Name: Misure di potenza ingresso in bioreattori agitate a scala di laboratorio (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-05-16T12:30:00.000+00:00
Duration: 10 min 49 s
Description: Impara a misurare la potenza ingresso in bioreattori agitati a scala di laboratorio tramite misurazioni di coppia con cuscinetto ad aria. Questo metodo riduce le perdite per attrito e garantisce misurazioni accurate per studi di scale-up.

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Gli autori vorrei ringraziare Dieter Häussler e battere Gautschi per la loro assistenza durante il set sperimentale fino. Siamo grati anche a Caroline Hyde per inglese correzione di bozze.

1. preparazione delle soluzioni di saccarosio
Nota: Le soluzioni di saccarosio sono utilizzate come mezzi di modello economico, newtoniano con elevata viscosità e densità per condizioni di turbolenza ridotta (Vedi tabella 1).
<ol><li>Riempire una bottiglia di vetro Duran con acqua e saccarosio delle concentrazioni differenti (20-60 %w/w).</li>
	<li>Miscelare il contenuto con un agitatore magnetico fino a sciolta completamente il saccarosio.<ol>
<li>Per concentrazioni di saccarosio superiori a 40 %w/w, aggiungere il saccarosio in modo intermittente e riscaldare leggermente la bottiglia di vetro (~ 50 ° C). Lasciare raffreddare la soluzione di saccarosio a temperatura ambiente prima dell'uso.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. preparazione di una ricetta di misurazione e la registrazione di dati

<ol><li>Dopo aver avviato il software, è possibile avviare la comunicazione con l'unità di controllo selezionando la corretta porta COM seriale dal menu a discesa e fare clic sul pulsante Connetti . Nota: Il pulsante Connetti diventerà il colore verde e si accenderà il LED sotto il menu a discesa, una volta iniziata la comunicazione con la centralina.</li>
	<li>Impostare il percorso del file di dati all'interno del software di unità di controllo bioreattore per memorizzare i dati all'operatore PC.<ol>
<li>Aprire la pagina di Impostazioni scheda e colpire il simbolo della cartella accanto alla casella di testo percorso del file di dati .</li>
		<li>Nella finestra di dialogo file, individuare la cartella di desiderio, digitare un nome file nel campo di testo Nome File e fare clic sul pulsante OK . Nota: Il percorso del file registro dati e il nome vengono visualizzati nella casella di testo e il pulsante start di DAQ è abilitato, una volta definito un percorso di file valido.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Impostare una routine all'interno il gestore di ricette del software di unità di controllo bioreattore per automatizzare la procedura di misurazione.<ol>
<li>Aprire la pagina di scheda di ricetta e digitare i valori di input desiderati per il tempo trascorso di ricetta fase (min) e la corrispondente velocità girante (rpm) nelle caselle del campo di testo. Il profilo viene visualizzato automaticamente nel grafico. Nota: ad esempio, la velocità dell'agitatore è aumentata gradualmente da 20 giri/min da 100 giri/min a 300 giri/min, e ogni valore viene mantenuto per 4 minuti al fine di garantire una coppia stabile del segnale (veda la discussione qui sotto). La velocità di minimo e massimo, nonché l'importo dell'aumento può essere regolata per le navi e agitatori differenti. Nota: Selezionare l'intervallo di velocità con attenzione per quanto riguarda la risoluzione del sensore di coppia, la coppia nominale e la formazione di vortice. Quest'ultimo spesso si verifica in bioreattori unbaffled agitati a velocità più elevate e può causare danni per il misuratore di coppia.</li>
		<li>Fare clic sul pulsante Salva , selezionare il percorso del file desiderato e digitare un nome file nel campo di testo. Premere il pulsante OK per salvare il file.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. installazione del sensore di coppia
Nota: La messa a punto sperimentale è rappresentato schematicamente nella Figura 1.
<ol><li>Installare il trasduttore di coppia in un supporto appositamente progettato che incorpora l'aria cuscinetto (vedere Figura 1) utilizzando le viti per fissare il sensore in posizione. Il cuscinetto di aria utilizzato in questo studio ha un materiale con un diametro interno di 13 mm boccola di carbonio poroso.<ol>
<li>Montare il motore agitatore di servomotori brushless sulla parte superiore del supporto. Difficoltà il trasduttore di coppia al titolare verticale utilizzando quattro viti di montaggio.</li>
		<li>Collegare l'albero motore all'albero di azionamento del trasduttore coppia utilizzando un metallo soffietto accoppiamento che può compensare piccoli disallineamenti assiali degli alberi e serrare il giunto mediante viti. Unire l'albero agitatore con l'asta di misura del trasduttore di coppia utilizzando un altro giunto a soffietto metallico. Nota: In questo studio, specificamente progettato alberi girante con un diametro di 13 mm (tolleranza:-0,0076 mm) e con lunghezze di tra 270 e 520 mm sono stati usati per i diversi vasi studiati.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Montare il supporto del sensore sulla piastra di testa di bioreattore e installare le giranti sull'albero agitatore con la clearance di sconto inferiore desiderata. Montare i deflettori e installazioni aggiuntive (ad es. tubi di campionamento e raccolta, sensori elettrochimici, ecc.) all'interno del bioreattore se necessario.</li>
	<li>Installare il bioreattore desiderato in nave titolare se richiesto (bioreattori #1, #3 e #10) o posizionare la piastra di testa sul serbatoio del bioreattore (bioreattore #2) e serrare la piastra di testa con viti.<ol>
<li>Per le indagini di vetro bioreattori, posizionare il vaso di vetro di bioreattore nel supporto.</li>
		<li>Per le indagini di bioreattori monouso, smontare la tubazione montata superiore porte e alloggiamento albero girante dalle piastre testa plastica utilizzando utensili da taglio appropriato. Posizionare il contenitore di plastica nel supporto.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Posizionare un sensore di temperatura all'interno del bioreattore e collegarlo all'unità di controllo. Collegare il tubo per l'aria pressurizzata per la porta di ingresso del gas del cuscinetto aria e applicare una pressione di circa 5,5 bar fornita da un compressore. Collegare il trasduttore di coppia per il convertitore A/D e la potenza del trasmettitore.</li>
</ol>4. le configurazioni del software di acquisizione dati
<ol><li>Aprire il software per l'acquisizione di dati del segnale del sensore di coppia e configurare le preferenze di misurazione.<ol>
<li>Assicurarsi che i primi due canali nella finestra canali DAQ sono inizializzati e attivo. In questo studio, il segnale di coppia di torsione è stato impostato sul canale 0 e il segnale di velocità di rotazione è stato impostato sul canale 1.<ol>
<li>Fare clic sul pulsante aggiornamento Live per visualizzare i valori di misurazione corrente.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Impostare il segnale del canale di coppia a zero se il segnale di coppia assoluto senza rotazione è maggiore di 0,1 MN · m utilizzando il mouse di destra fare clic sulla voce canale nella lista dei canali e selezionando l'opzione saldo Zero .</li>
		<li>Passare alla pagina scheda DAQ e definire una frequenza di acquisizione di dati di 2 Hz dall'elenco del menu a discesa. Utilizzare le opzioni immediatamente al lavoro inizio e durata dagli elenchi a discesa per impostare l'inizio e interrompere l'acquisizione di dati, rispettivamente.</li>
		<li>Definire un intervallo di tempo per la durata del campione che è più del tempo necessario per completare la misurazione (ad esempio, utilizzare 1H 0 m 30 s per una ricetta di un'ora definita nel secondo passaggio).</li>
		<li>Passare alla pagina delle impostazioni di archiviazione dei dati e selezionare l'opzione info ASCII + canale dall'elenco a discesa per impostare il formato di File per i dati di salvataggio file. Impostare un percorso di file sul disco rigido del PC per la misura file di Output.</li>
	</ol>
</li>
</ol>5. eseguire la misurazione della coppia
<ol><li>Avviare l'acquisizione di dati per il segnale di coppia nel software di acquisizione dati e controllo per il misuratore di coppia facendo clic sul pulsante Avvia nella pagina dei menu lavoro DAQ .</li>
	<li>Avviare l'acquisizione di dati per la temperatura e la velocità dell'agitatore del bioreattore software di controllo unità facendo clic sul pulsante DAQ inizia nella pagina della scheda Impostazioni .</li>
	<li>Avviare il controllo agitatore del software di unità di controllo con un set-point manuale o il regime di pre-definita ricetta.<ol>
<li>Se viene eseguita una singola misurazione, è possibile utilizzare la voce di casella di controllo nella pagina della scheda principale del software di controllo bioreattore. Digitare il set-point desiderato nella casella di testo e clicca sulla voce 'Controllo agitatore su'.</li>
		<li>Se sono condotte misurazioni multiple con una ricetta, passare alla pagina scheda fasi e fare clic sul pulsante Start . Nota: Il software disattiverà automaticamente tutte le caselle di immissione manuale per tutta la durata della ricetta e si apre automaticamente una finestra per confermare la fine del processo.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Nel software di acquisizione dati, una finestra si apre automaticamente dopo la durata di misura pre-definita. Salvare i dati per ogni misurazione sull'operatore PC, preferibilmente sul disco rigido, fare clic sul pulsante Salva dati ora .</li>
	<li>Ripetere la misurazione per ciascuna velocità agitatore desiderata senza e con liquido all'interno del recipiente di bioreattore.<ol>
<li>Versare acqua (o la soluzione di saccarosio) attraverso un imbuto in bioreattore. Nota: Assicurarsi che il liquido copra completamente le giranti poiché giranti (parzialmente) esposti possono provocare indesiderate forze assiali, che potrebbero danneggiare il sensore di coppia.</li>
	</ol>
</li>
</ol>6. valutazione dei dati
Nota: I valori di coppia ottenuto nel recipiente vuoto (morto coppia) corrispondono alle perdite di attrito residuo del cuscinetto e devono essere sottratti dai valori determinati nel liquido al fine di ottenere i valori di coppia effettiva (Vedi EQ. 1).
<ol><li>Media i valori di coppia per ogni velocità agitatore misurato dopo un segnale quasi-stabile è stato raggiunto (Vedi la discussione qui sotto). Idealmente, è possibile calcolare il valore medio su un periodo di almeno 2 min per ogni condizione, corrispondenti ai punti di 240 dati a una velocità di misurazione di 2 Hz.</li>
	<li>Utilizzare un codice Matlab per l'elaborazione dei dati eseguendo il codice dalla riga di comando software. Nota: Il codice viene fornito per il download nella sezione supplemento di questo manoscritto. Questo script consente di importare file di dati raw dalla registrazione dei dati, calcola la velocità media di rotazione di fase, il numero di Reynolds (da EQ. 3 Basato su input dell'utente) e valori di coppia per ciascuna delle fasi, Visualizza i risultati e memorizza i risultati in un secondo testo file, che quindi può essere utilizzato per elaborare ulteriormente i dati.</li>
	<li>Sottrarre i valori della coppia ottenuti nel recipiente vuoto da quelli misurati nel liquido per ottenere i valori di coppia effettiva.</li>
	<li>Calcolare la potenza in ingresso e numero adimensionale potere dai valori di coppia mediato nel tempo secondo EQ. 1 ed EQ. 2.</li>
</ol>

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</ol>

Gli autori non hanno dichiarato conflitti di interesse.

Nonostante l'importanza dell'input di potere (specifico) per la caratterizzazione ingegneristica e scaling-up/down di bioreattori, solo poche pubblicazioni su indagini sperimentali in bioreattori per bilancia da banco, particolarmente monouso sistemi nella una cifra litro range di volume, può essere trovato nella letteratura. Uno dei motivi per questa mancanza di dati può essere visto nelle difficoltà di misure ingresso alimentazione accurata di tali piccole squame. Al fine di superare alcune di queste difficoltà, lo studio presente fornisce un protocollo dettagliato per misure di input potenza coppia basata che sono supportate da un cuscinetto di aria per ridurre al minimo le perdite di attrito del cuscinetto. L'applicabilità del metodo è stata dimostrata utilizzando tre commercialmente disponibili monouso bioreattori così come multi-uso bioreattori in scale tra 1L e volume di lavoro di 10 L.
Basandoci sulla nostra esperienza con le misure di coppia basato, i fattori più critici all'indirizzo sono: 1) riduce la coppia di morta riducendo al minimo le perdite di attrito all'interno i cuscinetti e le guarnizioni, in particolare nel laboratorio scala bioreattori e 2) la selezione di un Misuratore di coppia adatto per le condizioni di dimensione e agitazione di bioreattore desiderata. Come è stato dimostrato precedenti35, la coppia morta può essere drasticamente ridotto mediante l'uso di un cuscinetto di aria. Nello studio presente, una boccola di aria basso costo materiale poroso carbonio è stata utilizzata. La coppia residua nei vasi vuoti testati erano in genere sotto 0,5 MN · m con tassi di agitazione fino a 900 giri/min, corrispondente alla velocità di punta di girante di fino a 3 relativa-1. Al contrario, la coppia morta del bioreattore #6 con il cuscinetto albero meccanico incorporato era, per esempio, tra 9,4 MN · m e 20 MN · m, e i valori comparabili di circa 3 MN · m inoltre sono stati segnalati per il bioreattore #732. Si tratta di circa un ordine di grandezza superiore rispetto i valori ottenuti nel setup sperimentale proposto.
Oltre il cuscinetto di aria, il misuratore di coppia utilizzato è il componente più critico. Un misuratore di coppia disponibili in commercio che è stato progettato per la misura statica e dinamica di coppia, velocità di rotazione e angolo di rotazione è stato selezionato per questo studio. Considerando i bioreattori di interesse con volumi di lavoro massimi di 10 L e gli agitatori corrispondenti, una coppia nominale di 0.2 Nm è stato scelto. È stato trovato che un'elevata riproducibilità con deviazione standard relativa di replica < 5% e misurazioni affidabili possono essere ottenute per coppie efficace à partir 2 MN · m, corrispondente al solo 1% della coppia nominale. Quindi, il campo di misura del sensore applicato nello studio presente era significativamente più ampio di risultati che sono stati pubblicati sulla base di un studio interlaboratorio dei membri del gruppo di lavoro tedesco GVC-VDI41di miscelazione.
Tuttavia, la gamma della velocità agitatore deve essere accuratamente scelte per quanto riguarda la risoluzione del sensore di coppia, la coppia nominale e la formazione di vortice. Quest'ultimo spesso si verifica in bioreattori unbaffled agitati a velocità più elevate e può causare danni per il misuratore di coppia. Entrambe le velocità minime e massime realizzabili agitatore possono essere limitante fattori del metodo descritto in questo studio. Oltre al nostro precedente lavoro35, questo studio inoltre coinvolto il bioreattore #3, il membro più piccolo in famiglia di bioreattore vetro fornito dal produttore, che è agitato da due stadi giranti con diametro di 42 mm. Una caratteristica di potenza paragonabile a quella nel bioreattore geometricamente simile #4 è stata ottenuta con la messa a punto sperimentale presentato. Questo è importante in quanto la coppia di bilance con M <img alt="Proportional to" src="/files/ftp_upload/56078/56078pro.jpg"> d5 per una determinata densità di liquido, geometria della girante (cioè numero di potenza) e velocità di rotazione (Vedi EQ. 1 ed EQ. 2). Di conseguenza, una coppia girante inferiore a circa il 40% deriva da un 10% più piccolo diametro della girante, per esempio. Tuttavia, velocità di rotazione più elevati nella scala 1 L rispetto alla scala di 2L sono stati richiesti durante il funzionamento per risolvere la coppia prodotta con il misuratore di coppia disponibile. Dovuto i deflettori incorporati del bioreattore #3, nessuna formazione di vortice è stata osservata, ma questo può diventare un problema con i vasi unbaffled. Va sottolineato che la costante offset i numeri di potenza che è stata trovata fra le due scale possa derivare da imprecisioni di misura causati dalla risoluzione del sensore limitato (oltre alle differenze geometriche). Ulteriori indagini sono necessarie per trarre conclusioni definitive su scala minima alla quale la configurazione proposta è ancora fattibile.
Tuttavia, lo stesso protocollo è stato utilizzato per misure di input di potere in vari vasi di vetro di diversi produttori con volumi di lavoro di tra 1 e 10 litri nel nostro laboratorio. Ciò evidenzia la trasferibilità del metodo usato per la caratterizzazione di sistemi diversi bioreattore. Lo sforzo sperimentale potrebbe essere ridotto da misure automatizzate utilizzando la gestione delle ricette all'interno il sistema di automazione fornito dal software di unità di controllo e il trattamento automatizzato di dati basato su linguaggio Matlab universale.
Inoltre, va notato che, utilizzando il saccarosio contenenti, supporti economici modello newtoniano, un vasta gamma di Reynolds numeri (100 < Re < 6·104), a seconda dell'agitatore e scala, è stato coperto. Va inoltre sottolineato che il limite inferiore del campo di turbolenza è solitamente irrilevante per colture cellulari animali con acqua-come media, anche se vengono utilizzate velocità girante molto basso. Tuttavia, un aumento significativo della viscosità di brodo, che si traduce nel comportamento di smorzamento e anche non-newtoniani di turbolenza è state descritte per funghi - e culture basate sulle cellule della pianta. Per esempio, viscosità apparente in colture vegetali di fino a 400-fold rispetto all'acqua sono stati segnalati42, che conduce a molto più bassi numeri di Reynolds.
Infine, utilizzando il bioreattore #7 come un primo caso di studio, è stato dimostrato che la messa a punto sperimentale proposto può essere utilizzato per studiare l'effetto delle modifiche di progetto sulla potenza assorbita a scala di laboratorio. In combinazione con tecniche di prototipazione rapida, questo può essere un potente strumento per gli studi di progettazione girante, facenti parti del lavoro futuro.

Potenza in ingresso è un parametro chiave di ingegneria per la caratterizzazione e la scalabilità di bioreattori perché si riferisce a numerose operazioni di unità, quali omogeneizzazione1,2,3, dispersione di gas-liquido2 , 4 , 5, calore trasferimento6 e sospensione solido7. Potenza in ingresso è associato anche con sollecitazione di taglio, che può in particolare effetto crescita e formazione di prodotto nel taglio delle cellule sensibili culture8,9,10,11.
Le tecniche più comuni per la misurazione della potenza assorbita in bioreattori agitate sono basati su energia elettrica disegno12,13,14, calorimetria12,15 (calore, cioè fisso equilibrio o riscaldamento dinamico attraverso l'agitazione) o la coppia al momento l'agitatore. Quest'ultimo può essere determinato sperimentalmente da dinamometri, torsiometri o estensimetri, che sono stati applicati per una varietà di agitatori, tra cui singole o multi-fase Rushton turbine1,16,17 , 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 , 25, tetto spiovente lama giranti19,20,23,26,27, InterMig19,21 e Scaba giranti28 , 29. una revisione dettagliata è fornita da Ascanio et al (2004)30.
Dalla coppia (T), la potenza in ingresso (P) può essere stimato da EQ. 1, dove N è la velocità di rotazione dell'agitatore.
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/56078/56078eq1.jpg">(1)
Al fine di tener conto delle perdite che si verificano nell'agitazione (in cuscinetti, guarnizioni e il motore stesso), la coppia effettiva (TFEP) dovrebbe essere determinata come differenza tra il valore misurato nel recipiente vuoto (TD) e nel liquido (TL ). Infine, il numero adimensionale potenza (P0, noto anche come numero di Newton), che è definito da EQ. 2 dove ρL denota la densità del liquido e d rappresenta il diametro della girante, utilizzabile per confrontare diversi agitatori.
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/56078/56078eq2.jpg">(2)
È ben noto che il numero di potenza è una funzione del numero di Reynolds (cioè la turbolenza) e diventa costante in condizioni completamente turbolente. La girante numero di Reynolds è definita da EQ. 3, dove ηL è la viscosità del liquido.
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/56078/56078eq3.jpg">(3)
Tuttavia, misure di input di potere in bioreattori su piccola scala sono ancora impegnative a causa le perdite di attrito relativamente alta all'interno di cuscinetti meccanici degli alberi girante e la precisione limitata di torsiometri più commercialmente disponibili. Di conseguenza, soltanto alcuni rapporti sulla potenza ingresso misure in scala di benchtop bioreattori sono stati pubblicati17,18,22,24,31,32. C'è anche una mancanza di dati circa la potenza assorbita in bioreattori monouso, che vengono consegnati dai produttori preassemblati, sterilizzato e ready-to-use33,34. Contrariamente alle loro controparti riutilizzabili, maggior parte dei bioreattori monouso sono agitati da giranti appositamente progettati, rendendo difficile il confronto.
Al fine di colmare questa lacuna, un metodo affidabile per misure di potenza ingresso con focus particolare su Agitatori da laboratorio scala è stato sviluppato recentemente35. I valori di coppia misurati nei vasi vuoti, che sono stati causati da perdite di attrito, sono stati ridotti in modo efficace mediante l'uso di un cuscinetto di aria. Di conseguenza, una vasta gamma di condizioni operative con bassa turbolenza moderata (100 < Re < 2·104) potrebbe essere studiato e l'alimentazione di diversi bioreattori multi-uso e monouso è stato fornito.
Il presente studio fornisce un protocollo di misura dettagliata del metodo precedentemente sviluppato e viene descritto come impostare, condurre e valutare una misura di ingresso alimentazione basata su coppia in bioreattori di scala di laboratorio. Particolare attenzione è su sistemi single - e multi - uso commercialmente disponibili. Una procedura di misura automatizzati è utilizzata per ridurre lo sforzo sperimentale.

<table><tbody><tr><td>Torsiometro T20WN</td><td>HBM Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH</td><td></td><td>Coppia nominale 0,2 Nm</td></tr><tr><td>Spider-8</td><td>HBM Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH</td><td></td><td>HBM Spider8 non è più disponibile per la vendita. Si consiglia il sistema DAQ QuantumX (in particolare i moduli QuantumX MX840A e MX440A).</td></tr><tr><td>Software facile Catman</td><td>HBM Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH</td><td></td><td>Versione 4.2.2</td></tr><tr><td>Cuscinetto ad aria</td><td>IBS ingegneria</td><td></td><td>di precisione boccola ad aria da 13 mm</td></tr><tr><td>Albero della girante in acciaio inossidabile</td><td>Bioengineering AG</td><td></td><td>Tolleranza albero albero -0,0076 mm</td></tr><tr><td>Motore brushless AKM2</td><td>Kollmorgen</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Giunto a soffietto metallico</td><td>Uiker AG</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Unità di controllo Finesse RDPDmini</td><td>Finesse, parte di Thermo Fisher Scientific</td><td></td><td>Non più supportato (è possibile utilizzare il prodotto di ricambio G3Lab controller universale)</td></tr><tr><td>Saccarosio</td><td>Migros Schweiz AG</td><td></td> Software Matlab <td>per uso alimentare</td></tr><tr><td></td><td>Mathworks</td><td></td><td>Versione R2017a</td></tr><tr><td>Finesse &mu; Software per PC TruBio</td><td>Finesse, parte di Thermo Fisher Scientific</td><td></td><td>versione 3.1 (non più supportata)</td></tr><tr><td>SmartGlass 1L</td><td>Finesse, parte di Thermo Fisher Scientific</td><td></td><td>denominato Bioreattore 1L nella Tabella 2</td></tr><tr><td>SmartGlass 3L</td><td>Finesse, parte di Thermo Fisher Scientific</td><td></td><td>denominato Bioreattore 3L nella Tabella 2</td></tr><tr><td>SmartVessel 3L</td><td>Finesse, parte di Thermo Fisher Scientific</td><td></td><td>denominato bioreattore monouso da 3 litri nella tabella 2</td></tr><tr><td>Mobius CellReady 3L</td><td>Merck Millipore</td><td></td><td>indicato come bioreattore Cell Ready 3L monouso nella Tabella 2</td></tr><tr><td>UniVessel SU 2L</td><td>Sartorius Stedim Biotech</td><td></td><td>indicato come bioreattore monouso da 2L nella Tabella 2</td></tr></tbody></table>

misure di potenza ingresso in bioreattori agitate a scala di laboratorio

Power Input Measurements in Stirred Bioreactors at Laboratory Scale

La potenza assorbita in bioreattori agitate è un importante parametro di scalabilità verticale e può essere misurata attraverso la coppia che agisce sull'albero della girante durante la rotazione. Tuttavia, la determinazione sperimentale dell'input di potere in piccoli vasi è ancora difficile a causa di perdite di attrito relativamente alta all'interno in genere usate boccole, cuscinetti e/o tenute e la precisione di torsiometri commercialmente disponibili. Così, solo i dati limitati per bioreattori in piccola scala, sistemi monouso in particolare, sono disponibili in letteratura, rendendo difficile il confronto tra diversi sistemi monouso e le loro controparti convenzionali.
Questo manoscritto fornisce un protocollo su come misurare gli ingressi di alimentazione in bioreattori scala benchtop sopra una vasta gamma di condizioni di turbolenza, che può essere descritto dal numero di Reynolds adimensionale (Re). Le perdite di attrito di cui sopra sono ridotti in modo efficace mediante l'uso di un cuscinetto di aria. La procedura su come impostare, condurre e valutare un'alimentazione basata su coppia misura, con particolare attenzione alle condizioni di agitazione tipico di coltura delle cellule con bassa a moderata turbolenza in ingresso (100 < Re < 2·104), è descritto in dettaglio. L'alimentazione di diversi bioreattori multi-uso e monouso è fornito dal numero adimensionale potenza (chiamato anche numero di Newton, P0), che è determinato per essere nella gamma di P0 ≈ 0,3 e P0 ≈ 4.5 per i massimi numeri di Reynolds nei bioreattori differenti.

La potenza assorbita in bioreattori agitate può essere misurata attraverso la coppia che agisce sull'albero della girante durante la rotazione. Questo manoscritto descrive come un cuscinetto di aria può essere utilizzato per ridurre le perdite per attrito osservate in tenute meccaniche efficacemente e migliorare la precisione delle misurazioni della potenza ingresso nei piccoli vasi.

Misure di potenza ingresso in bioreattori agitate a scala di 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 ...

L'obiettivo generale di questo protocollo è determinare l'apporto di potenza in bioreattori di laboratorio agitati, basandosi su misurazioni della coppia. Il principale vantaggio di questa tecnica consiste nel fatto che possono essere utilizzati sensori disponibili in commercio per indagini su scala da banco, consentendo all'utente di effettuare misurazioni utili per studi di scala-up. Una dimostrazione visiva di questa tecnica è fondamentale poiché un corretto montaggio del trasduttore di coppia è essenziale per ottenere misurazioni affidabili.Configurare gli elementi del biorreattore e l'apparato di controllo su un banco da laboratorio. Per questo esperimento, è presente un serbatoio di mescolamento da due litri e il supporto per il recipiente. È inoltre disponibile un supporto appositamente progettato per il motore dell'agitatore.Oltre a un supporto per il motore, è presente un supporto per un misuratore di coppia. La progettazione speciale include un cuscinetto aereo con un ingresso per aria pressurizzata. Utilizzare un computer e un'unità di controllo del biorreattore per l'acquisizione e il controllo dei dati.Inoltre, procurarsi un liquido con densità e viscosità definite, come acqua pura o una soluzione di saccarosio. Il primo passo consiste nel montare il motore dell'agitatore e il trasduttore di coppia. Posizionare innanzitutto il motore dell'agitatore servo-brushless sulla parte superiore del supporto.Fissare il motore in posizione con delle viti, quindi orientare correttamente il trasduttore di coppia e posizionarlo. Fissarlo al supporto utilizzando quattro viti. Fissare l'accoppiamento a soffietto metallico per collegare l'albero del motore all'albero motore del trasduttore di coppia.Una volta completata questa operazione, prendere l'albero dell'agitatore. Installare le pale sull'albero dell'agitatore prima di procedere. Successivamente, inserire l'albero dell'agitatore nel cuscinetto ad aria.Fissare il secondo giunto a soffietto metallico per collegare l'albero dell'agitatore all'albero di misura del trasduttore di coppia. Posizionare il supporto con il trasduttore di coppia installato e il motore di trascinamento sulla piastra superiore del biorreattore. Dopo aver selezionato il sensore appropriato e le condizioni di prova, il passaggio più critico è l'installazione corretta del trasduttore di coppia e dell'albero dell'elica, che viene mantenuto in posizione da un cuscinetto a gas.Ora inserire un sensore di temperatura nel biorreattore. Collegare il sensore al convertitore A/D. Successivamente, collegare il motore di comando all'unità di controllo.Preparare il cuscinetto d'aria collegando il tubo per l'aria pressurizzata. Applicare la pressione d'aria appropriata sul cuscinetto. L'allestimento completato è rappresentato in questo schema.Il software del computer utilizza l'unità di controllo per impostare la velocità del motore e monitorare la temperatura. Il computer acquisisce i dati dal trasduttore di coppia attraverso un convertitore analogico-digitale. Aprire il software di controllo sul computer.La schermata iniziale è la pagina della scheda Impostazioni. Vai al menu a discesa della porta COM e utilizzalo per selezionare la porta corretta. Fare clic sul pulsante Connetti per avviare la comunicazione con l'unità di controllo.Nella stessa pagina della scheda, passare al simbolo della cartella accanto al campo di testo Posizione file dati. Fare clic su di esso e una finestra di dialogo finale si aprirà automaticamente. Sfogliare la cartella desiderata e digitare un nome file per il file di registrazione dei dati.Confermare cliccando sul pulsante OK. Il percorso e il nome del file verranno visualizzati nel campo di testo Posizione del file dati. Passare ora alla scheda Ricette e portare quella pagina in primo piano.Trova i campi etichettati come PhaseDuration e Agitator. Digita i valori desiderati per la durata della fase della ricetta in minuti e le corrispondenti velocità dell'elica nei campi di testo. Per salvare la ricetta, fai clic su Salva.Nella finestra di dialogo del file, selezionare il percorso desiderato. Digitare il nome del file desiderato. Fare clic su OK, la finestra di dialogo si chiuderà automaticamente.Aprire il software di acquisizione dati per configurarlo. Un indicatore verde accanto a un canale indica che è stato inizializzato e attivato. Fare clic sul pulsante Aggiornamento in tempo reale.Un canale visualizza il segnale di coppia, che deve essere opportunamente azzerato. Selezionare la scheda della pagina Attività di acquisizione dati per passare alla pagina della scheda Acquisizione dati. Quindi, in Gruppi della frequenza di campionamento, selezionare una frequenza di acquisizione dati di due hertz.In corrispondenza di Inizio della registrazione dei dati, selezionare Immediatamente all'avvio del processo. Successivamente, passare a Arresto della registrazione dei dati e selezionare Durata. Definire un tempo leggermente superiore alla misurazione.Ora passare alla pagina della scheda Archiviazione dati. Andare al menu a discesa Formato file e selezionare l'opzione Informazioni canale ASCII. Impostare un percorso file per i dati di misurazione nel campo di testo corrispondente.Per eseguire l'esperimento, tornare al biorreattore. Utilizzare un imbuto per aggiungere acqua o la soluzione di saccarosio al recipiente. L'esperimento è pronto per essere avviato.Nel software di acquisizione dati, andare alla pagina Attività di acquisizione dati. Lì, fare clic su Avvia, quindi passare al software dell'unità di controllo per avviare l'agitatore. Per utilizzare una ricetta, andare alla scheda Ricetta.Selezionare lì una ricetta predefinita per l'esperimento. Nella stessa pagina, fare clic sul pulsante Avvia. Il processo verrà avviato automaticamente e la velocità dell'agitatore sarà impostata in base alle impostazioni definite nella ricetta.Al termine dell'esperimento, si aprirà una finestra nel software di acquisizione dati. Salvare i dati facendo clic sul pulsante Salva dati ora. Nel software dell'unità di controllo, verrà visualizzata una finestra di messaggio che indica che il processo è stato completato.Fare clic su OK, passare alla scheda Ricetta e fare clic sul pulsante Arresta per completare la ricetta. Per l'elaborazione dei dati grezzi, può essere utilizzato uno script Matlab, fornito nella sezione Supplementare di questo manoscritto. Dopo aver aperto il software Matlab, passare alla directory di lavoro in cui sono stati memorizzati i dati sperimentali.Digitare il comando Torque Results nella finestra dei comandi e premere Invio. Questo avvia lo script Matlab che guida l'utente attraverso l'elaborazione dei dati. Selezionare il file di registrazione dati per i dati del sensore di coppia e fare clic su Apri.Digitare i parametri del processo nei rispettivi campi di testo quando richiesto. I risultati vengono mostrati graficamente e i dati elaborati vengono salvati automaticamente in un nuovo file di testo all'interno della directory di lavoro. Questi dati mostrano come il segnale della coppia aumenti con ogni incremento dello step della velocità di rotazione.Dopo un picco transitorio, occorre circa un minuto prima che le misurazioni diventino quasi stabili. Ciò dipendeva dalla velocità di rotazione e dall'elica. Le linee tratteggiate indicano un intervallo di confidenza del 5% rispetto ai valori medi nel tempo.Questo grafico confronta la potenza in ingresso prevista e misurata in funzione del numero di Reynolds per diverse concentrazioni di saccarosio. Le linee continue rappresentano un modello che assume una proporzionalità tra la potenza e il cubo del numero di Reynolds. I cerchi rappresentano i dati sperimentali.Il biorreattore era un recipiente in vetro con un volume operativo di due litri e una configurazione con agitatore a turbina Rushton singola. I triangoli in questo grafico rappresentano dati provenienti da un biorreattore in vetro con volume operativo di due litri. I cerchi rappresentano dati provenienti da un biorreattore in acciaio inossidabile con volume operativo di 10 litri.Entrambi sono dotati di una singola turbina Rushton. I numeri di potenza per condizioni completamente turbolente sono uguali su entrambe le scale. Un confronto dei dati ottenuti da bioreattori con volumi operativi di uno e due litri, equipaggiati con turbine Rushton modificate e agitatori a pale segmentate, mostra che entrambi presentano riduzioni simili dei numeri di potenza all'aumentare dei numeri di Reynolds.La differenza tra i due valori può essere dovuta alla geometria del recipiente o dell'agitatore. Dopo aver visto questo video, si dovrebbe avere una buona comprensione di come impostare misurazioni della coppia per determinare l'apporto di potenza in bioreattori su scala da banco. Seguendo questa procedura, le misurazioni possono essere eseguite sia in sistemi monouso che in sistemi convenzionali.Utilizzando misurazioni automatizzate, lo sforzo sperimentale può essere notevolmente ridotto e molti punti dati possono essere ottenuti in modo rapido, affidabile e riproducibile.

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