Summary
Ineffekt i rörs bioreaktorer kan mätas genom det vridmoment som agerar på pumphjulet axeln under rotation. Detta manuskript beskriver hur en air betydelse kan användas för att effektivt minska friktionsförlusterna observerats i mekaniska tätningar och förbättra noggrannheten i power input mätningar i småskaliga fartyg.
Abstract
Ineffekt i rörs bioreaktorer är en viktig parameter för upptrappningen och kan mätas genom det vridmoment som agerar på pumphjulet axeln under rotation. Experimentell bestämning av ineffekt i småskaliga fartyg är dock fortfarande utmanande på grund av relativt höga friktionsförluster släpper vanligtvis används bussningar, lager eller axeltätningar och riktigheten av kommersiellt tillgängliga vridmoment meter. Endast begränsade data för småskaliga bioreaktorer, särskilt engångsbruk system, alltså tillgängliga i litteraturen, försvårar jämförelser mellan olika engångsbruk system och deras konventionella motsvarigheter.
Detta manuskript ger ett protokoll för hur att mäta effekt ingångar i bänkmonterade skala bioreaktorer över ett brett spektrum av turbulens villkorar, som kan beskrivas av den dimensionslöst Reynoldstal (Re). Ovannämnda friktionsförlusterna reduceras effektivt genom användning av en air betydelse. Proceduren att inrätta, genomföra och utvärdera ett vridmoment-baserade power input mätning, med särskilt fokus på cell odlingsbetingelser typiska agitation med låg till måttlig turbulens (100 < Re < 2·104), beskrivs i detalj. Ineffekt av flera multi-användning och engångsbruk bioreaktorer tillhandahålls av dimensionslös power numret (kallas även Newton nummer, P0), som bedöms vara i intervallet av P0 ≈ 0,3 och P0 ≈ 4.5 för den maximala Reynoldstal i de olika bioreaktorerna.
Introduction
Ineffekt är en viktig teknisk parameter för karakterisering och upptrappningen av bioreaktorer eftersom det rör sig om många arbetsmoment, såsom homogenisering1,2,3, vätske-dispersion2 , 4 , 5, värme överföring6 och solid suspension7. Ineffekt associeras också med shear stress, vilket kan särskilt påverka tillväxten och produkten formation i skjuvning känsliga cell kulturer8,9,10,11.
De vanligaste teknikerna Rita för mätning av ineffekt i rörs bioreaktorer baseras på elkraft12,13,14, kalorimetri12,15 (dvs stationära värme saldo eller dynamisk uppvärmning genom agitation) eller vridmomentet på omröraren. Den senare kan experimentellt bestämmas genom dynamometrar, vridmoment meter eller töjningsgivare, som har tillämpats för en mängd agitatorer, inklusive enkel- eller etappvis Rushton turbiner1,16,17 , 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 , 25, lutande blad impellrar19,20,23,26,27, InterMig19,21 och Scaba impellrar28 , 29. en detaljerad genomgång ges av Ascanio et al. (2004)30.
Från vridmomentet (T), kan ineffekt (P) beräknas från ekv 1, där N är rotationshastigheten hos agitatorn.
(1)
För att beakta förluster i agitationen (i lager, tätningar och motorn själv), bör effektiv vridmomentet (Teff) bestämmas som skillnaden mellan det värde som uppmätts i tomma kärl (TD) och i vätskan (TL ). Slutligen, dimensionslös power nummer (P0, även känd som Newton nummer), som definieras av ekv 2 där ρL betecknar det vätskans densitet och d representerar pumphjulsdiameter, kan användas för att jämföra olika agitatorer.
(2)
Det är väl känt att antalet power är en funktion av antalet Reynolds (dvs. turbulensen) och blir konstant under fullt turbulenta förhållanden. Pumphjulet Reynoldstal definieras av ekv 3, där ηL är den vätskans viskositeten.
(3)
Power input mätningar i liten skala bioreaktorer är dock fortfarande utmanande på grund av relativt höga friktionsförlusterna inuti mekaniska lager av pumphjulet axlarna och mest kommersiellt tillgängliga vridmoment meter begränsad noggrannhet. Endast ett fåtal rapporter om power input följaktligen mätningar i bänkmonterade skala bioreaktorer har varit publicerad17,18,22,24,31,32. Det finns också en brist på data om ineffekt i engångsbruk bioreaktorer, som levereras av tillverkarna förmonterade, steriliserad och redo att använda33,34. I motsats till sina återanvändbara motsvarigheter, är de flesta engångsbruk bioreaktorer upprörd av specialdesignade impellrar, försvårar jämförelser.
För att täppa till denna lucka, har en pålitlig metod för power input mätningar med särskilt fokus på laboratoriet skala omrörare utvecklats nyligen35. De vridmomentvärden som uppmätts i de tomma kärl, som orsakades av friktionsförlusterna, minskade effektivt genom användning av en air betydelse. Följaktligen, ett brett utbud av driftförhållanden med låg till måttlig turbulens (100 < Re < 2·104) kunde undersökas och ineffekt av flera multi-användning och engångsbruk bioreaktorer har lämnats.
Föreliggande studie ger en detaljerad mätning protokoll av den tidigare utvecklade metoden och beskriver hur att inrätta, genomföra och utvärdera ett vridmoment-baserade power ingångsvärde i laboratoriet skala bioreaktorer. Särskilt fokus läggs på kommersiellt tillgängliga system för singel - och multi - återanvändning. En automatiserad mätmetod används för att minska det experimentella arbetet.
Protocol
1. beredning av sackaros lösningar
Obs: Sackaros lösningarna används som billig, Newtons modell media med förhöjd viskositet och densitet för minskad turbulens villkor (se tabell 1).
- Fyll en Duran glasflaska med vatten och sackaros i olika koncentrationer (20-60 %w/w).
- Blanda innehållet med en magnetisk omrörare tills sackaros är helt upplöst.
- För sackaros koncentrationer överstiger 40 %w/w, lägga till sackaros periodvis och värma glasflaska något (~ 50 ° C). Låt sackaros lösningen svalna ner till rumstemperatur före användning.
2. beredning av mätning recept och dataloggning
- Efter start programvaran, initiera kommunikationen med kontrollenheten genom att välja rätt seriell COM-port från rullgardinsmenyn och klicka på knappen Anslut .
Obs: Knappen Anslut ändras färgen till grönt och LED nedanför menyn kommer att slå på, när kommunikationen med styrenheten initieras. - Ställ in sökvägen till data inom bioreaktor kontroll enhet programvara för att lagra data på operatören PC.
- Öppna den Inställningar fliken och slå mapp symbolen bredvid textfältet Data filplats .
- I fönstret fil dialogrutan Bläddra till mappen önskan, Skriv ett filnamn i textrutan filnamn och klicka på OK .
Obs: De data Loggfilens sökväg och namn visas i textrutan och DAQ start -knappen aktiveras, när en giltig filsökväg definieras.
- Ställa in en rutin inuti recept chefen av bioreaktor kontroll enhet programvara för att automatisera mätproceduren.
- Öppna fliksidan recept och Skriv önskad indatavärdena för recept fas förfluten tid (min) och den motsvarande pumphjulet varvtal (rpm) i textrutorna för fältet. Profilen visas automatiskt i diagrammet.
Obs: till exempel agitator hastigheten ökas stegvis med 20 rpm från 100 rpm till 300 rpm, och varje värde upprätthålls för 4 minuter för att garantera en stabil vridmoment signal (se diskussionen nedan). De lägsta och högsta hastigheterna samt beloppet av ökningen kan justeras för olika agitatorer och fartyg.
Obs: Välj hastighetsområdet noggrant med avseende på den vridmoment sensor resolutionen, nominellt vridmoment och vortex bildandet. Den senare ofta förekommer i unbaffled bioreaktorer upprörd vid högre hastigheter och kan orsaka skador på vridmoment mätaren. - Klicka på Spara -knappen, bläddra till önskad filsökvägen och skriv ett filnamn i textfältet. Tryck på OK för att spara filen.
- Öppna fliksidan recept och Skriv önskad indatavärdena för recept fas förfluten tid (min) och den motsvarande pumphjulet varvtal (rpm) i textrutorna för fältet. Profilen visas automatiskt i diagrammet.
3. installation av vridmoment sensorn
Obs: Den experimentella setup visas schematiskt i figur 1.
- Installera vridmoment givaren i en specialdesignad hållare som innehåller luften bär (se figur 1) använder skruvar för att fixa sensorn på plats. Den luft som bär används i denna studie har ett poröst kol bussning material med en inre diameter 13 mm.
- Montera den borstlösa servomotor agitator på toppen av innehavaren. Fixa vridmoment givaren till innehavaren vertikal montering med fyra skruvar.
- Anslut motoraxeln drivaxel av vridmoment givaren med en metall bälg koppling som kan kompensera små axiella förskjutningar av axlarna och dra åt kopplingen med skruvarna. Anslut agitator axeln till mätning axeln av vridmoment givaren med en annan metall bellow koppling.
Obs: I denna studie särskilt utformade impeller axlar med en diameter på 13 mm (tolerans:-0.0076 mm) och med längder mellan 270 mm och 520 mm användes för olika fartyg undersökt.
- Montera sensorn hållaren på bioreaktor huvud plattan och installera impellersna på agitator axeln med önskad off-botten clearance. Montera bafflar och ytterligare installationer (t.ex. provtagning och skörden rör, elektrokemiska sensorer, etc.) inuti bioreaktor om det behövs.
- Installera den önskade bioreaktor i hållaren fartyg om det behövs (bioreaktorer #1, #3 och #10) eller placera huvudet plattan på bioreaktor tanken (bioreaktor #2) och dra åt huvudet plattan med skruvar.
- För utredningar av glas bioreaktorer, placera den bioreaktor glaskärl i hållaren.
- För undersökningar av engångsbruk bioreaktorer, demontera övre monterade slangar portar och pumphjulet axel bostäder från plast huvud plattorna med hjälp av lämpliga skärande verktyg. Placera plast fartyget i hållaren.
- Placera en temperatursensor inuti bioreaktor och Anslut den till styrenheten. Anslut slangen för trycksatt luft till gas inlet port av luft uthärda och ett tryck av ca 5,5 bar som tillhandahålls av en kompressor. Anslut vridmoment givaren till-omvandlare och slå på sändaren.
4. konfigurationer i programvaran data förvärv
- Öppna programvaran för dataförvärvet vridmoment sensor signal och konfigurera mätning preferenser.
- Kontrollera att de två första kanalerna i fönstret DAQ kanaler är initierad och aktiv. I denna studie, vridmoment signalen var inställd på kanal 0 och rotationshastighet signalen var inställd på kanal 1.
- Klicka på knappen Live uppdatera om du vill visa aktuella mätvärden.
- Ange vridmoment kanalsignalen till noll om absoluta vridmoment signalen utan rotation är större än 0,1 mN·m genom att använda höger-musen klicka på objektet kanal i kanallistan och välja alternativet noll balans .
- Navigera till sidan DAQ jobb fliken och definiera en förvärv datahastighet på 2 Hz-menyn i listrutan. Använd alternativen omedelbart på jobb start och varaktighet från den nedrullningsbara listan Ange Start och stopp av dataförvärvet, respektive.
- Definiera ett tidsintervall för provets längd som är längre än den tid som krävs för att avsluta mätningen (till exempel användning 1 h 0 m 30 s för en timmes recept definieras i det andra steget).
- Navigera till sidan datalagring inställningar och välj alternativet ASCII + kanal info från den nedrullningsbara listan Ange den fil format för data Spara fil. Ange en sökväg på den PC hårda driva för mätning utdatafilen.
- Kontrollera att de två första kanalerna i fönstret DAQ kanaler är initierad och aktiv. I denna studie, vridmoment signalen var inställd på kanal 0 och rotationshastighet signalen var inställd på kanal 1.
5. utför Momentmätning
- Starta dataförvärv för vridmoment signalen i kontroll- och förvärvet programvaran för vridmoment mätaren genom att klicka på Start -knappen på sidan DAQ jobb -menyn.
- Starta dataförvärv för omrörare hastigheten och temperaturen i bioreaktor kontroll enhet programvaran genom att klicka på knappen DAQ start på sidan Inställningar fliken.
- Starta kontrollen agitator i programvaran kontroll enhet med en manuell inställt eller fördefinierade recept systemet.
- Om en enskild mätning utförs får använda posten kontroll box på fliksidan Main av programvaran bioreaktor kontroll. Skriv önskad set-punkt i textrutan och klicka på objektet 'Agitator kontroll på'.
- Om flera mätningar med ett recept genomförs, navigera till fliksidan faser och klicka på knappen Start .
Obs: Programvaran inaktiverar automatiskt alla manuella inmatningsrutor för varaktigheten av receptet och ett fönster öppnas automatiskt för att bekräfta i slutet av processen.
- I programvaran data förvärv öppnas ett fönster automatiskt efter fördefinierade mätning varaktighet. Spara data för varje mätning på operatören PC, helst på hårddisken, klicka på knappen Spara data nu .
- Upprepa mätningen för varje önskad agitator hastighet utan och med vätskan inuti bioreaktor fartyget.
- Häll vatten (eller sackaroslösning) genom en tratt i en bioreaktor.
Obs: Se till att vätskan täcker fullständigt Fläkthjulen eftersom (delvis) exponerade Impellrar kan resultera i oönskade axialkrafter som kunde skada vridmoment sensorn.
- Häll vatten (eller sackaroslösning) genom en tratt i en bioreaktor.
6. resultatutvärdering
Obs: Erhållna vridmomentvärdena i tomma kärl (döda vridmoment) motsvarar resterande friktionsförlusterna av uthärda och måste subtraheras från de värden som bestäms i vätskan för att få effektiva vridmomentvärdena (se ekv. 1).
- Genomsnittliga vridmomentvärdena vid varje agitator hastighet mätt efter en kvasi stabil signal har uppnåtts (se diskussion nedan). Idealiskt, beräkna medelvärdet under en period av minst 2 min för varje villkor, motsvarande 240 datapunkter med en mätning hastighet av 2 Hz.
- Använda en Matlab-kod för databehandlingen genom att köra kod från kommandoraden programvara.
Obs: Koden tillhandahålls för nedladdning i avsnittet tillägg i detta manuskript. Detta skript importerar filen rådata från data inspelning, beräknar den fas genomsnittliga rotationshastighet, Reynoldstal (från ekv 3 baserat på användaren ingångar) och vridmoment värden för var och en av faserna, visualiserar utfallen och lagrar resultatet i en andra text filen som sedan kan användas för att ytterligare bearbeta data. - Subtrahera de vridmomentvärden som erhålls i det tomma fartyget från de som mättes i vätskan att erhålla de effektiva vridmomentvärdena.
- Beräkna ineffekt och dimensionslös power nummer från tid-genomsnitt vridmomentvärdena enligt ekv 1 och Eq. 2.
Representative Results
Power ingångarna i olika multi-användning och engångsbruk bioreaktorer med arbetande volymer mellan 1 L och 10 L bestämdes. De geometriska detaljerna sammanfattas i tabell 2. Vid engångsbruk fartyg, toppen monterade slangar portar och pumphjulet axel höljen var tvungen att tas bort från huvud plattorna för att passa fartyg i fartyget hållaren. Dessutom inbyggd plast skaft fästes till rostfritt stål axeln som användes i samband med luft uthärda, men inga ytterligare ändringar var nödvändiga.
Vridmomentet mättes för impeller hastigheter mellan 100 rpm och 300 rpm i unbaffled fartyg och mellan 100 rpm och 700 rpm i förbryllad fartyg, motsvarar maximal tip hastigheter på 1,13 m·s-1 och 1,54 m·s-1 (se ekv. 4) respektive.
(4)
De definiera agitator hastigheterna vid den nedre änden begränsades av vridmoment sensor mätning noggrannhet och relativa standardavvikelsen för reproducerbarhet av ± 0,2% och < 0,05% av det nominella momentet respektive (anges av den tillverkare36). Dessutom de högsta agitator hastigheterna definierades av det nominella vridmomentet (0,2 Nm), i synnerhet för de 10 L tank undersökt, och vortex-formationen i unbaffled fartyg. För att förhindra sensorn från att skadas, det maximala vridmomentet under mätningen definierades på 60% av det nominella momentet (0.12 Nm) och vortex djupet var begränsad till ca 20 mm baserat på visuell inspektion.
Använder den stegvis ökningen i de roterande omrörare hastigheterna, visas en typisk vridmoment profil i figur 2. Vridmoment signalen ökade med varje steg ökning av rotationshastighet, som förväntat från ekv 1. Toppvärden i vridmoment signalen observerades efter varje justering av pumphjul hastighet, vilket kan förklaras av den inledande accelerationen av vätskan och PID kontroll av agitator hastigheten. Quasi stabil mätningar erhölls efter ca 1 min, beroende på varvtal och impeller används. De kvarvarande fluktuationerna kring tiden i genomsnitt vridmoment värdet av den individuella fasen var oftast runt 5% av medelvärdet för de flesta impellrar och agitation hastigheter undersökt.
För ytterligare utvärdering användes fas i genomsnitt vridmomentvärdena, medan topp vridmoment efter varje hastighet justering ignorerades. Baserat på mätning frekvensen av 2 Hz, den uppmätta vridmoment (TL) representerade medelvärdet av en minst 240 datapunkter, tillhandahållit en tillräckligt hög statistisk säkerhet, och de relativa standardavvikelserna för dessa medelvärden var lägre än 3% för majoriteten av mätpunkter, vilket tyder på stabil mätning signaler. Intressant, de standardavvikelserna vanligtvis minskade med ökande agitation hastigheter, vilket tyder på att den relativa betydelsen av de ovannämnda fluktuationerna minskar med högre agitation.
Som det har framgått tidigare35, döda vridmomentet, dvs vridmomentet mätt utan vätskan inuti fartyget, vilket kan vara ett resultat av friktionsförluster i kullager, tätningar och motordrift eller små böjar på eller obalans av pumphjulet axeln (speciellt i engångsbruk plast axlarna), kan minskas avsevärt genom användning av luft uthärda. I allmänhet, var döda vridmomentvärdena av de rostfria omrörare mindre än för de gjorda av plast. Detta kan förklaras av den högre graden av stelhet av stål axlarna, vilket resulterar i lägre svängning under rotationen. För de flesta av de omrörare som används, den kvarstående döda vridmoment med luft lagret var så låg som 0,5 mN·m och, följaktligen, nedan, eller nära sensor resolution av vridmoment mätaren tillämpas (0.4 mN·m). Det högsta återstående döda vridmomentet hos den bioreaktor #6, som använder en impeller axel hållare på fartygets botten. Under rotation kolliderade impeller axeln med det hållare, som kan också observeras under odlingsförsök, vilket resulterar i extra friktion.
Som kan ses från figur 3, efter beräkning av effekt ingångar från den effektiva vridmoment (baserat på ekv. 1) och rita ut dem som en funktion av Reynolds numrerar (ekv 3), individuella profiler erhölls för varje modell media testade. I varje av dessa kurvor, ineffekt ökade så ökade de Reynolds och backarna var nära förhållandet PL 
Re3. Detta samband kan erhållas från ekv 2 och ekv 3 när antar en konstant effekt nummer och impeller diameter. Detta konstaterades för alla agitatorer testade med R2 > 0,99.
Från erhållna experimentella vridmoment data, var de makt som kännetecknar alla agitatorer undersökt slutligen beräknas utifrån ekv 2 (se figur 4, figur 5, figur 6). Standard Rushton turbinen användes som referens med väl dokumenterad effekt siffror i litteratur1,16,17,18,19,20, 21,22,23,24,25. Som kan ses från figur 4a, makt i mindre 2 L kärl (bioreaktor #1) minskat på låga Reynoldstal (100 < Re < ≈500) från P0 = 6,3 till P0 ≈ 3,3 före det ökade igen ovanför Re ≈ 2000. Ett nästan konstant effekt Antal P0 = 4.17±0.14 erhölls under fullt turbulenta förhållanden (Re > 104). Ett jämförbart värde av P0 = 4.34±0.22 bestämdes för större fartyget med 10 L arbetar volym (bioreaktor #2), medan vissa avvikelser mellan de två skalorna hittades för intervallet övergångsperiod med 600 < Re < 104 (se figur 4a). dock de kvalitativa trenderna i båda skalorna instämde helt litteratur data1,19, där ineffekt av en enda Rushton turbin i 20 L1 och 40 L19 arbetande volymer har varit beslutsam, respektive. Det bör noteras att power siffrorna för turbulent intervallet är upp till 25% lägre än de som tillhandahålls av referensdata av P0 ≈ 4,719 och P0 ≈ 5,51. Dock direkt jämförelse är ofta svårt på grund av de olika mätmetoder som används samt avvikelser i de geometriska parametrar, inklusive förhållandet diameter (d/D), off-botten clearance (zMd) och tank botten och baffel geometri. Andra forskare hittade makt siffror för Rushton turbiner i förbryllad fartyg i ett utbud av 3,6 till 5,9, beroende på omrörare och fartygets geometri används17,18,21,24, 27,29,37,38. Således kan det hävdas att de aktuella resultat var tillfredsställande.
I figur 4bjämförs strömmen numrerar av bioreaktorerna #3 och #4, 1 L och 2 L arbetar volymer respektive för ett brett utbud av Reynolds tal. P0 värdena för de två geometriskt liknande agitatorer minskade kontinuerligt i intervallet övergången och blev konstant (bioreaktor #3: P0 = 3.67±0.06; bioreaktor #4: P0 = 4.46±0.05) på fullt utvecklad turbulens med Re > 10 4, ett kriterium som hittats tidigare för Rushton turbinen och andra agitatorer38. Intressant, observerades en nästan ständig förskjutning mellan de två skalorna, vilket kan förklaras av skillnader i fartyget och impeller geometrier. Även om pumphjulet konfigurationen i de båda fartygen är liknande, var det inte möjligt att hålla alla geometriska parametrar konstant. Exempelvis är 1 L fartyget utrustat med endast två inbyggda bafflar, medan 2 L fartyget var utrustat med tre bafflar. Det är väl känt att makt ökar eftersom antalet bafflar ökar, tills en kritisk förstärkning villkora är uppnått38. Dessutom hade formen av pumphjulet skivan i mindre kärl ska ändras för producerbarhet, som kunde inverka på ineffekt. Det bör också noteras att de uppmätta vridmomentvärdena i mindre kärl var endast mellan 4,2 mN·m och 12,8 mN·m, som motsvarar endast upp till 6% av det nominella momentet av vridmoment mätaren används. I detta intervall, kan små avvikelser i mätsignal ha en betydande inverkan på resultaten. Eftersom det finns ingen jämförelsedata från referensmätningar, det är svårt att dra slutsatser om mätning tillförlitligheten i minsta skala som används i denna studie och ytterligare utredningar är nödvändiga.
Figur 5 visar de tre kommersiellt tillgängliga engångsbruk bioreaktorerna undersökt power egenskaper. I motsats till förbryllad fartyg, strömmen numrerar av de engångsbruk agitatorer minskade kontinuerligt över komplett utbud av Reynolds numrerar undersökt (100 < Re < 3·104), och inga konstanta värden erhölls på grund av den progressiva vortex bildas vid hög agitation priser i de unbaffled fartygen. Power flest mellan P0 ≈ 6 och P0 ≈ 1,8 erhölls för den bioreaktor #5, som är upprörd av ett radiellt pumpa blad impeller och en axiellt pumpning segmentet blad impeller med 45 ° lägrade blad.
Som förväntat, lägre power antal mellan P0 ≈ 5.1 och P0 ≈ 1.1 erhölls för bioreaktor #7, som är upprörd av två segment blade impellrar med 30 ° lägrade blad vilket resulterar i ett primärt axiella flödet. Det är väl känt att axiella flödet pumphjul har mindre makt siffror än radiellt flöde blade pumphjul på grund av de lägre flöde motstånd av lutande blad38. Det bör noteras att de experimentella data på ineffekt i bioreaktor #7 som varit tidigare rapporterade32 är något högre (t.ex. P0 = 1,9 för Re = 1.4·104). Tidigare publicerade data visade dock samma relation P0 Re-0.336 som återfinns i den aktuella studien. De olika mätmetoder kan ansvara för de olika absoluta värdena.
Bland de undersökta engångsbruk bioreaktorerna, bioreaktor #6, som blandas av en botten-nära Marina pumphjulet, hade den lägsta power nummer i rad av P0 ≈ 0,8 och P0 ≈ 0,3 (se figur 5). Här låg ineffekt kan förklaras av låg pumphjulet planen, även om computational fluid dynamics (CFD) analysen visade en ganska dominerande radiellt flöde komponent runt den pumphjul bladen39. Bra avtal av aktuella resultat och publicerade data från CFD-modeller39 och experiment32 kan anges.
Slutligen användes inställningen för mätning för att undersöka påverkan av impeller diameter och blade vinkeln i bioreaktor #7. Som framgår av figur 6, minskar alla effektkurvor kontinuerligt under komplett utbud av Reynolds tal, som förväntat. Signifikant skillnad erhölls mellan två blad vinklarna (30° och 45°), där de större bladvinkeln hade högre effekt ingångar (med 30°: 1.13 < P0 < 4,25 och 45 °: 1,65 < P0 < 4,46) oavsett turbulensen (dvs Reynolds nummer). Detta är också känd för klassiska lutande blad impellrar40 och igen kan förklaras av högre motståndet runt bladen med starkare pitch. Intressant, påvisades inga signifikanta skillnader i makt nummer mellan de två impeller diametrarna. Detta har också hittats för lutande blad impellrar, medan strömmen numrerar av radiellt flöde blade impellrar vanligtvis tenderar att minska kvoten d/D ökar40.
Figur 1: Schematisk av prov setup. Installationen består av (1) blanda tanken, (2) fartyg hållare, (3) med bur med luft bussning, (4) moment mätare, (5) motordrift, (6) A/D-omvandlare (7) styrenhet, (8) PC för datainsamling och kontroll. Tryckluft (5,5 bar) levererades för luft bussningen, som rekommenderas av tillverkaren. Huvudsakliga geometriska dimensioner blandande tanken och omröraren indikeras också. Denna siffra har ändrats från35. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2: typisk mätning profil med en stegvis ökning agitator rotationshastigheten (dvs N1 < N2 < N3) i 5 minuters intervall, som indikeras av de vertikala streckade linjerna. De vågräta streckade linjerna representerar ett 5% konfidensintervall runt tid-genomsnitt vridmomentvärdena för motsvarande faser (indikeras av de horisontella heldragna linjerna). Toppvärden observerades under den första minuten av varje intervall, vilket kan förklaras av den inledande accelerationen av flytande insidan tankarna och PID baserat agitator varvtalsreglering. För ytterligare utvärdering, bara vridmoment signalen under quasi stabil fas användes, där mätsignal fluktuerat kring medelvärdet i genomsnitt värde inom 5% konfidensintervallet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3: beräknad ineffekt i bioreaktor #1 som en funktion av Reynoldstal för annan modell media. Enskilda profiler erhölls för varje modell media testade. De heldragna linjerna representerar modellprognoser förutsatt att P Re3 och mycket bra avtal med experimentella data hittades (med R2 > 0,99). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4: bestäms makt siffror som en funktion av antalet Reynolds i förbryllad tankar. en a jämförelse av data från Rushton turbiner i små och stora tankar (med 2 L och 10 L arbetar volym respektive) visar att dimensionslös power siffrorna för fullt turbulenta förhållanden är lika mellan de två skalorna. Små avvikelser hittades för tillfälliga sortimentet med Re < 104, där makt ökade antalet Reynolds ökat. (b) jämförelse av data från de bioreaktorer #3 och #4 visar en kvalitativt liknande minskning av power tal så Reynoldstal ökas tills stabila värden erhålls under fullt turbulenta förhållanden. Power siffrorna för de 1 L bioreaktor visar högre fluktuationer jämfört med 2 L motstyckena. Inga data för 1 L fartyget erhölls för Reynolds tal i intervallet 550 < Re < 950 när du använder samma modell media som i 2 L fartyget. Den kvantitativa förskjutningen mellan skalorna kan förklaras av skillnader i fartyget och agitator geometrier eller kan vara ett resultat av sensor känslighet. Det krävs ytterligare undersökningar. De heldragna linjerna representerar polynomial regressionsmodeller. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5: bestäms makt siffror som en funktion av Reynoldstal för olika engångsbruk bioreaktorer. Power siffrorna för alla fartyg minskade Reynolds numrerar ökade. I motsats till förbryllad fartyg erhölls ingen stabil makt nummer på grund av progressiva vortex bildandet på hög agitation priser i de unbaffled fartygen. De heldragna linjerna representerar polynomial regressionsmodeller. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 6: bestäms makt siffror som en funktion av Reynoldstal för olika modifieringar av bioreaktor #7. Tydliga profiler erhölls för två olika blad vinklarna i 30° och 45°, men inga signifikanta skillnader mellan de två skadekvoterna impeller diameter (d/D = 0,43 och d/D = 0,57) hittades. Strömmen numrerar av alla konfigurationer visade en kontinuerlig minskning över komplett utbud av Reynolds numrerar utreds på grund av progressiva vortex bildandet på hög agitation priser i de unbaffled fartyg. De heldragna linjerna representerar polynomial regressionsmodeller. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
| Slutliga sackaroshalten | Vätskans densitet ρL | Vätskans viskositet ηL | Reynoldstal Re |
| (%w/w) | (kg·m-3) | (mPa·s) | (-) |
| 0 | 998.2 | 1 | 11954 |
| 20 | 1081 | 2 | 6486 |
| 30 | 1127 | 3.2 | 4226 |
| 40 | 1176.4 | 6.2 | 2277 |
| 50 | 1231.7 | 15,5 | 954 |
| 55 | 1259.8 | 28,3 | 534 |
| 60 | 1288.7 | 58,9 | 263 |
Tabell 1: Sammanfattning av flytande densitet och viskositet för valt sackaros lösningar vid 20 ° C och resulterande dimensionslös Reynoldstal för en impeller med diameter och rotationshastighet på 60 mm och 200 rpm, respektive. Reynoldstal beräknas med hjälp av ekv 3.
Tabell 2: Sammanfattning av de geometriska detaljerna för bioreaktorerna undersökt. Vänligen klicka här för att hämta den här filen.
Discussion
Trots vikten av den (specifika) ineffekt för engineering karakterisering och skalning-upp/ner av bioreaktorer, endast ett fåtal publikationer på experimentella undersökningar i bänkmonterade skala bioreaktorer, särskilt engångsbruk system i den ensiffrigt liters volym utbud, kan hittas i litteraturen. En anledning till denna brist på data kan ses i svårigheterna att korrekt power input mätningar i sådana små skalor. För att övervinna några av dessa svårigheter, ger föreliggande studie en detaljerad protokoll för vridmoment baserat power input mätningar som stöds av en air uthärda att minimera friktionsförlusterna i lagret. Tillämpligheten av metoden demonstrerades med tre kommersiellt tillgängliga engångsbruk bioreaktorer liksom multi-use bioreaktorer i skalorna mellan 1 L och 10 L arbetar volym.
Baserat på vår erfarenhet med vridmoment baserade mätningar, är de mest kritiska faktorerna adress: 1) att minska det döda vridmomentet genom att minimera friktionsförlusterna inuti kullager och tätningar, i synnerhet i laboratorium skala bioreaktorer, och 2) val av en lämpliga moment mätare för önskad bioreaktor storlek och agitation villkoren. Som har framgått tidigare35, kan döda vridmomentet sänkas dramatiskt genom användning av en air betydelse. I den aktuella studien användes en låg kostnad luft bussning av porösa kol material. Kvarstående vridmomentet i de tomma fartyg som testade var vanligtvis under 0,5 mN·m med agitation andelen upp till 900 rpm, motsvarar pumphjulet tip hastigheter upp till 3 m·s-1. Däremot döda moment av bioreaktor #6 med inbyggda mekaniska axeltätningar lagret var, till exempel mellan 9,4 mN·m och 20 mN·m, och jämförbara värden av runt 3 mN·m har också rapporterats för den bioreaktor #732. Detta är ungefär en storleksordning högre än de värden som erhålls i den föreslagna experiment.
Förutom de luft lagren är vridmoment mätaren används den viktigaste komponenten. En kommersiellt tillgängliga vridmoment mätare som är utformat för mätning av statiska och dynamiska vridmoment, rotationshastighet och Vridvinkel valdes för denna studie. Med tanke på bioreaktorerna sevärdheter med maximal arbetande volymer på 10 L och de motsvarande agitatorer, 0,2 nominella vridmoment nm valdes. Det konstaterades att hög reproducerbarhet med relativ standardavvikelse av replikerar < 5% och pålitliga mätningar kan erhållas för effektiv vridmoment så låg som 2 mN·m, motsvarar endast 1% av det nominella momentet. Mätområdet för sensorn tillämpas i den aktuella studien var därför betydligt bredare än resultat som har publicerats baserat på en genomför mellan olika laboratorier studie av medlemmar av den tyska GVC-VDI arbetsgruppen blandning41.
Ändå, spänna av agitator hastigheten bör väljas noggrant med avseende på den vridmoment sensor resolutionen, nominellt vridmoment och vortex bildandet. Den senare ofta förekommer i unbaffled bioreaktorer upprörd vid högre hastigheter och kan orsaka skador på vridmoment mätaren. Både den högsta och lägsta genomförbara agitator hastigheten kan vara begränsande faktorer för den metod som beskrivs i denna studie. Förutom våra tidigare arbeta35, denna studie också inblandade i bioreaktor #3, den minsta medlemmen i glas bioreaktor familj som tillhandahålls av tillverkaren, som är upprörd av tvåstegs impellrar med en diameter på 42 mm. En jämförbar makt kännetecken som i den geometriskt liknande bioreaktor #4 erhölls med presenterade experimentella setup. Detta är anmärkningsvärt eftersom vridmomentet skalor med M d5 för en given vätskans densitet, impeller geometri (dvs power nummer) och rotationshastighet (se ekv 1 och ekv 2). Följaktligen, en cirka 40% lägre pumphjulet vridmoment resultat från en 10% mindre pumphjulsdiameter, t.ex. Dock krävdes högre rotationshastigheter i 1 L skalan än i 2 L skalan under drift att lösa producerade vridmomentet med tillgängliga vridmoment mätaren. På grund av de inbyggda bafflarna av bioreaktor #3, ingen vortex bildning observerades, men detta kan bli ett problem med unbaffled fartyg. Det bör betonas att konstanten förskjutning i power numren som hittades mellan de två skalorna kan resultera från mätning felaktigheter orsakade av den begränsade Sensorupplösning (förutom geometriska skillnader). Ytterligare undersökningar krävs att dra slutgiltiga slutsatser om minsta skalan där den föreslagna setup är fortfarande möjlig.
Dock användes samma protokoll för power input mätningar i olika glas fartyg från olika tillverkare med arbetande volymer mellan 1 L och 10 L i vårt laboratorium. Detta belyser överförbarheten av den använda metoden för karakterisering av olika bioreaktor system. Den experimentella ansträngningen kan minskas genom automatiska mätningar med recept förvaltningen inom automationssystemet som tillhandahålls av programvaran control unit och automatiserade databehandlingen baserat på det universella språket i Matlab.
Det bör vidare noteras att, med hjälp av sackaros som innehåller, billiga newtonska modell media, ett brett utbud av Reynolds tal (100 < Re < 6·104), beroende på agitator och skala, var täckt. Det bör också betonas att den nedre gränsen i intervallet turbulens är vanligtvis irrelevant för djur cellkulturer med vatten-liknande media, även om mycket låga pumphjulet hastigheter används. Dock betydande ökningar i buljong viskositet, vilket resulterar i turbulens dämpning, och även icke-newtonska beteende har beskrivits för svamp - och plantera cellbaserade kulturer. Till exempel har uppenbar viskositet i plant kulturer av upp till 400-fold jämfört med vatten varit rapporterade42, vilket leder till mycket lägre Reynoldstal.
Slutligen har använder bioreaktor #7 som en första fallstudie, det visats att den föreslagna experiment kan användas för att studera effekten av designändringar på ineffekt på laboratorieskala. I kombination med rapid prototyping teknik, kan detta vara ett kraftfullt verktyg för impeller designstudier, som kommer att utgöra delar av framtida arbete.
Disclosures
Författarna har förklarat inga intressekonflikter.
Acknowledgments
Författarna vill tacka Dieter Häussler och slå Gautschi för deras hjälp under den experimentella uppsättningen upp. Vi är också tacksamma mot Caroline Hyde för engelska korrekturläsning.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| T20WN torque meter | HBM Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH |
Nominal torque 0.2 Nm | |
| Spider-8 | HBM Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH |
HBM Spider8 is no longer available for sale. QuantumX DAQ system (especially the QuantumX modules MX840A and MX440A) are recommended. |
|
| Catman easy software | HBM Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH |
Version 4.2.2 | |
| Air bearing | IBS precision engineering | 13 mm air bushing | |
| Stainless steel impeller shaft | Bioengineering AG | Shaft tolerance -0.0076 mm | |
| Brushless motor AKM2 | Kollmorgen | ||
| Metal bellow coupling | Uiker AG | ||
| Finesse RDPDmini control unit | Finesse, a part of Thermo Fisher Scientific | No longer supported (the replacement product G3Lab universal controller can be used) | |
| Sucrose | Migros Schweiz AG | Food grade | |
| Matlab software | Mathworks | Version R2017a | |
| Finesse μTruBio PC software | Finesse, a part of Thermo Fisher Scientific | Version 3.1 (no longer supported) | |
| SmartGlass 1L | Finesse, a part of Thermo Fisher Scientific | referred to as Bioreactor 1L in Table 2 | |
| SmartGlass 3L | Finesse, a part of Thermo Fisher Scientific | referred to as Bioreactor 3L in Table 2 | |
| SmartVessel 3L | Finesse, a part of Thermo Fisher Scientific | referred to as Single-Use 3L Bioreactor in Table 2 | |
| Mobius CellReady 3L | Merck Millipore | referred to as Cell Ready Single-Use 3L Bioreactor in Table 2 | |
| UniVessel SU 2L | Sartorius Stedim Biotech | referred to as Single-Use 2L Bioreactor in Table 2 |
References
- Shiue, S. J., Wong, C. W. Studies on homogenization efficiency of various agitators in liquid blending. Can. J. Chem. Eng. 62, 602-609 (1984).
- Zlokarnik, M. Rührtechnik -- Theorie und Praxis. , Springer-Verlag. Berlin, Heidelberg, New York. (1999).
- Ghotli, A. R., Raman, A. A. A., Ibrahim, S., Baroutian, S. Liquid-liquid mixing in stirred vessels: a review. Chem. Eng. Commun. 200, 595-627 (2013).
- Arjunwadkar, S. J., Sarvanan, K., Kulkarni, P. R., Pandit, A. B. Gas-liquid mass transfer in dual impeller bioreactor. Biochem. Eng. J. 1, 99-106 (1999).
- Hari-Prajitno, D., Mishra, V. P., Takenaka, K., Bujalski, W., Nienow, A. W., McKemmie, J. Gas-liquid mixing studies with multiple up- and down-pumping hydrofoil impellers: power characteristics and mixing time. Can. J. Chemical Eng. 76, 1056-1068 (1998).
- Wichterle, K. Heat transfer in agitated vessels. Chem. Eng. Sci. 49, 1480-1483 (1994).
- Angst, R., Kraume, M. Experimental investigations of stirred solid/liquid systems in three different scales: particle distribution and power consumption. Chem. Eng. Sci. 61, 2864-2870 (2006).
- Cherry, R., Papoutsakis, E. T. Hydrodynamic effects on cells in agitated tissue culture reactors. Bioprocess Eng. 1, 29-41 (1986).
- Chalmers, J. J. Shear sensitivity of insect cells. Cytotechnology. 20, 163-171 (1996).
- Ma, N., Mollet, M., Chalmers, J. J. Aeration, mixing and hydrodynamics in bioreactors. Cell Culture Technology for Pharmaceutical and Cell-Based Therapies. Ozturk, S. S., Hu, W. -S. , Taylor & Francis. New York (NY). 225-248 (2006).
- Chisti, Y. Shear Sensitivity. Encyclopedia of Bioprocess Technology. Flickinger, M. C., Drew, S. W. , John Wiley & Sons. Hoboken, NJ, USA. 1719-1762 (2002).
- Oosterhuis, N. M. G., Kossen, N. W. F. Power input measurements in a production scale bioreactor. Biotechnol. Lett. 3, 645-650 (1981).
- King, R. L., Hiller, R. A., Tatterson, G. B. Power consumption in a mixer. AIChE J. 34, 506-509 (1988).
- Brown, D. E. The measurement of fermenter power input. Ind. Chem. 16, 684-688 (1997).
- Bourne, J. R., Buerli, M., Regenass, W. Heat transfer and power measurements in stirred tanks using heat flow calorimetry. Chem. Eng. Sci. 36, 347-354 (1981).
- Böhme, G., Stenger, M. Consistent scale-up procedure for the power consumption in agitated non-newtonian fluids. Chem. Eng. Technol. 11, 199-205 (1988).
- Reséndiz, R., Martínez, A., Ascanio, G., Galindo, E. A new pneumatic bearing dynamometer for power input measurement in stirred tanks. Chem. Eng. Technol. 14, 105-108 (1991).
- Distelhoff, M. F. W., Laker, J., Marquis, A. J., Nouri, J. M. The application of a strain gauge technique to the measurement of the power characteristics of five impellers. Exp. Fluids. 20, 56-58 (1995).
- Ibrahim, S., Nienow, A. W. Power curves and flow patterns for a range of Impellers in Newtonian fluids: 40 < Re < 5x10^5. Chem. Eng. Res. Des. 73, 485-491 (1995).
- Karcz, J., Major, M. An effect of a baffle length on the power consumption in an agitated vessel. Chem. Eng. Process. Process Intensif. 37, 249-256 (1998).
- Houcine, I., Plasari, E., David, R. Effects of the stirred tank's design on power consumption and mixing time in liquid phase. Chem. Eng. Technol. 23, 605-613 (2000).
- Chen, Z. D., Chen, J. J. J. A study of agitated gas-liquid reactors with concave blade impellers. Gupta, B., Ibrahim, S. , Kluwer Academic Publishers. 43-56 (2000).
- Chapple, D., Kresta, S. M., Wall, A., Afacan, A. The effect of impeller and tank geometry on power number for a pitched blade turbine. Chem. Eng. Res. Des. 80, 364-372 (2002).
- Gill, N. K., Appleton, M., Baganz, F., Lye, G. J. Quantification of power consumption and oxygen transfer characteristics of a stirred miniature bioreactor for predictive fermentation scale-up. Biotechnol. Bioeng. 100, 1144-1155 (2008).
- Cudak, M. Hydrodynamic characteristics of mechanically agitated air - aqueous sucrose solutions. Chem. Process Eng. 35, 97-107 (2014).
- Kuboi, R., Nienow, A. W., Allsford, K. A multipurpose stirred tank facility for flow visualisation and dual impeller power measurement. Chem. Eng. Commun. 22, 29-39 (1983).
- Wu, J., Zhu, Y., Pullum, L. Impeller geometry effect on velocity and solids suspension. Chem. Eng. Res. Des. 79, 989-997 (2001).
- Amanullah, A., Serrano-Carreon, L., Castro, B., Galindo, E., Nienow, A. W. The influence of impeller type in pilot scale xanthan fermentations. Biotechnol. Bioeng. 57, 95-108 (1998).
- Saito, F., Nienow, A. W., Chatwin, S., Moore, I. P. T. Power, gas dispersion and homogenisation Characteristics of SCABA SRGT and Rushton turbine impellers. J. Chem. Eng. Japan. 25, 281-287 (1992).
- Ascanio, G., Castro, B., Galindo, E. Measurement of power consumption in stirred vessels - a review. Chem. Eng. Res. Des. 82, 1282-1290 (2004).
- Vilaça, P. R., Badino, A. C., Facciotti, M. C. R., Schmidell, W. Determination of power consumption and volumetric oxygen transfer coefficient in bioreactors. Bioprocess Eng. 22, 261-265 (2000).
- van Eikenhorst, G., Thomassen, Y. E., van der Pol, L. A., Bakker, W. M. Assessment of mass transfer and mixing in rigid lab-scale disposable bioreactors at low power input levels. Biotechnol. Prog. 30, 1269-1276 (2014).
- Eibl, D., Peuker, T., Eibl, R. Single-use equipment in biopharmaceutical manufacture: A brief introduction. Single-Use Technology in Biopharmaceutical Manufacture. Eibl, R., Eibl, D. , John Wiley & Sons. Hoboken, NJ, USA. 3-11 (2010).
- Eibl, R., Kaiser, S., Lombriser, R., Eibl, D. Disposable bioreactors: the current state-of-the-art and recommended applications in biotechnology. Appl. Microbiol. Biotechnol. 86, 41-49 (2010).
- Kaiser, S. C., Werner, S., Jossen, V., Kraume, M., Eibl, D. Development of a method for reliable power input measurements in conventional and single-use stirred bioreactors at laboratory scale. Eng. Life Sci. 17 (5), 500-511 (2016).
- Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH. Drehmoment-Messwelle T20WN product description. , Available from: http://www.hbm.com/en/0264/torq (2016).
- Nienow, A. W., Miles, D. Impeller power numbers in closed vessels. Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev. 10, 41-43 (1971).
- Liepe, F., Sperling, R., Jembere, S. Rührwerke - Theoretische Grundlagen, Auslegung und Bewertung. , Eigenverlag FH. Anhalt, Köthen, Germany. (1998).
- Kaiser, S. C., Werner, S., Eibl, D. CFD as tool to characterize single-use bioreactors. Single-Use Technology in Biopharmaceutical Manufacture. Eibl, R., Eibl, D. , John Wiley & Sons. Hoboken, NJ, USA. 264-279 (2010).
- Liepe, F. Verfahrenstechnische Berechnungsmethoden Teil 4: Stoffvereinigen in fluiden Phasen - Ausrüstungen und ihre Berechnung. VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie. , Leipzig, Germany. (1988).
- Kraume, M., Zehner, P. Experience with experimental standards for measurements of various parameters in stirred tanks: a comparative test. Chem. Eng. Res. Des. 79, 811-818 (2001).
- Werner, S., Greulich, J., Geipel, K., Steingroewer, J., Bley, T., Eibl, D. Mass propagation of Helianthus annuus suspension cells in orbitally shaken bioreactors: Improved growth rate in single-use bag bioreactors. Eng. Life Sci. 14, 676-684 (2014).
