培養肉などの培養材料を開発する企業は、製造プロセスをスケールアップする各段階で、技術面でも資金面でも困難に直面します。実験室レベルからパイロット生産、そして大規模生産へとプロセスを段階的にスケールアップする際に、細胞の増殖と分化の出来栄えを予測するには多額の費用が必要な上に確実性に欠けます。段階が進むにつれ、プラント設備への投資は指数的に増大し、培養プロセス開発や最適化に必要な培地の量も同様に増大します。
培養プロセスをスケールアップすると、流体混合、気体輸送、組織破壊につながる乱流エネルギー散逸や層間せん断などの主要なプロセスにおける挙動の物理的特性が根本的に変化することがあります。このような予測困難な変化への生物学的反応は、良くて非線形、悪ければカオスです。こうしたことは全て、投資リスクが不当なほど高く、確実性は低くなり、研究開発に携わる経営者や投資家には全く好まれない状況につながります。
バイオプロセス工学における課題
培養タンパク質に挑むバイオベンチャーにとって、鍵となるバイオプロセス工学上の課題は、技術開発や設備への投資判断の重要な材料である諸々のプロセスの挙動解析を、どう行えば良いか、ということです。GFIでは、大量生産規模でのプロセスの挙動解析を計算モデル化する能力を、細胞農業の最重要事項と位置づけ、Cultured Meat Modelling Consortiumからいくつかのプロジェクトに資金提供し課題に対処しています。
ケンブリッジコンサルタンツでも、生物学、熱伝達、物質移動、流体力学を組み合わせた高度な予測モデル、すなわちデジタルツインが、スケールアップする際に起こりうる問題の解決につながりうると考えています。その生物流体デジタルツインは、次のような場合に有効です。
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プロセスの挙動について、制御、ジオメトリック、流体について広汎なパラメータ空間から素早く知見が得られる
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仮想空間上でセンサーをシミュレーション可能
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上記の組み合わせで制御方法をテストし、最終的には安定度の高いモデルベース制御を可能とする
投資判断の材料としてのプロセス挙動の研究
バイオ工学は、決して単純なものではありません。培養肉のプロセス挙動には、培地組成、エアレーション、撹拌速度など、無数の変数が影響を及ぼします。生産規模において広範なデザインスペースすべてのプロセスでの挙動を理解しようとしても、プラント自体の仕様などのパラメータ変更を試すのは非常に高価であり、経済的な合理性からかけ離れています。
比較的コストの低い研究室での実験や熱流体物理で得られる実データを用いてトレーニングしたデジタルツインを使えば、はるかに安価にデザインスペースを検証できます。実例として、局所体積酸素質量移動係数（kLa）、粘性による散逸エネルギー、対応する出芽酵母のバイオマス局所成長速度についての知見を得るために、デジタルツイン上でバイオリアクターの動作条件やサイズを変動させてトレーニングを行ってみました。
インペラの先端速度（上）と培地の粘性（下）を変動させた場合の、インペラ周辺の細胞損傷領域（左）と局所酸素移動係数（kLa、右）の変化をアニメーションで示します。
追加コストなく予測精度を向上
培養タンパク質のバイオプロセスを制御するには、センサーによる酸素、ブドウ糖、乳酸の溶融量など、工程パラメータを詳細にモニターすることが必要です。しかし、プロセスのスケールアップに伴い、リアクター内でのパラメータのばらつきが拡大します。単純にセンサーの数を増やすことで問題には対処できますが、経済的な限界があります。デジタルツインでは、仮想センサーを作成することにより、経済合理性も両立できます。先述したデジタルツインでのシュミレーションにより、物理センサーのようにバイオリアクター中の酸素やブドウ糖の溶融量やバイオマスの成長度を推論することができます。
歩留まりの最大化と問題の早期発見
細胞培養のバイオプロセスは本質的に複雑で非線形であるため、システム挙動の予測や制御は困難です。多くの工程パラメータ間の相互作用、代謝変動、空間分布などはどれも、制御工学を難しくする要因となります。
デジタルツインをシステムの動的な縮約モデルのように使用し、一般的なフィードバック制御の精度が高まり、問題を軽減することができます。デジタルツインにより、一般的な閉ループフィードバックのアプローチで見られる不安定性やレスポンスが遅いという問題を抑えることで、精度が向上するのです。
現場の環境に合うデジタルツインを構築するには、必ず実際のバイオプロセスでの試験と検証が必要になります。また、細胞培養における想定外の状況、たとえば汚染による酸素消費速度の上昇などを検出可能であることもメリットです。
消費者目線での収益性向上
ケンブリッジコンサルタンツでは、デジタルツインの活用により培養タンパク質製品の生産上の重要な課題解決が可能だと考えています。さらに、デジタルツインの一部として揮発性代謝、タンパク質、脂質の発生を考慮することで、製品の味や食感を改善できる可能性があり、産業バイオテクノロジーの未来を感じることができます。そうすれば、培養タンパク質に関わる企業は実現性があり持続可能なビジネスモデルの中で、より良い顧客体験の構築を加速することがができるでしょう。
最終的には、世界は大きな課題に直面することになるはずです。最終製品の望ましい品質と安全性を確保しつつ、事業としても現実的なビジネスモデルを両立させる難しさです。それに留まらず、バイオ由来の食料は消費者に受け入れられると同時に、サステナビリティ面の要求も満たす形で食卓に届けることも必要です。バイオプロセスエンジニアリングへの革新的なアプローチを検討されていて、当社のサービスについてご興味のある方は、ぜひお気軽にお問い合わせ ください。お待ちしています。
