以色列团队发表《Nature Food》论文测算细胞培养肉量产可行性

必将不负众望的周子未来

2024年08月27日 05:59

导语：近期，以色列耶路撒冷希伯来大学的Yaakov Nahmias（Future meat technologies创始人）研究团队在食品国际顶级期刊《Nature Food》（Q1，IF: 23.6）上发表了题为“Empirical economic analysis shows cost-effective continuous manufacturing of cultivated chicken using animal-free medium”的研究性论文，测算了细胞培养肉大规模量产下的可行性。本文将基于此论文内容，结合周子未来在细胞培养肉领域的最新进展，对种子细胞、培养基、生产工艺等细胞培养肉生产关键技术环节进行深入剖析，以期为行业带来启示。

种子细胞

细胞培养肉是近年来兴起的一项新的肉类生产技术，制约细胞培养肉规模化发展的一个重要因素是缺乏大规模工业化生产能力。传统的贴壁培养技术由于无法规模化扩增，难以为细胞培养肉提供足够的细胞数量。悬浮培养是一种非贴壁依赖性培养方式，该培养方式提高了体积利用效率，突破了细胞大规模扩增受限问题。Yaakov Nahmias团队通过驯化鸡成纤维细胞获得了2D可以长期传代培养的鸡种子细胞，之后通过连续60天悬浮驯化，获得了可以长期稳定传代培养，倍增时间为20±2 h且具有成脂分化能力的细胞培养鸡种子细胞。

该团队为了保证种子细胞来源的一致性和规模化生产，建立了主细胞库和工作细胞库，工作细胞库用于规模化生产。同时，评估了细胞库的安全性，主要包括细菌、微生物学和病毒等安全性检测，保证种子细胞没有传播病毒和致病性的风险。

目前，国际上细胞培养肉公司主要聚焦于鸡和牛细胞培养肉产品的开发。周子未来作为国内培养肉研发公司的代表，则专注于中国消费量最大的猪细胞培养肉产品开展研发，目前已经实现了猪源种子细胞的大规模悬浮培养。

图1 鸡胚成纤维细胞长期培养和悬浮培养驯化

图2 鸡胚成纤维细胞安全性评价

培养基

在培养基方面，该团队开发了无血清培养基以支持批次培养与灌流培养工艺。同时，为了避免动物源物质白蛋白在经济、安全等方面的问题，采用甲基纤维素、β-环糊精、抗氧化剂等物质进行替代，开发了新一款无动物源成分的无血清培养基（Animal component free，ACF），将培养基成本从3.26美元/升降低至0.63美元/升，折合人民币约4.5元/升。

图3 无血清/含血清培养基培养效果比较

图4 无血清/无动物源培养基价格对比图

周子未来已开发完善的种子细胞增殖、分化无血清培养基体系，可支持在批次培养、灌流培养工艺中应用。过去一年，周子未来完成了无血清培养基中对动物源物质（尤其是白蛋白）的替代，同时针对食品添加风险性物质，也做了系统性地筛查、控制与替换，确保无血清培养基添加符合各国食品监管的要求。

得益于生物制药和合成生物行业的快速发展，无血清培养基的成本大幅下降。目前国内培养基研发生产领域有康晟、健顺、倍谙基等，重组蛋白生产领域有金斯瑞、近岸蛋白、东抗生物、优宁维等，此外还有梅花生物等氨基酸原料供应商。周子未来正与国产上游原料供应商一起，降低无血清培养基的成本，推动我国细胞培养肉实现低成本生产。

生产工艺

生产工艺对于最终的细胞培养肉生产非常重要，该研究团队利用切向流过滤技术（TFF）灌流生产培养肉细胞，每毫升可产生高达 130 × 10⁶个细胞的生物量，相当于 43% w/v 的湿重产量。通过自研迭代的ACF（无动物源成分）培养基，成本为0.63美元/升，在该培养基中可以进行鸡细胞高密度的连续培养，并可以在连续的20天内进行多次收获。

图5 交替式切向流（ATF)和单向式切向流（TFF）培养鸡成纤维细胞培养

图6 无血清（SFM）和无动物源（ACF）培养基支持连续生产

基于灌流生产的连续生产（ContinuousManufacturing）在食品、石化和化学品生产上已经被使用多年，因为其高效、快速和更稳定的特性近些年越来越被制药行业所关注。连续生产的优势是可以形成一个精益的高效系统来消除批次生产间的浪费，并大大提高生产的灵活性，节省工艺时间、操作成本和占地面积。

图7 不同生产工艺及应用范围

基于技术发展要求，周子未来进行了分批补料和灌流两种工艺的研发和技术储备。目前分批补料工艺获得的生物量约为6% w/v的湿重产量，采用分批补料工艺已完成500L规模猪细胞培养肉中试生产。利用灌流工艺，获得的生物量约为20%w/v的湿重产量。

经济性分析

论文研究团队还对5万升生产设施进行了经济分析，包括三种不同的场景：25条2000升的ATF灌注、10条5000升的TFF灌注和2条25000升的理论大规模灌注方式，得到以下结论：

1、规模效应显著：随着生物反应器规模的扩大和TFF等先进技术的应用，生产成本大幅降低；

2、营养成本占比上升：虽然设备成本下降，但营养成本在总成本中的占比却有所上升，并趋于稳定。

3、培养基成本优势：使用的ACF（无动物成分培养基）比SFM（无血清培养基）显著降低生产成本。

4、经济可行性：大规模灌流技术下的培养鸡肉生产成本为6.8-20.7美元/磅（107元-327元每公斤），已经接近传统鸡肉的市场价格。

研究还进行了敏感性分析，考虑了设备和生产成本中的不确定性，结果表明产品成本可控制在6.62美元到7.34美元每磅的范围内，其中，污染是引起生物制造过程生产中断的主要原因，导致产量损失、成本上升和生产延误。

图8 50,000 升连续生产设施的实证经济分析

在生物制药行业，采用分批补料工艺的反应器已达到3万升以上，且不是上限，但采用灌流工艺的反应器规模暂时停留在千升级别，这是由于①灌流工艺产能相当于5-10倍分批补料工艺产能，已满足产能要求；②灌流工艺的瓶颈是细胞截留装置，细胞截留装置目前仅能支持单罐千升规模反应器灌流生产，因此，多个反应器组成生产线的策略是灌流生产的可行方案。

本论文论证了细胞培养肉大规模低成本生产的可行性，期待在行业的共同努力下，能够不断推动细胞培养肉科学技术的发展，推动细胞培养肉走向市场。

（文末点击阅读原文查看论文）

行业资讯 · 目录

上一篇行业资讯（11月）| Bene Meat Technologies宠物食用的培养肉获批，Meatable 开设更大的试点工厂下一篇行业资讯（10月）| 以色列Believer Meats与德国GEA合作扩大细胞培养肉生产

阅读原文

继续滑动看下一个