כימות ערבוב באמצעות תהודה מגנטית
25 בינואר 2012
דימות תהודה מגנטית (MRI) מספק כלי רב עוצמה כדי להעריך את היעילות של ציוד תהליך במהלך המבצע. אנו דנים את השימוש של ה-MRI כדי להמחיש ערבוב במערבל סטטי. היישום הרלוונטי מוצרי טיפוח, אבל יכול להיות מיושם על מגוון רחב של נוזלים, מזון כימי, ביומסה וביולוגיים.
המטרה הכוללת של הניסוי הבא היא להשתמש בהדמיית תהודה מגנטית ככלי רב עוצמה להערכת ציוד ערבוב ותהליך. זה מושג על ידי שילוב של שני זרמים נוזליים במיקסר סטטי מפוצל ומשולב מחדש. Mr.Images מתקבלים על ידי בחירת פרוטוקול הדמיה מתאים.
תמונות אלו מאפשרות אפיון של המיקסר. תוצאות ביצועים מתקבלות עבור יישום הרלוונטי למוצרי טיפוח אישי, אך ניתן ליישם את ההליך על מגוון רחב של מזון, כימיקלים, ביומסה ונוזלים ביולוגיים. היתרון העיקרי בשימוש בהדמיית תהודה מגנטית על פני טכניקות אחרות, כגון וידאו, הוא שניתן לדמיין חומרים אטומים.
בנוסף, המידע הוא כמותי וריכוזי רכיבים וניתן לחשב את מידת הערבוב. ויזואליזציה, ערבוב. שימוש ב-MRI יכול להועיל לאימות נוזל חישובי, סימולציות דינמיות ותהליכי ייצור על ידי השוואות מפורטות של התפלגות ריכוז שנמדדה מרחבית להתפלגות ריכוז מחושבת.
מערבל ה-SAR מורכב ממספר צלחות שונות המונחות בצינור PVC. כל לוחית חיתוך לייזר מורכבת מ-PMMA וחתוכה בעובי 1.59 מילימטרים. לכל צלחת יש מפתח מלבני המיישר אותה לאורך מוט אקרילי.
בצינור PVC, הפלסטיק עשוי להיות שקוף או אטום. ללוחות עיצובים שונים בעלי פתחים שדרכם יכולים לזרום נוזלים. הלוחות מונחים לתוך הצינור בדפוס חוזר שמביא למנהרות שמתערבבות.
שני הנוזלים העוברים דרך לוחית הצינור S משמשים להזרמת שני הנוזלים הנכנסים למוטיב החוזר. זרם נוזל אחד נמצא במרכז והנוזל זורם מעל ומתחת. הם בקצב זרימה יחסי של 10 לאחד.
לאחר מכן, הנוזלים נפגשים בתעלה פתוחה, המיוצרת על ידי שמונה לוחות מסוג C. לאחר מכן הנוזלים מופרדים פיזית לשתי תעלות אנכיות על ידי שמונה לוחות של לוח I.החלק הבא מורכב מ-16 לוחות ייחודיים, שמסובבים כל זרם נוזל מסובב 90 מעלות נגד כיוון השעון. לאחר מכן הנוזל זורם דרך שמונה צלחות המפצלות את הנוזלים לשתי תעלות אופקיות.
המוטיב החוזר מסתיים בשמונה לוחות תעלה פתוחים. בסך הכל, המוטיב חזר על עצמו שש פעמים דרך צינור ה- PVC. הרכיבו מערכת זרימה לשאיבת תמיסת מוט פחמימות דרך הפיצול המוטבע והמיקסר הסטטי המשולב מחדש התחילו במיקום המיקסר במגנט.
המגנט הוא חלק מספקטרומטר הדמיה מבוסס מגנט קבוע יחיד של טסלה עם חוזק שיפוע שיא של 0.3 טסלה למטר ומארז כמעט תא המסוגל לשלוט ולתעד את קצב זרימת המסה של נוזלי הבדיקה. בנוסף, שלבו מתמר לחץ במעלה הזרם של המיקסר לניטור לחץ, סליל תדר רדיו עשוי סולנואיד עם ארבע סיבובים במקרים של נפח גלילי ומתאים מאוד לצינור ה- PVC. לבסוף, שני פתרונות נפרדים מחוברים לכניסות.
בהדגמה זו, הפתרונות יהיו קרבופול עם או בלי מנגן כלוריד. הכן את תמיסת הקרבופול על ידי ניפוי איטי של כמות משוקללת של פולימר למים נטולי יונים במיכל מעורבב. נטרל את תמיסת הקרבופול עם תמיסת נתרן הידרוקסיד של 50% ל-pH שבע.
הנטרול מאפשר לתמיסה להשיג את הצמיגות המקסימלית שלה כאשר הפולימר מתנפח במים. ליצירת ג'ל, הכינו תמיסת מוט פחמן מסוממת שנייה המכילה את ה-MR. חומר ניגוד מנגן כלוריד. כדי לאפיין את התנהגות הזרימה או הריאולוגיה, השתמש בגיאומטריית קוקט סטנדרטית בטמפרטורת נוזל של 25 מעלות צלזיוס כדי למדוד את צמיגות הגזירה.
השתמש בתנועת מתח טהורה במצב יציב מ-0.1 עד 500 פסקל במצב קצבי של לוס אנג'לס עם 10 נקודות לעשור וסובלנות של 5%. לאחר מכן מדוד את המתח על פני סחף תדרים מ-628 ל-0.63 רד-לשנייה במצב לוגריתמי של לוס אנג'לס עם 10 נקודות לעשור. בעת בחירת פרמטרי הדמיה, עלינו לקחת בחשבון את סך האות לרעש בתמונה וכן את הניגודיות ועוצמת האות בין האזור המסומם לאזור המופעל.
במקרה זה, בחרנו ברצף הד שיפוע, ובחרנו בריכוזים של. כדי לתת לנו תלות ליניארית של עוצמת האות בריכוז. רצף המציאות המשולבת אינו כולל פיצוי זרימה.
אז כדי להימנע מחפצי תנועה, ההדמיה מתבצעת על הדמיה נוזלית שקטה זמן ההדמיה הוא בסדר גודל של דקה עד ארבע דקות. מקם מחדש את המיקסר כדי לצלם את אמצעי האחסון במיקומים ציריים שונים. החלק את צינור המיקסר באופן צירי דרך המגנט עד שהנפח הרצוי נמצא במרכז סליל ה-NMR במרכז המגנט.
לאחר מכן חזור על תהליך ההדמיה. לבסוף, נתח את נתוני ה-MR עם נהלי ניתוח תמונה כדי לתעד את ההתפלגות המרחבית של ריכוזי הרכיבים. בעבודה זו, לא ניתן היה להבחין בין התכונות הלוגיות האמיתיות של שני הפתרונות.
לתכונות הויסקו-אלסטיות של התמיסות היה מאפיין של מערכת ג'ל עם אחסון גדול מאובדן, מודול ואובדן קבועים למדי. שיפוע אובדן האחסון גדל בתדירות גבוהה יותר, ופיגור הפאזה המקביל עקב אחר אותה מגמה כדי להעריך את התרומה היחסית של כוחות צמיגים לכוחות האינרציה במהלך הזרימה. מספרי ריינולדס חושבו כזרימה הממוצעת דרך הלוחות.
ערכים אלה, שהם הרבה פחות מ-1.0, מצביעים על כך שכוחות צמיגים שלטו בכוחות האינרציאליים. לפיכך, הערבוב היה על ידי מתיחה וגזירה למינרית ולא על ידי מערבולת. כדי להמחיש את כוחה של הדמיית זרימה באמצעות MRI, התוצאות הבאות הן תמונות נבחרות במיקומים ציריים שונים.
מערבל ה-SAR, מפצל זרימות בצורה יעילה ואחידה כפי שמוצג בתמונות של לוחות H במורד הזרם מחלקי הערבוב הראשון, השני והשלישי. מספר פסי הנוזל המסוממים הוכפל בכל קטע ערבוב. שינוי ספי ערכי התמונה מראה את פסי הנוזל המסומם גדלים עם כל מעבר דרך המוטיב.
רצף של תמונות דרך סיבוב של 90 מעלות נגד כיוון השעון במיקסר מראה כיצד הזרמים האנכיים הופכים לזרמים אופקיים בתהליך הערבוב דרך המנהרה כולה. שני זרמי הנוזל מוכפלים פעמים רבות כאשר מנסים לבצע מדידות אלה, חשוב לזכור שזמן המדידה צריך להיות קצר מאוד בהשוואה לזמן שבו דיפוזיה מולקולרית תשפיע על התפלגות ריכוז הרכיבים. מדידות ניסיוניות אלה של ערבוב שימושיות במיוחד לבדיקת ההשפעה של מודלים מרכיבים של ריאולוגיה נוזלית המשמשים בסימולציות דינמיות דינמיות של נוזלים חישוביים של ערבוב, ומערבל מפוצל ומשולב מחדש.
לאחר צפייה בסרטון זה, אתה אמור להבין היטב כיצד להשתמש בהדמיית תהודה מגנטית כדי לחקור התפלגות ריכוז במיקסר סטטי.
סקירה כללית
מחקר זה משתמש בדימות תהודה מגנטית (MRI) כדי להעריך את תהליכי הערבוב בערבב סטטי, הרלוונטיים למוצרי טיפוח אישיים ולנוזלים שונים. המחקר מדגיש את היתרונות של MRI בוויזואליזציה של חומרים אטומים ובכימות יעילות הערבוב.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- מדעי המוח
- הנדסה ביולוגית
- דינמיקת נוזלים
רקע
- דימות תהודה מגנטית הוא כלי רב עוצמה להערכת תהליכים.
- מערבלים סטטיים נמצאים בשימוש נרחב בתעשיות שונות לערבוב נוזלים.
- ויזואליזציה של תהליכי ערבוב יכולה לשפר את ההבנה ואת האופטימיזציה של הייצור.
- חומרים אטומים מציבים אתגרים עבור טכניקות דימות מסורתיות.
מטרת המחקר
- להערכת יעילותו של מערבל סטטי באמצעות MRI.
- להדמיה של ערבוב שני זרמי נוזלים בזמן אמת.
- לאספקת נתונים כמותיים על ריכוזי הרכיבים ועל יעילות הערבוב.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- שילוב של שני זרמי נוזלים בתוך מערבל סטטי מסוג split and recombined.
- שימוש בספקטרומטר דימוי יחיד המבוסס על מגנט קבוע מסוג Tesla.
- אפיון התנהגות הזרימה והריאולוגיה של הנוזלים.
- ניתוח נתוני MRI לתיעוד ההתפלגות המרחבית של הריכוזים.
תוצאות עיקריות
- הדמיה מוצלחת של תהליכי ערבוב בנוזלים אטומים.
- השגת ניתוח כמותי של ריכוזי הרכיבים.
- הוכח כי כוחות צמיגות גברו על כוחות התמדה במהלך הזרימה.
- התמונות הראו פיצול וערבוב יעילים של זרמי הנוזל.
מסקנות
- MRI הוא כלי בעל ערך להערכת ערבוב במערבבים סטטיים.
- ניתן להחיל את השיטה על תעשיות שונות מעבר למוצרי טיפוח אישיים.
- יישומים עתידיים עשויים לשפר את אופטימיזציית התהליך בדינמיקה של נוזלים.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למסגרת ניהולית
עבודה זו מדגימה כיצד דימות תהודה מגנטית (MRI) מאפשר ויזואליזציה כמותית של ערבוב בנוזלים אטומים בעלי צמיגות גבוהה, הרלוונטיים לייצור מוצרי טיפוח. באמצעות אספקת נתוני ריכוז בעלי רזולוציה מרחבית, ה-MRI תומך בהפחתת סיכונים מכניסטית של שלבי עיבוד נוזלים ומגביר את הביטחון החזוי בהחלטות של הגדלת קנה מידה (scale-up). גישה זו נותנת מענה לאתגר מרכזי בשלב הגילוי: תיקוף של מודלים של דינמיקה של נוזלים חישובית (CFD) באמצעות נתונים אמפיריים ולא פולשניים בתנאים רלוונטיים לתעשייה.
יישומים אסטרטגיים במו"פ של ביו-פארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בחינה של היפותזות בנוגע לראולוגיה של נוזלים על ידי השוואת התפלגויות ריכוז שנמדדו לחיזויים של CFD.
- ערך תפעולי: מספק נתונים ברזולוציה מרחבית ובאופן לא הרסני לצורך תיקוף ביצועי ערבוב במערכות נוזלים מורכבות.
סריקה ופיתוח בדיקות
- ערך מדעי: מייצר מפות ריכוז רכיבים כמותיות המשמשות כנתוני ייחוס (benchmark) לסטנדרטיזציה של בדיקות בפלטפורמות סריקה מבוססות נוזלים.
- ערך תפעולי: תומך בפיתוח פרוטוקולי ערבוב הדירים, החיוניים להכנה עקבית של ריאגנטים בסריקות עם תפוקה גבוהה (high-throughput screening).
מחקרe רפואי תרגומי ופרה-קליני
- ערך מדעי: מגשר בין שלבי הגילוי לתהליכי העבודה הפרה-קליניים על ידי מתן אפשרות להשוואה ישירה בין התנהגות ערבוב בקנה מידה מעבדתי לבין סימולציות בקנה מידה תעשייתי.
- ערך תפעולי: מסייע בקבלת החלטות על קידום מבוסס הערכת סיכונים באמצעות תיקוף אמפירי של הומוגניות התהליך בניסוחים של ביולוגים דמויי ג'ל.
שילוב תהליכי עבודה וצינור עיבוד
השיטה משתלבת ברצף הגילוי על ידי מתן מענה לבדיקות השערות מוקדמות, אפשור הכנה של דגימות המוכנות לבדיקה (assay-ready), ותמיכה בהחלטות go/no-go מונחות אנליטיקה בפיתוח פורמולציות.
- ביולוגיה של גילוי: תומך בהפחתת סיכונים מכניסטיים על ידי תיקוף הנחות לגבי התנהגות נוזלים במטריצות מורכבות המשמשות למחקרי מעורבות מטרה (target engagement).
- סריקה: מבטיח מוכנות של הבדיקה באמצעות מדדי יעילות ערבוב כמותיים המפחיתים שונות בין בארות בבדיקות ביוכימיות.
- אנליטיקה: מספק מדידות ריכוז ברזולוציה מרחבית ומדדי ערבוב המאפשרים השוואה אובייקטיבית של תנאי התהליך.
- מחקר תרגומי: מקשר בין פיתוח פורמולציה לרציפות פרה-קלינית על ידי אישור הומוגניות במערכות אספקת תרופות צמיגות.
- שימוש חוזר ארגוני: מבסס יכולת דימות הניתנת לשימוש חוזר להערכת ביצועי ערבוב בפורמולציות נוזליות שונות ובתכנוני מכשירים מגוונים.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החזוי בשלבי עיבוד נוזלים על ידי אספקת ראיות ישירות לאיכות הערבוב במערכות אטומות.
- ערך תפעולי: משפר את הסטנדרטיזציה והשחזוריות של זרימות העבודה בהכנת דגימות באמצעות מדדי ערבוב כמותיים.
- ערך אסטרטגי: משפר את היעילות ההונית על ידי הפחתת כשלים בשלבים מאוחרים הנובעים מערבוב לא מספק בתהליכי ייצור ניתנים להרחבה.
- השפעה על הפורטפוליו: מאפשר תיעדוף מותאם סיכונים של מועמדים לפורמולציה על בסיס חוסן תהליכי מאומת אמפירית.
שיקולי יישום
- נדרשת מומחיות בהפעלת MRI, ראולוגיה של נוזלים וניתוח תמונה לצורך פרשנות מדויקת של התפלגויות ריכוזים.
- תלוי בגישה לחומרה של מערבל סטטי התואמת ל-MRI ולסלילי RF המתאימים לגאומטריות דגימה גליליות.
- מחייב סטנדרטיזציה בין-צוותית בין קבוצות הפורמולציה, הנדסת תהליכים והקבוצות האנליטיות כדי להגיע להסכמה על ספי סף לאיכות הערבוב.
- כולל שיקולי התאמה בעת העברת פרוטוקולים ממערכות נוזלים ניוטוניות למערכות נוזלים לא-ניוטוניות או ויסקו-אלסטיות.
- מוגבל על ידי זמני רכישת תמונה ארוכים יחסית (1–4 דקות), מה שעשוי להגביל את השימוש בניטור תהליכים דינמיים בעלי תפוקה גבוהה.
