这是一篇发表于 Biotechnology and Bioengineering 期刊的研究论文，题为《Comparative analysis of bioreactor design and scale-up for cultivated meat using Monte Carlo-based timescale modeling》，作者为 Pieter Jan Theodoor Brorens、Marcel Ottens 和 Cees Haringa，均来自荷兰代尔夫特理工大学（Delft University of Technology）应用科学学院生物技术系。该研究于2026年3月6日投稿，2026年6月24日修订，2026年7月2日接收，属于细胞农业领域荷兰国家增长基金项目（NGFCA230）资助的成果。
一、研究背景与目的
细胞培养肉（cultivated meat）被视为替代传统畜牧业生产的可持续方案，但其大规模生产面临显著挑战，尤其是哺乳动物细胞悬浮培养所需的生物反应器设计。目前生物制药行业哺乳动物细胞培养的最大规模为30立方米，而培养肉公司在2023年尚无超过5立方米的生物反应器运行。扩大规模的关键制约因素包括混合时间（mixing time）、气液体积传质系数（kLa）、流体静压、气体溶解度和剪切应力。由于哺乳动物细胞对流体动力应力敏感，功率输入受到极大限制。现有文献主要关注搅拌罐反应器（STR），对鼓泡塔（bubble column, BC）和气升式反应器（airlift reactor, ALR）的研究不够深入。计算流体力学（CFD）虽可模拟局部条件，但计算量巨大，难以覆盖广泛的工况范围。因此本研究旨在利用蒙特卡洛模拟（Monte Carlo simulation）结合时间尺度分析（timescale analysis），系统比较STR、BC和ALR在最大160立方米规模下用于培养肉生产的可行操作窗口，评估混合和传质等关键机制的限制。
二、研究思路与方法
本研究提出了一种三步分析框架。第一步，基于工程关联式和第一性原理计算各反应器设计参数和时间尺度。STR设计以Humbird（2022）的工作为基础，但采用了不同的功率、混合时间、CO₂传质系数计算关联式；BC设计类似STR，但气体持液量（gas hold-up）、功率输入和传质系数计算方法不同；ALR设计基于Chisti和Moo-Young（1987）及Garcia-Ochoa和Gomez（2009）的工作。时间尺度包括混合时间（STR和BC使用Groen的通用混合关联式，ALR基于循环时间和液体速度计算）、气液传质时间（基于kLa和饱和浓度差）、底物消耗时间、O₂消耗时间、CO₂生成时间、气体对流时间、热量产生与移除时间、细胞生长和死亡时间。所有特征时间定义见表1。
第二步，通过蒙特卡洛模拟随机生成数百万个操作工况。随机变量包括操作参数（气体流量0.01–2 vvm、搅拌转速5–200 rpm）、几何参数（反应器体积1–160立方米、高径比、搅拌桨直径与罐径比、ALR的降液管与升流管面积比）以及细胞浓度（1–350 g/L湿重）。细胞特性参数（得率系数、倍增时间24小时、最低溶氧20%等）固定，采用Humbird（2022）的热力学计算值。
第三步，根据时间尺度约束和设计约束筛选可行工况。严格约束包括O₂传质时间必须小于O₂消耗时间、CO₂传质时间必须小于CO₂产生时间、气体对流时间必须小于传质时间、剪切约束和CO₂分压低于10000 Pa等。软约束包括混合时间小于O₂消耗时间、ALR降液管（downcomer）停留时间小于O₂消耗和CO₂产生时间等。细胞因气泡破裂导致的死亡采用假想杀伤体积（hypothetical killing volume, HKV）模型描述。该模型定义每个气泡体积对应的杀伤体积（specific HKV），本研究中基于昆虫细胞取4.5×10⁻¹⁰ m³，假定气泡直径6 mm，得到specific HKV为4×10⁻³。添加Pluronic F-68（一种剪切保护剂）时，HKV降低10倍，但kLa降低2倍。筛选后，将结果按反应器体积分成20个区间，报告每个区间的最大细胞浓度。
三、主要结果与分析
首先，时间尺度分析（图3）显示，STR的混合时间最短，ALR次之，BC最慢。BC混合偏慢的原因是模拟的气体速度较低，处于均相流（homogeneous flow）而非湍流状态。底物消耗时间远大于混合时间，因此底物梯度不太可能发生。但混合时间与O₂消耗时间相近，提示可能出现氧梯度。O₂和CO₂传质时间与消耗/产生时间相近，表明传质可能成为限制因素。CO₂对流时间远大于O₂对流时间，因此CO₂脱除更具挑战性。ALR降液管停留时间与O₂消耗时间相当，可能导致降液管中氧耗尽和CO₂积累。
其次，将蒙特卡洛筛选结果与Humbird（2022）的STR显式质量平衡分析进行对比（图4），在空气（21% O₂）和富氧（90% O₂）两种条件下，本方法预测的最大细胞浓度在数值和趋势上与Humbird的结果一致，验证了该框架的可靠性。主要差异出现在富氧条件下O₂传质的驱动力的处理上，以及混合约束因采用Groen关联式而更严格。
第三，关于气泡剪切模型（图5）。采用最大表观气速0.6 cm/s作为约束会严重限制BC和ALR的设计空间，而HKV模型预测的允许气体流量随反应器体积增大而增大。例如150立方米规模下，HKV允许超过0.13 vvm，而固定表观气速约束仅允许0.05 vvm。在HKV约束下，STR和BC的最大支持细胞浓度随规模增大而提高，ALR则受限于O₂传质和降液管停留时间，在125立方米以上时CO₂传质成为限制。如果将氧梯度出现作为严格约束，三种反应器的可行操作窗口都很小，最大生物质浓度低于50 g/L；如果仅考虑总体供氧，则支持约100 g/L的细胞浓度。
第四，Pluronic F-68的影响（图6）。添加Pluronic后，三种反应器的最大细胞浓度显著提高，甚至达到模型上限350 g/L。然而，三种反应器都可能受混合限制，诱导氧浓度梯度。BC的混合性能因允许更高的气体流量从均相流转变为非均相流（heterogeneous flow）而改善。
第五，几何优化（图7）。对50立方米STR优化后，在无氧梯度约束下的最大细胞浓度从26 g/L提高到73 g/L。最佳几何为较低的高径比（H/Dv）和较低的搅拌桨直径与罐径比（Ds/Dv），即短而宽的罐体和相对较大的搅拌桨。但需注意较低的高径比可能导致搅拌桨泛液（impeller flooding），因为模拟中的流动数为0.08，超过临界流动数0.008。对100立方米ALR优化后，最大细胞浓度从40 g/L提高到119 g/L，需要较小的降液管与升流管面积比（Adc/Ar）和较低的高径比。对10和250立方米ALR的无混合约束优化（图7c、d）显示，最大细胞浓度分别为129 g/L和175 g/L，且最优高径比较大，说明几何优化结果高度依赖于细胞对剪切和梯度的敏感性。
四、结论与意义
本研究表明，STR、BC和ALR均具有用于大规模培养肉生产的潜力，允许的气体流量是关键操作参数。所有反应器类型的主要限制均为混合，取决于培养肉细胞系对氧梯度的敏感性。蒙特卡洛时间尺度框架提供了与传统质量平衡分析相当的结果，同时大幅提高了设计空间筛选效率。HKV模型作为气泡剪切死亡的表征方法，与固定表观气速约束相比，预测了更高的可行气体流量，为BC和ALR在大规模生产中的应用提供了理论依据。添加Pluronic F-68能显著扩展设计空间，但其食品安全性仍需评估。几何优化可以在不违反梯度约束的前提下大幅提高最大支持细胞浓度。该研究为培养肉工艺开发中的生物反应器快速筛选和放大风险评估提供了实用工具，并为后续实验验证和CFD研究指明了方向。
五、研究亮点与不足
本研究的亮点包括：提出了无需求解完整质量平衡的蒙特卡洛时间尺度分析框架，可在短时间内筛选数百万个工况；首次对STR、BC和ALR进行系统的放大特性比较；将HKV模型引入培养肉反应器设计评估，揭示了固定表观气速约束可能过于保守；通过几何优化展示了混合与传质之间的权衡关系。需要指出的是，研究所用的HKV值来自昆虫细胞，培养肉相关细胞系的HKV需要通过实验测定；细胞得率系数基于热力学计算而非实验数据；Pluronic对产品质量和安全性的影响仍需验证；模型未考虑乳酸和氨等代谢副产物的抑制作用，也未模拟灌注操作模式。未来研究应结合细胞对梯度的耐受性实验、CFD局部模拟以及经济性评估，进一步优化培养肉生物反应器的设计和放大策略。