Name: 高性价比和可靠的方法来预测机械应力一次性使用和标准泵 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-08-05T14:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 34 s
Description: 了解如何使用内窥镜技术测量油水乳液中的液滴尺寸，以评估一次性使用泵和标准泵的机械应力。该方法利用图像识别软件进行实时分析，为流体动力学研究提供可靠数据。

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作者感谢瑞士技术创新委员会（CTI）提供的财务支持（编号：13236.1 PFFLI-LS）。

实验采用管道泵装置（图2）进行，该装置可实现最高流速达 60 L min-1、最大压降达 2 bar 条件下的机械应力实验。如图2所示，实验装置由储液罐、泵循环系统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，用于在不同泵工况下监测流量 V̇ 和压降 p。通过调节手轮阀来改变实验条件。
1. 实验设置
<ol>
	<li>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。</li>
	<li>在泵回路中安装注射端口、待测泵、夹式流量计、一次性压力传感器和手动阀。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。</li>
	<li>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 以调整物镜的清晰度。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>在主菜单中选择图像采集软件。</li>
	<li>点击屏幕左上角的“Detect device”按钮以识别相机。</li>
	<li>在“Directory Settings”下选择计算机上用于保存图像的位置，并启用“Create trigger sub folders”命令。</li>
	<li>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</li>
	<li>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。</li>
	<li>关闭泵，然后在搅拌条件下使用 10 ml 移液器加入 0.9 ml 表面活性剂（csurfactant = 0.18 ml L-1，ρsurfactant,20°C = 1,070 kg m-3，临界胶束浓度（cmc）：ωcmc ≈ 0.018 ml L-1，ωsurfactant ≈ 10 · ωcmc）。10 分钟后，表面活性剂完全溶解。</li>
	<li>关闭搅拌桨，启动泵。将内窥镜探头定位，使镜头正好位于进液管下方。</li>
	<li>通过调节搅拌桨转速和手动阀，设定流速为 3.4 L min-1，压降分别为 0.03、0.3 或 0.61 bar。</li>
	<li>直接在注射器中称取 6.3 g 油（βoil = 1.26 g L-1，ρoil,20°C = 989.5 kg m-3）。</li>
	<li>启动图像采集软件，并通过注射端口加入油。运行中的泵将分散乳液液滴。</li>
	<li>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。</li>
</ol>
2. 测量与图像分析
<ol>
	<li>在主菜单中打开自动图像识别软件。</li>
	<li>在“批量根目录”下选择计算机上的文件保存位置（所有*.csv）。</li>
	<li>选择“图像序列路径”列，然后点击屏幕左下角的“添加图像序列子文件夹”按钮，以加载图像序列。</li>
	<li>加载制造商提供的处理参数。选择“搜索设置（*.pss 或 auftrag_*.mat）”列，然后点击屏幕中下部的“设置搜索设置”按钮，以加载处理参数，从而确定液滴识别方式。</li>
	<li>选择“搜索模板（*.psp 或 F_*.mat）”列，然后点击屏幕右下角的“设置搜索模板”按钮，以加载处理参数，从而确定液滴分析方式。</li>
	<li>点击“开始批量”按钮，启动图像识别。</li>
	<li>图像识别完成后，使用结果分析软件将检测到的液滴尺寸表示为索特平均直径（d32），或其他任意选定的代表性平均值或分布。</li>
	<li>在主菜单中打开结果分析软件。</li>
	<li>启用“一个文件夹中的所有*.csv”命令，然后点击屏幕左上角的“加载文件夹”按钮，以加载先前保存的 all*.csv 文件。</li>
	<li>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像素缩放比例 0.6591 µm pixel-1，用于直径计算。</li>
</ol>
<img alt="反应器混合过程示意图；展示生物反应器中的流体动力学及传感器反馈。" src="/files/ftp_upload/53052/53052fig2.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图 2"> 
图 2. 实验装置。 采用管内内窥镜作为测量技术的管道泵系统泵回路：（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）配备制造商提供软件的计算机，以及（8）内窥镜探头。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53052/53052fig2highres.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的高清版本。</a>

<ol><li>Wollny, S. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Experimentelle+und+numerische+Untersuchungen+zur+Partikelbeanspruchung+in+ger%C3%BChrten+%28Bio+%29+Reaktoren+%28Experimental+and+numerical+investigations+of+particle+stress+in+stirred+%28bio-%29+reactor%29%22">Experimentelle und numerische Untersuchungen zur Partikelbeanspruchung in gerührten (Bio ) Reaktoren (Experimental and numerical investigations of particle stress in stirred (bio-) reactor)</a>. , Technische Universität Berlin. Berlin. (2010).</li>
<li>Jaouen, P., Vandanjon, L., Quéméneur, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+shear+stress+of+microalgal+cell+suspension+%28Tetraselmis+suecica%29+in+tangential+flow+filtration+systems%3A+the+role+of+pumps%5BTitle%5D)+AND+%22Bioresour.+Technol%22%5BJournal%5D)">The shear stress of microalgal cell suspension (Tetraselmis suecica) in tangential flow filtration systems: the role of pumps.</a> Bioresour. Technol. 68 (2), 149-154 (1999).</li>
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<li>Blaschczok, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Investigations+on+mechanical+stress+caused+to+CHO+suspension+cells+by+standard+and+single-use+pumps%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Ing.+Tech%22%5BJournal%5D)">Investigations on mechanical stress caused to CHO suspension cells by standard and single-use pumps.</a> Chem. Ing. Tech. 85 (1-2), 144-152 (2012).</li>
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<li>Kouretas, P. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experience+with+the+Levitronix+CentriMag%C2%AE+in+the+pediatric+population+as+a+bridge+to+decision+and+recovery%5BTitle%5D)+AND+%22Artif.+Organs%22%5BJournal%5D)">Experience with the Levitronix CentriMag® in the pediatric population as a bridge to decision and recovery.</a> Artif. Organs. 33 (11), 1002-1004 (2009).</li>
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<li>Ritter, J., Kraume, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((On-line+measurement+technique+for+drop+size+distributions+in+liquid%2Fliquid+systems+at+high+dispersed+phase+fractions%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Eng.+Technol%22%5BJournal%5D)">On-line measurement technique for drop size distributions in liquid/liquid systems at high dispersed phase fractions.</a> Chem. Eng. Technol. 23 (7), 579-581 (2000).</li>
<li>Fries, T. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Quantifizierung+der+mechanischen+Beanspruchung+von+Pumpen+auf+tierische+Zellen+mittels+des+nicht-biologischen+Modellsystems+Emulsion+%28Quantification+of+mechanical+stress+caused+by+pumps+on+mammalian+cells+using+a+non-biological+emulsion+model+system%29%22">Quantifizierung der mechanischen Beanspruchung von Pumpen auf tierische Zellen mittels des nicht-biologischen Modellsystems Emulsion (Quantification of mechanical stress caused by pumps on mammalian cells using a non-biological emulsion model system)</a>. , University of Applied Sciences Berlin. Berlin. (2014).</li>
<li>Maaß, S., Wollny, S., Sperling, R., Kraume, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Numerical+and+experimental+analysis+of+particle+strain+and+breakage+in+turbulent+dispersions%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Eng.+Res.+Des%22%5BJournal%5D)">Numerical and experimental analysis of particle strain and breakage in turbulent dispersions.</a> Chem. Eng. Res. Des. 87 (4), 565-572 (2009).</li>
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</ol>

Wolfgang Dornfeld 和 Reto Sch&ouml;b 是 Levitronix 公司的员工，该公司是 MagLev 磁悬浮离心泵的制造商。

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&#160;L&#160;min-1时，探头镜头应位于进样管正下方。当流速超过5&#160;L&#160;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&#160;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&#160;L&#160;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&#160;L&#160;min-1的流速下进行（数据未显示）。然而，当流速超过10&#160;L&#160;min-1&#160;19时，建议对油水乳液体系进行1:2稀释（csurfactant&#160;=&#160;0.09&#160;ml L-1，coil&#160;=&#160;0.64&#160;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。

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。机械应力的水平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，常采用蠕动泵、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）成为一种颇具前景的替代方案。该泵采用磁力驱动电机，从而避免了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，其对中华仓鼠卵巢细胞（Chinese Hamster Ovary, CHO）造成的机械应力更低5。此外，在多种运行条件下，溶血分析表明，使用这些泵时未出现显著的血液损伤以及血栓形成8–11。研究结果表明，与蠕动泵和隔膜泵相比，使用此类专门设计的泵可显著降低对生物系统的机械应力。为以较低的实验成本评估机械应力，建议采用油-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%）上均具有显著优势。
由于油水乳液体系的液滴破裂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。由于其高精度与可靠性，内窥镜技术已被证实是一种有效的标准测量方法，可用于测定液-液分散体系中的液滴尺寸分布，其性能优于其他常用探针（例如，光纤前向-后向散射比（FBR）传感器、聚焦光束反射率法（FBRM）以及二维光学反射测量技术（2D-ORM））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。
<img alt="磁性流体泵示意图，显示转子磁铁、叶轮；包含无轴承电机组件。" src="/files/ftp_upload/53052/53052fig1.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图1"> 
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 作为示例展示。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53052/53052fig1highres.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的高清版本。</a>

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

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

A Cost-effective and Reliable Method to Predict Mechanical Stress in Single-use and Standard Pumps

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。

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，下方四幅图像为经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。左侧图像显示磁力驱动离心泵 PuraLev 200MU 和 PuraLev 600MU 的液滴分布情况，右侧图像显示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所受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，磁力驱动离心泵产生的液滴尺寸更大、数量更少。因此，磁力驱动离心泵，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。
<img alt="显微图像中的颗粒识别；不同泵的比较；实验结果。" src="/files/ftp_upload/53052/53052fig3.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图3"> 
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。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53052/53052fig3highres.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的高清版本。</a>
萨特平均直径
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，并可确保结果具有可重复性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 PuraLev 200MU（图 4A）和蠕动泵（图 4D）的曲线在本方案中作为示例进行讨论。
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），使用蠕动泵时的萨特平均直径最多可减小40%。因此，更高的机械应力导致液滴破碎更显著，从而产生更小的液滴尺寸。此外，PuraLev 200MU中的萨特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，所有工艺参数下的萨特平均直径均为d32,60min = 10 µm（图4D），说明其萨特平均直径与压降无关。然而，结果符合液滴破碎的物理规律：机械应力越高，测得的萨特平均直径越小（参见图5）。
每个测量点至少测定300个液滴，以确保统计学上的可靠性。在灌注过程中，PuraLev 200MU的最大标准偏差从d32,4min ± 42 µm，PuraLev 600MU从d32,6min ± 21 µm，最终降低至约d32 ± 0.5 µm。标准偏差的减小是由于液滴尺寸分布的均一性逐渐提高，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。
<img alt="用于粒径分析的算术平均直径公式，表示为 d_32 = Σd_v^3 / Σd_s^2。" src="/files/ftp_upload/53052/53052eq1.jpg" width="80" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Equation 1"> (1)
<img alt="体积平均直径随时间变化曲线；泵流速变化；粒径分析；数据比较。" src="/files/ftp_upload/53052/53052fig4.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图 4"> 
图 4. 体积平均直径 d32 随时间变化的典型曲线，以及实测体积平均直径 d32,m 的确定方法。分别对 PuraLev 200MU (A)、PuraLev 600MU (B)、四柱塞隔膜泵 (C) 和蠕动泵 (D) 的体积平均直径 d32 进行比较。体积平均直径 d32 的测定条件为流速 3.4 L min-1，压降范围为 0.03 至 0.61 bar。实测体积平均直径 d32,m 根据最后 10 分钟（边界）的数据计算得出。图中还显示了体积平均直径 d32 的最终标准偏差（N ≥ 300）。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53052/53052fig4highres.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的高清版本。</a>
以测量的索特平均直径作为对比系统
如上所述，索特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，计算索特平均直径的平均值，以确定实测的索特平均直径，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时的实测索特平均直径d32,m。在较低压降和叶轮转速下，磁悬浮离心泵（200MU和600MU）以及四柱塞隔膜泵均测得较大的索特平均直径。蠕动泵在所有工艺参数条件下测得的索特平均直径均为d32,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d32,m = 36 µm和d32,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%，从而证实液滴尺寸的数值可靠且准确。
<img alt="萨特直径与压降对比；比较泵类型：PuraLev、隔膜泵、蠕动泵。" src="/files/ftp_upload/53052/53052fig5.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图5"> 
图5. 实测萨特平均直径 d32,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 离心泵及其对应泵型的实测萨特平均直径。图中还显示了稳态期间实测萨特平均直径 d32,m 的相应标准偏差。
缩写 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53052/53052fig5highres.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的高清版本。</a>
<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0">
	<tbody>
		<tr>
			<td>2D-ORM</td>
			<td>二维光学反射率测量</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CCD</td>
			<td>电荷耦合器件</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CHO</td>
			<td>中国仓鼠卵巢</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>cmc</td>
			<td>临界胶束浓度</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>FBR</td>
			<td>前后向反射比</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>FBRM</td>
			<td>聚焦光束反射测量法</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MU</td>
			<td>多用途</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SU</td>
			<td>一次性使用</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
命名法
<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0">
	<tbody>
		<tr>
			<td><img alt="静态平衡；公式：V̇；数学符号；适用于流体动力学研究。" fo:content-="" src="/files/ftp_upload/53052/V.jpg" width="8
" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="V"></td>
			<td>[m3 sec-1]</td>
			<td>流速</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>c</td>
			<td>[m3 m-3]</td>
			<td>浓度</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>d32</td>
			<td>[m]</td>
			<td>索特平均直径</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>d32,m</td>
			<td>[m]</td>
			<td>测量的索特平均直径</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ds</td>
			<td>[m]</td>
			<td>表面积直径</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>dv</td>
			<td>[m]</td>
			<td>体积直径</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>f</td>
			<td>[Hz]</td>
			<td>频率</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>n</td>
			<td>[sec-1]</td>
			<td>搅拌桨转速</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>N</td>
			<td>[-]</td>
			<td>液滴数量</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>p</td>
			<td>Pa</td>
			<td>压降</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>t</td>
			<td>sec</td>
			<td>时间</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>β</td>
			<td>[kg m-3]</td>
			<td>质量浓度</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ρ</td>
			<td>[kg m-3]</td>
			<td>密度</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ω</td>
			<td>[m3 m-3]</td>
			<td>质量分数</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
表1. 缩写与命名法对照表。

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。

泵主要用于生物制药和生物技术生产过程中无菌培养液的转移。然而，在泵送过程中……

本实验的总体目标是展示内联内窥镜技术在泵送过程中液滴尺寸测量方面的适用性。通过一个由储液罐、泵循环回路以及内联内窥镜检测设备组成的管路泵系统实现该目标。向储液罐中加入水并与表面活性剂混合，随后通过注射器接口加入油相，并由泵进行循环分散。随后使用图像识别软件测量液滴尺寸，持续一小时。最终，通过液滴的索尔平均直径来估算一次性泵和标准泵的机械应力。该技术相较于现有方法（如FPR传感器）的主要优势在于，内窥成像技术能够实现可靠且准确的液滴尺寸测量，并对液-液分散体系进行测定，其标准偏差低于10%。在执行本方案时，需确保储存容器配备有用于表面活性剂溶解的搅拌桨。首先准备是设置储液罐，将手轮阀和泵循环管路连接到储液罐上。储液罐必须配有注射器接口、目标泵、带夹具的流量计以及一次性压力传感器。然后将泵头连接至电机，并准备内窥镜探头。接下来，将反射平面（例如铑镜）安装至探头尖端，调节镜面与透镜之间的距离至150微米。然后调节螺丝，使物镜聚焦在100微米处。通常，高速CCD相机应已连接至内窥镜探头soat vf。接下来，通过光纤电缆将探头连接到频闪仪。然后，通过以太网电缆将相机连接到计算机。最后，通过触发盒电缆将相机与频闪仪连接在一起。下一步是准备好软件并打开，该软件为 sopa，包含图像采集与识别软件以及结果分析器。接着，在主菜单中选择图像采集软件 soat cam control。然后，点击左上角的“direct device”按钮以检测摄像头。在目录设置下，选择计算机上用于保存图像的位置并激活命令。创建触发子文件夹。然后在“触发模式”部分输入处理参数。将五升去离子水加入储液容器中，启动泵以排出泵及泵回路中的空气。随后关闭泵，开启搅拌器。接下来，配制表面活性剂 Triton X-100，并在持续搅拌下用 10 毫升移液管加入。10 分钟后，表面活性剂将完全溶解。此时关闭搅拌器，启动泵。调整内窥镜探头位置，使镜头位于进样管正下方。最关键的步骤是探针的定位。在这些实验中，探针必须正好位于进样管正下方，以确保每滴样品不会被重复检测。此外，探针必须非常稳定，以避免图像模糊。打开泵，通过调节手轮阀将流速设为 3.4 升每分钟，压力降设为 0.03、0.3 或 0.61 巴。同时，将所需量的油直接称量至注射器中。然后启动采集软件。因此，在进行控制时，将注射器拧到注射器接口上并开始测试。通过加入油，运行中的泵会分散乳液滴。在进行下一次测试前，经过一小时的实验时间后，必须清洗储液罐和集成泵回路。开始数据分析时，从软件的主菜单中打开 soat 批处理程序。在“批处理根目录”下，选择计算机上保存文件的位置。接下来，加载图像序列。选择柱状图像序列路径，然后点击添加图像序列子文件夹。为了指定液滴识别，请加载由 Soat LTD 提供的处理参数，选择用于 PSS 或关闭拖拽的柱状搜索设置，然后点击设置搜索参数。为加载工艺参数，请选择用于 PSP 或 FCO 星星哑光文件的列搜索模式，然后点击“设置搜索模式”。接着，单击“启动批处理”按钮以开始图像识别。随后，从主菜单中打开结果分析器。该工具通过多种测量方式表示液滴尺寸，例如通过索尔平均直径。将保存的文件使用命令 all star dot CSV 放入一个文件夹中，然后点击加载文件夹。要查看结果，请在下拉菜单中选择相应的值；要计算直径，请输入每像素 0.6591 微米的缩放值，该值由制造商根据光学设置提供。采用内联内窥镜技术，用于比较不同泵及其它常用泵中乳剂系统的液滴尺寸。由于采用了磁悬浮驱动技术，磁力驱动泵预计会产生更低的机械应力。研究采用管道泵装置进行，该装置由储液容器、泵回路以及内窥镜在线检测设备组成。所考察的多用途泵包括PureLeft 200 MU和PureLeft 600 MU，其运行条件已实现标准化。随后测定乳液液滴的索德平均直径。纯左200 µ泵和蠕动泵均表现出优异的索德平均直径变化趋势。这些索德平均直径是基于每小时最后10分钟内每个测量点超过300个液滴的数据计算得出的。当液滴直径在不同压降下达到稳态时，可比较使用磁力手套与其对应离心泵所计算的酸性平均直径。Mag Left 系列离心泵测得的酸性平均直径最大可高出 59%。这些结果表明，使用 Mag Left 离心泵时液滴破碎速率较低，因而产生的机械应力也较小，尤其是在低压情况下更为明显。本视频有助于理解如何使用内窥镜技术估算手掌中的机械应力。

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