Name: 실험실 규모에서 촉발된 Bioreactors에서 전력 입력된 측정 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-05-16T12:30:00.000+00:00
Duration: 10 min 49 s
Description: 배우세요 교반 바이오리액터에서 토크 측정을 이용한 전력 입력 측정 방법을. 에어 베어링을 활용해 마찰 손실을 최소화하고 정확한 데이터를 획득할 수 있습니다. 이 프로토콜은 실험실 규모의 확장 연구에 적합합니다.

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저자를 디 터 Häussler와 Gautschi 이길 실험 설정 하는 동안 그들의 도움에 대 한 감사 하 고 싶습니다. 우리는 또한 영어 증거 독서에 대 한 캐롤라인 하이드에 게 감사입니다.

1입니다. 자당 솔루션의 준비
참고: 자당 솔루션 사용 됩니다 저렴 한, 뉴턴 모델 미디어로 높은 점도와 밀도 감소 난 기류 조건 ( 표 1참조).
<ol><li>듀란 유리 병을 물과 다양 한 농도 (20-60 %w/w)의 자당을 채우십시오.</li>
	<li>자력으로 혼합 콘텐츠는 자당 완전히 해산 했다 때까지.<ol>
<li>자당 농도 40 %w / w 초과, 추가 자당 간헐적으로 하 고 약간 유리 병 열 (~ 50 ° C). 사용 하기 전에 실내 온도 아래로 자당 솔루션 식 지.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. 측정 조리법 및 데이터 로깅의 준비

<ol><li>시작 후 소프트웨어, 통신 제어 장치 드롭다운 메뉴에서 올바른 직렬 COM 포트를 선택 하 고 연결 버튼을 클릭 하 여 시작. 참고: 연결 버튼 녹색 색깔을 바꿀 것입니다 및 제어 장치와 통신 시작 되 면, 드롭 다운 메뉴 아래 LED 전환 됩니다.</li>
	<li>운영자 PC에 데이터를 저장 하려면 생물 제어 장치 소프트웨어 내부 데이터 파일 경로를 설정 합니다.<ol>
<li>데이터 파일 위치 텍스트 필드 옆에 있는 폴더 기호를 열고 설정 탭 페이지.</li>
		<li>파일 대화 창 욕망 폴더를 찾아 파일 이름 텍스트 필드에 파일 이름을 입력 하 고 확인 버튼을 클릭 합니다. 참고: 데이터 로그 파일 경로 및 이름 텍스트 상자에 표시 되 고 유효한 파일 경로 정의 된 DAQ 시작 단추를 사용할 수 있습니다.</li>
	</ol>
</li>
	<li>측정 절차를 자동화 하기 위해 생물 제어 유닛 소프트웨어의 레시피 관리자 내부 루틴을 설정 합니다.<ol>
<li>제조 법 탭 페이지를 열고 제조 법 단계 경과 시간 (분) 및 해당 임 펠 러 속도 (rpm)에 대 한 원하는 입력된 값 텍스트 필드 상자에 입력 합니다. 프로 파일은 자동으로 차트에 표시 됩니다. 참고: 예를 들어 교 반기 속도 300 rpm에서 100 rpm 20 rpm stepwise 증가 하 고 안정적인 토크를 보장 하기 위하여 4 분 신호 (아래 내용 참조) 각 값은 유지 됩니다. 다른 교 반기 및 선박에 대 한 최소 및 최대 속도 뿐만 아니라 증가의 금액을 조정할 수 있습니다. 참고: 토크 센서 해상도, 공칭 토크 및 소용돌이 형성에 관하여 신중 하 게 속도 범위를 선택 합니다. 후자 종종 unbaffled bioreactors 흥분된 더 높은 속도에서 발생 하 고 토크 미터에 손상을 일으킬 수 있습니다.</li>
		<li>저장 버튼을 클릭 하 고 원하는 파일 경로 텍스트 필드에 파일 이름을 입력 합니다. 파일을 저장 하려면 확인 버튼을 누르십시오.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3입니다. 토크 센서의 설치
참고: 실험적인 체제는 개요로 그림 1에 표시 됩니다.
<ol><li>설치 장소에 센서를 해결 하기 위해 특별히 설계 된 홀더 공기 베어링 ( 그림 1참조)를 사용 하 여 통합 토크 변환기 나사. 이 연구에 사용 된 공기 베어링 부싱 13 m m 내부 직경 자료 다공성 탄소가 있다.<ol>
<li>소유자의 상단에 브러시리스 서보 교 반기 모터를 탑재 합니다. 장착 나사 4 개를 사용 하 여 수직 보유자에 토크 변환기를 수정 합니다.</li>
		<li>모터 샤프트는 토크 변환기를 사용 하 여 금속 우는 샤프트의 작은 축 부정합을 보상 하 고 나사를 사용 하 여 결합을 강화 수 있는 커플링의 드라이브 샤프트에 연결 합니다. 다른 금속 벨로 커플링을 사용 하 여 토크 변환기의 측정 샤프트 교 반기 샤프트를 연결 합니다. 참고:이 연구에서 특별히 13 m m의 직경을 가진 임 펠 러 샤프트 (허용 오차:-0.0076 m m)와 270 m m 사이의 520 m m의 길이와 조사 다른 선박을 위해 사용 되었다.</li>
	</ol>
</li>
	<li>생물 헤드 플레이트에 센서 홀더를 탑재 하 고 원하는 바닥에서 허가와 교 반기 샤프트에는 날개를 설치. 필요한 경우 배플 및 추가 설치 (예: 샘플링 및 수확 관, 전기 화학 센서, 등)는 생물 반응 기 내부를 탑재 합니다.</li>
	<li>선박 소유자 (bioreactors #1, #3 ~ #10) 필요한 경우 원하는 생물을 설치 또는 머리 판 생물 반응 기 탱크 (생물 #2)에 놓고 머리 접시 나사를 조입니다.<ol>
<li>유리 bioreactors의 조사에 대 한 소유자에 생물 유리 그릇을 놓습니다.</li>
		<li>단일 사용 bioreactors의 조사에 대 한 적절 한 절단 도구를 사용 하 여 최고 탑재 된 배관 포트와 플라스틱 머리 접시에서 임 펠 러 샤프트 주택을 분해. 홀더에 플라스틱 그릇을 놓습니다.</li>
	</ol>
</li>
	<li>생물 반응 기 내부 온도 센서를 놓고 제어 장치에 연결 합니다. 공기 베어링의 가스 입구 포트에 가압 공기 튜브를 연결 하 고 압축기에서 제공 하는 약 5.5 바의 압력을 적용 합니다. 토크 변환기 A/D 컨버터를 송신기에 전원을 연결 합니다.</li>
</ol>4입니다. 데이터 수집 소프트웨어의 구성
<ol><li>토크 센서 신호 데이터 수집에 대 한 소프트웨어를 열고 측정 기본 설정을 구성 합니다.<ol>
<li>DAQ 채널 창에서 처음 두 채널 초기화 활성 있는지 확인 합니다. 이 연구에서 토크 신호 채널 0에 설정 하 고 회전 속도 신호는 채널 1에 설정 했다.<ol>
<li>현재 측정 값을 표시 하려면 라이브 업데이트 버튼을 클릭 합니다.</li>
		</ol>
</li>
		<li>회전 없이 절대 토크 신호는 채널 목록에 0 균형 옵션을 선택 하면 채널 항목에서 오른쪽 마우스를 사용 하 여 mN·m 클릭 0.1 보다 큰 경우 0 토크 채널 신호를 설정 합니다.</li>
		<li>DAQ 작업 탭 페이지로 이동한 드롭다운 메뉴 목록에서 2 Hz의 데이터 수집 속도 정의 합니다. 시작 및 데이터 수집의 중지 를 각각 설정 하려면 드롭다운 목록에서 즉시 작업 시작 및 기간 옵션을 사용 합니다.</li>
		<li>샘플 기간 측정 (예를 들어 사용 1 h 0 m 30 s 두 번째 단계에서 정의 된 한 시간 제조 법)을 완료 하는 데 필요한 시간 보다 긴 시간 범위를 정의 합니다.</li>
		<li>데이터 저장소 설정 페이지로 이동한 파일 저장에서 파일 형식 데이터를 설정 하 고 드롭다운 목록에서 ASCII + 채널 정보 옵션을 선택 합니다. 측정 출력 파일에 대 한 PC 하드 드라이브에 파일 경로 설정 합니다.</li>
	</ol>
</li>
</ol>5. 토크 측정 수행
<ol><li>DAQ 작업 메뉴 페이지에서 시작 단추를 클릭 하 여 토크 미터에 대 한 제어 및 데이터 수집 소프트웨어에서 토크 신호에 대 한 데이터 수집을 시작 합니다.</li>
	<li>생물 제어 장치 소프트웨어 설정 탭 페이지에서 DAQ 시작 버튼을 클릭 하 여 교 반기 속도 온도 대 한 데이터 수집을 시작 합니다.</li>
	<li>수동 설정 포인트 또는 미리 정의 된 제조 법 체계와 제어 장치 소프트웨어에서 공정 제어를 시작 합니다.<ol>
<li>단일 측정을 실시 하는 경우 생물 제어 소프트웨어의 메인 탭 페이지에 컨트롤 상자 항목을 사용 합니다. 텍스트 상자에 원하는 세트 포인트를 입력 하 고 '에 공정 제어' 항목을 클릭 하십시오.</li>
		<li>여러 측정 제조 법을 실시 하는 단계 탭 페이지로 이동 하 고 시작 버튼을 클릭 합니다. 참고: 소프트웨어는 자동으로 비활성화 모든 수동 입력 상자 제조 법의 기간에 대 한 고 창 확인 과정의 끝에 자동으로 열립니다.</li>
	</ol>
</li>
	<li>데이터 수집 소프트웨어에는 창이 미리 정의 된 측정 기간 이후 자동으로 열립니다. 지금 데이터 저장 단추를 클릭 하 여 하드 드라이브에 선호 운영자 PC에 각 측정에 대 한 데이터를 저장 합니다.</li>
	<li>각 원하는 교 반기 속도 고 생물 용기 내부 액체에 대 한 측정을 반복 합니다.<ol>
<li>생물에 퍼 널을 통해 물 (또는 자당 솔루션)을 붓으십시오. 참고: (부분적으로) 노출된 impellers 토크 센서를 손상 될 수 있습니다 원치 않는 축 세력에 발생할 수 있습니다 이후 액체 완전히는 impellers을 덮는 다는 것을 확인 하십시오.</li>
	</ol>
</li>
</ol>6. 데이터 평가
참고: 빈 그릇 (죽은 토크)에서 얻은 토크 값 및 베어링의 잔여 마찰 손실 해당 (eq. 1 참조) 효과적인 토크 값을 얻기 위하여 액체에 결정 하는 값에서 공제 해야 합니다.
<ol><li>평균 각 교 반기 속도 준 안정 신호 후 측정에 대 한 토크 값 (아래 참조 토론) 달성. 이상적으로, 적어도 2 분 동안 2 Hz의 측정 속도로 240 데이터 요소에 해당 하는 각 조건에 대 한 평균 값을 계산 합니다.</li>
	<li>데이터 처리에 대 한 Matlab 코드를 사용 하 여 소프트웨어 명령줄에서 코드를 실행 하 여. 참고: 코드가이 원고 보충 섹션에서 다운로드를 위해 제공 됩니다. 이 스크립트 원시 데이터 파일 데이터 기록에서 단계 평균 회전 속도, (식 3 사용자 입력에 따라)에서 레이놀즈 수를 계산 합니다 및 각 단계에 대 한 값을 토크, 시각화 결과 가져오고 두 번째 텍스트에 결과 저장 파일, 다음 추가 데이터를 처리 하는 데 사용 될 수 있는.</li>
	<li>효과적인 토크 값은 액체에서 측정에서 빈 그릇에 가져온 토크 값을 뺍니다.</li>
	<li>전원 입력 및 치수 전원 번호 식 1과 식 2에 따라 시간 평균 토크 값을 계산 합니다.</li>
</ol>

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</ol>

저자는 관심 없음 충돌 선언 하 고 있다.

공학 특성화에 대 한 (구체적인) 전원 입력의 중요성 및 스케일링 업/다운 bioreactors의,에 불구 하 고만 몇 간행물 벤치탑 규모 bioreactors에서 실험 조사에 특히 단일 사용 시스템에는 한 자리 리터 볼륨 범위, 문학에서 찾을 수 있습니다. 데이터의이 부족에 대 한 이유 중 하나는 이러한 작은 비늘에 파워 입력된 측정의 어려움에서 볼 수 있습니다. 이러한 어려움 들을 극복 하기 위하여 현재 연구 측정용 토크 기반으로 전원 입력는 베어링에서 마찰 손실을 최소화 하기 위해에 어 베어링에 의해 지원 되는 상세한 프로토콜을 제공 합니다. 방법의 적용 3 상용 단일 사용 bioreactors 다용도 bioreactors 비늘 1 L 10 L 작업 볼륨 사이에서 사용을 시연 했다.
기반으로 하는 토크 측정 우리의 경험을 바탕으로, 주소를 가장 중요 한 요소는: 생물 반응 기과 2)의 선택 비율 1) 실험실에서 특히 베어링 및 씰, 내부 마찰 손실을 최소화 하 여 죽은 토크 감소는 원하는 생물 반응 기 크기 및 동요 상태에 대 한 적합 한 토크 미터. 이전35표시 되었습니다로 죽은 토크는 공기 베어링의 사용에 의해 극적으로 줄일 수 있습니다. 현재 연구에서 다공성 탄소 재료의 만든 항공 부싱 사용 되었다. 테스트 빈 그릇에 잔여 토크 3 m·s-1의 임 펠 러 팁 속도 최대 900 rpm의 교 반 속도 0.5 mN·m 밑에 일반적으로 있었다. 대조적으로, 내장 기계적 샤프트 베어링 #6 생물의 죽은 토크는, 예를 들어 9.4 mN·m 20 mN·m, 사이 고 생물 #7323 mN·m의 비교 값 또한 보고 되었습니다. 이것은 대략 1 개의 크기 순서 제안된 실험 설정에 값 보다 더 높은 이다.
공기 베어링 외 토크 미터 사용에 가장 중요 한 구성 요소 이다. 정적 및 동적 토크, 회전 속도 회전의 각도 측정을 위해 설계 된 상용 토크 미터는이 연구에 대 한 선정 됐다. 최대 작업 및 볼륨을 10 L 해당 교 반기와 관심의 bioreactors, 고려에 0.2의 공칭 토크 n · m 선택 되었다. 그것은 높은 재현성의 상대 표준 편차와 복제 < 5% 효과적인 토크 낮은 공칭 토크의 단지 1%에 해당 하는 2 mN·m에 대 한 신뢰성 높은 측정을 얻을 수 있습니다 발견 했다. 따라서, 현재의 연구에 적용 하는 센서의 측정 범위41혼합에 독일 GVC VDI 작업 그룹의 구성원에의 한 inter-laboratory 연구에 따라 게시 된 결과 보다 훨씬 넓은 했다.
그럼에도 불구 하 고, 교 반기 속도의 범위 토크 센서 해상도, 공칭 토크 및 소용돌이 형성 신중 하 게 선택 되어야 합니다. 후자 종종 unbaffled bioreactors 흥분된 더 높은 속도에서 발생 하 고 토크 미터에 손상을 일으킬 수 있습니다. 최소 및 최대 가능한 교 반기 속도이 연구에서 설명 하는 방법의 요인 제한 수 있습니다. 우리의 이전 뿐만 아니라 작동35이 연구는 또한 관련 된 생물 #3, 42 m m의 직경을 가진 2 단계 날개에 의해 동요는 제조업체에서 제공 하는 유리 생물 가족에서 가장 작은 멤버. 기하학적으로 비슷한 생물 반응 기 # 4에에서 그것에 대 등 한 전력 특성 제시 실험 설치와 함께 얻은 것입니다. 토크 m 확장 때문에 이것은 주목할 만한 <img alt="Proportional to" src="/files/ftp_upload/56078/56078pro.jpg"> d5 는 주어진된 액체 밀도, 임 펠 러 형상 (예: 전원 번호)와 회전 속도 (식 1과 식 2 참조). 따라서, 한 예는 10% 더 작은 임 펠 러 직경에서 약 40% 더 낮은 임 펠 러 토크 결과. 그럼에도 불구 하 고, 더 높은 회전 속도 2 L 규모에서 보다 1 리터 규모에서 사용 가능한 토크 미터 생산된 토크를 해결 하려면 작업 중 필요 했다. #3 생물의 내장 배플 때문 전혀 소용돌이 형성 관찰 되었다, 하지만이 unbaffled 혈관에 문제가 될 수 있다. 그것은 두 개의 눈금 사이 발견 하는 전원 숫자에 오프셋 상수 (형상 차이) 뿐만 아니라 제한 된 센서 해상도로 인 한 측정 부정확에서 발생할 수 있는 강조 되어야 한다. 추가 조사는 제안 된 설치는 여전히 가능한 최소 규모에 최종 결론을 내릴 필요가 있습니다.
그럼에도 불구 하 고, 같은 프로토콜은 전력 입력된 측정 작업 1 L 사이 우리의 실험실에 10 L 양의와 다른 제조자에서 다양 한 유리 용기에 사용 하 고 있습니다. 이 다른 생물 시스템의 특성에 대 한 사용된 방법의 양도 강조 표시합니다. 실험적인 노력 자동된 측정 제어 장치 소프트웨어에서 제공 하는 자동화 시스템 및 보편적인 Matlab 언어에 따라 자동된 데이터 처리 제조 법 관리를 사용 하 여 감소 될 수 있습니다.
또한, 주목 해야 한다,는 자당을 사용 하 여 포함 된, 저렴 한 뉴턴 모델 미디어, 레이놀즈의 넓은 범위의 숫자 (100 < 다시 < 6·104), 교 반기 및 규모에 따라, 덮여 있었다. 그것은 또한 매우 낮은 임 펠 러 속도 사용 하는 경우에 난 기류 범위의 하한값 일반적으로 물 같은 미디어, 동물 세포 배양에 적합 하지는 강조 한다. 그러나, 난 기류 댐핑, 그리고 심지어 비 뉴턴 동작이 발생 국물 점도에 상당한 증가 버섯-에 대 한 설명 및 식물 세포 기반 문화. 예를 들어 최대 400-fold의 공장 문화에 명백한 점도 보고42, 훨씬 낮은 레이놀즈 번호에 이르게 되어 물에 비해.
마지막으로, 생물 # 7을 사용 하 여 첫 번째 사례 연구로, 그것은 증명 되었습니다 제안된 실험 설치 실험실 규모에서 전원 입력에 디자인 수정 작업의 효과 연구에 사용할 수 있습니다. 신속한 프로토 타입 기술 함께, 미래의 작업의 일부를 형성 하는 임 펠 러 디자인 연구를 위한 강력한 도구 수이.

가스-액체 분산2 균질1,2,3, 등 많은 단위 작업을 관련이 있기 때문에 전원 입력은 특성화 및 bioreactors의 스케일링 업에 대 한 주요 엔지니어링 매개 변수 , 4 , 5, 열 전송6 와 단단한 서 스 펜 션7 전원 입력은 특히 영향 성장 및 전단 민감한 셀 문화8,9,,1011제품 형성을 할 수 있는 전단 응력도 연관 된다.
가장 일반적인 기법 냈다 bioreactors에서 전원 입력의 측정은 전력에 기반을 위한 그리기12,,1314, 열 량,1215 (즉 고정 열 균형 또는 동요를 통해 동적 난방) 또는 교 반기 고 따라 토크. 후자 결정 될 수 있다 실험적으로 동력, 토크 미터 또는 교 반기, 단일 또는 다단계 러시 터빈1,,1617 를 포함 하 여 다양 한 적용 된 스트레인 게이지 , 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 , Scaba 날개28 , InterMig19,21 , 투 수 블레이드 날개19,20,23,,2627, 25 , 29. 자세한 리뷰는 아스카 니 오 외. (2004)30에 의해 제공 됩니다.
토크 (T)에서 전원 입력 (P) 식 1, 여기서 N은 회전 속도 교 반기에서에서 추정 될 수 있습니다.
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/56078/56078eq1.jpg">(1)
(베어링, 물개 및 모터 자체)에 있는 동요에 발생 하는 손실에 대 한 설명 하기 위해 빈 그릇 (TD)와 액체 (TL 측정 값 간의 차이 효과적인 토크 (Teff)를 결정 ). 마지막으로, 크기가 없는 전원 번호 (P0, 일컬어 뉴 톤 수), eq. 2 ρL 액체 밀도 나타냅니다 및 d 임 펠 러 직경을 나타냅니다에 의해 정의 된 비교 다른 교 반기를 사용할 수 있습니다.
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/56078/56078eq2.jpg">(2)
그것은 잘 알려진 전원 수 레이놀즈 수 (즉, 난 기류)의 함수 이며 완전 난 류 조건 하에서 일정 하 게 된다. 레이놀즈 수 임 펠 러 식 3, ηL 액체 점성이에 의해 정의 됩니다.
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/56078/56078eq3.jpg">(3)
그럼에도 불구 하 고, 소규모 bioreactors에서 전원 입력된 측정은 임 펠 러 샤프트의 기계적 베어링 및 가장 상용 토크 미터의 한정 된 정확도 상대적으로 높은 마찰 손실로 인해 여전히 도전 합니다. 따라서, 전원에 대 한 몇 가지 보고서만 측정 벤치탑 규모 bioreactors 되었습니다 게시17,18,,2224,,3132입력. 또한 제조 소, 소독 및 준비--사용33,34에 의해 전달 되는 단일 사용 bioreactors에서 전원 입력에 대 한 데이터의 부족이 이다. 그들의 재사용 가능한 대응, 달리 대부분 단일 사용 bioreactors 비교를 어렵게 하는 특별히 고안 된 날개에 의해 흥분 됩니다.
이 간격을 닫기 위하여 실험실 규모 교 반기에 특별 한 초점 전원 입력된 측정에 대 한 신뢰할 수 있는 방법 개발 되었습니다 최근35. 마찰 손실에 의해 발생 했다, 빈 그릇에 측정 된 토크 값은 공기 베어링의 사용에 의해 효과적으로 감소 되었다. 따라서, 적당 한 기류를 낮은 작동 조건의 넓은 범위 (100 < 다시 < 2·104) 조사 수 하 고 여러 다 사용 하 고 단일 사용 bioreactors의 전원 입력을 제공 하고있다.
현재 연구는 이전 개발된 방법의 상세한 측정 프로토콜을 제공 하 고 설정, 수행 및 평가 실험실 규모 bioreactors에서 토크 기반 전력 입력된 측정 하는 방법에 설명 합니다. 특별 한 초점은 상업적으로 사용할 수 있는 단일 및 다중 재사용 시스템입니다. 자동화 된 측정 절차는 실험적인 노력을 줄이기 위해 사용 됩니다.

<table><tbody><tr><td>T20WN 토크 미터</td><td>HBM Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH</td><td></td><td>공칭 토크 0.2 Nm</td></tr><tr><td>Spider-8</td><td>HBM Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH</td><td></td><td>HBM Spider8은 더 이상 판매되지 않습니다. QuantumX DAQ 시스템(특히 QuantumX 모듈 MX840A 및 MX440A)을 권장합니다.</td></tr><tr><td>Catman easy software</td><td>HBM Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH</td><td></td><td>버전 4.2.2</td></tr><tr><td>에어 베어링</td><td>IBS 정밀 엔지니어링</td><td></td><td>13mm 에어 부싱</td></tr><tr><td>스테인레스 스틸 임펠러 샤프트</td><td>Bioengineering AG</td><td></td><td>샤프트 공차 -0.0076mm</td></tr><tr><td>브러시리스 모터 AKM2</td><td>Kollmorgen</td><td></td><td></td></tr><tr><td>금속 벨로우즈 커플 링</td><td>Uiker AG</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Finesse RDPDmini 제어 장치</td><td>Finesse, Thermo Fisher Scientific</td><td></td>의 일부 더 <td>이상 지원되지 않음 (대체 제품 G3Lab 범용 컨트롤러 사용 가능)</td></tr><tr><td>Sucrose</td><td>Migros Schweiz AG</td><td></td><td>식품 등급</td></tr><tr><td>Matlab 소프트웨어</td><td>Mathworks</td><td></td><td>버전 R2017a</td></tr><tr><td>Finesse &mu; TruBio PC 소프트웨어</td><td>Finesse, Thermo Fisher Scientific</td><td></td><td>버전 3.1의 일부(더 이상 지원되지 않음)</td></tr><tr><td>SmartGlass 1L</td><td>Finesse,</td> 표 2 SmartGlass 3L Finesse<td>에서 Bioreactor 1L이라고 하는</td>Thermo Fisher <td></td></tr><tr><td></td> Scientific의 일부, 표 2 SmartVessel 3L Finesse<td>에서 Bioreactor 3L이라고 하는</td><td>Thermo Fisher Scientific</td><td></td>의</tr><tr><td></td><td>일부, Thermo Fisher Scientific</td><td></td>의 일부<td>표 2에서 Single-Use 3L Bioreactor라고 한다</td></tr><tr><td>Mobius CellReady 3L</td><td>Merck Millipore</td><td></td><td>(표 2에서 Cell Ready Single-Use 3L Bioreactor</td></tr>) <tr><td>UniVessel SU 2L</td><td>Sartorius Stedim Biotech</td><td></td><td>(표 2에서 Single-Use 2L Bioreactor)</td></tr></tbody></table>

실험실 규모에서 촉발된 bioreactors에서 전력 입력된 측정

Power Input Measurements in Stirred Bioreactors at Laboratory Scale

흔들된 bioreactors에서 전원 입력 중요 한 업그레이드 매개 변수 이며, 회전 중 임 펠 러 샤프트에 작동 하는 토크를 통해 측정 될 수 있다. 그러나, 소규모 선박에 전원 입력의 실험적인 결심은 일반적으로 사용 된 부싱, 베어링 및 샤프트 씰 및 상용 토크 미터의 정확도 안에 상대적으로 높은 마찰 손실 때문 여전히 도전적 이다. 따라서, 소규모 생물 반응 기, 특히 단일 사용 시스템에 대 한 제한 된 데이터만 제공 문학, 다른 단일 사용 시스템 및 그들의 전통적인 대조 물 사이 비교를 어렵게 됩니다.
이 원고는 치수 레이놀즈 수 (Re)에 의해 기술 될 수 있는 난 기류 조건의 넓은 범위 벤치탑 규모 bioreactors에서 전원 입력을 측정 하는 방법에 대 한 프로토콜을 제공 합니다. 앞서 언급 한 마찰 손실은 효과적으로 공기 베어링의 사용에 의해 감소 된다. 설정, 수행 및 토크 기반 전력 평가 하는 방법에 절차 입력 측정, 온건한 소란에 낮은 셀 문화 전형적인 동요 조건에 특별 한 초점 (100 < 다시 < 2·104), 자세히 설명. 여러 다 사용 하 고 단일 사용 bioreactors의 전원 입력 크기가 없는 전원 수 (뉴턴 번호, P0이 라고도 함), P의 범위0 ≈ 0.3, P0 ≈ 4.5 최대 레이놀즈 번호에 대 한 결정은 의해 제공 됩니다. 다른 생물 반응 기.

임 펠 러 샤프트 회전 중 작동 토크를 통해 촉발된 bioreactors에서 전원 입력을 측정할 수 있습니다. 이 원고는 효과적으로 기계 물개에서 관찰 하는 마찰 손실을 줄이고 소규모 선박에 전원 입력된 측정의 정확도 향상 하는 어 베어링을 사용 하는 방법을 설명 합니다.

실험실 규모에서 촉발된 Bioreactors에서 전력 입력된 측정

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 ...

본 프로토콜의 전반적인 목표는 토크 측정을 기반으로 교반 실험실 생물 반응기의 전력 입력을 결정하는 것입니다. 이 기술의 주요 장점은 벤치탑 규모의 연구에 상용 센서를 사용할 수 있어, 사용자가 스케일업 연구를 위한 측정을 수행할 수 있다는 점입니다. 토크 트랜스듀서의 적절한 설치가 신뢰할 수 있는 측정에 중요하므로, 이 기술에 대한 시각적 시연이 필수적입니다.실험대 위에 바이오리액터 구성 요소와 제어 장치를 설치하십시오. 본 실험에서는 2L 교반 탱크와 용기 홀더가 사용됩니다. 또한 교반기 모터를 위해 특별히 설계된 홀더가 있습니다.모터용 마운트 외에도 토크 미터용 마운트가 있습니다. 특수 설계에는 가압 공기 입력단이 포함된 에어 베어링이 포함되어 있습니다. 데이터 수집 및 제어를 위해 컴퓨터와 바이오리액터 제어 장치를 사용하십시오.또한, 순수 물이나 자당 용액과 같이 밀도와 점도가 정의된 액체를 준비하십시오. 첫 번째 단계는 교반기 모터와 토크 트랜스듀서를 장착하는 것입니다. 먼저 브러시리스 서보 교반기 모터를 홀더 상단에 배치하십시오.나사로 모터를 제자리에 고정하고, 토크 트랜스듀서를 적절하게 정렬하여 배치합니다. 4개의 나사를 사용하여 홀더에 고정합니다. 모터 축을 토크 트랜스듀서의 구동축에 연결하기 위해 금속 벨로우즈 커플링을 고정합니다.이 작업이 완료되면 교반기 샤프트를 준비하십시오. 다음 단계로 진행하기 전에 교반기 샤프트에 임펠러를 설치하십시오. 그 다음, 공기 부싱에 교반기 샤프트를 삽입하십시오.교반기 샤프트를 토크 트랜스듀서의 측정 샤프트에 연결하기 위해 두 번째 금속 벨로우즈 커플링을 고정합니다. 토크 트랜스듀서가 설치된 홀더와 모터 드라이브를 바이오리액터 헤드플레이트 위에 배치합니다. 적절한 센서와 테스트 조건을 선택한 후, 가장 중요한 단계는 토크 트랜스듀서와 에어 베어링으로 고정되는 임펠러 샤프트를 올바르게 설치하는 것입니다.이제 바이오리액터에 온도 센서를 넣으십시오. 센서를 A/D 컨버터에 연결합니다. 다음으로, 모터 드라이브를 제어 장치에 연결하십시오.가압 공기용 튜브를 연결하여 에어 베어링을 준비합니다. 베어링에 적절한 공기압을 가합니다. 완성된 설정은 이 도식에 나타나 있습니다.컴퓨터 소프트웨어는 제어 장치를 사용하여 모터 속도를 설정하고 온도를 모니터링합니다. 컴퓨터는 아날로그-디지털 변환기를 통해 토크 트랜스듀서로부터 데이터를 수집합니다. 컴퓨터에서 제어 소프트웨어를 실행하십시오.시작 화면은 설정(Settings) 탭 페이지입니다. COM 포트 드롭다운 메뉴로 이동하여 올바른 포트를 선택하십시오. 연결(Connect) 버튼을 클릭하여 제어 장치와의 통신을 시작합니다.동일한 탭 페이지에서 Data File Location 텍스트 필드 옆의 폴더 기호를 클릭하십시오. 클릭하면 마지막 대화 상자가 자동으로 열립니다. 원하는 폴더를 찾아보고 데이터 로깅 파일의 파일 이름을 입력하십시오.확인 버튼을 클릭하여 확정합니다. 파일 경로와 이름이 데이터 파일 위치(Data File Location) 텍스트 필드에 표시됩니다. 이제 레시피(Recipes) 탭으로 이동하여 해당 페이지를 전면으로 가져옵니다.PhaseDuration 및 Agitator라고 표시된 필드를 찾으십시오. 레시피 단계 지속 시간(분 단위)과 그에 해당하는 임펠러 속도에 원하는 값을 텍스트 필드에 입력하십시오. 레시피를 저장하려면 Save를 클릭하십시오.파일 대화 상자에서 원하는 파일 경로를 선택하십시오. 원하는 파일 이름을 입력하십시오. 확인을 클릭하면 파일 대화 상자가 자동으로 닫힙니다.데이터 수집 소프트웨어를 열어 설정을 구성합니다. 채널 옆의 녹색 표시등은 해당 채널이 초기화되어 활성화되었음을 나타냅니다. Live Update 버튼을 클릭하십시오.한 채널에는 토크 신호가 표시되며, 이는 적절하게 영점 조절되어야 합니다. 데이터 수집 작업(Data Acquisition Job) 페이지 탭을 선택하여 데이터 수집 탭 페이지로 전환하십시오. 그곳의 샘플 속도 그룹(Sample Rate Groups) 아래에서 데이터 수집 속도를 2 Hz로 선택하십시오.데이터 기록 시작에서 작업 시작 즉시를 선택하십시오. 다음으로, 데이터 기록 중지에서 기간을 선택하십시오. 측정 시간보다 약간 더 긴 시간을 설정하십시오.이제 데이터 저장(Data Storage) 탭 페이지로 이동하십시오. 파일 형식(File Format) 드롭다운 메뉴에서 ASCII Channel Info 옵션을 선택하십시오. 해당 텍스트 필드에 측정 데이터의 파일 경로를 설정하십시오.실험을 수행하려면 바이오리액터로 돌아가십시오. 깔때기를 사용하여 용기에 물 또는 수크로스 용액을 추가합니다. 이제 실험을 시작할 준비가 되었습니다.데이터 수집 소프트웨어에서 데이터 수집 작업(Data Acquisition Job) 페이지로 이동하십시오. 해당 페이지에서 시작(Start)을 클릭한 후, 제어 장치 소프트웨어로 전환하여 교반기를 가동하십시오. 레시피를 사용하려면 레시피(Recipe) 탭으로 이동하십시오.그곳에서 실험을 위한 사전 정의된 레시피를 선택하십시오. 동일한 페이지에서 Start 버튼을 클릭합니다. 프로세스가 자동으로 시작되며, 교반기 속도는 레시피에 정의된 설정에 따라 설정됩니다.실험이 완료되면 데이터 수집 소프트웨어에 창이 열립니다. Save Data Now 버튼을 클릭하여 데이터를 저장하십시오. 컨트롤 유닛 소프트웨어에 프로세스가 완료되었음을 알리는 메시지 상자가 나타납니다.확인을 클릭하고 Recipe 탭 페이지로 이동하여 Stop 버튼을 클릭해 레시피를 종료합니다. 로우 데이터 처리를 위해 Matlab 스크립트를 사용할 수 있으며, 이는 본 원고의 Supplement 섹션에 제공되어 있습니다. Matlab 소프트웨어를 실행한 후, 실험 데이터가 저장된 작업 디렉토리로 이동합니다.명령 창에 Torque Results 명령어를 입력하고 Enter 키를 누릅니다. 그러면 사용자 데이터 처리를 안내하는 Matlab 스크립트가 실행됩니다. 토크 센서 데이터가 포함된 데이터 로깅 파일을 선택하고 열기를 클릭합니다.요청 시 해당 텍스트 필드에 공정 매개변수를 입력하십시오. 결과는 그래프로 표시되며, 처리된 데이터는 작업 디렉토리 내의 새 텍스트 파일에 자동으로 저장됩니다. 이 데이터는 회전 속도가 단계적으로 증가함에 따라 토크 신호가 어떻게 증가했는지를 보여줍니다.일시적인 피크가 나타난 후, 측정값이 준안정 상태가 되기까지 약 1분이 소요됩니다. 이는 회전 속도와 임펠러에 따라 달라졌습니다. 점선은 시간 평균값 주변의 5% 신뢰 구간을 나타냅니다.이 그래프는 다양한 자당 농도에 따른 레이놀즈 수의 함수로서 예측된 전력 입력과 측정된 전력 입력을 비교한 것입니다. 실선은 전력이 레이놀즈 수의 세제곱에 비례한다고 가정한 모델을 나타내며, 원형 표식은 측정 데이터를 나타냅니다.바이오리액터는 단일 Rushton 터빈 임펠러 구성의 2L 작동 부피 유리 용기였습니다. 이 그래프의 삼각형은 2L 작동 부피 유리 바이오리액터에서 얻은 데이터입니다. 원형은 10L 작동 부피 스테인리스강 바이오리액터에서 얻은 데이터입니다.두 장치 모두 단일 Rushton 터빈을 가지고 있습니다. 완전히 난류인 조건에서의 동력수(power number)는 두 규모 모두에서 동일합니다. 수정된 Rushton 터빈과 세그먼트 블레이드 임펠러가 장착된 1리터 및 2리터 작동 부피 바이오리액터의 데이터를 비교하면, 두 경우 모두 Reynolds 수 증가에 따라 동력수가 유사하게 감소하는 것을 알 수 있습니다.두 값 사이의 오차는 용기 또는 교반기의 기하학적 구조로 인해 발생할 수 있습니다. 이 영상을 시청하고 나면, 벤치탑 규모의 바이오리액터에서 전력 입력을 결정하기 위한 토크 측정 설정 방법에 대해 충분히 이해하게 될 것입니다. 이 절차를 따라 일회용 시스템과 기존 시스템 모두에서 측정을 수행할 수 있습니다.자동 측정 방식을 이용하면 실험 노력을 크게 줄일 수 있으며, 빠르고 신뢰할 수 있고 재현 가능한 방식으로 많은 데이터 포인트를 얻을 수 있습니다.

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Research

연구

JoVE Journal

Bioengineering

생명공학

발효조는 했나 보지 세포의 배양 수율과 생산성을 향상하는 데 사용됩니다. 쉐이크 플라스크에서 여러 미생물이나 동물 세포 배양 후보를 심사 한 후, 다음 논리적 단계는 발효기로 선택한 문화의 바이오 매스를 증가시키는 것이다. 이 동영상은 일반적인 벤치 탑 생물 반응기 시스템의 설치 및 운영을 보여줍니다.

벤치 탑 생물 반응기의 운전

공압 바이오리액터를 사용하여 포유류 세포의 성장을 위한 이 일회용 바이오리액터 시스템의 조립, 작동 및 성능을 시연합니다.

단일 사용 공압 생물 반응기 시스템을 사용하여 포유 동물 세포의 배양

고밀도 생물 반응기(HDBR)라는 새로운 반응기 설계가 고밀도 미생물 군집의 배양 및 연구를 위해 제시됩니다. 여기에서 HDBR은 혼합 고밀도 조류 군집에 의한 질소 대사 연구를 위한 광생물반응기(PBR) 구성에 성공적으로 적용됩니다.

다양한 미생물 커뮤니티의 고밀도 배양위한 새로운 생물 반응기

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대기 오염은 모든 유기체의 삶의 질에 영향을 미칩니다. 여기에서는 바이오가스 처리(이산화탄소와 황화수소의 동시 제거)를 위한 미세조류 생명공학의 사용과 준공업용 개방형 고속 조류 연못을 통한 바이오메탄 생산 및 처리 효율, pH, 용존 산소 및 미세조류 성장에 대한 후속 분석에 대해 설명합니다.

Semi-Industrial High Rate Algal Ponds에서 Microalgae-Bacterial System을 사용하여 바이오 가스 정화

이 논문의 초점은 환경에서 획득한 까다로운 혐기성 미생물을 위한 배지를 만들기 위한 모범 사례를 자세히 설명하는 것입니다. 이러한 방법은 혐기성 배양을 관리하는 데 도움이 되며 찾기 어려운 배양되지 않은 미생물인 "미생물 암흑 물질"의 성장을 지원하는 데 적용할 수 있습니다.

환경적으로 획득한 혐기성 미생물을 배양하기 위한 In Situ Informed Simulated Medium 형식 세트

배우세요 교반 바이오리액터에서 토크 측정을 이용한 전력 입력 측정 방법을. 에어 베어링을 활용해 마찰 손실을 최소화하고 정확한 데이터를 획득할 수 있습니다. 이 프로토콜은 실험실 규모의 확장 연구에 적합합니다.

실험실 규모에서 촉발된 Bioreactors에서 전력 입력된 측정

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