전단 응력 조사는 유수 에멀젼 시스템에 대한 전단 응력 조사로 인해 실험 시간 동안 방울 파괴가 발생합니다. 펌핑 공정에서 입자 크기를 계산하기 위해 이 프로토콜에서 인라인 내시경의 적합성이 성공적으로 입증되었습니다.
방법 논문
전단 응력 조사는 유수 에멀젼 시스템에 대한 전단 응력 조사로 인해 실험 시간 동안 방울 파괴가 발생합니다. 펌핑 공정에서 입자 크기를 계산하기 위해 이 프로토콜에서 인라인 내시경의 적합성이 성공적으로 입증되었습니다.
바이오 의약품 및 바이오 생산 공정에 멸균 문화 국물을 전송할 때 펌프가 주로 사용된다. 그러나, 펌핑 과정 동안 전단력 성적 및 / 또는 정량적 제품의 손실을 초래할 수있는 일어난다. 한정 실험 비용과 기계적 응력을 계산하기 위해, 오일 - 물 에멀션 시스템 적합성 그 바이오 리액터 1 입자경 탐지에 대한 입증되었다 사용 하였다. 오일 - 물 에멀션 시스템의 드롭 해체 기계적 응력의 함수이기 때문에, 사이즈가 전단 응력의 조사 실험 시간에 걸쳐 계산 될 필요가 드롭. 이전 연구에서, 인라인 내시경은 액체 / 액체 분산액 입자경 탐지에 대한 정확하고 신뢰할 수있는 측정 기술이 될 것으로 밝혀졌다. 이 프로토콜의 목적은 펌핑 프로세스 입자경 측정 인라인 내시경 기술의 적합성을 보여주는 것이다. 방울 크기를 표현하기 위해, 사우 터 평균 직경(D) (32)는 오일 - 물 에멀젼 액 적의 직경 대표로서 사용 하였다. 결과는 측정 기술의 신뢰도를 나타내는, 15 % 이하의 표준 편차에 의해 정량화 하였다 사우 터 평균 직경으로 낮은 변이를 보였다.
펌프는 약학 및 생물 공학 산업에서 세포 배양을 전송하는 데 사용된다. 펌핑 과정에서 기계적 응력은 제품 1-4의 양과 질을 해치는 비가역 세포 손상을 초래할 수있다. 이전 연구에서 입증 된 바와 같이 5-6 기계적 응력의 레벨은, 펌프 식 펌프의 설정에 의존한다. 일반적으로, 연동, 주사기 및 다이어프램 펌프는 단일 사용 (SU) 기술 기반 응용 프로그램에 사용됩니다. 이러한 펌프는 펌프 튜브의 압축 및 맥류 (7)에 의한 높은 전단력 로컬 초래한다.
이러한 단점, 자기 부상 원심 펌프 (자기 부상 원심 펌프)을 극복하기 위해 유망한 대안을 구성한다. 모터는 자기 임펠러와 펌프 하우징 (도 1) 사이의 좁은 갭을 방지하기 위해 구동된다. 이전 연구는 자기 부상 원심 조사연동 식 펌프 및 4- 피스톤 다이어프램 펌프 (5)에 비해 중국어 햄스터 난소 (CHO) 세포에서 낮은 기계적 응력을 보였다. 또한, 용혈 분석은 이러한 펌프를 사용하여 8-11 동작 조건 범위에 걸쳐 유의 한 혈중 외상 및 혈전 형성을 보이지 않았다. 연구 결과는 이러한 특별히 설계된 펌프의 사용이 연동 및 다이어프램 펌프에 비해 생물학적 시스템에 덜 기계적 응력을 적용 보여줍니다. 한정 실험 비용과 기계적 응력을 조사하기 위해, 오일 에멀젼 모델 시스템 인해 비용 (약 99.8 %) 생물학적 세포 배양 시스템에 비해 시간이 감소 (약 99.5 %), 응용 프로그램을 권장합니다.
오일 - 물 에멀션 시스템의 드롭 해체 기계적 응력의 함수로서 크기가 전단 응력의 조사 실험 시간에 걸쳐 계산되어야 드롭. 방울 크기 조정을위한 많은 기술은 와트 사용할 수 있습니다HICH는 사운드, 레이저 및 포토 기반 기술 (12)로 나눌 수있다. 특히, 광 - 광학 탐침 인라인 내시경의 사용은 수동 및 자동 탐지에 대한 거의 동일한 입자경 (10 % 이하의 표준 편차)을 나타내고, 13 분 당 250 방울의 검출을 가능하게한다. 정확성과 신뢰성, 내시경 기술은 액체 / 액체 분산액의 액적 크기 분포에 대한 효과적인 표준 측정법으로 도시되고 있기 때문에 일반적으로 사용되는 다른 프로브 (예를 들어, 광섬유 전후 비율 (FBR) 센서와 비교할 때 , 집속 빔 반사율 법 (FBRM)과 이차원 광 반사율 측정 기술 (2D-ORM)) (12, 14). 또한 교반 용기 내에 입자경을 측정하기위한 인라인 내시경의 적합성은 이전 연구 15-18에서 여러 번 증명되었다.
선행 연구 6에 기초하여,이 프로토콜은 설명방울 크기를 결정하기 위해 인라인 내시경의 사용은 펌프의 오일 - 물 에멀션 시스템 (사우 터 평균 직경). 사우 직경 다목적 (MU) 자기 부상 원심 펌프, 연동 식 및 일회용 (SU) 4- 피스톤 격막 펌프의 기계적 응력을 측정하기 위해 비교 기준으로서 사용 된 것을 의미한다.

그림 1. 자기 (磁气) 원심 펌프 시스템을 부상. () 무 베어링 모터와 (B) PuraLev 200MU의 원리를 예로 표시됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
조사는 2 줄이 수행 할에 압력을가 떨어 인 min -1 60 (L) 최대 유량에서 기계적 응력 실험을 할 수있는 파이프 펌프 설치 (Figu 2 재), 사용하여 수행 하였다. 도에 나타내는 바와 같이, U는 2 실험 장치는 저장 용기, 펌프 회로 및 인라인 내시경 기술 장비로 구성되어, 재. 저장 용기의 임펠러은 계면 활성제를 혼합하는 데 사용 하였다. 주변 요소를 다른 펌프에 설정 유량 V 및 압력 강하 (P)을 모니터링하는 폐쇄 루프로 통합되었다. 조사는 핸드 휠 밸브를 사용함으로써 변화시켰다.
1. 실험 설정
2. 측정 및 이미지 분석

도 2 실험 구성 측정 기술로서 인라인 내시경 이용한 파이프 펌프 셋업 펌프 회로 :. (5) 센서 흐름 (1) 저장 용기 (2) 주사기 포트 (3) 펌프, (4) 압력 센서, ( 6) 스트로보 스코프, 제조업체가 제공하는 소프트웨어 (7) 컴퓨터 및 (8) 내시경 프로브. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
광학 평가
u는 다시도 3을 1 시간의 펌핑 시간 후의 입자 인식 화상을 도시한다. 상위 4 이미지가 인식하기 전에 방울과 하부 네 개의 이미지가 인식 소프트웨어로 표시 방울 쇼를 보여줍니다. 검출 된 방울 녹색 가장자리 강조 표시됩니다. 상하의 이미지를 비교하는 것은 드롭 에지들이 정확하게 화상 인식 소프트웨어에 의해 검출되었음을 나타낸다. 왼쪽 이미지는 자기 부상 원심 대한 드롭 분포 PuraLev 200MU 및 PuraLev 600MU 펌프 표시하고, 우측에는 이들 4 피스톤 다이어프램 및 연동 펌프를 나타낸다. 광학 평가 모델 에멀젼 시스템에서 기계적 응력의 초기 분류를 허용했다. 이것은 더 큰 입자경 및 하부 드롭 카운트 4 피스톤 diaphr 비해 자기 부상 원심 펌프에 의해 생성 된 것으로 나타났다AGM과 연동 펌프. 따라서, 자기 부상 원심 펌프, 특히 PuraLev 200MU은 낮은 기계적 응력을 나타내는 감소 드롭 파손을 보였다.

인라인 내시경도 3 이미지. 에멀젼 (A, B, C, D)과 후 (E, F, G, H)의 입자 인식 (A, E) PuraLev 200MU를 사용하여 펌프의 1 시간 후에 이전에 방울 ( B, F) PuraLev 600MU, (C, G) 4 피스톤 다이어프램 펌프, 및 (D, H) 동일한 작동 조건에서 연동 펌프 (3.4 L 분 -1 0.03 바). 을 보려면 여기를 클릭하십시오 이 그림의 더 큰 버전.
나를 라야직경
또한 조사 D 32 ± 0.4 μm의 아래에 표준 편차를 보여 인라인 내시경 (19)를 사용할 때 재현 가능한 결과를 보장합니다. 따라서, 다수의 조사 추가적으로 실험 비용 저감이 방법에 필요하지 않았다.
방울 크기를 표현하기 위해,이 방법 사우위한 오일 - 물 에멀젼 액 적의 직경 대표로서 사용 하였다 (식. 1 참조) 직경 (D) (32)를 의미한다. 일반적으로, 사우 직경 정상 상태 (12)에 도달 할 때까지 모든 펌프 유형 및 펌프 설정 시간에 걸쳐 감소 의미한다. 이 연구에서 조사가 사우 평균 직경의 진행을 (그림은 유 D에 4A를 재) 확인, PuraLev 200MU (그림의 곡선이 U 다시 &# 160; 4A)과 연동 펌프 (그림은 유 4D를 재) 예시이 프로토콜에서 논의되고.
PuraLev 200MU 달리, 사우는 직경이 동일한 동작 조건에서 연동 식 펌프 40 %보다 작은 (; 압력 강하 = 0.03 바 유량 = -1 분 3.4 L)까지 평균 하였다. 결과적으로, 높은 기계적 응력이 증가 드롭 분열의 결과 때문에 작은 방울 크기. 또한, 사우 터 평균 직경 압력 강하에 방울 크기의 의존성을 나타낸 PuraLev 200MU 증가 압력 강하 (도 4A는 유 재)로 감소 하였다. 대조적으로, 연동 펌프는 사우 터 (모든 공정 변수에 대한 실험의 끝에도 개발 32,60min = 10 ㎛의 평균 직경 나타났다유) 4D를 다시. 따라서, 사우 직경이 압력 강하와 무관 한 것으로 밝혀졌다 의미한다. 그러나, 결과는 드롭 분열의 물리적 이해를 반영 : 높은 기계적 스트레스에 더 작은 사우 터 평균 직경 (U가 다시도 5를도 1 참조)을 측정 하였다.
각 측정 지점에 대해 적어도 300 방울 통계적 확실성을 보장하기 위하여 측정 하였다. 최대 표준 편차 펌핑 프로세스의 끝에서 약 21 ± 0.5 D 32 [㎛] ± 차원 32,6min에서 42 μm의 ±과 PuraLev 600MU 위해 개발 32,4min로부터 PuraLev 200MU 위해 감소. 정상 상태에 도달 할 때까지 감소 된 표준 편차는 증가 된 균일 한 입자경 분포에 기인. 비교 T에서자기 부상 원심 펌프 O를 연동 및 4 피스톤 다이어프램 펌프는 D 32 ± 10 μm의 아래의 표준 편차를 한 것으로 밝혀졌습니다.
(1)

사우도 4의 전형적인 프로파일은 직경이 32 시간 이상을 D 및 측정 사우 터 평균 직경의 측정은 32 m d는 것을 의미한다. 사우 터 평균 직경의 비교는 연동 펌프 (4) - 피스톤 격막 펌프, 및 (D)에 대한 PuraLev 600MU, (C)에 대한 PuraLev 200MU, (B) 32 (A)를 거라고. 사우 터 평균 직경은 32 분 -1 3.4 L의 유속으로 결정 하였다 D와 압력은 0.03 내지 0.61 범위의 방울 바.측정 사우 터 평균 직경 (D) (32)는, m은 마지막 10 분 (경계)에 대해 계산 하였다. 사우 평균 직경의 결과 표준 편차가 32 (N ≥ 300)이 표시됩니다 거라고. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
비교 시스템으로서 측정 사우 터 평균 직경
상술 한 바와 같이, 사우 입자경이 정상 상태에 도달 할 때까지 시간이 지남에 따라 직경이 감소 된 것을 의미한다. 실험 시간의 마지막 10 분에, 사우의 평균치 직경이 비교 기준으로 사용 하였다 직경을 의미 측정 사우을 결정하도록 계산 된 평균 (u는 4A-D를 다시도의 경계를 참조). 사우 터 평균 직경을 측정 한 32 D, m은 3.4 L의 유속 나타낸다 &# 160; 0.03 내지 0.61도 바 -1 및 압력 강하 최소 범위 U 5 재. 큰 측정 사우 평균 직경은 모두 자기 부상 원심 펌프 (200MU 및 600MU)과 낮은 압력 강하와 임펠러 속도로 4 피스톤 다이어프램 펌프를 측정 하였다. 연동 펌프는 사우 모든 공정 파라미터에 대한 D (32), M = 10 μm의 직경을 의미 측정 계시. 앞서 언급 한 바와 같이, 전단력은 연동 펌프를위한 압력 강하와 무관했다.
PuraLev 200MU과 PuraLev 600MU에 대한 D (32), M = 34 μm의에 대한 D (32), M = 36 μm의 가장 큰 측정 사우 평균 직경은 0.03 bar의 압력 강하를 얻었다. 자신의 대응과 비교, 시리즈 원심 펌프 자기 부상은 사우 직경을 의미 측정 59 % 더 큰까지 얻을. 이러한 결과s는 드롭 이별의 낮은 속도와 원심 펌프의 사용으로 인한 따라서 낮은 기계적 스트레스를 지적했다.
정상 상태함으로써 입자경 신뢰성과 정확성을 확인 값, 15 % 미만이었다 동안 측정 사우의 표준 편차는 직경을 의미한다.

측정 사우 평균 직경의 그림 5. 비교, M 32을 거라고. 3.4 L 0.03, 0.30 및 0.61 바의 분 -1 압력 방울에 자기 부상 원심 펌프와 그 대응에 대한 사우에게 평균 직경을 측정 하였다. 사우 터 평균 직경을 측정 한 결과의 표준 편차는 정상 상태 중 m이 도시되어 32 거라고.
약어 PLEASE이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
| 2D-ORM | 이차원 광 반사율 측정 |
| CCD | 전하 결합 소자 |
| CHO | 중국어 햄스터 난소 |
| CMC | 임계 미셀 농도 |
| FBR | 전후 비율 |
| FBRM | 집속 빔 반사율 방법 |
| MU | 다중 이용 |
| SU | 단일 사용 |
명명법
| [M 3 초 -1] | 유속 | |
| C | [M 3m -3] | 집중 |
| D (32) | [M] | 사우 평균 직경 |
| D (32), M | [M] | 측정 라야 평균 직경 |
| D의 | [M] | 표면 직경 |
| D의 V | [M] | 체적 직경 |
| F | [Hz]로 | 주파수 |
| N | [초 -1] | 임펠러 속도 |
| N | [-] | 방울의 수 |
| 피 | 아빠 | 압력 강하 |
| 티 | 초 | 시간 |
| β | [KG 분 -3] | 질량 농도 |
| ρ | [KG 분 -3] | 밀도 |
| 69; | [M 3m -3] | 질량 분율 |
약어 및 용어의 표 1 표.
이 프로토콜의 목적은 펌핑 프로세스 입자경 측정 인라인 내시경 기술의 적합성을 보여주는 것이다. 이를 위해, 판별 된 오일 - 물 에멀션 시스템의 크기를 떨어 뜨리고 측정 사우 터 평균 직경은 자기 부상 원심의 기계적 스트레스가 대응하는 연동 및 4 피스톤 격막 펌프뿐만 아니라 펌프의 특성을 산출 하였다. 측정 된 결과는 사우 터의 낮은 변화를 확실하고 정확하게 측정되었는지 입자경을 나타내는 15 % 이하의 표준 편차에 의해 정량화 하였다 직경을 의미 하였다. 결과적으로, 측정 사우 터 평균 직경은 성공적으로 조사 펌프의 기계적 응력을 평가하는 비교 기준으로 사용될 수있다. 자기 부상 원심 펌프는 연동 및 4 피스톤 다이어프램 펌프에 비해 유화 방울에 낮은 기계적 응력을 나타내는 큰 측정 사우 평균 직경을 밝혔다. 스터드에서최신 IES는 인라인 내시경이 연구에 의해 확인 하였다 신뢰성 입자경 측정 1,6,12-14,20-21위한 견고하고 간단한 기술 것으로 밝혀졌다. 이러한 광섬유 FBR 센서로서 다른 측정 기법에 비해, FBRM 및 2D-ORM 기술은 내시경 기술은 액체 / 액체 애플리케이션 (12, 14)에 정확한 데이터를 획득하기위한 표준 방법으로 사용될 수있다.
인라인 내시경 및 비 생물학적 오일 - 물 에멀션 시스템의 간단한 제작 쉽게 취급 프로토콜 텍스트에 따른 방울 크기 탐지를위한 간단한 절차 (상기 참조) 수있다. 그럼에도 불구하고,이 내시경 프로브의 위치가 저장 용기 내의 유체 흐름에 의존한다는 것을 언급한다. 프로브의 렌즈를 5 분간 L까지 낮은 유량을위한 주입 관의 바로 아래에 위치되어야 함을 또한 조사 (데이타 미기재) 밝혀냈다 -1하기 한 방울 (19)의 다중 검출을 피하기 위해. 5 분 -1 L 이상의 유속 선명한 이미지를 들어, 10 cm 이상 떨어진 입구 튜브로부터 프로브를 위치 시키도록 권장된다. 프로세스 파라미터의 독립적, 인라인 내시경 홀더 흐려 이미지 초래할 수 프로브의 이동을 방지하기 위해 안정해야한다.
또한, 특히 검출 입자경이 감지 할 수있는 최소 액적 직경이 6.5 ㎛ 인 것이다인가 광 광학계의 검출 하한치 부근에 주목해야한다. 제조업체가 제공하는 소프트웨어를 개선 한 바와 같이, 인라인 내시경 기술은 안정적으로 1 ㎛의 최소 방울 크기를 감지 할 수 있습니다. 또, 화상 처리부는 상기 산업 분야의 온라인 모니터링을 가능하도록 개발 될 것이다.
본 연구는 최대 3.4 L의 상대적으로 낮은 유량에 초점을 맞추고 있지만 (60) -1 분 미래 연구 운전 조건의 넓은 범위를 고려해야한다. 첫 번째 연구는 (데이터 미도시) 최저 -1 20 L 최대 유속에서 수행되었다. 그러나, 1 : 기름 물 에멀젼 시스템의 2 희석 (C 계면 활성제 = 0.09 ML의 L -1, C 오일 = 0.64 ML의 L-1)는, 최소 -1 (19) 10 (L)을 통해 유속에서 권장 증가 드롭 해체로 그렇지 않으면 영향을 탐지를 삭제하고 검출 된 방울의 수를 줄일 수 높은 기계적 응력에 의해 발생. 시험은 1로 수행되었다 : 2 희석 및 희석 오일 - 물 에멀션 시스템의 결과와 비교 하였다. 두 방법의 경우, 소터는 직경 신뢰성 (5 % 미만 표준 편차)를 측정 한 것을 의미한다. 따라서, 감소 된 부피 분율 (1 : 2 희석) 측정 사우 터 평균 직경에 영향을주지 않았고, 따라서 드롭 드롭 해체 무시할이었다.
NT는 "> 이러한 강력한 실험 접근법 내시경 기술의 향상뿐만 아니라, 관련 이미지 획득, 인식 결과 분석기 소프트웨어를위한 좋은 기초를 제공한다. 또한, 내시경 기술의 적합성은 펌프 형태 및 시리즈를 분류 기계적 따라 스트레스는 성공적으로 시연 하였다. 얻어진 결과는 펌프 디자인 개발 및 세포 손상을 감소시키는 펌프의 최적화에 필수적이다.볼프강 Dornfeld와 레토 Schöb는 Levitronix, (주), 자기 부상 원심 펌프 제조 업체의 직원이다.
저자는 자신의 재정 지원 (제 13236.1 PFFLI-LS)에 대한 기술 및 혁신 (CTI, 스위스)의위원회에게 감사의 말씀을 전합니다.
| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
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| C-Flex Biopharmaceutical Tubing | Saint-Gobain Performance Plastics | 374-375-4 | Tube 약 45 의 튜빙 길이를 선택하십시오. 펌프하기 전에 cm. |
| C-Flex 바이오제약 튜빙 | Saint-Gobain Performance Plastics | 374-375-3 | Tube 약 45 의 튜빙 길이를 선택하십시오. 펌프 후 cm 및 clamp 이 튜브에 유량 센서를 연결합니다. |
| CLAVE Connector | Victus | 011-C2000 | 샘플링 포트 |
| 컨트롤러 LPC-200.1-02 | Levitronix GmbH | 100-30030 | PuraLev 200MU 컨트롤러 |
| 컨트롤러 LPC-600.1-02 | Levitronix GmbH | 100-30033 | PuraLev 600MU 컨트롤러 |
| LeviFlow 클램프온 센서 LFSC-12 | Levitronix GmbH | 100-30329 | 유량 5 미만의 유량 센서; 엘 min-1 |
| LeviFlow 컨버터 LFC-1C-CS | Levitronix GmbH | 100-30328 | 유량 센서 출력 장치 |
| Masterflex I/P Easy Load | Fisher Scientific AG | EW-77963-10 | 연동 펌프 |
| 유사 분열 자유 흐름 밸브 | Parker Hannifin Europe Sà rl | FFLQR16S6S6AM | 밸브 |
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| 모터 | Elektromotorenwerk Brienz AG | 7WAC72N4THTF | 교반기 샤프트 |
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| 모터 LPM-600.4 | Levitronix GmbH | 100-10038 | PuraLev 600MU 모터 |
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