| Data: |
2026 |
| Resum: |
Aquesta tesis doctoral aborda un dels principals problemes en el desenvolupament de la carn cultivada: la manca de microcarriers comestibles, escalables i econòmicament viables, el cost dels quals no comprometi la viabilitat econòmica de les cèl·lules adherents com a producte alimentari. La carn cultivada, presentada com una alternativa sostenible i ètica a la ramaderia convencional, necessita de l'economia d'escala per poder competir amb l'industria càrnica convencional. Les línies cel·lulars immortalitzades adaptades a suspensió suposen l'opció més viable per assolir aquest propòsit. Per altra banda, la majoria de tipus cel·lulars d'interès en aquest camp no poden adaptar-se al cultiu en suspensió i, per tant, requereixen de superfícies d'ancoratge per créixer tals com els microcarriers. Actualment, aquests estan dissenyats majoritàriament per a aplicacions farmacèutiques i de medicina regenerativa, i consten de polímers sintètics no comestibles. Per això, el seu ús en aplicacions alimentàries requereix de la seva eliminació, cosa que afecta greument al rendiment de recuperació del producte. A més, el seu elevat cost els fa inadequats per a la producció alimentària a escala industrial. Aquestes limitacions posen de manifest la necessitat d'un microcarrier comestible, lliure d'ingredients animals i econòmic, que es pugui integrar directament en productes alimentaris sense processos complexos de separació posterior. La recerca va seguir una metodologia en múltiples etapes, començant amb una extensa revisió bibliogràfica de materials potencialment citocompatibles i d'ús alimentari. D'aquesta anàlisi, es van seleccionar cinc candidats: quitosà, gluten de blat, zeïna, proteïna de soja i proteïna de pèsol. D'entre ells, el quitosà es va identificar com el material més prometedor per incorporar-se en perles d'alginat com a agent de funcionalització, sempre i quant s'apliqui un crosslinking adequat a la matriu. Això va impulsar la cerca d'un agent d'enllaç comestible, que va culminar en l'aplicació amb èxit de la transglutaminasa microbiana (TG). El procés d'entrecreuament es va optimitzar sistemàticament mitjançant un disseny d'experiments (DoE), que va revelar que un pH baix i una concentració enzimàtica moderada generaven una condició d'entrecreuament que maximitzava la citocompatibilitat. El procés també es va transferir amb èxit a un entorn controlat i escalable en un reactor STR, reduint la variabilitat entre lots. Finalment, experiments posteriors van definir els paràmetres operatius per al cultiu de DEF sobre els microcarriers desenvolupats, que posteriorment van ser optimitzats i intensificats. En aquestes condicions, es van aconseguir concentracions cel·lulars de 3-4·10⁶ cèl·lules/mL en cultius a petita escala (2-10 mL). Després, també es realitzà l'escalat del procés fins a un bioreactor d'1 L amb moviment oscil·lant, per aquest va revelar una sensibilitat severa de les DEF a l'estrès de cisalla fins i tot amb agitació intermitent, amb despreniment i apoptosi significatius causats per l'agitació. La proliferació sostinguda només va ser possible en entorns estàtics, obtenint 1. 5-2·10⁶ cèl·lules/mL. En conclusió, aquesta tesis estableix una prova de concepte d'un procés basat en microcarriers comestibles per aplicacions en carn cultivada. El sistema desenvolupat representa una contribució única al camp, omplint un buit crític entre la viabilitat al laboratori i l'escalabilitat industrial. Tot i que calen innovacions addicionals per assolir les productivitats volumètriques necessàries per aconseguir una paritat de costos amb la carn convencional, aquest treball proporciona un marc fonamental per integrar cèl·lules dependents d'ancoratge en les línies de producció de carn cultivada. En abordar en paral·lel la selecció de materials, el disseny de processos i els requisits reguladors, aquesta recerca apropa el sector de la carn cultivada un pas més a la realitat comercial. |
| Resum: |
Esta tesis doctoral aborda uno de los principales problemas en el desarrollo de la carne cultivada: la falta de microcarriers comestibles, escalables y económicamente viables, cuyo coste no comprometa la viabilidad económica de las células adherentes como producto alimentario. La carne cultivada, presentada como una alternativa sostenible y ética a la ganadería convencional, necesita de la economía de escala para poder competir con la industria cárnica tradicional. Las líneas celulares inmortalizadas adaptadas a suspensión suponen la opción más viable para alcanzar este propósito. Sin embargo, la mayoría de tipos celulares de interés en este campo no pueden adaptarse al cultivo en suspensión y, por tanto, requieren superficies de anclaje para crecer, como los microcarriers. Actualmente, estos están diseñados mayoritariamente para aplicaciones farmacéuticas y de medicina regenerativa y están compuestos por polímeros sintéticos no comestibles. Por ello, su uso en aplicaciones alimentarias requiere su eliminación, lo que afecta gravemente al rendimiento de recuperación del producto. Además, su elevado coste los hace inadecuados para la producción alimentaria a escala industrial. Estas limitaciones ponen de manifiesto la necesidad de un microcarrier comestible, libre de ingredientes animales y económico, que pueda integrarse directamente en productos alimentarios sin procesos complejos de separación posterior. La investigación siguió una metodología en múltiples etapas, comenzando con una extensa revisión bibliográfica de materiales potencialmente citocompatibles y de uso alimentario. De este análisis, se seleccionaron cinco candidatos: quitosano, gluten de trigo, zeína, proteína de soja y proteína de guisante. Entre ellos, el quitosano se identificó como el material más prometedor para incorporarse en perlas de alginato como agente de funcionalización, siempre que se aplicara un crosslinking adecuado a la matriz. Esto impulsó la búsqueda de un agente de enlace comestible, que culminó en la aplicación con éxito de la transglutaminasa microbiana (TG). El proceso de entrecruzamiento se optimizó sistemáticamente mediante un diseño de experimentos (DoE), que reveló que un pH bajo y una concentración enzimática moderada generaban una condición de entrecruzamiento que maximizaba la citocompatibilidad. El proceso también se transfirió con éxito a un entorno controlado y escalable en un reactor STR, reduciendo la variabilidad entre lotes. Finalmente, experimentos posteriores definieron los parámetros operativos para el cultivo de DEF sobre los microcarriers desarrollados, que posteriormente fueron optimizados e intensificados. En estas condiciones, se alcanzaron concentraciones celulares de 3-4·10⁶ células/mL en cultivos a pequeña escala (2-10 mL). Después, también se realizó el escalado del proceso hasta un biorreactor de 1 L con movimiento oscilante, pero este reveló una sensibilidad severa de las DEF al estrés de cizalla incluso con agitación intermitente, con desprendimiento y apoptosis significativos causados por la agitación. La proliferación sostenida solo fue posible en entornos estáticos, obteniéndose 1. 5-2·10⁶ células/mL. En conclusión, esta tesis establece una prueba de concepto de un proceso basado en microcarriers comestibles para aplicaciones en carne cultivada. Aunque se requieren innovaciones adicionales para alcanzar las productividades volumétricas necesarias para lograr una paridad de costes con la carne convencional, este trabajo proporciona un marco fundamental para integrar células dependientes de anclaje en las líneas de producción de carne cultivada. Al abordar en paralelo la selección de materiales, el diseño de procesos y los requisitos regulatorios, esta investigación acerca al sector de la carne cultivada un paso más a la realidad comercial. |
| Resum: |
This doctoral project addresses one of the most challenging problems in the development of cultivated meat: the lack of cost-effective, edible, and scalable microcarriers which cost do not compromise the economic viability of food applications based on anchorage-dependent cells. Cultivated meat, positioned as a sustainable and ethical alternative to conventional livestock farming, require from large-scale production to be competitive with traditional meat. However, while suspension-adapted immortalized cell lines represent the most industrially viable option for this purpose, most interesting cell types related with the formation of meat tissues cannot be adapted to suspension culture and therefore require anchorage surfaces to grow. Current microcarriers, originally designed for pharmaceutical and regenerative medicine applications, are largely composed of non-edible synthetic polymers. Therefore, their use in food applications necessitates a costly and yield-reducing detachment step to separate the cells from the carrier. Moreover, their high cost, ranging from hundreds to thousands of euros per kilogram, makes them unsuitable for industrial-scale food manufacturing. These limitations underscore the need for an edible, animal-free, and inexpensive microcarrier that can directly integrate into food products without downstream complex separation processes. The research followed a multi-stage methodology, beginning with an extensive bibliographic and regulatory screening of potential cytocompatible and food-grade materials. From this analysis, five candidates were shortlisted: chitosan, wheat gluten, zein, soy protein, and pea protein. Chitosan was identified as the most promising for incorporation into alginate-based beads as functionalization agent when a proper crosslinking is applied to the matrix. This prompted the search for edible linking agent, culminating in the successful application of microbial transglutaminase (TG). The crosslinking process was systematically optimized using a design of experiments (DoE) framework, which revealed that low pH and moderate enzyme concentration generated a crosslinking condition that maximized cytocompatibility. The process was also successfully transferred to a controlled and scalable environment in an STR reactor, reducing the batch-to-batch variability. Finally, subsequent experiments defined the operational parameters for DEF culture on the developed microcarriers, which were subsequently optimized and intensified. Under these conditions, cell concentrations of 3-4·10⁶ cells/mL were achieved in small-scale cultures (2-10 mL). However, scale-up to a 1-L rocking motion bioreactor revealed severe sensitivity of DEFs to shear stress even with the intermittent agitation, with significant detachment and apoptosis observed under dynamic conditions. Sustained proliferation was only possible in static environments, yielding 1. 5-2·10⁶ cells/mL. In conclusion, this thesis establishes proof of concept for edible microcarriers as an enabling technology for cultivated meat. The developed system represents a unique contribution to the field, bridging a critical gap between laboratory feasibility and industrial scalability. While additional innovations are needed to achieve the volumetric productivities required for cost parity with conventional meat, the present work provides a foundational framework for integrating anchorage-dependent cells into cultivated meat production pipelines. By addressing material selection, process design, and regulatory requirements in parallel, this research advances the cultivated meat sector one step closer to commercial reality. |
| Resum: |
Universitat Autònoma de Barcelona. Programa de Doctorat en Biotecnologia. |
| Drets: |
Aquest document està subjecte a una llicència d'ús Creative Commons. Es permet la reproducció total o parcial, la distribució, la comunicació pública de l'obra i la creació d'obres derivades, sempre i quan aquestes es distribueixin sota la mateixa llicència que regula l'obra original i es reconegui l'autoria.  |
| Llengua: |
Anglès |
| Document: |
Tesi doctoral ; Text ; Versió publicada |
| Matèria: |
Microcarriers comestibles ;
Edible microcarriers ;
Carn cultivada ;
Cultured meat ;
Carne cultivada ;
Cèl·lules adherents ;
Anchoring-dependent cells ;
Células adherentes ;
Ciències Experimentals |
visitant ::
identificació
