Name: Eingabe Leistungsmessungen in gerührten Bioreaktoren im Labormaßstab (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-05-16T12:30:00.000+00:00
Duration: 10 min 49 s
Description: Erfahren Sie, wie Sie Leistungseinträge in gerührten Bioreaktoren im Labormaßstab durch Drehmomentmessungen bestimmen. Diese Methode mit Luftlagerung ermöglicht präzise Messungen für Scale-up-Studien.

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Die Autoren möchte Dieter Häussler und Beat Gautschi für ihre Unterstützung während des experimentellen Setup bis zu danken. Wir sind auch dankbar Caroline Hyde für Englisch Korrekturlesen.

1. Vorbereitung der Saccharose-Lösungen
Hinweis: Die Saccharose-Lösungen werden als billig, Newtonschen Modell Medien mit erhöhter Viskosität und Dichte für geringere turbulenzbedingungen verwendet (siehe Tabelle 1).
<ol><li>Füllen Sie Duran-Glas-Flasche mit Wasser und Saccharose von verschiedenen Konzentrationen (20-60 %w/w).</li>
	<li>Mischen Sie den Inhalt mit einem Magnetrührer, bis die Saccharose vollständig aufgelöst hat.<ol>
<li>Für Saccharose-Konzentration von mehr als 40 %w/w, fügen Sie die Saccharose intermittierend und die Glasflasche leicht erhitzen (~ 50 ° C). Lassen Sie die Saccharose-Lösung auf Raumtemperatur vor der Anwendung abkühlen.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. Vorbereitung einer Messung Rezept und die Datenerfassung

<ol><li>Nach dem Start der Software, initiiert die Kommunikation mit dem Steuergerät durch den richtigen seriellen COM-Port aus dem Dropdown-Menü auswählen und klicken Sie auf die Schaltfläche verbinden . Hinweis: Die Connect -Taste ändert sich die Farbe auf grün und die LED unter dem Dropdown-Menü schaltet sich ein, sobald die Kommunikation mit dem Steuergerät initiiert wird.</li>
	<li>Richten Sie Datei Datenpfad innerhalb der Bioreaktor Steuerungssoftware Einheit um die Daten auf den Bediener PC speichern.<ol>
<li>Öffnen Sie die Registerkarte Einstellungen und drücken Sie das Ordnersymbol neben dem Textfeld Speicherort der Datendatei .</li>
		<li>Im Dialogfenster Datei auf die Wunsch-Ordner durchsuchen Sie, geben Sie einen Dateinamen in das Feld Dateiname Text und klicken Sie auf "OK" . Hinweis: Die Daten-Log-Datei-Pfad und den Namen in das Textfeld angezeigt und die DAQ -Starttaste aktiviert, sobald ein gültige Datei-Pfad definiert ist.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Richten Sie eine Routine in der Rezeptmanager der Bioreaktor Steuerungssoftware Einheit um den Messvorgang zu automatisieren.<ol>
<li>Öffnen Sie die Rezept -Registerkarte und geben Sie die gewünschte Eingabewerte für das Rezept Phase verstrichene Zeit (min) und die entsprechende Laufrad-Geschwindigkeit (u/min) in die Textfelder Feld. Das Profil wird automatisch im Diagramm angezeigt. Hinweis: zum Beispiel Rührwerk Geschwindigkeit steigt schrittweise von 20 u/min ab 100 u/min bis 300 u/min, und jeder Wert bleibt für 4 Minuten um ein stabiles Drehmoment garantieren signal (siehe Diskussion unten). Die minimalen und maximalen Geschwindigkeiten sowie der Betrag der Erhöhung einstellbar für verschiedene Rührwerke und Schiffe. Hinweis: Wählen Sie den Drehzahlbereich sorgfältig hinsichtlich der Drehmoment-Sensor-Auflösung, das Nenndrehmoment und Wirbelbildung. Letztere oft tritt in unbaffled Bioreaktoren bei höheren Geschwindigkeiten unruhig und kann Schäden an das Drehmoment-Messgerät.</li>
		<li>Klicken Sie auf die Schaltfläche " Speichern ", navigieren Sie zu der gewünschten Datei-Pfad und geben Sie einen Dateinamen in das Textfeld ein. Drücken Sie die OK -Taste, um die Datei zu speichern.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. Installation der Drehmoment-sensor
Hinweis: Der experimentelle Aufbau ist schematisch in Abbildung 1dargestellt.
<ol><li>Installation die Drehmoment-Wandler in einem speziell entwickelten Halter, der beinhaltet die Luftlager (siehe Abbildung 1) mit zur Befestigung des Sensors einrastet Schrauben. In dieser Studie verwendete Luftlager hat eine poröse Carbon Material mit einem Innendurchmesser von 13 mm Buchse.<ol>
<li>Montieren Sie den bürstenlosen Servomotor Rührwerk auf der Oberseite des Halters. Fixieren Sie die Drehmoment-Wandler an den vertikalen Halter Befestigung mit vier Schrauben.</li>
		<li>Verbinden Sie die Motorwelle mit der Antriebswelle des Drehmoment Wandler mit Hilfe ein Metalls Balg-Kupplung, die kann kleine axiale Fehlstellungen der Achsen zu kompensieren und ziehen Sie die Kupplung mit Schrauben. Verbinden Sie die Rührwelle mit der Messung-Welle von der Drehmoment-Wandler mit einem anderen Metallfaltenbalg Kupplung. Hinweis: In dieser Studie speziell Laufrad Wellen mit einem Durchmesser von 13 mm (Toleranz:-0,0076 mm) mit einer Länge von 270 mm bis 520 mm dienten die verschiedenen Gefäße untersucht.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Befestigen Sie die Sensorhalterung auf der Bioreaktor-Kopfplatte und installieren Sie die Laufräder an der Rührwelle mit der gewünschten aus unteren Abstand zu. Montieren Sie Leitbleche und zusätzliche Installationen (z.B. Probenahme und Ernte Rohre, Elektrochemische Sensoren, etc.) innerhalb des Bioreaktors bei Bedarf.</li>
	<li>Installieren Sie die gewünschte Bioreaktor im Schiff-Halter zu, ggf. (Bioreaktoren #1, #3 bis #10) oder setzen Sie die Kopfplatte auf dem Bioreaktor Behälter (Bioreaktor #2) und ziehen Sie die Kopfplatte mit Schrauben.<ol>
<li>Legen Sie für Untersuchungen der Glas-Bioreaktoren Glas Bioreaktors in den Halter</li>
		<li>Für Untersuchungen von Einweg-Bioreaktoren Zerlegen der oben montierten Schläuche Häfen und Laufrad Welle Gehäuse aus Kunststoff Kopfplatten mithilfe geeigneter Werkzeuge. Stellen Sie das Kunststoff Gefäß in den Halter.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Legen Sie einen Temperatursensor innerhalb des Bioreaktors und verbinden Sie es mit der Control Unit. Schließen Sie den Schlauch für die Druckluft an die Gas-Einlassstutzen des Luftlager und ein Druck von etwa 5,5 Bar von einem Kompressor zur Verfügung gestellt. Die Drehmoment-Wandler an den A/D-Wandler und schalten Sie den Sender anschließen.</li>
</ol>(4) Konfigurationen in der Datenerfassungs-software
<ol><li>Öffnen Sie die Software für die Datenerfassung der Drehmoment-Sensor-Signal und konfigurieren Sie die Messung-Einstellungen zu.<ol>
<li>Stellen Sie sicher, dass die ersten beiden Kanäle in den DAQ-Kanäle -Fenster initialisiert und aktiv sind. In dieser Studie wurde die drehmomentsignals auf Kanal 0 und die Drehzahlsignal war auf Kanal 1 eingestellt.<ol>
<li>Klicken Sie auf den Live update -Button, um die aktuellen Messwerte anzuzeigen.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Die Drehmoment-Kanal-Signal auf NULL gesetzt, wenn die absolute drehmomentsignals ohne Rotation größer als 0,1 mN·m mit der rechten Maustaste klicken Sie auf das Kanal in der Kanalliste und mit der Option null auszugleichen .</li>
		<li>Navigieren Sie zur Registerkarte DAQ Job und definieren Sie eine Datenrate Erwerb von 2 Hz aus der Drop-Down-Menü-Liste. Verwenden Sie die Optionen sofort an die Arbeit zu beginnen und die Dauer aus den Dropdown-Listen für das starten und stoppen der Datenerfassung, beziehungsweise eingestellt.</li>
		<li>Definieren Sie eine Zeitspanne für die Dauer der Probe , die länger als die Zeit für die Messung (z. B. Verwendung 1 h 0 m 30 s nach einem einstündigen Rezept im zweiten Schritt definiert) zu beenden.</li>
		<li>Navigieren Sie zu der Datenspeicherung -Seite "Einstellungen" und wählen Sie die Option ASCII + Kanal Info aus der Dropdown-Liste auf die Datei-format , für die Daten speichern Datei festgelegt. Legen Sie einen Dateipfad auf der PC-Festplatte für die Messung Ausgabedatei.</li>
	</ol>
</li>
</ol>5. führen Sie die Drehmomentmessung
<ol><li>Starten Sie die Datenerfassung für die Drehmoment-Signal in der Steuerung und Software zur Datenerfassung für das Drehmoment-Messgerät durch Klicken auf die Start -Schaltfläche auf der Menüseite DAQ Job .</li>
	<li>Starten Sie die Datenerfassung für das Rührwerk-Geschwindigkeit und die Temperatur in der Steuerungssoftware Einheit Bioreaktor klickst du DAQ starten auf der Registerkarte Einstellungen .</li>
	<li>Starten Sie das Rührwerk-Steuerelement in der Steuerungssoftware Einheit mit einem manuellen Sollwert oder die vordefinierten Rezept-Regelung.<ol>
<li>Wenn eine einzelne Messung durchgeführt wird, verwenden Sie den Kontrolle Feld Eintrag auf der Registerkarte Main der Bioreaktor Steuerungssoftware. Geben Sie den gewünschten Sollwert in das Textfeld ein und klicken Sie auf das Element "Rührwerk Steuerung auf".</li>
		<li>Wenn mehrere Messungen mit einem Rezept durchgeführt werden, navigieren Sie zur Registerkarte Phasen und klicken Sie auf die Schaltfläche " starten ". Hinweis: Die Software wird automatisch deaktivieren alle manuelle Eingabe-Felder für die Dauer des Rezepts und ein Fenster öffnet sich automatisch, um das Ende des Prozesses zu bestätigen.</li>
	</ol>
</li>
	<li>In der Datenerfassungs-Software ein Fenster öffnet sich automatisch nach den vorab definierten Messdauer. Sichern Sie die Daten für jede Messung auf den Bediener PC, vorzugsweise auf der Festplatte, indem Sie auf die Schaltfläche speichern Daten jetzt .</li>
	<li>Wiederholen Sie die Messung für jede gewünschte Rührwerk Drehzahl ohne und mit Flüssigkeit innerhalb des Bioreaktors.<ol>
<li>Gießen Sie Wasser (oder die Saccharoselösung) durch einen Trichter in den Bioreaktor. Hinweis: Stellen Sie sicher, dass die Flüssigkeit vollständig die Laufräder abdeckt, da (teilweise) ausgesetzt Laufräder unerwünschte Axialkräfte führen können, die den Drehmoment-Sensor beschädigen könnten.</li>
	</ol>
</li>
</ol>6. die Datenauswertung
Hinweis: Die erhaltenen Drehmomentwerte im leeren Behälter (tot Drehmoment) die verbleibende Reibungsverluste des Lagers entsprechen und müssen von den Werten in der Flüssigkeit bestimmt, um die wirksame Drehmomentwerte zu erhalten (siehe GL. 1) abgezogen werden.
<ol><li>Durchschnittlich erreicht die Drehmomentwerte für jedes Rührwerk Geschwindigkeit gemessen, nachdem ein quasi-stabiles Signal wurde (siehe Diskussion unten). Im Idealfall berechnen Sie den Mittelwert über einen Zeitraum von mindestens 2 min für jede Bedingung, 240 Datenpunkte mit einer Messung-Rate von 2 Hz entspricht.</li>
	<li>Verwenden Sie einen Matlab-Code für die Datenverarbeitung durch Ausführen des Codes aus der Software-Befehlszeile. Hinweis: Der Code wird im Abschnitt Ergänzung dieser Handschrift zum Download bereitgestellt. Dieses Skript importiert die raw-Daten-Datei aus der Datenerfassung, berechnet die durchschnittliche Drehzahl Phase, Reynolds-Zahl (von GL. 3 Basierend auf Eingaben des Benutzers) und Drehmoment-Werte für jede der Phasen, visualisiert die Ergebnisse und speichert die Ergebnisse in einem zweiten text Datei, die dann verwendet werden, um die Daten weiter zu verarbeiten.</li>
	<li>Subtrahieren Sie die Drehmomentwerte, die in den leeren Behälter von den gemessenen in der Flüssigkeit um die Drehmoment-Werte zu erhalten.</li>
	<li>Berechnen Sie die Leistungsaufnahme und die Anzahl der dimensionslose macht aus der Zeit gemittelt Drehmomentwerte nach GL. 1 und GL. 2.</li>
</ol>

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</ol>

Die Autoren haben keine Interessenkonflikte erklärt.

Trotz der Bedeutung von (bestimmten) Leistungsaufnahme für die technische Charakterisierung und scaling-Up/Down von Bioreaktoren, nur wenige Veröffentlichungen über experimentelle Untersuchungen in Benchtop Skala Bioreaktoren, insbesondere Einweg-Systeme in der einstellige Liter Volumen Palette finden Sie in der Literatur. Ein Grund für diesen Mangel an Daten entnehmen bitte den Schwierigkeiten der genaue Eingabe Leistungsmessungen in solchen kleinen Maßstäben. Um einige dieser Schwierigkeiten zu überwinden, bietet die vorliegende Studie ein detailliertes Protokoll für Drehmoment basierte Eingabe Leistungsmessungen, die durch ein Luftlager, die Reibungsverluste im Lager zu minimieren unterstützt werden. Die Anwendbarkeit der Methode zeigte sich mit drei handelsüblichen Einweg-Bioreaktoren sowie Multi-Use Bioreaktoren in Maßstäben zwischen 1 L und 10 L Arbeitsvolumen.
Basierend auf unserer Erfahrung mit den Maßen Drehmoment basiert, sind die wichtigsten Faktoren zur Adresse: Bioreaktoren und (2) die Auswahl der Skalierung (1) Verringerung der Toten Drehmoment durch die Minimierung der Reibungsverluste in den Lagern und Dichtungen, insbesondere im Labor eine geeigneten Drehmoment m für die gewünschte Bioreaktor Größe und Unruhe. Wie frühere35gezeigt hat, kann durch die Verwendung von ein Luftlager tot Drehmoment drastisch. In der vorliegenden Studie wurde eine kostengünstige Luft-Buchse gemacht der poröse Carbon-Material verwendet. Restdrehmoment in die Leere Gefäße, die getestet wurden in der Regel unter 0,5 mN·m mit Agitation Raten von bis zu 900 u/min, Laufrad Umfangsgeschwindigkeiten von bis zu 3 M·s-1entspricht. Im Gegensatz dazu die Toten Drehmoment des Bioreaktors #6 mit dem eingebauten mechanischen Wellenlagerung war zum Beispiel zwischen 9,4 mN·m und 20 mN·m und vergleichbare Werte von etwa 3 mN·m haben auch berichtet, für den Bioreaktor #7-32. Dies ist etwa eine Größenordnung höher als die Werte, die in der vorgeschlagenen Versuchsaufbau.
Neben dem Luftlager ist das Drehmoment-Messgerät verwendet die kritischste Komponente. Ein kommerziell verfügbare Drehmoment-Messgerät, das dient zur Messung der statischen und dynamischen Drehmoment, Drehzahl und Drehwinkel wurde für diese Studie ausgewählt. In Anbetracht der Bioreaktoren von Interesse mit max. Arbeitsvolumen von 10 L und der entsprechenden Rührwerke wurde ein Nenndrehmoment von 0,2 nm gewählt. Es wurde festgestellt, dass hoher Reproduzierbarkeit mit relative Standardabweichung von < 5 repliziert % und zuverlässige Messungen Sie für so niedrig wie 2 mN·m erhalten, nur 1 % des Nennmomentes entsprechend wirksamen Drehmomente. Daher wurde der Messbereich des Sensors angewendet in der vorliegenden Studie deutlich breiter ist als Ergebnisse die veröffentlicht wurden, basierend auf einer laborübergreifenden Studie von Mitgliedern des Arbeitskreises deutsche GVC-VDI auf41mischen.
Das Leistungsspektrum der Rührer Geschwindigkeit sollte dennoch sorgfältig hinsichtlich der Drehmoment-Sensor-Auflösung, das Nenndrehmoment und Wirbelbildung ausgewählt werden. Letztere oft tritt in unbaffled Bioreaktoren bei höheren Geschwindigkeiten unruhig und kann Schäden an das Drehmoment-Messgerät. Sowohl die minimale und maximale machbar Rührwerk Geschwindigkeiten können Faktoren des in dieser Studie beschriebenen Verfahrens begrenzt. Neben unserer bisherigen Arbeiten Sie35, diese Studie beteiligten auch den Bioreaktor #3, das kleinste Mitglied in Glas-Bioreaktor-Familie des Herstellers, die durch zwei-Phasen-Laufräder mit einem Durchmesser von 42 mm aufgeregt ist. Ein vergleichbarer Leistung Merkmal, dass im geometrisch ähnlichen Bioreaktor #4 wurde mit der vorgestellten Versuchsaufbau erhalten. Dies ist bemerkenswert, da das Drehmoment M skaliert <img alt="Proportional to" src="/files/ftp_upload/56078/56078pro.jpg"> d5 für einen gegebenen flüssigkeitsdichte, Laufrad-Geometrie (d.h. macht Nummer) und Drehzahl (siehe GL. 1 und GL. 2). Infolgedessen eine ca. 40 % niedrigeres Laufrad Drehmoment ergibt sich aus einen 10 % geringeren Laufrad-Durchmesser, zum Beispiel. Dennoch bedurfte es höhere Drehzahlen in der 1 L-Skala als in der 2 L-Skala während des Betriebes, das erzeugte Drehmoment mit der zur Verfügung stehende Drehmoment-Messgerät zu lösen. Aufgrund der eingebauten Schikanen des Bioreaktors #3 keine Wirbelbildung beobachtet wurde, aber dies kann ein Problem mit unbaffled Schiffe werden. Es sollte betont werden, dass die Konstante offset in den Strom Zahlen, die zwischen den zwei Skalen gefunden wurde von Messungenauigkeiten, verursacht durch die begrenzte Sensorauflösung (neben geometrischen Unterschiede) führen könnte. Weitere Untersuchungen sind erforderlich, um endgültige Schlussfolgerungen auf den kleinsten Wert, an dem die vorgeschlagene Einrichtung noch machbar ist.
Dennoch diente das gleiche Protokoll Eingabe Leistungsmessungen in verschiedenen Glasgefäße von verschiedenen Herstellern mit Arbeitsvolumen von 1 L bis 10 L in unserem Labor. Dies unterstreicht die Übertragbarkeit der verwendeten Methode zur Charakterisierung der verschiedenen bioreaktorsystem. Die experimentellen Aufwand könnte durch automatisierte Messungen mit dem Rezeptmanagement in das Automatisierungssystem von der Steuerungssoftware Einheit zur Verfügung gestellt und die automatisierte Datenverarbeitung basierend auf der universellen Matlab-Sprache reduziert werden.
Ferner sei angemerkt, dass mithilfe der Saccharose, billiges Newtonschen Modell Medien, eine breite Palette von Reynolds-Zahlen enthalten (100 < Re < 6·104), je nach Maßstab und Rührwerk, bedeckt war. Es sollte auch betont werden, dass die untere Grenze des Bereichs Turbulenzen für tierische Zellkulturen mit Wasser-wie Medien, in der Regel nicht relevant ist, auch wenn sehr niedrige Laufrad Geschwindigkeiten verwendet werden. Jedoch deutliche Zuwächse in der Brühe Viskosität, die Ergebnisse in Turbulenzen Dämpfung und sogar nicht-Newtonsches Verhalten für Pilze beschrieben worden und zellbasierte Kulturen zu Pflanzen. Zum Beispiel waren offensichtlichste Viskositäten in Pflanzenkulturen von bis zu 400-fold im Vergleich zu Wasser gemeldeten42, die führt zu wesentlich niedrigeren Reynolds-Zahlen.
Schließlich wurde unter Verwendung des Bioreaktors #7 als eine erste Fallstudie, nachgewiesen, dass die vorgeschlagenen Versuchsaufbau verwendet werden kann, um die Wirkung von Design-Modifikationen auf die Leistungsaufnahme im Labormaßstab untersuchen. Dies kann in Kombination mit rapid-Prototyping-Techniken ein leistungsfähiges Werkzeug für Laufrad Designstudien, bilden Teile der künftigen Arbeit.

Leistungsaufnahme ist engineering Schlüsselparameter für die Charakterisierung und Skalierung von Bioreaktoren, denn es bezieht sich auf viele Grundoperationen, z. B. Homogenisierung1,2,3, Gas-Flüssigkeits-Dispersion2 , 4 , 5, Heat Transfer6 und solide Aufhängung7. Leistungsaufnahme ist Scherbeanspruchung, die besonders beeinflussen Wachstum und Produktbildung in Scherung sensible Zelle Kulturen8,9,10,11können auch zugeordnet.
Am häufigsten verwendeten Techniken ziehen für die Messung der Leistungsaufnahme in gerührten Bioreaktoren basieren auf elektrischen Strom12,13,14, Kalorimetrie12,15 (d.h. stationäre Wärme- Gleichgewicht oder dynamische Heizung durch die Agitation) oder das Drehmoment auf das Rührwerk. Letzteres kann experimentell bestimmt werden Dynamometer, Drehmoment m oder Dehnungsmessstreifen, die für eine Vielzahl von Rührwerken, einschließlich ein- oder mehrstufigen Rushton Turbinen1,16,17 angewendet wurden , 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 , 25, geneigte Klinge Laufräder19,20,23,26,27, InterMig19,21 und Scaba Laufräder28 , 29. eine detaillierte Überprüfung erfolgt durch Ascanio Et Al. (2004)30.
Aus dem Drehmoment (T) kann die Leistungsaufnahme (P) aus GL. 1, abschätzen, wo N die Drehzahl des Rührwerks ist.
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/56078/56078eq1.jpg">(1)
Um Verluste in der Agitation (im Lager, Dichtungen und der Motor selbst) Rechnung zu tragen, sollte das wirksame Drehmoment (TEff) als die Differenz zwischen dem Wert, gemessen in den leeren Behälter (T-D) und in der Flüssigkeit (TL festgelegt werden ). Zu guter Letzt kann die dimensionslose macht Zahl (P0, auch bekannt als Newton Zahl), die durch GL. 2 wo ρL bezeichnet die Dichte die flüssige und d steht für das Laufrad-Durchmesser definiert ist, verschiedene Rührwerke vergleichen verwendet werden.
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/56078/56078eq2.jpg">(2)
Es ist bekannt, dass die macht eine Funktion der Reynoldszahl (d. h. die Turbulenzen ist) und wird vollständig turbulente Bedingungen konstant. GL. 3, woL η die Viskosität der Flüssigkeit ist das Laufrad Reynoldszahl bestimmt.
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/56078/56078eq3.jpg">(3)
Eingabe Leistungsmessungen in kleinem Maßstab Bioreaktoren sind jedoch durch die relativ hohe Reibungsverluste im Inneren mechanischen Lagern der Laufrad-Wellen und die begrenzte Genauigkeit von kommerziell verfügbaren Drehmoments m noch anspruchsvoll. Infolgedessen geben nur wenige Berichte über macht Messungen im Benchtop Maßstab Bioreaktoren wurden17,18,22,24,31,32veröffentlicht. Es gibt auch einen Mangel an Daten über die Leistungsaufnahme in Einweg-Bioreaktoren, die von den Herstellern vormontiert, sterilisiert und Ready-to-Use33,34geliefert werden. Im Gegensatz zu wiederverwendbaren Pendants sind die meisten Einweg-Bioreaktoren von speziell entwickelten Laufräder, erschwert Vergleiche aufgeregt.
Um diese Lücke zu schließen, wurde vor kurzem eine zuverlässige Methode zur Eingabe Leistungsmessungen mit speziellem Fokus auf Labor-Maßstab-Rührer35entwickelt. Die Drehmomentwerte gemessen in die Leere Gefäße, die durch die Reibungsverluste verursacht wurden, wurden durch den Einsatz von einem Luftlager effektiv reduziert. Folglich eine Vielzahl von Betriebsbedingungen mit niedrigen bis mäßigen Turbulenzen (100 < Re < 2·104) könnte untersucht werden, und die Leistungsaufnahme von mehreren Multi-Use und Einweg-Bioreaktoren zur Verfügung gestellt.
Die vorliegende Studie bietet eine detaillierte Messprotokolle der zuvor entwickelten Methode und beschreibt das Einrichten, durchführen und bewerten eine Drehmoment-basierte Eingabe Leistungsmessung im Labor-Maßstab-Bioreaktoren. Besonderer Fokus liegt auf kommerziell erhältliche Single - und multi - use-Systeme. Eine automatisierte Messverfahren wird verwendet, um den experimentellen Aufwand reduzieren.

<table><tbody><tr><td>T20WN Drehmomentmesser</td><td>HBM Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH</td><td></td><td>Nenndrehmoment 0,2 Nm</td></tr><tr><td>Spider-8</td><td>HBM Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH</td><td></td><td>HBM Spider8 ist nicht mehr verkäuflich. Empfohlen wird ein QuantumX Datenerfassungssystem (insbesondere die QuantumX-Module MX840A und MX440A).</td></tr><tr><td>Catman easy software</td><td>HBM Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH</td><td></td><td>Version 4.2.2</td></tr><tr><td>Luftlager</td><td>IBS Feinmechanik</td><td></td><td>13 mm Luftbuchse</td></tr><tr><td>Edelstahl Laufradwelle</td><td>Bioengineering AG</td><td></td><td>Wellentoleranz -0,0076 mm</td></tr><tr><td>Bürstenloser Motor AKM2</td><td>Kollmorgen</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Metallbalgkupplung</td><td>Uiker AG</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Finesse RDPDmini-Steuergerät</td><td>Finesse, ein Teil von Thermo Fisher Scientific</td><td></td><td>Nicht mehr unterstützt (es kann das Ersatzprodukt G3Lab Universalregler verwendet werden)</td></tr><tr><td>Saccharose</td><td>Migros Schweiz AG</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Matlab-Software in</td> Lebensmittelqualität <td>Mathworks</td><td></td><td>Version R2017a</td></tr><tr><td>Finesse &mu; TruBio PC-Software</td><td>Finesse, ein Teil von Thermo Fisher Scientific</td><td></td><td>Version 3.1 (wird nicht mehr unterstützt)</td></tr><tr><td>SmartGlass 1L</td><td>Finesse, ein Teil von Thermo Fisher Scientific</td><td></td>, <td>der in Tabelle 2 als Bioreaktor 1L bezeichnet</td></tr><tr><td>wird SmartGlass 3L</td><td>Finesse, ein Teil von Thermo Fisher Scientific</td><td></td>, der <td>in Tabelle 2 als Bioreaktor 3L bezeichnet</td></tr><tr><td>wird SmartVessel 3L</td><td>Finesse, ein Teil von Thermo Fisher Scientific</td><td></td>in <td>Tabelle 2 als Einweg-3L-Bioreaktor bezeichnet</td></tr><tr><td>Mobius CellReady 3L</td><td>Merck Millipore</td><td></td><td>in Tabelle 2 als Cell Ready Single-Use 3L Bioreactor bezeichnet</td></tr><tr><td>UniVessel SU 2L</td><td>Sartorius Stedim Biotech</td><td></td><td>in Tabelle 2 als Single-Use 2L Bioreactor bezeichnet</td></tr></tbody></table>

eingabe leistungsmessungen in gerührten bioreaktoren im labormaßstab

Power Input Measurements in Stirred Bioreactors at Laboratory Scale

Die Leistungsaufnahme in gerührten Bioreaktoren ist ein wichtiger Parameter der Skalierung und durch das Drehmoment, das während der Drehung auf das Laufrad Welle wirkt gemessen werden kann. Allerdings ist die experimentelle Bestimmung der Leistungsaufnahme in kleinen Gefäßen aufgrund relativ hohe Reibungsverluste im Inneren in der Regel verwendeten Buchsen, Lager und/oder Wellendichtungen und die Genauigkeit von kommerziell verfügbaren Drehmoments m immer noch eine Herausforderung. So gibt es nur begrenzte Daten für kleinräumige Bioreaktoren, insbesondere Single-Use-Systeme in der Literatur, erschwert Vergleiche zwischen verschiedenen Single-Use-Systeme und ihre konventionellen Pendants.
Diese Handschrift enthält ein Protokoll zum Netzeingänge in Bioreaktoren Benchtop Skala über einen weiten Bereich von turbulenzbedingungen zu messen, die durch die dimensionslose Reynolds-Zahl (Re) beschrieben werden kann. Die oben genannten Reibungsverluste werden durch den Einsatz von einem Luftlager wirkungsvoll reduziert. Das Verfahren zum Einrichten, Durchführung und Auswertung einer Drehmoment-basierte macht Eingang Messung, mit besonderem Fokus auf Zelle typische Unruhe Kulturbedingungen mit niedrigen bis mäßigen Turbulenzen (100 < Re < 2·104), wird im Detail beschrieben. Die Leistungsaufnahme von mehreren Multi-Use und Einweg-Bioreaktoren erfolgt durch die dimensionslose macht Anzahl (auch genannt Newton Nummer, P0), bestimmt im Bereich von P0 ≈ 0,3 und P0 ≈ 4,5 für die maximale Reynolds-Zahlen werden in den verschiedenen Bioreaktoren.

Die Leistungsaufnahme in gerührten Bioreaktoren kann durch das Drehmoment gemessen werden, die während der Drehung auf das Laufrad Welle fungiert. Dieses Manuskript wird beschrieben, wie ein Luftlager verwendet werden kann, um effektiv reduzieren Reibungsverluste in Gleitringdichtungen beobachtet und verbessert die Genauigkeit der Eingabe Leistungsmessungen in kleinen Gefäßen.

Eingabe Leistungsmessungen in gerührten Bioreaktoren im Labormaßstab

The power input in stirred bioreactors is an important scaling-up parameter and can be measured through the torque that acts on the impeller shaft during ...

Das übergeordnete Ziel dieses Protokolls besteht darin, die Leistungszufuhr in gerührten Labor-Bioreaktoren auf Basis von Drehmomentmessungen zu bestimmen. Der Hauptvorteil dieser Methode liegt darin, dass handelsübliche Sensoren für Untersuchungen im Benchtop-Maßstab verwendet werden können, wodurch der Anwender Messungen zur Durchführung von Hochskalierungsstudien durchführen kann. Die visuelle Demonstration dieser Methode ist entscheidend, da die korrekte Installation des Drehmomentwandlers für zuverlässige Messungen wichtig ist.Richten Sie die Bioreaktorelemente und die Steuereinrichtung auf einem Labortisch ein. Für dieses Experiment steht ein zwei Liter fassender Rührbehälter mit Behälterhalterung zur Verfügung. Außerdem gibt es eine speziell konstruierte Halterung für den Rührmotor.Zusätzlich zu einer Halterung für den Motor gibt es eine Halterung für ein Drehmomentmessgerät. Die spezielle Konstruktion umfasst ein Luftlager mit einem Anschluss für Druckluft. Verwenden Sie einen Computer und eine Bioreaktor-Steuerungseinheit zur Datenerfassung und -steuerung.Stellen Sie außerdem eine Flüssigkeit mit definierter Dichte und Viskosität bereit, beispielsweise destilliertes Wasser oder eine Saccharose-Lösung. Der erste Schritt besteht darin, den Rührmotor und den Drehmomentaufnehmer zu montieren. Platzieren Sie zunächst den bürstenlosen Servo-Rührmotor auf der Oberseite des Halterungsstocks.Befestigen Sie den Motor mit Schrauben an seiner Position, richten Sie dann den Drehmomentaufnehmer korrekt aus und bringen Sie ihn in Position. Befestigen Sie ihn mit vier Schrauben am Halter. Befestigen Sie die Metallbalgkupplung, um die Motorwelle mit der Antriebswelle des Drehmomentaufnehmers zu verbinden.Wenn dies erledigt ist, nehmen Sie die Rührwelle. Bringen Sie die Rührer auf der Rührwelle an, bevor Sie fortfahren. Setzen Sie anschließend die Rührwelle in das Luftlager ein.Befestigen Sie die zweite Metallbalgkupplung, um die Rührwelle mit der Messwelle des Drehmomentaufnehmers zu verbinden. Setzen Sie den Halter mit dem installierten Drehmomentaufnehmer und dem Motorantrieb auf die Bioreaktorkopfplatte. Nach der Auswahl des geeigneten Sensors und der Testbedingungen ist der wichtigste Schritt die korrekte Montage des Drehmomentaufnehmers und der Impellerwelle, die von einem Luftlager gehalten wird.Platzieren Sie nun einen Temperatursensor im Bioreaktor. Verbinden Sie den Sensor mit dem A/D-Wandler. Schließen Sie danach den Motorantrieb an die Steuereinheit an.Bereiten Sie das Luftlager vor, indem Sie Schläuche für Druckluft anschließen. Stellen Sie den geeigneten Luftdruck am Lager ein. Der fertige Aufbau ist in diesem Schema dargestellt.Die Computersoftware verwendet die Steuereinheit, um die Motordrehzahl einzustellen und die Temperatur zu überwachen. Der Computer sammelt Daten vom Drehmomentaufnehmer über einen Analog-Digital-Konverter. Öffnen Sie die Steuerungssoftware auf dem Computer.Die Startseite ist die Registerkarte „Einstellungen“. Gehen Sie zum Dropdown-Menü „COM-Port“ und wählen Sie den richtigen Port aus. Klicken Sie auf die Schaltfläche „Verbinden“, um die Kommunikation mit der Steuereinheit zu starten.Auf derselben Registerkarte gehen Sie zum Ordnersymbol neben dem Textfeld „Data File Location“. Klicken Sie darauf, und ein letztes Dialogfeld öffnet sich automatisch. Durchsuchen Sie den gewünschten Ordner und geben Sie einen Dateinamen für die Datenaufzeichnungsdatei ein.Bestätigen Sie, indem Sie auf die Schaltfläche „Okay“ klicken. Der Dateipfad und der Name werden im Textfeld „Datendatei-Speicherort“ angezeigt. Wechseln Sie nun zur Registerkarte „Rezepte“ und bringen Sie diese Seite in den Vordergrund.Suchen Sie die Felder mit der Bezeichnung PhaseDuration und Agitator. Geben Sie die gewünschten Werte für die Dauer der Rezepturphase in Minuten und die entsprechenden Rührergeschwindigkeiten in die Textfelder ein. Um die Rezeptur zu speichern, klicken Sie auf Speichern.Wählen Sie im Dateidialog den gewünschten Dateipfad aus. Geben Sie den gewünschten Dateinamen ein. Klicken Sie auf „Okay“, der Dateidialog schließt sich automatisch.Öffnen Sie die Software zur Datenerfassung, um sie zu konfigurieren. Ein grüner Indikator neben einem Kanal zeigt an, dass dieser initialisiert und aktiv ist. Klicken Sie auf die Schaltfläche Live-Update.Ein Kanal zeigt das Drehmomentsignal an, das entsprechend nullgestellt werden sollte. Wählen Sie die Registerkarte für die Datenerfassungsaufgabe aus, um zur Seite Datenerfassung zu wechseln. Wählen Sie dort unter Abtastratengruppen eine Datenerfassungsrate von zwei Hertz.Wählen Sie unter „Start der Datenaufzeichnung“ die Option „Sofort beim Job-Start“ aus. Gehen Sie anschließend zu „Stopp der Datenaufzeichnung“ und wählen Sie „Dauer“. Legen Sie eine Zeit fest, die etwas länger ist als die Messung.Navigieren Sie nun zur Registerkarte Datenspeicherung. Gehen Sie zum Dropdown-Menü Dateiformat und wählen Sie die Option ASCII-Kanalinfo. Legen Sie einen Dateipfad für die Messdaten im entsprechenden Textfeld fest.Um das Experiment durchzuführen, kehren Sie zum Bioreaktor zurück. Geben Sie mithilfe eines Trichters Wasser oder die Saccharose-Lösung in das Gefäß. Das Experiment ist startbereit.Gehen Sie in der Datenerfassungssoftware zur Seite „Datenerfassungsauftrag“. Klicken Sie dort auf „Start“ und wechseln Sie anschließend zur Steuerungssoftware, um den Rührer zu starten. Um ein Rezept zu verwenden, wechseln Sie zum Reiter „Rezept“.Wählen Sie dort ein vordefiniertes Rezept für das Experiment aus. Klicken Sie auf derselben Seite auf die Schaltfläche Start. Der Prozess startet automatisch, und die Rührergeschwindigkeit wird gemäß den im Rezept festgelegten Einstellungen eingestellt.Wenn das Experiment abgeschlossen ist, öffnet sich ein Fenster in der Datenerfassungssoftware. Speichern Sie die Daten, indem Sie auf die Schaltfläche „Daten jetzt speichern“ klicken. In der Steuerungssoftware erscheint ein Meldungsfenster, das anzeigt, dass der Vorgang abgeschlossen wurde.Klicken Sie auf „Okay“, wechseln Sie zur Registerkarte „Recipe“ und klicken Sie auf die Schaltfläche „Stop“, um das Rezept abzuschließen. Für die Verarbeitung der Rohdaten kann ein Matlab-Skript verwendet werden, das im Zusatzmaterial dieses Manuskripts zur Verfügung gestellt wird. Nachdem die Matlab-Software geöffnet wurde, navigieren Sie zum Arbeitsverzeichnis, in dem die experimentellen Daten gespeichert wurden.Geben Sie den Befehl Torque Results in das Befehlsfenster ein und drücken Sie die Eingabetaste. Dadurch wird das Matlab-Skript gestartet, das den Benutzer durch die Datenverarbeitung führt. Wählen Sie die Datenaufzeichnungsdatei für die Drehmomentsensordaten aus und klicken Sie auf Öffnen.Geben Sie die Prozessparameter bei Aufforderung in die entsprechenden Textfelder ein. Die Ergebnisse werden grafisch dargestellt und die verarbeiteten Daten automatisch in einer neuen Textdatei innerhalb des Arbeitsverzeichnisses gespeichert. Diese Daten zeigen, wie das Drehmoment-Signal mit jedem Schritt der Drehzahlzunahme anstieg.Nach einem vorübergehenden Maximum vergeht etwa eine Minute, bis die Messwerte quasi-stabil sind. Dies hing von der Drehzahl und dem Rührer ab. Die gestrichelten Linien zeigen ein 5 %-Konfidenzintervall um die zeitlich gemittelten Werte an.Diese Grafik vergleicht die vorhergesagte und gemessene Leistungszufuhr in Abhängigkeit von der Reynolds-Zahl für verschiedene Saccharosekonzentrationen. Die durchgezogenen Linien stellen ein Modell dar, das annimmt, dass die Leistung proportional zur dritten Potenz der Reynolds-Zahl ist. Die Kreise stellen die Daten dar.Der Bioreaktor war ein Glasgefäß mit einem Arbeitsvolumen von zwei Litern und einer einzelnen Rushton-Turbine-Rührerausstattung. Die Dreiecke in diesem Diagramm zeigen Daten von einem Glasbioreaktor mit einem Arbeitsvolumen von zwei Litern. Die Kreise zeigen Daten von einem Edelstahlbioreaktor mit einem Arbeitsvolumen von 10 Litern.Beide verfügen über eine einzelne Rushton-Turbine. Die Leistungszahlen unter vollständig turbulenten Bedingungen sind bei beiden Maßstäben gleich. Ein Vergleich von Daten aus Bioreaktoren mit einem und zwei Litern Arbeitsvolumen, ausgestattet mit modifizierten Rushton-Turbinen und Segmentblatt-Rührern, zeigt, dass beide eine ähnliche Abnahme der Leistungszahlen mit steigenden Reynolds-Zahlen aufweisen.Die Abweichung zwischen beiden könnte auf die Geometrie von Behälter oder Rührwerk zurückzuführen sein. Nach dem Anschauen dieses Videos sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Drehmomentmessungen eingerichtet werden, um die Leistungszufuhr in maßstabsverkleinerten Bioreaktoren zu bestimmen. Mit dieser Vorgehensweise können Messungen sowohl in Einweg- als auch in herkömmlichen Systemen durchgeführt werden.Mithilfe automatisierter Messungen kann der experimentelle Aufwand erheblich reduziert werden, und zahlreiche Datenpunkte können schnell, zuverlässig und reproduzierbar gewonnen werden.

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Research

Forschung

JoVE Journal

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