch e as alterações de aminoácidos no meio foram também avaliadas e utilizadas para testar a adaptação de um modelo metabólico previamente desenvolvido. O erro obtido foi elevado, levando à necessidade de mais otimização e dados de cultivo.
Descrição
Palavras-chave
CultivatedMeat Bioreactor Optimization Oxygen Mass Transfer Shear Stress,Mammalian Cells Metabolic Modelling