Name: Medidas de entrada de potencia en biorreactores agitados a escala de laboratorio (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-05-16T12:30:00.000+00:00
Duration: 10 min 49 s
Description: Aprende a medir la entrada de potencia en biorreactores agitados de laboratorio mediante mediciones de torque con rodamiento de aire. Este método mejora la precisión y permite escalar estudios de biotecnología.

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Los autores desean agradecer a Dieter Häussler y Gautschi Beat por su ayuda durante el juego experimental para arriba. Agradecemos también a Caroline Hyde inglés prueba de lectura.

1. preparación de soluciones de sacarosa
Nota: Las soluciones de sacarosa se utilizan como medios baratos modelo newtoniano con elevada viscosidad y densidad para condiciones de turbulencia reducida (véase tabla 1).
<ol><li>Llene una botella de vidrio Duran con agua y sacarosa de diferentes concentraciones (20-60 %w/w).</li>
	<li>Mezclar el contenido con un agitador magnético hasta que la sacarosa se disuelva completamente.<ol>
<li>Para las concentraciones de sacarosa superior a 40 %w/w, agregar la sacarosa intermitentemente y calentar la botella de vidrio ligeramente (~ 50 ° C). Que la sacarosa solución se enfríe a temperatura ambiente antes de usar.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. preparación de una receta de la medición y el registro de datos

<ol><li>Después de iniciar el software, inicie la comunicación con la unidad de control seleccionando el puerto COM serial correcto en el menú desplegable y haga clic en el botón conectar . Nota: El botón de conexión cambia el color a verde y se enciende el LED debajo del menú desplegable, una vez iniciada la comunicación con la unidad de control.</li>
	<li>Configurar la ruta del archivo de datos dentro del software de unidad de control de biorreactores con el fin de almacenar los datos en el operador de PC.<ol>
<li>Abra la ficha ajustes y pulsa el símbolo de carpeta junto al campo de texto de Ubicación de archivo de datos .</li>
		<li>En la ventana de diálogo de archivo, busque la carpeta que deseo, escriba un nombre de archivo en el campo de texto nombre de archivo y haga clic en el botón OK . Nota: El nombre y ruta de archivo de registro de datos se muestran en el cuadro de texto y el botón Inicio de DAQ es activado, una vez que se define una ruta de archivo válido.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Establezca una rutina en el administrador de la receta del biorreactor de la unidad de software de mando con el fin de automatizar el procedimiento de medida.<ol>
<li>Abra la ficha de receta y escriba los valores de entrada deseados para la duración de la fase receta (min) y la correspondiente velocidad del impulsor (rpm) en las cajas de campo de texto. El perfil se muestra automáticamente en la tabla. Nota: por ejemplo, la velocidad del agitador se incrementa paso a paso de 20 rpm 100 RPM a 300 rpm, y cada valor se mantiene por 4 minutos con el fin de garantizar un esfuerzo de torsión estable de la señal (ver discusión más abajo). Las velocidades máximas y mínimas así como la cantidad de aumento puede ajustarse para vasos y agitadores diferentes. Nota: Seleccione el rango de velocidad cuidadosamente con respecto a la resolución del sensor de par, el par nominal y formación de vórtice. Este último con frecuencia ocurre en unbaffled Biorreactores agitados a altas velocidades y puede causar daños al medidor de esfuerzo de torsión.</li>
		<li>Haga clic en el botón Guardar , busque la ruta del archivo deseado y escriba un nombre de archivo en el campo de texto. Presione el botón OK para guardar el archivo.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. instalación del sensor de par
Nota: La configuración experimental se muestra esquemáticamente en la figura 1.
<ol><li>Instalar el transductor de par de torsión en un soporte especialmente diseñado que incorpora el aire (ver figura 1) utilizando los tornillos para fijar el sensor en su lugar. El cojinete de aire utilizado en este estudio tiene un carbón poroso material con un diámetro interno de 13 mm del buje.<ol>
<li>Monte el motor de servo sin cepillo agitador en la parte superior del soporte. Fijar el transductor de par motor en el soporte vertical con cuatro tornillos de montaje.</li>
		<li>Conectar el eje del motor con el eje de la par transductor usando un metal fuelle de acoplamiento que puede compensar pequeños desalineamientos axiales de los ejes y apriete el acoplamiento con tornillos. Conectar el eje del agitador en el eje de medición del transductor de par con acoplamiento de fuelle metálico otro. Nota: En este estudio, específicamente los ejes de rodete con un diámetro de 13 mm (tolerancia:-0,0076 mm) y con longitudes de entre 270 y 520 mm fueron utilizados para los diferentes vasos investigados.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Monte el soporte del sensor en la placa principal del biorreactor e instale los impulsores en el eje del agitador con el espacio de fondo deseado. Montaje bafles e instalaciones adicionales (p. ej. tubos de muestreo y de cosecha, sensores electroquímicos, etc.) en el biorreactor si es necesario.</li>
	<li>Instale el biorreactor deseado en el soporte de vaso si es necesario (Biorreactores #1, #3 al #10) o coloque la placa en el tanque reactor biológico (biorreactor #2) y apriete la placa principal con tornillos.<ol>
<li>Para las investigaciones de biorreactores de vidrio, coloque el recipiente de vidrio de biorreactor en el soporte.</li>
		<li>Para las investigaciones de un solo uso de biorreactores, desmontar la tubería montada superior puertos y carcasa del eje de impulsor de las placas plásticas de la cabeza mediante el uso de herramientas de corte adecuadas. Coloque el recipiente de plástico en el soporte.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Coloque un sensor de temperatura dentro del biorreactor y conéctelo a la unidad de control. Conectar la tubería para el aire a presión a la entrada de gas del cojinete de aire y aplique una presión de alrededor 5.5 bar suministrado por un compresor. Conectar el transductor de par al convertidor A/D y la energía en el transmisor.</li>
</ol>4. configuraciones en el software de adquisición de datos
<ol><li>Abra el software para la adquisición de datos de señal del sensor de par y configurar las preferencias de medición.<ol>
<li>Asegúrese de que los dos primeros canales en la ventana de canales DAQ son inicializados y activo. En este estudio, la señal del esfuerzo de torsión fue fijada en el canal 0 y la señal de velocidad se estableció en el canal 1.<ol>
<li>Haga clic en el botón Live update para mostrar los valores de medición actuales.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Ponga la señal del canal par a cero si la señal de torsión absoluto sin rotación es mayor que 0.1 mN·m utilizando el botón derecho del ratón haga clic en el elemento de la canal en la lista de canales y seleccionar la opción de balance cero .</li>
		<li>Desplácese hasta la ficha de trabajo DAQ y definir una velocidad de adquisición de datos de 2 Hz en la lista del menú desplegable. Utilice las opciones iniciar inmediatamente en el trabajo y la duración de las listas desplegables para configurar el arranque y parada de la adquisición de datos, respectivamente.</li>
		<li>Definir un lapso de tiempo para la duración de la muestra que es más largo que el tiempo requerido para terminar la medición (por ejemplo, uso 1 h 0 m 30 s para una receta de una hora en el segundo paso).</li>
		<li>Navegar a la página de configuración de almacenamiento de datos y seleccione la opción ASCII + canal de información de la lista desplegable para ajustar el formato de archivo de datos de guardar el archivo. Definir una ruta de archivo en el disco duro del PC para la medición, el archivo de salida.</li>
	</ol>
</li>
</ol>5. realizar la medición de par
<ol><li>Iniciar la adquisición de datos para la señal del esfuerzo de torsión en el software de adquisición de datos y control para el medidor de par haciendo clic en el botón Inicio en la página de menú de trabajo DAQ .</li>
	<li>Iniciar la adquisición de datos para la velocidad del agitador y la temperatura en el software de la unidad del biorreactor control haciendo clic en el botón de Inicio de DAQ en la página de la pestaña de configuración .</li>
	<li>Iniciar el control de agitador en el software de la unidad de control con un punto de ajuste manual o el esquema de la receta previamente definidos.<ol>
<li>Si se realiza una sola medición, utilice la entrada de la caja de control en la página principal del software de control de biorreactor. Escriba el punto deseado en el cuadro de texto y haga clic en el elemento de «Control de mezclador en».</li>
		<li>Si se realizan varias mediciones con una receta, vaya a la ficha fases y haga clic en el botón Inicio . Nota: El software automáticamente desactiva todas las casillas de entrada manual para la duración de la receta y abre automáticamente una ventana para confirmar el final del proceso.</li>
	</ol>
</li>
	<li>En el software de adquisición de datos, una ventana se abre automáticamente después de la duración de medición previamente definidos. Guardar los datos para cada medición el operador PC, preferiblemente en el disco duro, haciendo clic en el botón guardar datos ahora .</li>
	<li>Repita la medición para cada velocidad agitador deseado sin y con líquido dentro de la nave del biorreactor.<ol>
<li>Vierta la solución de sacarosa (o agua) a través de un embudo en el biorreactor. Nota: Asegúrese de que el liquido cubra completamente los impulsores ya que los impulsores (parcialmente) expuestos pueden resultar en fuerzas axiales no deseadas que podrían dañar el sensor de par.</li>
	</ol>
</li>
</ol>6. evaluación de datos
Nota: Los valores de par obtenida en el recipiente vacío (muerto par) corresponden a las pérdidas por fricción residual del cojinete y deben restarse de los valores determinados en el líquido con el fin de obtener los valores de par efectivo (ver ecuación 1).
<ol><li>Promedio los valores de esfuerzo de torsión para cada velocidad agitador medido después de una señal cuasi-estable ha sido alcanzado (ver discusión más abajo). Lo ideal sería calcular el valor medio durante un período de al menos 2 minutos para cada condición, correspondientes a los puntos de 240 datos a una velocidad de medición de 2 Hz.</li>
	<li>Use un código de Matlab para el procesamiento de datos ejecutando el código desde la línea de comandos de software. Nota: El código se proporciona para su descarga en la sección de suplemento de este manuscrito. Este script importa el archivo de datos de la grabación de datos, calcula la velocidad de rotación promedio de fase, número de Reynolds (de EQ 3 basado en entradas del usuario) y valores de torsión para cada una de las fases, visualiza los resultados y almacena los resultados en un segundo texto archivo, que luego puede utilizarse para procesar aún más los datos.</li>
	<li>Restar los valores de torque obtenidos en la vasija vacía de los medidos en el líquido para obtener los valores de par efectivo.</li>
	<li>Calcule la potencia de entrada y el número adimensional de la potencia de los valores de par de un promedio de tiempo según la ecuación 1 y ecuación 2.</li>
</ol>

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</ol>

Los autores han declarado no hay conflictos de intereses.

A pesar de la importancia de la alimentación (específica) para la caracterización de la ingeniería y scaling-up/down de biorreactores, sólo algunas publicaciones sobre investigaciones experimentales en biorreactores escala de banco, sobre todo de un solo uso sistemas en el rango de volumen de litros de un dígito, puede encontrarse en la literatura. Una de las razones para esta falta de datos puede verse en la dificultad de las mediciones de entrada exactos de la energía en tan pequeña escala. Con el fin de superar algunas de estas dificultades, el presente estudio proporciona un protocolo detallado para medidas entrada de par base de potencia que están soportadas por un cojinete de aire para reducir al mínimo las pérdidas por fricción en el cojinete. La aplicabilidad del método fue demostrada utilizando tres biorreactores de uso individual disponibles comercialmente como biorreactores de uso múltiple en escalas entre 1 L y el volumen de trabajo de 10 L.
Basándonos en nuestra experiencia con las mediciones de par base, son los factores más importantes a la dirección: 1) reducir el par de muertos reduciendo al mínimo las pérdidas por fricción en los cojinetes y de sellos, en particular en laboratorio escala biorreactores y 2) la selección de un medidor de par adecuado para las condiciones de agitación y tamaño deseado del biorreactor. Como ha sido demostrado anterior35, el par de muertos puede reducirse dramáticamente por el uso de un cojinete de aire. En el presente estudio, se utilizó un buje de aire de bajo costo de material de carbón poroso. El esfuerzo de torsión residual en los vasos vacíos probado fueron típicamente por debajo de 0,5 mN·m con índices de agitación de hasta 900 rpm, correspondientes a las velocidades de punta de impulsor de 3 m·s-1. En cambio, el par de muertos del biorreactor #6 con el rodamiento de eje mecánico incorporado fue, por ejemplo, entre mN·m 9,4 y 20 mN·m, y valores comparables de alrededor de 3 mN·m se han reportado también para el biorreactor #732. Se trata de un orden de magnitud superior a los valores obtenidos en la configuración experimental propuesta.
Además el cojinete de aire, el medidor de esfuerzo de torsión utilizado es el componente más crítico. Un medidor de par motor disponible en el mercado que está diseñado para medir esfuerzo de torsión estático y dinámico, velocidad de rotación y ángulo de la rotación fue seleccionado para este estudio. Teniendo en cuenta los Biorreactores de interés con volúmenes de trabajo máximos de 10 L y los agitadores correspondientes, fue elegido un par nominal de 0.2 N·m. Se encontró que alta reproducibilidad con la desviación estándar relativa de replica < 5% y se pueden obtener mediciones fiables para pares eficaces como mN·m 2, correspondiente a sólo el 1% del esfuerzo de torsión nominal. Por lo tanto, el rango de medición del sensor aplicado en el presente estudio fue significativamente mayor que los resultados que se han publicado basados en un estudio interlaboratorio de los miembros del grupo de trabajo alemán GVC-VDI en mezcla41.
Sin embargo, la gama de la velocidad del agitador debe seleccionarse cuidadosamente con respecto a la resolución del sensor de par, el par nominal y formación de vórtice. Este último con frecuencia ocurre en unbaffled Biorreactores agitados a altas velocidades y puede causar daños al medidor de esfuerzo de torsión. Tanto las velocidades de mínimo y máximo agitador factibles pueden ser limitantes del método descrito en este estudio. Además de nuestro anterior trabajo35, este estudio también participan el biorreactor #3, el miembro más pequeño en la familia de biorreactor de vidrio suministrado por el fabricante, que es agitado por dos etapas hélices con un diámetro de 42 mm. Una característica de potencia comparable a en el biorreactor geométricamente similar #4 se obtuvo con la configuración experimental presentada. Esto es notable puesto que el par de escalas con M <img alt="Proportional to" src="/files/ftp_upload/56078/56078pro.jpg"> d5 densidad líquida dada, geometría del impulsor (es decir número de energía) y velocidad de rotación (ver ecuación 1 y ecuación 2). En consecuencia, un aproximadamente 40% menor par de impulsor resulta de un diámetro de impulsor más pequeño de 10%, por ejemplo. Sin embargo, velocidades de rotación más alto en la escala de 1 L que en la escala de 2 L se requiere durante la operación para resolver el par producido con el medidor de par disponible. Por los deflectores incorporados del biorreactor #3, no se observó ninguna formación de vortex, pero esto puede convertirse en un problema con los vasos unbaffled. Hay que destacar que la constante en las cifras de potencia que se encontraron entre las dos escalas puede causar errores de medición causados por la resolución del sensor limitado (además de las diferencias geométricas). Otras investigaciones están obligadas a sacar conclusiones finales sobre la escala mínima a la que la configuración propuesta es todavía factible.
Sin embargo, el mismo protocolo fue utilizado para la medición de entrada de potencia en varios vasos de vidrio de distintos fabricantes con volúmenes de trabajo de entre 1 L y 10 L en nuestro laboratorio. Esto pone de relieve la transferabilidad del método utilizado para la caracterización de los sistemas del biorreactor diferentes. El esfuerzo experimental podría reducirse de mediciones automatizadas mediante la gestión de la receta dentro de la automatización proporcionada por el software de la unidad de control y el tratamiento automatizado de datos basado en el universal lenguaje de Matlab.
Además, debe señalarse que, mediante el uso de la sacarosa que contiene, medios económicos modelo newtoniano, un número de gran rango de Reynolds (100 < Re < 6·104), dependiendo de la escala y agitador, fue cubierto. Hay que destacar también que el límite inferior de la gama de turbulencia es generalmente irrelevante para cultivos de células animales con agua-como los medios de comunicación, incluso si se utilizan velocidades de rotor muy bajo. Sin embargo, aumentos significativos en la viscosidad del caldo, que se traduce en el comportamiento de amortiguación e incluso no-newtonianos de turbulencia se han descrito para hongos - y culturas basadas en células de la planta. Por ejemplo, viscosidad aparente en las culturas de la planta de hasta 400-fold en comparación con el agua ha sido reportado42, que conduce a mucho más bajos números de Reynolds.
Por último, utilizando el biorreactor #7 como un primer estudio de caso, se ha demostrado que puede utilizarse la configuración experimental propuesta para estudiar el efecto de modificaciones de diseño en la entrada de energía a escala de laboratorio. En combinación con técnicas de prototipado rápido, esto puede ser una poderosa herramienta para estudios de diseño de impulsor, que se forman parte de la labor futura.

Potencia de entrada es un parámetro clave de la ingeniería para la caracterización y escalamiento de biorreactores porque se relaciona con muchas operaciones de la unidad, tales como homogeneización1,2,3, dispersión gas-líquido2 , 4 , 5, de transferencia de calor6 y suspensión sólidos7. Entrada de energía se asocia también con la tensión de esquileo, que particularmente afectan crecimiento y formación de producto en corte célula sensible culturas8,9,10,11.
Las técnicas más comunes para la medición de la corriente en biorreactores agitados se basan en energía eléctrica drenaje12,13,14, calorimetría12,15 (es decir estacionaria calor equilibrio o calefacción dinámica a través de la agitación) o el par de apriete sobre el agitador. Este último puede ser determinado experimentalmente por dinamómetros, torquímetros o galgas, que se han aplicado para una variedad de mezcladores, incluyendo una o varias etapas Rushton turbinas1,16,17 , 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 , 25, dos aguas hoja impulsores19,20,23,26,27, InterMig19,21 y Scaba impulsores28 , 29. se proporciona una revisión detallada por Ascanio et al., (2004)30.
Desde el par (T), la entrada de potencia (P) puede estimarse de la ecuación 1, donde N es el número de revoluciones del agitador.
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/56078/56078eq1.jpg">(1)
Para explicar las pérdidas que ocurren en la agitación (en cojinetes, sellos y el motor sí mismo), el par efectivo (Teff) debe determinarse como la diferencia entre el valor medido en el recipiente vacío (TD) y en el líquido (TL ). Por último, el número adimensional de la potencia (P0, también conocido como número de Newton), que se define por la ecuación 2 donde ρL denota la densidad del líquido y d representa el diámetro del impulsor, se puede utilizar para comparar diferentes agitadores.
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/56078/56078eq2.jpg">(2)
Es bien sabido que el número de potencia es una función del número de Reynolds (es decir, la turbulencia) y se vuelve constante bajo condiciones totalmente turbulentas. El número de Reynolds del impulsor está definido por la ecuación 3, donde ηL es la viscosidad del líquido.
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/56078/56078eq3.jpg">(3)
Sin embargo, medidas de entrada de potencia en biorreactores de pequeña escala son todavía un reto debido a las pérdidas por fricción relativamente alta dentro de cojinetes mecánicos del eje impulsor y la exactitud limitada de torquímetros más comercialmente disponibles. En consecuencia, solamente algunos informes sobre la energía de entrada medidas en escala de banco Biorreactores han sido publicaron17,18,22,24,31,32. También hay una falta de datos sobre la entrada de energía en un solo uso de biorreactores, que son entregados por los fabricantes montados, esterilizado y listo para su uso33,34. En contraste con sus contrapartes reutilizables, más de un solo uso Biorreactores se agitan por hélices especialmente diseñadas, dificultando las comparaciones.
Para cerrar esta brecha, un método fiable para medir entrada energía con especial énfasis en agitadores de la escala de laboratorio se ha desarrollado recientemente35. Los valores de par medidos en los vasos vacíos, que fueron causados por las pérdidas por fricción, efectivamente fueron reducidos por el uso de un cojinete de aire. En consecuencia, una amplia gama de condiciones de operación con baja a moderada turbulencia (100 < Re < 2·104) podría ser investigado y se ha previsto la entrada de varios biorreactores de uso múltiple y de un solo uso.
El presente estudio proporciona un protocolo de medición detallada del método previamente desarrollado y describe cómo establecer, realizar y evaluar una medida de entrada de energía par en biorreactores de escala de laboratorio. Especial atención es en sistemas comercialmente disponibles a solo y multi uso. Un procedimiento de medición automatizada se utiliza para reducir el esfuerzo experimental.

<table><tbody><tr><td>T20WN medidor de par</td><td>HBM Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH</td><td></td><td>Par nominal 0,2 Nm</td></tr><tr><td>Spider-8</td><td>HBM Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH</td><td></td><td>HBM Spider8 ya no está disponible para la venta. Se recomienda el sistema DAQ QuantumX (especialmente los módulos QuantumX MX840A y MX440A).</td></tr><tr><td>Catman easy software</td><td>HBM Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH</td><td></td><td>Versión 4.2.2</td></tr><tr><td>Cojinete</td><td>de aire IBS ingeniería</td><td></td><td>de precisión Casquillo neumático de 13 mm</td></tr><tr><td>Eje del impulsor de acero inoxidable</td><td>Bioengineering AG</td><td></td><td>Tolerancia del eje -0,0076 mm</td></tr><tr><td>Motor sin escobillas AKM2</td><td>Kollmorgen</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Acoplamiento de fuelle metálico</td><td>Uiker AG</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Unidad de control Finesse RDPDmini</td><td>Finesse, una parte de Thermo Fisher Scientific</td><td></td><td>Ya no es compatible (se puede utilizar el producto de reemplazo G3Lab controlador universal)</td></tr><tr><td>Sacarosa</td><td>Migros Schweiz AG</td><td></td> Software Matlab <td>de grado alimenticio</td></tr><tr><td></td><td>Mathworks</td><td></td><td>Versión R2017a</td></tr><tr><td>Finesse &mu; Software TruBio para PC</td><td>Finesse, una parte de Thermo Fisher Scientific</td><td></td><td>versión 3.1 (ya no compatible)</td></tr><tr><td>SmartGlass 1L</td><td>Finesse, una parte de Thermo Fisher Scientific</td><td></td><td>denominada Biorreactor 1L en la Tabla 2</td></tr><tr><td>SmartGlass 3L</td><td>Finesse, una parte de Thermo Fisher Scientific</td><td></td><td>denominada Biorreactor 3L en la Tabla 2</td></tr><tr><td>SmartVessel 3L</td><td>Finesse, una parte de Thermo Fisher Scientific</td><td></td><td>denominado biorreactor de 3 litros de un solo uso en la tabla 2</td></tr><tr><td>Mobius CellReady 3L</td><td>Merck Millipore</td><td></td><td>denominado biorreactor de 3 litros de un solo uso Cell Ready en la tabla 2</td></tr><tr><td>UniVessel SU 2L</td><td>Sartorius Stedim Biotech</td><td></td><td>se refiere como biorreactor de 2 litros de un solo uso en la tabla 2</td></tr></tbody></table>

medidas de entrada de potencia en biorreactores agitados a escala de laboratorio

Power Input Measurements in Stirred Bioreactors at Laboratory Scale

La entrada de energía en biorreactores agitados es un importante parámetro de escalado y puede medirse a través del esfuerzo de torsión que actúa sobre el eje impulsor durante la rotación. Sin embargo, la determinación experimental de la entrada de energía en los vasos pequeños es todavía un reto debido a las pérdidas por fricción relativamente alta interior típicamente usadas bujes, rodamientos o sellos del eje y la exactitud de los metros de par motor disponible en el mercado. Por lo tanto, solamente datos limitados para Biorreactores en pequeña escala, en particular de un solo uso sistemas, están disponibles en la literatura, haciendo difícil las comparaciones entre distintos sistemas de un solo uso y sus contrapartes convencionales.
Este manuscrito ofrece un protocolo sobre cómo medir entradas de alimentación en biorreactores de escala consiste en un amplio rango de condiciones de turbulencia, que puede ser descrito por el sin dimensiones número de Reynolds (Re). Las pérdidas por fricción mencionados se reducen con eficacia por el uso de un cojinete de aire. El procedimiento sobre cómo establecer, realizar y evaluar un poder basado en el esfuerzo de torsión de entrada medida, con especial énfasis en las condiciones de agitación típica de cultivo celular con bajo a moderado turbulencia (100 < Re < 2·104), se describe en detalle. El número adimensional de la potencia (también llamado número de Newton, P0), que se determina que en la gama de P0 ≈ 0,3 y P0 ≈ 4.5 para los números de Reynolds máximo proporciona la entrada de varios biorreactores de uso múltiple y de un solo uso en diferentes biorreactores.

La entrada de energía en biorreactores agitados puede medirse a través del esfuerzo de torsión que actúa sobre el eje impulsor durante la rotación. Este manuscrito describe cómo se puede utilizar un cojinete de aire efectivamente reducir las pérdidas por fricción en sellos mecánicos y mejorar la precisión de las mediciones de entrada potencia en vasos pequeños.

Medidas de entrada de potencia en biorreactores agitados a escala de laboratorio

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 ...

El objetivo general de este protocolo es determinar la potencia suministrada en biorreactores de laboratorio agitados, basándose en mediciones de par torsor. La principal ventaja de esta técnica es que se pueden utilizar sensores disponibles comercialmente para investigaciones a escala de banco, lo que permite al usuario realizar mediciones destinadas a estudios de escalamiento. La demostración visual de esta técnica es fundamental, ya que la instalación adecuada del transductor de par es crucial para obtener mediciones confiables.Configure los elementos del biorreactor y el aparato de control sobre una mesa de laboratorio. Para este experimento, hay un tanque mezclador de dos litros y el soporte del recipiente. También hay un soporte especialmente diseñado para el motor del agitador.Además de un soporte para el motor, hay un soporte para un medidor de par. El diseño especial incluye un cojinete de aire con una entrada para aire presurizado. Utilice una computadora y una unidad de control de biorreactor para la adquisición y el control de datos.Además, proporcione un líquido con densidad y viscosidad definidas, como agua pura o una solución de sacarosa. El primer paso consiste en montar el motor agitador y el transductor de par. Primero, coloque el motor agitador servo sin escobillas en la parte superior del soporte.Sujete el motor en su lugar con tornillos, luego oriente adecuadamente el transductor de par y colóquelo en posición. Fíjelo al soporte utilizando cuatro tornillos. Fije el acoplamiento de fuelle metálico para conectar el eje del motor al eje motriz del transductor de par.Una vez hecho esto, tome el eje agitador. Instale los impulsores en el eje agitador antes de continuar. A continuación, inserte el eje agitador en el buje de aire.Fije el segundo acoplamiento de fuelle metálico para conectar el eje del agitador al eje de medición del transductor de par. Coloque el soporte con el transductor de par instalado y el accionamiento del motor en la placa superior del biorreactor. Tras seleccionar el sensor y las condiciones de prueba adecuados, el paso más crítico es la instalación correcta del transductor de par y del eje del impulsor, que se mantiene en su lugar mediante un cojinete de aire.Ahora coloque un sensor de temperatura en el biorreactor. Conecte el sensor al convertidor A/D. A continuación, conecte el accionamiento del motor a la unidad de control.Prepare el cojinete de aire conectando el tubo para aire presurizado. Aplique la presión de aire adecuada al cojinete. La configuración terminada se representa en este esquema.El software informático utiliza la unidad de control para ajustar la velocidad del motor y monitorear la temperatura. La computadora recopila datos del transductor de par mediante un convertidor analógico-digital. Abra el software de control en la computadora.La pantalla de apertura es la página de la pestaña Configuración. Diríjase al menú desplegable del puerto COM y utilícelo para seleccionar el puerto correcto. Haga clic en el botón Conectar para iniciar la comunicación con la unidad de control.En la misma página de pestañas, vaya al símbolo de carpeta junto al campo de texto Ubicación del archivo de datos. Haga clic en él y automáticamente se abrirá un cuadro de diálogo final. Busque la carpeta deseada y escriba un nombre de archivo para el archivo de registro de datos.Confirme haciendo clic en el botón Aceptar. La ruta y el nombre del archivo se mostrarán en el campo de texto Ubicación del archivo de datos. Ahora vaya a la pestaña Recetas y traiga esa página al primer plano.Busque los campos etiquetados como Duración de la fase y Agitador. Escriba los valores deseados para la duración de la fase de la receta en minutos y las velocidades correspondientes del impulsor en los campos de texto. Para guardar la receta, haga clic en Guardar.En el cuadro de diálogo de archivo, seleccione la ruta de archivo deseada. Escriba el nombre de archivo deseado. Haga clic en Aceptar; el cuadro de diálogo se cerrará automáticamente.Abra el software de adquisición de datos para configurarlo. Un indicador verde junto a un canal indica que está inicializado y activo. Haga clic en el botón Actualización en vivo.Un canal muestra la señal de torque, que debe ser ajustada a cero adecuadamente. Seleccione la pestaña de la página Tarea de Adquisición de Datos para cambiar a la página de la pestaña de Adquisición de Datos. Allí, bajo Grupos de Frecuencia de Muestreo, seleccione una frecuencia de adquisición de datos de dos hercios.En Inicio de la grabación de datos, seleccione Inmediatamente al inicio del trabajo. A continuación, vaya a Detención de la grabación de datos y seleccione Duración. Defina un tiempo ligeramente más largo que la medición.Ahora diríjase a la página de la pestaña Almacenamiento de datos. Vaya al menú desplegable Formato de archivo y seleccione la opción Información de canal ASCII. Establezca una ruta de archivo para los datos de medición en el campo de texto correspondiente.Para realizar el experimento, regrese al biorreactor. Utilice un embudo para agregar agua o la solución de sacarosa al recipiente. El experimento está listo para comenzar.En el software de adquisición de datos, vaya a la página Trabajo de adquisición de datos. Allí, haga clic en Iniciar y luego cambie al software de la unidad de control para encender el agitador. Para utilizar una receta, vaya a la pestaña Receta.Allí, seleccione una receta predefinida para el experimento. En la misma página, haga clic en el botón Iniciar. El proceso comenzará automáticamente y la velocidad del agitador se ajustará según la configuración definida en la receta.Una vez finalizado el experimento, se abrirá una ventana en el software de adquisición de datos. Guarde los datos haciendo clic en el botón Guardar datos ahora. En el software de la unidad de control, aparecerá un cuadro de mensaje indicando que el proceso ha finalizado.Haga clic en Aceptar, vaya a la página de la pestaña Receta y haga clic en el botón Detener para finalizar la receta. Para el procesamiento de los datos brutos, se puede utilizar un script de Matlab, que se proporciona en la sección de Suplemento de este manuscrito. Después de abrir el software Matlab, navegue hasta el directorio de trabajo donde se han almacenado los datos experimentales.Escriba el comando Torque Results en la ventana de comandos y presione Intro. Esto inicia el script de Matlab que guía al usuario a través del procesamiento de datos. Seleccione el archivo de registro de datos para los datos del sensor de par y haga clic en Abrir.Escriba los parámetros del proceso en los campos de texto correspondientes cuando se solicite. Los resultados se muestran gráficamente y los datos procesados se almacenan automáticamente en un nuevo archivo de texto dentro del directorio de trabajo. Estos datos muestran cómo la señal de par aumentó con cada incremento por pasos en la velocidad de rotación.Después de un pico transitorio, transcurre aproximadamente un minuto antes de que las mediciones sean cuasiestables. Esto dependía de la velocidad de rotación y del impulsor. Las líneas punteadas indican un intervalo de confianza del 5 % alrededor de los valores promediados en el tiempo.Este gráfico compara la potencia de entrada predicha y medida en función del número de Reynolds para diferentes concentraciones de sacarosa. Las líneas continuas representan un modelo que supone que la potencia es proporcional al cubo del número de Reynolds. Los círculos representan datos.El biorreactor era un recipiente de vidrio con un volumen útil de dos litros y una configuración de impulsor tipo turbina Rushton simple. Los triángulos en esta gráfica corresponden a datos obtenidos de un biorreactor de vidrio con un volumen útil de dos litros. Los círculos son datos de un biorreactor de acero inoxidable con un volumen útil de 10 litros.Ambos tienen una sola turbina Rushton. Los números de potencia para condiciones completamente turbulentas son iguales en ambas escalas. Una comparación de datos procedentes de biorreactores con volúmenes de trabajo de uno y dos litros, equipados con turbinas Rushton modificadas e impulsores de paletas segmentadas, muestra que ambos presentan disminuciones similares en los números de potencia al aumentar los números de Reynolds.La diferencia entre ambos puede deberse a las geometrías del recipiente o del agitador. Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo configurar mediciones de par para determinar la potencia introducida en biorreactores a escala de banco. Siguiendo este procedimiento, las mediciones pueden realizarse tanto en sistemas de un solo uso como en sistemas convencionales.Mediante mediciones automatizadas, se puede reducir significativamente el esfuerzo experimental y obtener muchos puntos de datos de forma rápida, confiable y reproducible.

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