一种经济可靠的方法用于预测一次性泵和标准泵中的机械应力

摘要

在油水乳液体系中进行剪切应力研究时，液滴在实验过程中会发生破碎。为了在泵送过程中统计液滴尺寸，本方案成功验证了在线内窥镜技术的适用性。

摘要

在生物制药和生物技术生产过程中，转移无菌培养液时主要使用泵。然而，在泵送过程中会产生剪切力，可能导致产品质量和/或数量的损失。为了以有限的实验成本计算机械应力，采用了一种油-水乳液体系，并已证明该体系适用于生物反应器中的液滴尺寸检测¹。由于油-水乳液体系的液滴破碎程度是机械应力的函数，因此需要在剪切应力实验期间持续统计液滴尺寸的变化。在以往的研究中，原位内窥镜技术已被证明是用于液体/液体分散体系中液滴尺寸检测的一种准确且可靠的测量方法。本实验方案旨在验证原位内窥镜技术在泵送过程中进行液滴尺寸测量的适用性。为表征液滴尺寸，采用索特平均直径 d₃₂ 作为油-水乳液中液滴的代表性直径。实验结果表明，索特平均直径的变异程度较低，其标准偏差低于15%，说明该测量技术具有良好的可靠性。

引言

在制药和生物技术行业中，泵被用于转移细胞培养物。在泵送过程中，机械应力可能导致细胞发生不可逆损伤，从而影响产品的产量和质量^1-4。机械应力的程度取决于泵的类型和泵的设置参数，这一点已在先前的研究中得到证实^5-6。通常，在基于一次性使用（SU）技术的应用中，常使用蠕动泵、注射泵和隔膜泵。这些泵由于泵管的压缩作用以及脉动流的存在，会产生较高的局部剪切力⁷。

为了克服这些缺点，磁悬浮离心泵（MagLev离心泵）成为一种有前景的替代方案。该泵采用磁力驱动电机，从而避免叶轮与泵壳之间存在狭窄间隙（图1）。先前的一项研究对MagLev离心泵进行了考察，结果显示，与蠕动泵和四活塞隔膜泵相比，其对中国仓鼠卵巢（CHO）细胞造成的机械应力更低⁵。此外，溶血分析表明，在多种运行条件下，使用这些泵未引起显著的血液损伤或血栓形成^8-11。研究结果表明，与蠕动泵和隔膜泵相比，这些专门设计的泵对生物系统施加的机械应力更小。为了以较低的实验成本评估机械应力，推荐使用油-水乳液模型系统，因其相较于生物细胞培养系统在成本（约 99.8%）和时间（约 99.5%）上均显著减少。

由于油水乳液体系的液滴破碎程度取决于机械应力，因此必须在剪切应力实验过程中持续统计液滴尺寸。目前已有多种液滴尺寸测量技术，可大致分为基于声学、激光和图像的方法¹²。其中，采用在线内窥镜的光电探针技术在手动与自动检测中所得液滴尺寸几乎一致（标准偏差低于10%），并可实现每分钟检测250个液滴¹³。由于其高精度和可靠性，与其他常用探针（例如，光纤前向-后向比（FBR）传感器、聚焦光束反射测量法（FBRM）以及二维光学反射测量技术（2D-ORM））相比，内窥镜技术已被证明是测定液/液分散体系中液滴尺寸分布的有效标准测量方法^12,14。此外，此前多项研究已多次验证了在线内窥镜技术在搅拌容器中测量液滴尺寸的适用性^15-18。

根据先前的一项研究⁶，本方案描述了使用在线内窥镜技术测定油水乳液体系在泵中液滴尺寸（索特平均直径）的方法。采用索特平均直径作为比较标准，以评估多用途（MU）磁悬浮离心泵、蠕动泵以及单用途（SU）四柱塞隔膜泵所承受的机械应力。

图1. 磁悬浮离心泵系统。（A）无轴承电机的工作原理，以及（B）PuraLev 200MU 的实例展示。请点击此处查看此图的高清版本。

方案

实验采用管道泵装置（图2）进行，该装置可实现最高60 L min^-1流速和最高2 bar压降条件下的机械应力实验。如图2所示，实验装置由储液罐、泵循环回路以及内窥镜在线检测设备组成。储液罐中的叶轮仅用于混合表面活性剂。在闭合回路中集成了外围元件，用于监测不同泵设置下的流量V̇和压降p。通过使用手轮阀来调节实验条件。

1. 实验设置

1. 确保生物反应器（D = 0.15 m，H/D = 2.2）配备有用于溶解表面活性剂的搅拌桨，并确保进液管浸入液体中，以避免气体进入。
2. 在泵回路中安装注射端口、待测泵、夹持式流量计、一次性压力传感器和手轮阀。将泵回路连接至储液罐后，将泵头与电机连接，并准备内窥镜探头。
3. 在探头尖端安装可更换的反射面（本实验中为铑镜），并调节镜面与镜头之间的距离至150 µm。将螺丝调节至100 µm，以聚焦物镜的清晰度。
4. 通过光纤电缆将探头连接至频闪仪，通过以太网电缆将内窥镜相机连接至计算机，然后通过触发盒电缆将相机与频闪仪连接。
5. 启动计算机并打开制造商提供的软件，该软件包括图像采集与识别软件以及结果分析软件。
6. 在主菜单中选择图像采集软件。
7. 点击屏幕左上角的“Detect device”按钮以识别相机。
8. 在“Directory Settings”下选择计算机上的图像保存位置，并启用“Create trigger sub folders”命令。
9. 在“Trigger mode: Ready”部分输入工艺参数。
   帧率：7.5 Hz
   每触发帧数：50
   触发次数：60
   触发间隔：60 sec
10. 完成所有准备工作后，向储液罐中倒入5 L去离子水，并启动泵以填充泵体及泵回路。
11. 关闭泵，使用10 ml移液器在搅拌条件下加入0.9 ml表面活性剂（c_surfactant = 0.18 ml L^-1，ρ_{surfactant,20°C} = 1,070 kg m^-3，临界胶束浓度（cmc）：ω_cmc ≈ 0.018 ml L^-1，ω_surfactant ≈ 10 · ω_cmc）。10分钟后，表面活性剂完全溶解。
12. 关闭搅拌桨，开启泵。调整内窥镜探头位置，使镜头正位于进液管下方。
13. 通过调节搅拌桨转速和手轮阀，设定流速为3.4 L min^-1，压降分别为0.03、0.3或0.61 bar。
14. 直接在注射器中称取6.3 g油（β_oil = 1.26 g L^-1，ρ_oil,20°C = 989.5 kg m^-3）。
15. 启动图像采集软件，并通过注射端口加入油相。运行中的泵将分散乳液液滴。
16. 1小时后，结束剪切应力研究，并使用集成泵回路清洗在线内窥镜及生物反应器。随后，为下一次泵送过程准备实验装置。

2. 测量与图像分析

1. 在主菜单中打开自动图像识别软件。
2. 在“Batch Root Directory”（批处理根目录）下选择计算机上的文件保存位置（所有*.csv文件）。
3. 选择“Image Series Path”（图像序列路径）列，然后点击屏幕左下角的“Add Image Series Subfolders”（添加图像序列子文件夹）按钮，以加载图像序列。
4. 加载制造商提供的处理参数。选择“Search Settings (*.pss 或 auftrag_*.mat)”列，然后点击屏幕中下部的“Set Search Settings”（设置搜索参数）按钮，以加载用于指定液滴识别的处理参数。
5. 选择“Search Pattern (*.psp 或 F_*.mat)”列，然后点击屏幕右下角的“Set Search Pattern”（设置搜索模式）按钮，以加载用于指定液滴分析的处理参数。
6. 点击“Start Batch”（开始批处理）按钮，启动图像识别。
7. 图像识别完成后，使用结果分析软件通过索特平均直径（d₃₂）或其他选定的代表性平均值或分布形式表示检测到的液滴尺寸。
8. 在主菜单中打开结果分析软件。
9. 启用“all*.csv in 1 Folder”（一个文件夹中的所有*.csv）命令，然后点击屏幕左上角的“Load Folder(s)”（加载文件夹）按钮，以加载先前保存的all*.csv文件。
10. 在屏幕上方中部的下拉列表中选择相关数值（例如，索特平均直径），以可视化结果。在右侧输入制造商提供的0.6591 µm pixel^-1的缩放比例，用于直径计算。

图 2. 实验装置。 采用管道泵系统并以管内内窥镜作为测量技术的泵回路：（1）储液罐，（2）注射端口，（3）泵，（4）压力传感器，（5）流量传感器，（6）频闪仪，（7）配备厂商提供软件的计算机，以及（8）内窥镜探头。请点击此处查看此图的高清版本。

结果

光学评估

图3显示了泵送1小时后的液滴识别图像。上方四幅图像为识别前的液滴，下方四幅图像为识别软件标记后的液滴，被检测到的液滴以绿色边框高亮显示。通过比较上下两组图像可见，图像识别软件能够精确识别液滴边缘。左侧图像展示了磁力悬浮离心泵PuraLev 200MU和PuraLev 600MU的液滴分布情况，右侧图像则展示了四柱塞隔膜泵和蠕动泵的液滴分布。通过光学评估可对模型乳液体系中的机械应力进行初步分类。结果显示，与四柱塞隔膜泵和蠕动泵相比，磁力悬浮离心泵产生的液滴尺寸更大、数量更少。因此，磁力悬浮离心泵，尤其是PuraLev 200MU，表现出更少的液滴破碎现象，表明其所产生的机械应力较低。

图3. 在线内窥镜图像。 使用不同泵在相同操作条件下（3.4 L min^-1 和 0.03 bar）运行1小时后，乳液液滴在颗粒识别前（A, B, C, D）和识别后（E, F, G, H）的图像，所用泵分别为（A, E）PuraLev 200MU、（B, F）PuraLev 600MU、（C, G）四柱塞隔膜泵以及（D, H）蠕动泵。请点击此处查看该图的高清版本。

索特平均直径

进一步研究表明，使用在线内窥镜时，标准偏差低于 d₃₂ ± 0.4 µm，并能确保结果的可重复性¹⁹。因此，该方法无需进行多次重复实验，进一步降低了实验成本。

为了表征液滴尺寸，本方法采用索特平均直径 d₃₂（见公式 1）作为油水乳液中液滴的代表性直径。通常情况下，对于所有泵类型和泵设置，索特平均直径随时间逐渐减小，直至达到稳态¹²。本研究的实验结果证实了索特平均直径的变化趋势（图 4A 至 D），其中本方案以 PuraLev 200MU（图 4A）和蠕动泵（图 4D）的曲线为例进行讨论。

与PuraLev 200MU相比，在相同操作条件下（流速 = 3.4 L min^-1；压降 = 0.03 bar），蠕动泵的Sauter平均直径最多减小了40%。因此，更高的机械应力导致液滴破碎加剧，从而产生更小的液滴尺寸。此外，PuraLev 200MU中的Sauter平均直径随压降增加而减小（图4A），表明液滴尺寸依赖于压降。相反，蠕动泵在实验结束时，所有工艺参数下的Sauter平均直径均为d_32,60min = 10 µm（图4D），说明其Sauter平均直径与压降无关。然而，结果反映了液滴破碎的物理机制：机械应力越高，测得的Sauter平均直径越小（参见图5）。

每个测量点至少测定300个液滴，以确保统计可靠性。在泵送过程结束时，PuraLev 200MU的最大标准偏差从d_32,4min ± 42 µm、PuraLev 600MU从d_32,6min ± 21 µm降低至约d₃₂ ± 0.5 µm。标准偏差的减小是由于液滴尺寸分布逐渐趋于均一，直至达到稳态。与MagLev离心泵相比，蠕动泵和四活塞隔膜泵的标准偏差均低于d₃₂ ± 10 µm。

(1)

图4. 索特平均直径 d₃₂ 随时间变化的典型曲线，以及实测索特平均直径 d_32,m 的确定方法。比较了 PuraLev 200MU (A)、PuraLev 600MU (B)、四柱塞隔膜泵 (C) 和蠕动泵 (D) 的索特平均直径 d₃₂。索特平均直径 d₃₂ 在流速为 3.4 L min^-1、压降范围为 0.03 至 0.61 bar 的条件下测定。实测索特平均直径 d_32,m 根据最后 10 分钟（边界）的数据计算得出。图中显示了索特平均直径 d₃₂ 的标准偏差（N ≥ 300）。请点击此处查看该图的高清版本。

以测量的索特平均直径作为对比系统

如上所述，Sauter 平均直径随时间逐渐减小，直至液滴尺寸达到稳态。在实验时间的最后 10 分钟内，计算 Sauter 平均直径的平均值，以确定实测的 Sauter 平均直径，并将其作为比较标准（见图 4A-D的边界范围）。在图 5中展示了流速为 3.4 L min^-1、压降范围为 0.03 至 0.61 bar 时的实测 Sauter 平均直径 d_32,m。在较低压降和叶轮转速下，磁悬浮离心泵（200MU 和 600MU）以及四柱塞隔膜泵测得的 Sauter 平均直径更大。而蠕动泵在所有工艺参数条件下测得的 Sauter 平均直径均为 d_32,m = 10 µm。如前所述，蠕动泵的剪切力与压降无关。

在压降为0.03 bar时，PuraLev 200MU和PuraLev 600MU测得的最大索特平均直径分别为d_32,m = 36 µm和d_32,m = 34 µm。与之相比，MagLev离心泵系列测得的索特平均直径最大可高出59%。这些结果表明，使用离心泵时液滴破碎速率较低，因而产生的机械应力也较低。

稳态期间测得的索特平均直径的标准偏差低于15%，从而证实了液滴尺寸数值的可靠性和准确性。

图 5. 实测索特平均直径 d_32,m 的比较。在流量为 3.4 L min^-1、压降分别为 0.03、0.30 和 0.61 bar 时，MagLev 离心泵及其对应泵的实测索特平均直径。图中还显示了稳态期间实测索特平均直径 d_32,m 的相应标准偏差。

缩写 请点击此处查看此图的高清版本。

2D-ORM	二维光学反射率测量
CCD	电荷耦合器件
CHO	中国仓鼠卵巢
cmc	临界胶束浓度
FBR	前后向反射比
FBRM	聚焦光束反射测量法
MU	多次使用
SU	一次性使用

命名法

	[m3 sec-1]	流量
c	[m3 m-3]	浓度
d32	[m]	索特平均直径
d32,m	[m]	测量的索特平均直径
ds	[m]	表面积直径
dv	[m]	体积直径
f	[Hz]	频率
n	[sec-1]	搅拌桨转速
N	[-]	液滴数量
p	Pa	压降
t	sec	时间
β	[kg m-3]	质量浓度
ρ	[kg m-3]	密度
ω	[m3 m-3]	质量分数

表1. 缩写与命名法对照表。

讨论

本方案旨在展示内窥镜在线技术用于泵送过程中液滴尺寸测量的适用性。为此，测定了油水乳液体系的液滴尺寸，并计算了测量得到的索特平均直径，以表征磁力悬浮离心泵及其对比泵（蠕动泵和四柱塞隔膜泵）所产生的机械应力。结果表明，所测得的索特平均直径变异程度较低，其标准偏差均低于15%，说明液滴尺寸的测量具有良好的可靠性和准确性。因此，测量得到的索特平均直径可成功作为评价所研究泵机械应力的比较标准。磁力悬浮离心泵测得的索特平均直径较大，表明其对乳液液滴造成的机械应力低于蠕动泵和四柱塞隔膜泵。迄今为止的研究已证明，内窥镜在线技术是一种稳健且简便的可靠液滴尺寸测量方法^{1,6,12-14,20-21}，本研究也进一步验证了这一点。与光纤FBR传感器、FBRM以及2D-ORM等其他测量技术相比，内窥镜技术可作为液/液体系中获取精确数据的标准方法^12,14。

根据上述方案文本，内联内窥镜的简便操作以及非生物油水乳液系统的简单制备，使得液滴尺寸检测过程变得直接而简便。然而，需要指出的是，内窥镜探头的位置取决于储液罐中的流体流动情况。进一步的研究（数据未显示）表明，为了防止对单个液滴的重复检测¹⁹，当流速低于或等于5 L min^-1时，探头镜头应位于进样管正下方。当流速超过5 L min^-1时，为获得清晰图像，建议将探头置于距离进样管至少10 cm的位置。无论工艺参数如何，内联内窥镜的固定装置都应保持稳定，以避免探头位移导致图像模糊。

此外，需要特别注意的是，所检测到的液滴尺寸接近所用光电系统下限检测极限，该系统的最小可检测液滴直径为 6.5 µm。随着制造商提供软件的改进，在线内窥镜技术能够可靠地检测低至 1 µm 的最小液滴尺寸。此外，图像处理技术将进一步发展，以实现对工业应用的在线监测。

尽管本研究主要关注最高为3.4 L min^-1的相对较低流速，未来的研究应考虑更广泛的运行条件。初步实验已在最高20 L min^-1的流速下进行（数据未显示）。然而，当流速超过10 L min^-1 19时，建议对油水乳液体系进行1:2稀释（c_surfactant = 0.09 ml L^-1，c_oil = 0.64 ml L^-1），因为更高的机械应力会导致液滴破碎加剧，从而影响液滴检测并减少检测到的液滴数量。实验采用1:2稀释条件，并与未稀释油水乳液体系的结果进行了比较。两种条件下，Sauter平均直径均被可靠测量（标准偏差低于5%）。因此，较低的体积分数（1:2稀释）并未影响测得的Sauter平均直径，表明液滴-液滴破碎可忽略不计。

这些强大的实验方法为内窥镜技术及其相关的图像采集、识别和结果分析软件的改进提供了良好的基础。此外，内窥镜技术在根据机械应力对泵的类型和系列进行分类方面的适用性已得到成功验证。所获得的结果对于泵的设计开发以及优化以减少细胞损伤至关重要。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
CCD相机	Allied Vision Technologies GmbH	GX2750	在线内窥镜设备
C-Flex生物制药用软管	Saint-Gobain Performance Plastics	374-375-4	软管 在泵前选择约45 cm长度的软管。
C-Flex生物制药用软管	Saint-Gobain Performance Plastics	374-375-3	软管 在泵后选择约45 cm长度的软管，并将流量传感器夹在此段软管上。
CLAVE连接器	Victus	011-C2000	取样口
控制器LPC-200.1-02	Levitronix GmbH	100-30030	PuraLev 200MU控制器
控制器LPC-600.1-02	Levitronix GmbH	100-30033	PuraLev 600MU控制器
LeviFlow夹持式传感器LFSC-12	Levitronix GmbH	100-30329	流量传感器，适用于流速低于5 L min-1
LeviFlow转换器LFC-1C-CS	Levitronix GmbH	100-30328	流量传感器输出装置
Masterflex I/P Easy Load	Fisher Scientific AG	EW-77963-10	蠕动泵
Mitos自由流动阀	Parker Hannifin Europe Sàrl	FFLQR16S6S6AM	阀门
Mobil Eal Arctic	Exxon Mobil Corporation	Mobil EAL Arctic 22	润滑油 实验前直接配制乳液。
电机	Elektromotorenwerk Brienz AG	7WAC72N4THTF	搅拌轴用电机
电机BSM-1.4	Levitronix GmbH	100-10005	PuraLev 200MU电机
电机LPM-600.4	Levitronix GmbH	100-10038	PuraLev 600MU电机
Norm-Ject 10 ml鲁尔锁接头注射器	Restek Corporation	22775	注射器
泵头LPP-200.5	Levitronix GmbH	100-90525	PuraLev 200MU泵头
泵头LPP-600.18	Levitronix GmbH	100-90548	PuraLev 600MU泵头
Quattroflow 1200-SU	Almatechnik AG	QF 1200	四柱塞隔膜泵
SciPres传感器	SciLog	080-695PSX	压力传感器
SciPres传感器监视器	SciLog	080-690	压力传感器输出装置
SOPAT-VF在线内窥镜探头	SOPAT GmbH		在线内窥镜
频闪仪	Drello GmbH & Co KG	Drelloscop 255-01	在线内窥镜设备
曲拉通X-100	Sigma-Aldrich	X100	表面活性剂 操作时需佩戴手套和护目镜。 （急性毒性，眼刺激）