Name: Mesures d’entrée de puissance dans des bioréacteurs brassées à l’échelle du laboratoire (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-05-16T12:30:00.000+00:00
Duration: 10 min 49 s
Description: Apprenez à mesurer l'entrée de puissance dans des bioréacteurs agités de laboratoire à l'aide d'un capteur de couple avec palier à air. Cette méthode précise facilite les études de mise à l'échelle.

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Les auteurs tiens à remercier Dieter Häussler et battre Gautschi pour leur aide durant le jeu expérimental vers le haut. Nous sommes également reconnaissants à Caroline Hyde pour preuve anglaise lu.

1. préparation des solutions de saccharose
Remarque : Les solutions de saccharose sont utilisées comme support de modèle newtonien à bas prix à viscosité élevée et densité pour des conditions de turbulence réduite (voir tableau 1).
<ol><li>Remplissez une bouteille en verre Duran avec l’eau et le saccharose de différentes concentrations (%w/w 20-60).</li>
	<li>Mélanger le contenu avec un agitateur magnétique jusqu'à dissolution complète de la saccharose.<ol>
<li>Pour des concentrations de sucrose dépassant 40 %w/w, ajouter le saccharose par intermittence et chauffer la bouteille en verre légèrement (~ 50 ° C). Laissez le refroidir de solution de saccharose à température ambiante avant utilisation.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. préparation d’une recette de mesure et l’enregistrement de données

<ol><li>Après avoir démarré le logiciel, initier la communication avec l’unité de commande en sélectionnant le bon port COM série dans le menu déroulant, puis en cliquant sur le bouton se connecter . Remarque : Le bouton se connecter va changer la couleur de vert et la LED sous le menu déroulant s’allume, une fois que la communication avec l’unité de commande est lancée.</li>
	<li>Mettre en place le chemin de fichier de données dans le logiciel d’appareil de contrôle bioréacteur afin de stocker les données sur l’opérateur PC.<ol>
<li>Ouvrez la page paramètres de l’onglet et appuyez sur le symbole de dossier en regard du champ de texte emplacement de fichier de données .</li>
		<li>Dans la fenêtre de dialogue de fichier, naviguez jusqu’au dossier de désir, tapez un nom de fichier dans la zone de texte nom de fichier et cliquez sur le bouton OK . Remarque : Le nom et le chemin du fichier journal des données sont affichent dans la zone de texte et le bouton Démarrer de l’acquisition de données est activé, une fois défini un chemin d’accès de fichier valide.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Mettre en place une routine à l’intérieur de la gestionnaire de recette le bioréacteur contrôle logiciel du système afin d’automatiser la procédure de mesure.<ol>
<li>Ouvrez la page d’onglets de recette et tapez les valeurs souhaitées d’entrée pour la durée de phase de recette (min) et la vitesse de la roue correspondante (tr/min) dans les zones de champ de texte. Le profil est automatiquement affiché dans le tableau. Remarque : par exemple, la vitesse de l’agitateur est progressivement augmentée de 20 t/mn de 100 tr/mn à 300 tr/min, et chaque valeur est maintenue pour 4 minutes afin de garantir un couple stable de signaux (Voir discussion ci-dessous). Les vitesses maximales et minimales ainsi que le montant de l’augmentation peut être ajusté pour les bateaux et les agitateurs différents. Remarque : Sélectionnez la plage de vitesse avec précaution à l’égard de la résolution du capteur couple, le couple nominal et la formation de vortex. Ce dernier souvent se produit dans des bioréacteurs débafflés agités à des vitesses plus élevées et peut endommager le compteur de couple.</li>
		<li>Cliquez sur le bouton Enregistrer , recherchez le chemin du fichier souhaité et tapez un nom de fichier dans le champ de texte. Appuyez sur le bouton OK pour enregistrer le fichier.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. installation de la sonde de couple
NOTE : Le montage expérimental est présenté schématiquement à la Figure 1.
<ol><li>Installer le capteur de couple dans un support spécialement conçu qui incorpore de l’air portant (voir Figure 1) en utilisant les vis pour fixer le capteur en place. Le roulement d’air utilisé dans cette étude a une bague matière dont le diamètre intérieur de 13 mm en carbone poreux.<ol>
<li>Monter le moteur agitateur brushless servo sur le dessus de la porte. Fixer le capteur de couple pour le titulaire de la vertical à l’aide de quatre vis de fixation.</li>
		<li>Se connecter à l’arbre du moteur à l’arbre d’entraînement du couple transducteur en utilisant un métal au dessous de couplage qui peut compenser les petits désalignements axiaux des arbres et serrer le raccord à l’aide de vis. Raccorder l’arbre de l’agitateur à l’axe de mesure du transducteur de couple à l’aide d’un autre accouplement soufflet métallique. Remarque : Dans cette étude, spécialement les arbres de roue d’un diamètre de 13 mm (tolérance :-0,0076 mm) et avec des longueurs entre 270 et 520 mm ont été utilisés pour les différents vaisseaux étudiés.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Fixer le support de capteur sur la plaque de tête de bioréacteur et installer les turbines sur l’arbre de l’agitateur avec le dégagement de surélévation désiré. Monter les chicanes et les installations supplémentaires (tubes d’échantillonnage et de récolte, de capteurs électrochimiques, etc.) à l’intérieur le bioréacteur si nécessaire.</li>
	<li>Installer le bioréacteur désiré dans le support de navire, si nécessaire (bioréacteurs #1, #3 à #10) ou placer la plaque de tête sur le réservoir de bioréacteur (bioréacteur #2) et serrer la plaque de tête avec des vis.<ol>
<li>Pour les enquêtes de bioréacteurs de verre, placer le récipient de verre de bioréacteur dans le support.</li>
		<li>Pour les études des bioréacteurs à usage unique, démonter les tubes montés haut ports et la turbine de l’arbre sur les plaques de tête en plastique à l’aide d’outils de coupe approprié. Placer le récipient en plastique dans le support.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Placer un capteur de température dans le bioréacteur et connectez-le à l’unité de commande. Raccordez le tuyau pour l’air sous pression à l’orifice d’entrée de gaz du roulement air et appliquer une pression d’environ 5,5 bars fourni par un compresseur. Branchez le convertisseur de couple sur le convertisseur A/N et la puissance de l’émetteur.</li>
</ol>4. configurations dans le logiciel d’acquisition de données
<ol><li>Ouvrez le logiciel pour l’acquisition des données du signal de capteur de couple et de configurer les préférences de mesure.<ol>
<li>Assurez-vous que les deux premiers canaux dans la fenêtre des canaux d’acquisition de données sont initialisés et active. Dans cette étude, le signal de couple a été réglé sur le canal 0 et le signal de vitesse de rotation a été réglé sur le canal 1.<ol>
<li>Cliquez sur le bouton Live mise à jour pour afficher les valeurs de mesure actuelles.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Sur le signal du canal couple zéro si le signal de couple absolu sans rotation est supérieur à 0,1 mN·m en utilisant le droit de la souris cliquez sur l’élément de chaîne dans la liste des chaînes et en sélectionnant l’option zéro équilibrer .</li>
		<li>Accédez à la page de l’onglet tâche d’acquisition de données et de définir une fréquence d’acquisition de données de 2 Hz à partir de la liste du menu déroulant. Utilisez les options immédiatement au travail début et durée de dans les listes déroulantes pour définir le Démarrer et l' arrêter de l’acquisition de données, respectivement.</li>
		<li>Définir un intervalle de temps pendant la durée de l’échantillon qui est plus long que le temps nécessaire pour terminer la mesure (par exemple, utiliser 1 h 0 m 30 s pour une recette d’une heure définie dans la deuxième étape).</li>
		<li>Accédez à la page de paramètres de stockage de données et sélectionnez l’option info ASCII + canal dans la liste déroulante pour définir le format de fichier pour les données, enregistrez le fichier. Définissez un chemin d’accès du fichier sur le disque dur du PC pour la mesure de fichier de sortie.</li>
	</ol>
</li>
</ol>5. effectuer la mesure de couple
<ol><li>Commencer la collecte de données pour le signal de couple dans le logiciel d’acquisition de données et de contrôle pour le compteur de couple en cliquant sur le bouton Démarrer dans la page de menu du travail de l’acquisition de données .</li>
	<li>Commencer la collecte de données pour la vitesse de l’agitateur et la température dans le logiciel d’appareil de contrôle bioréacteur en cliquant sur le bouton Démarrer de l’acquisition de données sous l’onglet paramètres .</li>
	<li>Démarrer le contrôle de l’agitateur dans le logiciel d’unité de contrôle avec une consigne manuelle ou le régime recette prédéfinis.<ol>
<li>Si une seule mesure est effectuée, utilisez l’entrée de boîte de contrôle sous l’onglet principal du logiciel de contrôle bioréacteur. Tapez la valeur de consigne souhaitée dans la zone de texte et cliquez sur l’élément « Contrôle agitateur sur ».</li>
		<li>Si plusieurs mesures avec une recette sont menées, accédez à la page d’onglets de Phases et cliquez sur le bouton Démarrer . Remarque : Le logiciel désactivera automatiquement toutes les boîtes de saisie manuelle pour la durée de la recette et une fenêtre s’ouvre automatiquement pour confirmer la fin du processus.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Dans le logiciel d’acquisition de données, une fenêtre s’ouvre automatiquement après la durée de mesure prédéfinies. Enregistrer les données pour chaque mesure sur l’opérateur PC, de préférence sur le disque dur, en cliquant sur le bouton enregistrer de données maintenant .</li>
	<li>Recommencez la mesure pour chaque vitesse de l’agitateur désirée sans et avec le liquide dans le récipient de bioréacteur.<ol>
<li>Verser l’eau (ou la solution de saccharose) à travers un entonnoir dans le bioréacteur. Remarque : Assurez-vous que le liquide couvre entièrement les roues puisque les roues (partiellement) exposés peuvent se traduire par des forces axiales indésirables qui pourraient endommager le capteur de couple.</li>
	</ol>
</li>
</ol>6. évaluation des données
Remarque : Les valeurs de couple obtenu dans le récipient vide (couple mort) correspondent à des pertes de frottement résiduel du roulement et doivent être soustraite des valeurs déterminées dans le liquide afin d’obtenir les valeurs de couple efficace (voir EQ. 1).
<ol><li>Moyenne les valeurs de couple pour chaque vitesse de l’agitateur mesurées après qu’un signal quasi stable a été atteint (Voir discussion ci-dessous). Idéalement, calculer la valeur moyenne sur une période d’au moins 2 min pour chaque condition, correspondant aux 240 données points à un taux de mesure de 2 Hz.</li>
	<li>Utiliser un code Matlab pour le traitement des données en exécutant le code depuis la ligne de commande de logiciel. Remarque : Le code est fourni en téléchargement dans la section supplément de ce manuscrit. Ce script importe le fichier de données brutes à partir de l’enregistrement de données, calcule la vitesse moyenne de rotation de phase, le nombre de Reynolds (à partir d’EQ. 3 basée sur des entrées utilisateur) et les valeurs de couple pour chacune des phases, visualise les résultats et stocke les résultats dans un deuxième texte fichier, qui alors peut être utilisé pour traiter davantage les données.</li>
	<li>Soustraire les valeurs de couple obtenus dans le récipient vide de celles mesurées dans le liquide pour obtenir les valeurs de couple efficace.</li>
	<li>Calculer la puissance absorbée et la puissance sans dimension nombre compris entre les valeurs de couple moyennée dans le temps selon l’équation 1 et 2 EQ..</li>
</ol>

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</ol>

Les auteurs n’ont déclaré aucun conflit d’intérêt.

Malgré l’importance de l’alimentation (spécifiques) pour la caractérisation de génie et scaling-up/down de bioréacteurs, seulement quelques publications sur les investigations expérimentales dans des bioréacteurs de benchtop d’échelle, en particulier à usage unique systèmes dans la plage de volume de litre à un chiffre, se trouvent dans la littérature. Une des raisons de cette absence de données peuvent être vu dans les difficultés des mesures d’entrée de puissance précis dans ces petites écailles. Afin de surmonter certaines de ces difficultés, la présente étude fournit un protocole détaillé pour les mesures d’entrée de puissance couple basé qui sont pris en charge par un roulement d’air afin de minimiser les pertes par frottement dans le roulement. L’applicabilité de la méthode a été démontrée à l’aide de trois bioréacteurs à usage unique disponibles dans le commerce, mais aussi des bioréacteurs multi-usage en écailles entre 1 L et le volume de travail de 10 L.
Basé sur notre expérience avec les mesures de couple de base, les facteurs les plus critiques à l’adresse sont : 1) réduire le couple de mort en réduisant au minimum les pertes par frottement dans les roulements et les joints d’étanchéité, en particulier en laboratoire à l’échelle bioréacteurs et 2) le choix d’un compteur de couple approprié pour les conditions de taille et d’agitation de bioréacteur désirée. Comme l’a montré plus tôt35, le couple mort peut être considérablement réduit par l’utilisation d’un appui aérien. Dans la présente étude, un coussinet d’air faible coût en matériau poreux carbone a été utilisé. Le couple résiduel dans les récipients vides testés étaient généralement inférieures à 0,5 mN·m avec des taux d’agitation de jusqu'à 900 tr/min, correspondant à des vitesses de pointe de turbine de jusqu'à 3 Màs-1. En revanche, le couple mort du bioréacteur #6 avec le roulement de l’arbre mécanique intégré a été, par exemple, entre mN·m 9,4 et mN·m 20, et des valeurs comparables d’environ 3 mN·m ont été également rapportés pour le bioréacteur #732. Il s’agit d’environ un ordre de grandeur plus élevé que les valeurs obtenues dans le montage expérimental proposé.
Sans compter que le roulement de l’air, le couple-mètre utilisé est l’élément le plus critique. Un compteur de couple disponible dans le commerce qui est conçu pour mesurer le couple statique et dynamique, vitesse de rotation et l’angle de rotation a été choisi pour cette étude. Si l'on considère les bioréacteurs d’intérêt avec des volumes de travail maximale de 10 L et les agitateurs correspondantes, un couple nominal de 0,2 N·m a été choisi. Il a été constaté que la reproductibilité élevée avec écart-type relatif de réplique < 5 % et des mesures fiables peuvent être obtenus des couples efficace aussi bas que 2 mN·m, correspondant à seulement 1 % du couple nominal. La plage de mesure du capteur appliquée dans la présente étude était donc nettement plus large que les résultats qui ont été publiés basés sur une étude interlaboratoire des membres du groupe de travail sur le mélange41VDI-GVC allemand.
Néanmoins, la plage de la vitesse de l’agitateur doit être soigneusement sélectionnée en ce qui concerne la résolution du capteur couple, le couple nominal et la formation de vortex. Ce dernier souvent se produit dans des bioréacteurs débafflés agités à des vitesses plus élevées et peut endommager le compteur de couple. Les deux les vitesses minimales et maximales agitateur réalisable peuvent être limitant les facteurs de la méthode décrite dans la présente étude. En plus de nos précédents travaux35, cette étude également impliqué le bioréacteur #3, le plus petit membre de famille de bioréacteur de verre fourni par le fabricant, qui est agité par les roues de deux étages avec un diamètre de 42 mm. Une caractéristique de puissance comparable à celle dans le bioréacteur géométriquement similaire #4 a été obtenue avec le montage expérimental présenté. Ce qui est remarquable car le couple s’ajuste sur M <img alt="Proportional to" src="/files/ftp_upload/56078/56078pro.jpg"> d5 densité liquide donnée, de géométrie de turbine (c'est-à-dire numéro de puissance) et la vitesse de rotation (voir équation 1 et EQ. 2). Par conséquent, un environ 40 % plus faible couple roue résulte d’un diamètre de rotor inférieur de 10 %, par exemple. Néanmoins, les vitesses de rotation plus élevées dans l’échelle de 1 L que dans l’échelle de 2 L étaient tenus au cours de l’opération pour régler le couple produit avec le compteur de couple disponible. Les baffles intégrés du bioréacteur #3, aucune formation de vortex a été observée, mais cela peut devenir un problème avec les navires débafflés. Il convient de souligner que la constante de décalage dans les chiffres de puissance qui a été trouvés entre les deux échelles pourrait résulter des imprécisions de mesure causées par la résolution du capteur limité (en plus de différences géométriques). D’autres recherches sont nécessaires pour tirer des conclusions définitives sur l’échelle minimale au cours de laquelle la configuration proposée est toujours réalisable.
Néanmoins, le même protocole a été utilisé pour les mesures d’entrée de puissance dans les récipients en verre diverses provenant de différents fabricants avec des volumes de travail entre 1 L et 10 L dans notre laboratoire. Cela met en évidence la transférabilité de la méthode utilisée pour la caractérisation des systèmes de bioréacteur différents. L’effort expérimental pourrait être réduit par des mesures automatisées à l’aide de la gestion de recette dans le système d’automatisation fournis par le logiciel d’appareil de contrôle et le traitement automatisé de données basé sur le langage Matlab universels.
En outre, il convient de noter que, en utilisant le saccharose contenant, médias du modèle newtonien à bas prix, un large gamme de Reynolds nombres (100 < Re < 6·104), selon l’échelle et l’agitateur, était couvert. Il convient également de souligner que la limite inférieure de la fourchette de turbulence est généralement pas pertinente pour les cultures de cellules animales avec l’eau-comme les médias, même si roue très faibles vitesses sont utilisées. Cependant, une augmentation significative de la viscosité de bouillon, qui se traduit dans le comportement d’amortissement et même non newtonien de turbulence ont été décrites pour les champignons - et plante des cultures cellulaires. Par exemple, viscosité apparente dans les cultures végétales de jusqu'à 400-fold par rapport à l’eau ont été déclarés42, ce qui conduit à beaucoup plus faibles nombres de Reynolds.
Enfin, en utilisant le bioréacteur #7 comme une première étude de cas, il a été démontré que le montage expérimental proposé peut être utilisé pour étudier l’effet des modifications de conception sur l’entrée d’alimentation à l’échelle du laboratoire. En combinaison avec des techniques de prototypage rapide, cela peut être un outil puissant pour des études de conception de roue à aubes, qui feront parties des travaux futurs.

Puissance d’entrée est un paramètre clé de génie pour la caractérisation et l’intensification de bioréacteurs parce qu’il concerne plusieurs opérations unitaires, par exemple l’homogénéisation1,2,3, dispersion de gaz-liquide2 , 4 , 5, transfert de chaleur6 et suspension solide7. Puissance d’entrée est également associée à la contrainte de cisaillement, qui peuvent notamment affectent la croissance et la formation produit en cisaillement cellule photosensible cultures8,9,10,11.
Les techniques les plus courantes pour la mesure de la puissance absorbée dans des bioréacteurs brassées sont basées sur l’alimentation électrique attirer12,13,14, calorimétrie12,15 (c'est-à-dire stationnaire chaleur équilibre ou chauffage dynamique par le biais de l’agitation) ou le couple sur l’agitateur. Ce dernier peut être expérimentalement déterminé par dynamomètres, couple mètres ou les jauges de contrainte, qui ont été appliquées à une variété d’agitateurs, y compris simple ou multi-étages Rushton turbines1,16,17 , 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 , 25, lame inclinée roues19,20,23,26,27, culbuteur19,21 et Scaba roues28 , 29. un examen détaillé est fourni par Ascanio et coll. (2004)30.
Depuis le couple (T), la puissance absorbée (P) peut être estimée de l’équation 1, où N est la vitesse de rotation de l’agitateur.
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/56078/56078eq1.jpg">(1)
Afin de tenir compte des pertes qui se produisent dans l’agitation (dans les roulements, joints et le moteur lui-même), le couple efficace (Teff) doit être déterminé comme étant la différence entre la valeur mesurée dans le réservoir vide (TD) et dans le liquide (TL ). Enfin, le nombre de puissance sans dimension (P0, également connu sous le nom Newton nombre), qui est défini par l’équation 2 où ρL indique la densité du liquide et d représente le diamètre de la roue, permet de comparer différents agitateurs.
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/56078/56078eq2.jpg">(2)
Il est bien connu que le nombre de puissance est une fonction du nombre de Reynolds (c.-à-d. la turbulence) et devient constant dans des conditions entièrement turbulentes. La roue de nombre de Reynolds est définie par EQ. 3, où ηL est la viscosité du liquide.
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/56078/56078eq3.jpg">(3)
Néanmoins, les mesures d’entrée de puissance dans des bioréacteurs à petite échelle sont encore difficiles en raison des pertes de friction relativement élevé à l’intérieur des roulements mécaniques des arbres à turbine et la précision limitée des compteurs de couple plus commercialement disponible. En conséquence, seuls quelques rapports sur le pouvoir d’entrée des mesures à l’échelle de benchtop bioréacteurs ont été publié17,18,22,24,31,32. Il y a aussi un manque de données sur l’alimentation dans des bioréacteurs à usage unique, qui sont livrés par les fabricants pré-assemblées, stérilisés et prêts à l’emploi33,34. Contrairement à leurs homologues réutilisables, la plupart des bioréacteurs à usage unique sont agités par turbines spécialement conçus, ce qui rend la comparaison difficile.
Afin de combler cette lacune, une méthode fiable pour les mesures d’entrée de puissance avec un accent particulier sur les agitateurs d’échelle de laboratoire a été mis au point récemment35. Les valeurs de couple mesurés dans les récipients vides, qui ont été provoquées par les pertes par frottement, ont été efficacement réduits par l’utilisation d’un appui aérien. Par conséquent, un large éventail de conditions d’exploitation à faible ou des turbulences modérées (100 < Re < 2·104) pourrait être l’objet d’une enquête et la puissance absorbée de plusieurs bioréacteurs à usages multiples et à usage unique a été fournie.
La présente étude fournit un protocole de mesure détaillée de la méthode développée précédemment et explique comment mettre en place, mener et évaluer une mesure de puissance axée sur le couple d’entrée dans des bioréacteurs échelle de laboratoire. Spécial porte principalement sur les systèmes single - et multi - use disponibles dans le commerce. Une procédure de mesure automatisé est utilisée pour réduire l’effort expérimental.

<table><tbody><tr><td>Couplemètre T20WN</td><td>HBM Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH</td><td></td><td>Couple nominal 0.2 Nm</td></tr><tr><td>Spider-8</td><td>HBM Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH</td><td></td><td>HBM Spider8 n’est plus disponible à la vente. Il est recommandé d’utiliser un système d’acquisition de la > QuantumX<br/br/ (en particulier les modules QuantumX MX840A et 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>Roulement à air</td><td>Ingénierie</td><td></td> de précision IBS <td>Bague d’air 13 mm</td></tr><tr><td>Arbre de roue en acier inoxydable</td><td>Bioengineering AG</td><td></td><td>Tolérance d’arbre -0,0076 mm</td></tr><tr><td>Moteur brushless AKM2</td><td>Kollmorgen</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Accouplement à soufflet métallique</td><td>Uiker AG</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Finesse RDPDmini unité</td><td>de contrôle Finesse, une partie de Thermo Fisher Scientific</td><td></td><td>N’est plus prise en charge (le produit de remplacement G3Lab universal controller peut être utilisé)</td></tr><tr><td>Sucrose</td><td>Migros Schweiz AG</td><td></td> Logiciel Matlab <td>de qualité alimentaire</td></tr><tr><td></td><td>Mathworks</td><td></td><td>Version R2017a</td></tr><tr><td>Finesse &mu ; Logiciel PC TruBio</td><td>Finesse, une partie de Thermo Fisher Scientific</td><td></td><td>Version 3.1 (n’est plus pris en charge)</td></tr><tr><td>SmartGlass 1L</td><td>Finesse, une partie de Thermo Fisher Scientific</td><td></td><td>appelée Bioréacteur 1L dans le tableau 2</td></tr><tr><td>SmartGlass 3L</td><td>Finesse, une partie de Thermo Fisher Scientific</td><td></td><td>appelée Bioréacteur 3L dans le tableau 2</td></tr><tr><td>SmartVessel 3L</td><td>Finesse, une partie de Thermo Fisher Scientific</td><td></td><td>bioréacteur à usage unique de 3 L dans le tableau 2</td></tr><tr><td>Mobius CellReady 3L</td><td>Merck Millipore</td><td></td><td>désigné sous le nom de bioréacteur à usage unique Cell Ready 3L dans le tableau 2</td></tr><tr><td>UniVessel SU 2L</td><td>Sartorius Stedim Biotech</td><td></td><td>appelé bioréacteur à usage unique 2L dans le tableau 2</td></tr></tbody></table>

mesures d’entrée de puissance dans des bioréacteurs brassées à l’échelle du laboratoire

Power Input Measurements in Stirred Bioreactors at Laboratory Scale

La puissance absorbée dans des bioréacteurs brassées est un paramètre important d’intensifier et peut être mesurée par le couple qui agit sur l’arbre d’entraînement pendant la rotation. Toutefois, la détermination expérimentale de la puissance absorbée dans les petits vaisseaux est encore difficile en raison de pertes de charge relativement élevée à l’intérieur des bagues généralement utilisés, roulements et/ou joints d’arbre et la précision des compteurs de couple disponible dans le commerce. Ainsi, seules des données limitées pour les bioréacteurs à petite échelle, les systèmes en particulier à usage unique, sont disponibles dans la littérature, ce qui rend les comparaisons entre les différents systèmes à usage unique et leurs homologues conventionnels difficile.
Ce manuscrit fournit un protocole sur la mesure des entrées d’alimentation dans des bioréacteurs de benchtop échelle sur un large éventail de conditions de turbulence, ce qui peut être décrite par le nombre sans dimension de Reynolds (Re). Les pertes par frottement susmentionnés sont effectivement réduites par l’utilisation d’un appui aérien. La procédure sur la façon de mettre en place, mener et évaluer une puissance axée sur le couple d’entrée de mesure, avec un accent particulier sur les conditions d’agitation typique de culture cellulaire à faible ou des turbulences modérées (100 < Re < 2·104), est décrite en détail. La puissance absorbée de plusieurs bioréacteurs à usages multiples et à usage unique est fournie par le nombre sans dimension de puissance (également appelé numéro de Newton, P,0), qui est considéré comme étant dans la gamme de P0 ≈ 0,3 et P0 ≈ 4,5 pour les nombres de Reynolds maximales dans les bioréacteurs différents.

La puissance absorbée dans des bioréacteurs agitées peut être mesurée par le couple qui agit sur l’arbre d’entraînement pendant la rotation. Cet article décrit comment un roulement d’air peut être utilisé efficacement réduire les pertes par frottement observés dans les garnitures mécaniques et améliorer la précision des mesures d’entrée de puissance dans les petits vaisseaux.

Mesures d’entrée de puissance dans des bioréacteurs brassées à l’échelle du laboratoire

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 ...

L'objectif général de ce protocole est de déterminer la puissance fournie dans des bioréacteurs de laboratoire agités à partir de mesures de couple. Le principal avantage de cette technique réside dans l'utilisation de capteurs disponibles commercialement pour des études à l'échelle du laboratoire, ce qui permet à l'utilisateur d'effectuer des mesures destinées à des études de montée en échelle. La démonstration visuelle de cette technique est essentielle, car une installation correcte du transducteur de couple est cruciale pour obtenir des mesures fiables.Installer les éléments du bioréacteur et l'appareil de contrôle sur un banc de laboratoire. Pour cette expérience, il y a un réservoir de mélange de deux litres et le support du récipient. Il existe également un support spécialement conçu pour le moteur de l'agitateur.En plus d'un support pour le moteur, il existe un support pour un couplemètre. La conception spéciale comprend un palier à air avec une entrée pour de l'air sous pression. Utilisez un ordinateur et une unité de contrôle du bioréacteur pour l'acquisition et la commande des données.En outre, prévoir un liquide de densité et de viscosité définies, comme de l'eau pure ou une solution de saccharose. La première étape consiste à installer le moteur de l'agitateur et le capteur de couple. Placer d'abord le moteur d'agitateur servo sans balais sur le dessus du support.Fixez le moteur en place à l'aide de vis, puis orientez correctement le capteur de couple et mettez-le en position. Fixez-le sur le support à l'aide de quatre vis. Fixez le raccord soufflet métallique afin de relier l'arbre du moteur à l'arbre d'entraînement du capteur de couple.Une fois cette étape terminée, récupérez l'arbre de l'agitateur. Installez les turbines sur l'arbre de l'agitateur avant de poursuivre. Ensuite, insérez l'arbre de l'agitateur dans le manchon pneumatique.Fixer le deuxième raccord à soufflet métallique pour relier l'arbre d'agitation à l'arbre de mesure du transducteur de couple. Placer le support équipé du transducteur de couple et du moteur d'entraînement sur la plaque supérieure du bioréacteur. Après avoir sélectionné le capteur approprié et les conditions d'essai, l'étape la plus critique est l'installation correcte du transducteur de couple et de l'arbre de l'agitateur, qui est maintenu en place par un palier à air.Maintenant, placez un capteur de température dans le bioréacteur. Connectez le capteur au convertisseur A/N. Ensuite, reliez le variateur de moteur à l'unité de contrôle.Préparez le palier à air en raccordant un tube pour l'air sous pression. Appliquez la pression d'air appropriée sur le palier. Le montage terminé est représenté sur ce schéma.Le logiciel informatique utilise l'unité de commande pour régler la vitesse du moteur et surveiller la température. L'ordinateur collecte les données du transducteur de couple via un convertisseur analogique-numérique. Ouvrez le logiciel de commande sur l'ordinateur.L’écran d’ouverture est la page d’onglet Paramètres. Accédez au menu déroulant du port COM et utilisez-le pour sélectionner le port correct. Cliquez sur le bouton Se connecter pour établir la communication avec l’unité de contrôle.Dans le même onglet, accédez au symbole de dossier situé à côté du champ de texte Emplacement du fichier de données. Cliquez dessus, et une dernière boîte de dialogue s'ouvrira automatiquement. Parcourez le dossier souhaité et saisissez un nom de fichier pour le fichier d'enregistrement des données.Confirmez en cliquant sur le bouton OK. Le chemin d'accès et le nom du fichier s'afficheront dans le champ de texte Emplacement du fichier de données. Accédez maintenant à l'onglet Recettes et mettez cette page en avant-plan.Recherchez les champs intitulés PhaseDuration et Agitator. Saisissez les valeurs souhaitées pour la durée de la phase de recette en minutes et les vitesses correspondantes de l'agitateur dans les champs de texte. Pour enregistrer la recette, cliquez sur Enregistrer.Dans la boîte de dialogue de fichier, sélectionnez le chemin d'accès souhaité. Saisissez le nom de fichier souhaité. Cliquez sur OK, la boîte de dialogue se fermera automatiquement.Ouvrez le logiciel d'acquisition de données pour le configurer. Un indicateur vert à côté d'un canal indique qu'il est initialisé et actif. Cliquez sur le bouton Mise à jour en direct.Un canal affiche le signal de couple, qui doit être correctement mis à zéro. Sélectionnez l'onglet de la page Tâche d'acquisition de données pour passer à la page d'onglet Acquisition de données. Là, sous Groupes de fréquence d'échantillonnage, sélectionnez une fréquence d'acquisition de données de deux hertz.Sous Démarrage de l'enregistrement des données, sélectionnez Immédiatement au début du travail. Ensuite, accédez à Arrêt de l'enregistrement des données et sélectionnez Durée. Définissez une durée légèrement plus longue que la mesure.Accédez maintenant à la page de l'onglet Stockage des données. Allez au menu déroulant Format de fichier et sélectionnez l'option Informations du canal ASCII. Définissez un chemin de fichier pour les données de mesure dans le champ de texte correspondant.Pour réaliser l'expérience, retournez au bioréacteur. Utilisez un entonnoir pour ajouter de l'eau ou la solution de saccharose dans le récipient. L'expérience est prête à être démarrée.Dans le logiciel d'acquisition de données, accédez à la page Tâche d'acquisition de données. Là, cliquez sur Démarrer, puis passez au logiciel de l'unité de contrôle pour démarrer l'agitateur. Pour utiliser une recette, accédez à l'onglet Recette.Là, sélectionnez une recette prédéfinie pour l'expérience. Sur la même page, cliquez sur le bouton Démarrer. Le processus démarrera automatiquement et la vitesse de l'agitateur sera réglée selon les paramètres définis dans la recette.Lorsque l'expérience est terminée, une fenêtre du logiciel d'acquisition de données s'ouvrira. Enregistrez les données en cliquant sur le bouton Enregistrer les données maintenant. Dans le logiciel de l'unité de contrôle, une boîte de message apparaîtra indiquant que le processus est terminé.Cliquez sur OK, accédez à la page de l'onglet Recette et cliquez sur le bouton Arrêter pour terminer la recette. Pour le traitement des données brutes, un script Matlab peut être utilisé, fourni dans la section Supplémentaire de cet article. Après avoir ouvert le logiciel Matlab, accédez au répertoire de travail où les données expérimentales ont été enregistrées.Saisissez la commande Torque Results dans la fenêtre de commande et appuyez sur Entrée. Cela démarre le script Matlab qui guide l'utilisateur à travers le traitement des données. Sélectionnez le fichier d'enregistrement des données du capteur de couple et cliquez sur Ouvrir.Saisissez les paramètres du processus dans les champs de texte correspondants lorsque vous y êtes invité. Les résultats sont affichés graphiquement et les données traitées sont enregistrées automatiquement dans un nouveau fichier texte à l'intérieur du répertoire de travail. Ces données montrent comment le signal de couple augmente à chaque palier d'augmentation de la vitesse de rotation.Après un pic transitoire, environ une minute s'écoule avant que les mesures ne deviennent quasi-stables. Ceci dépendait de la vitesse de rotation et de l'agitateur. Les lignes en pointillés indiquent un intervalle de confiance de 5 % autour des valeurs moyennées dans le temps.Ce graphique compare la puissance fournie prédite et mesurée en fonction du nombre de Reynolds pour différentes concentrations de saccharose. Les lignes continues représentent un modèle qui suppose que la puissance est proportionnelle au cube du nombre de Reynolds. Les cercles représentent les données.Le bioréacteur était un récipient en verre d'un volume de travail de deux litres, équipé d'une configuration d'agitateur à turbine Rushton simple. Les triangles sur ce graphique représentent des données provenant d'un bioréacteur en verre d'un volume de travail de deux litres. Les cercles représentent des données provenant d'un bioréacteur en acier inoxydable d'un volume de travail de 10 litres.Les deux sont équipés d'une seule turbine de type Rushton. Les nombres de puissance en conditions pleinement turbulentes sont égaux aux deux échelles. Une comparaison des données provenant de bioréacteurs de volume de travail d'un et deux litres, munis de turbines de Rushton modifiées et d'agitateurs à pales segmentées, montre que les deux présentent des diminutions similaires des nombres de puissance avec l'augmentation des nombres de Reynolds.Le décalage entre les deux peut être dû à la géométrie du récipient ou de l'agitateur. Après avoir visionné cette vidéo, vous devriez bien comprendre comment configurer des mesures de couple afin de déterminer la puissance fournie dans des bioréacteurs à échelle de laboratoire. Suite à cette procédure, des mesures peuvent être effectuées aussi bien dans des systèmes jetables que dans des systèmes conventionnels.Grâce à des mesures automatisées, l'effort expérimental peut être considérablement réduit et de nombreux points de données peuvent être obtenus rapidement, de manière fiable et reproductible.

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