Badania naprężeń ścinających w systemie emulsji olejowo-wodnej skutkują rozpadem kropli w czasie eksperymentu. Aby zliczyć wielkość kropli w procesach pompowania, w protokole tym z powodzeniem wykazano przydatność endoskopii inline.
Artykuł metodologiczny
Ekonomiczna i niezawodna metoda przewidywania naprężeń mechanicznych w pompach jednorazowych i standardowych
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Pompy są głównie używane do przenoszenia sterylnych bulionów hodowlanych w procesach produkcji biofarmaceutycznej i biotechnologicznej. Jednak podczas procesu pompowania występują siły ścinające, które mogą prowadzić do jakościowych i/lub ilościowych strat produktu. Aby obliczyć naprężenia mechaniczne przy ograniczonych kosztach eksperymentalnych, użyto systemu emulsji olejowo-wodnej, którego przydatność wykazano do wykrywania wielkości kropli w bioreaktorach1. Ponieważ rozpad kropli w układzie emulsji olej-woda jest funkcją naprężeń mechanicznych, rozmiary kropli muszą być liczone w czasie doświadczalnym badań naprężeń ścinających. W poprzednich badaniach wykazano, że endoskopia inline jest dokładną i niezawodną techniką pomiarową do wykrywania wielkości kropli w dyspersjach ciecz/ciecz. Celem tego protokołu jest wykazanie przydatności techniki endoskopii inline do pomiaru wielkości kropli w procesach pompowania. Aby wyrazić wielkość kropli, jako reprezentatywną średnicę kropli w emulsji olej-woda użyto średniej średnicy Sautera d32. Wyniki wykazały niewielką zmienność średnich średnic Sautera, które zostały określone ilościowo za pomocą odchyleń standardowych poniżej 15%, co wskazuje na wiarygodność techniki pomiaru.
Wprowadzenie
Pompy są wykorzystywane do transferu kultur komórkowych w przemyśle farmaceutycznym i biotechnologicznym. Podczas procesu pompowania stres mechaniczny może prowadzić do nieodwracalnych uszkodzeń komórek, co może negatywnie wpłynąć na ilość i jakość produktu1-4. Poziom stresu mechanicznego zależy od rodzaju pompy oraz jej ustawień, co wykazano w poprzednich badaniach5-6. W zastosowaniach opartych na technologii jednorazowej (SU) powszechnie stosuje się pompy perystaltyczne, strzykawkowe i membranowe. Pompy te generują wysokie lokalne siły ścinające spowodowane kompresją przewodów pompy oraz pulsacyjnym przepływem7.
Aby wyeliminować te wady, obiecującą alternatywą są odśrodkowe pompy z magnetyczną lewitacją (pompy MagLev). Silnik jest napędzany magnetycznie, aby uniknąć wąskich szczelin między wirnikiem a obudową pompy (Rycina 1). Wcześniejsze badanie nad pompami odśrodkowymi MagLev wykazało niższy stres mechaniczny w komórkach Chinese Hamster Ovary (CHO) w porównaniu z pompami perystaltycznymi i membranowymi 4-tłokowymi5. Ponadto analizy hemolizy nie wykazały istotnych urazów krwi ani tworzenia się zakrzepów w szerokim zakresie warunków pracy z wykorzystaniem tych pomp8-11. Wyniki te dowodzą, że zastosowanie tych specjalnie zaprojektowanych pomp wywiera mniejszy stres mechaniczny na systemy biologiczne w porównaniu z pompami perystaltycznymi i membranowymi. Aby zbadać stres mechaniczny przy ograniczonych nakładach eksperymentalnych, zaleca się zastosowanie modelowego systemu emulsji olejowo-wodnej ze względu na redukcję kosztów (ok. 99,8%) i czasu (ok. 99,5%) w porównaniu z biologicznymi systemami hodowli komórkowych.
Ponieważ rozpad kropli w systemie emulsji olej-woda jest funkcją naprężenia mechanicznego, wielkość kropli musi być liczona w czasie trwania eksperymentalnych badań naprężenia ścinającego. Dostępnych jest wiele technik określania wielkości kropli, które można podzielić na techniki oparte na dźwięku, laserze i obrazowaniu foto-optycznym12. W szczególności zastosowanie wewnątrzkanałowej endoskopii z sondą foto-optyczną wykazuje niemal identyczne rozmiary kropli w przypadku detekcji manualnej i automatycznej (odchylenie standardowe poniżej 10%) i umożliwia detekcję 250 kropli na minutę13. Ze względu na swoją dokładność i niezawodność, technika endoskopowa okazała się skuteczną, standardową metodą pomiarową rozkładu wielkości kropli w dyspersjach ciecz/ciecz w porównaniu z innymi powszechnie stosowanymi sondami (np. światłowodowy czujnik stosunku odbicia przedniego do tylnego (FBR), metoda odbicia wiązki skupionej (FBRM) oraz dwuwymiarowa technika pomiaru odbicia optycznego (2D-ORM))12,14. Ponadto przydatność endoskopii wewnątrzkanałowej do pomiaru wielkości kropli w zbiorniku z mieszadłem została wielokrotnie wykazana w poprzednich badaniach15-18.
W oparciu o wcześniejsze badanie6, niniejszy protokół opisuje zastosowanie endoskopii w układzie przepływowym (inline) do określania wielkości kropli (średnica Sautera) w systemie emulsji olej-woda w pompach. Średnicę Sautera wykorzystano jako kryterium porównawcze w celu oszacowania naprężeń mechanicznych w wielorazowych (MU) pompach odśrodkowych MagLev, pompie perystaltycznej oraz jednorazowej (SU) pompie membranowej z 4 tłokami.
Rycina 1. System odśrodkowej pompy z lewitacją magnetyczną. (A) Przedstawiono zasadę działania silnika bezłożyskowego oraz (B) przykład w postaci PuraLev 200MU. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.
Protokół
Badania przeprowadzono przy użyciu układu pompy rurociągowej (Rysunek 2), który umożliwia wykonanie eksperymentów nad naprężeniami mechanicznymi przy natężeniach przepływu do 60 L min-1 i spadkach ciśnienia do 2 bar. Jak pokazano na Rysunku 2, układ eksperymentalny składa się z naczynia magazynowego, obwodu pompy oraz sprzętu do techniki endoskopii w linii. Mieszadło naczynia magazynowego służyło wyłącznie do mieszania surfaktantu. W zamkniętym obiegu zintegrowano elementy peryferyjne w celu monitorowania natężenia przepływu V̇ i spadku ciśnienia p przy różnych ustawieniach pompy. Badania modyfikowano za pomocą zaworu ręcznego.
1. Układ eksperymentalny
- Należy upewnić się, że bioreaktor (D = 0.15 m, H/D = 2.2) jest wyposażony w mieszadło do rozpuszczania surfaktantu oraz że rurka wlotowa jest zanurzona w cieczy, aby zapobiec przedostawaniu się gazu.
- Wyposażyć obieg pompy w port do strzykawki, badaną pompę, zaciskowy przepływomierz, jednorazowy czujnik ciśnienia oraz zawór ręczny. Po podłączeniu obiegu pompy do zbiornika magazynowego należy połączyć głowicę pompy z silnikiem i przygotować sondę endoskopową.
- Zamontować wymienną płaszczyznę odbijającą (w tym przypadku lustro rodowe) na końcówce sondy i ustawić odległość między lustrem a soczewką na 150 µm. Przesunąć śrubę do pozycji 100 µm, aby ustawić ostrość obiektywu.
- Podłączyć sondę do stroboskopu za pomocą kabla światłowodowego, a kamerę endoskopu do komputera za pomocą kabla Ethernet. Następnie połączyć kamerę i stroboskop za pomocą kabla skrzynki wyzwalającej.
- Uruchomić komputer i otworzyć dostarczone przez producenta oprogramowanie, które obejmuje program do akwizycji i rozpoznawania obrazów oraz program do analizy wyników.
- W menu głównym wybrać oprogramowanie do akwizycji obrazów.
- Kliknąć przycisk „Detect device” w lewym górnym rogu ekranu, aby wykryć kamerę.
- W sekcji „Directory Settings” wybrać lokalizację na komputerze do zapisywania obrazów i aktywować polecenie „Create trigger sub folders”.
- Wprowadzić parametry procesu w sekcji „Trigger mode: Ready”.
Częstotliwość klatek: 7.5 Hz
Klatek na wyzwolenie: 50
Liczba wyzwoleń: 60
Interwał wyzwalania: 60 sec - Po zakończeniu wszystkich prac przygotowawczych wlać 5 L wody dejonizowanej do zbiornika magazynowego i uruchomić pompę, aby napełnić pompę oraz obieg pompy.
- Wyłączyć pompę i dodać 0.9 ml surfaktantu (csurfactant = 0.18 ml L-1, ρsurfactant,20°C = 1,070 kg m-3, krytyczne stężenie micelarne (cmc): ωcmc ≈ 0.018 ml L-1, ωsurfactant ≈ 10 · ωcmc) za pomocą pipety 10 ml podczas mieszania. Po 10 min surfaktant zostanie całkowicie rozpuszczony.
- Wyłączyć mieszadło i uruchomić pompę. Ustawić sondę endoskopową tak, aby soczewka znajdowała się bezpośrednio pod rurką wlotową.
- Ustawić natężenie przepływu na 3.4 L min-1 oraz spadek ciśnienia na 0.03, 0.3 lub 0.61 bar, regulując prędkość mieszadła i zawór ręczny.
- Odważyć 6.3 g oleju bezpośrednio do strzykawki (βoil = 1.26 g L-1, ρoil,20°C = 989.5 kg m-3).
- Uruchomić oprogramowanie do akwizycji obrazów i dodać olej przez port do strzykawki. Pracująca pompa rozprowadzi krople emulsji.
- Po 1 hr zakończyć badanie naprężeń ścinających i oczyścić endoskop przepływowy oraz bioreaktor z zintegrowanym obiegiem pompy. Następnie przygotować zestaw doświadczalny do kolejnego procesu pompowania.
2. Pomiar i analiza obrazu
- Otwórz oprogramowanie do automatycznego rozpoznawania obrazów w menu głównym.
- W sekcji „Batch Root Directory” wybierz lokalizację na komputerze do zapisu plików (all*.csv).
- Zaznacz kolumnę „Image Series Path” i kliknij przycisk „Add Image Series Subfolders” w lewym dolnym rogu ekranu, aby załadować serie obrazów.
- Załaduj parametry procesu dostarczone przez producenta. Zaznacz kolumnę „Search Settings (*.pss or auftrag_*.mat)” i kliknij przycisk „Set Search Settings” w dolnej części ekranu na środku, aby załadować parametry procesu w celu określenia rozpoznawania kropel.
- Zaznacz kolumnę „Search Pattern (*.psp or F_*.mat) i kliknij przycisk „Set Search Pattern” w prawym dolnym rogu ekranu, aby załadować parametry procesu w celu określenia analizy kropel.
- Uruchom rozpoznawanie obrazów, klikając przycisk „Start Batch”.
- Po zakończeniu rozpoznawania obrazów określ rozmiary wykrytych kropel za pomocą średnicy Sautera (d32) lub dowolnej innej reprezentatywnej wartości średniej bądź wybranego rozkładu, korzystając z oprogramowania do analizy wyników.
- Otwórz oprogramowanie do analizy wyników w menu głównym.
- Aktywuj polecenie „all*.csv in 1 Folder” i kliknij przycisk „Load Folder(s)” w lewym górnym rogu ekranu, aby załadować wcześniej zapisany plik all*.csv.
- Wybierz odpowiednią wartość (np. średnicę Sautera) z listy rozwijanej w górnej środkowej części ekranu, aby zwizualizować wyniki. Do obliczenia średnicy wprowadź po prawej stronie skalowanie 0.6591 µm pixel-1 podane przez producenta.
Rycina 2. Układ eksperymentalny. Obwód pompowy dla instalacji z pompą rurociągową z wykorzystaniem endoskopii przepływowej jako techniki pomiarowej: (1) zbiornik magazynowy, (2) port strzykawkowy, (3) pompa, (4) czujnik ciśnienia, (5) czujnik przepływu, (6) stroboskop, (7) komputer z oprogramowaniem dostarczonym przez producenta oraz (8) sonda endoskopowa. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
Wyniki
Ocena optyczna
Rysunek 3 przedstawia obrazy rozpoznawania cząstek po 1 h pompowania. Górne cztery obrazy pokazują krople przed rozpoznaniem, a dolne cztery obrazy pokazują krople oznaczone przez oprogramowanie do rozpoznawania. Wykryte krople zostały wyróżnione zieloną krawędzią. Porównanie obrazów górnych i dolnych pokazuje, że krawędzie kropel zostały precyzyjnie wykryte przez oprogramowanie do rozpoznawania obrazów. Obrazy po lewej stronie pokazują rozkład kropel dla odśrodkowych pomp MagLev PuraLev 200MU i PuraLev 600MU, a obrazy po prawej stronie przedstawiają pompę membranową 4-tłokową oraz pompę perystaltyczną. Ocena optyczna pozwoliła na wstępną klasyfikację naprężeń mechanicznych w modelowym układzie emulsji. Wykazała ona, że pompy odśrodkowe MagLev generowały większe rozmiary kropel i mniejszą ich liczbę w porównaniu z pompą membranową 4-tłokową i pompą perystaltyczną. W konsekwencji pompy odśrodkowe MagLev, w szczególności PuraLev 200MU, wykazały zredukowane rozpadanie się kropel, co wskazuje na niższe naprężenia mechaniczne.
Rycina 3. Obrazy z endoskopii in-line. Krople emulsji przed (A, B, C, D) i po (E, F, G, H) rozpoznawaniu cząstek po 1 hr pompowania przy użyciu (A, E) PuraLev 200MU, (B, F) PuraLev 600MU, (C, G) 4-tłokowej pompy membranowej oraz (D, H) pompy perystaltycznej w identycznych warunkach pracy (3.4 L min-1 i 0.03 bar). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
Średnica Sautera
Dalsze badania wykazały odchylenia standardowe poniżej d32 ± 0.4 µm oraz zagwarantowały powtarzalne wyniki przy zastosowaniu endoskopii wewnątrzKanałowej19. W związku z tym w przypadku tego podejścia nie było konieczne przeprowadzanie wielokrotnych badań, co dodatkowo zmniejszyło koszty eksperymentalne.
Aby określić wielkość kropli, w przyjętym podejściu jako reprezentatywną średnicę kropli w emulsji olej-woda wykorzystano średnicę Sautera d32 (patrz równ. 1). Generalnie średnica Sautera zmniejszała się w czasie dla wszystkich typów i ustawień pomp, aż do osiągnięcia stanu stacjonarnego12. Badania w niniejszej pracy potwierdziły przebieg zmian średnicy Sautera (Rysunek 4A do D), przy czym w niniejszym protokole omówiono przykładowo krzywe dla pompy PuraLev 200MU (Rysunek 4A) oraz pompy perystaltycznej (Rysunek 4D).
W przeciwieństwie do PuraLev 200MU, średnice Sautera dla pompy perystaltycznej były do 40% mniejsze przy tych samych warunkach pracy (natężenie przepływu = 3.4 L min-1; spadek ciśnienia = 0.03 bar). W konsekwencji wyższe naprężenia mechaniczne doprowadziły do zwiększonego rozpadu kropel, a tym samym do uzyskania mniejszych rozmiarów kropel. Ponadto w przypadku PuraLev 200MU średnica Sautera zmniejszała się wraz ze wzrostem spadku ciśnienia (Rysunek 4A), co wskazało na zależność rozmiaru kropli od spadku ciśnienia. Z kolei pompa perystaltyczna wykazała średnicę Sautera d32,60min = 10 µm na koniec eksperymentu dla wszystkich parametrów procesu (Rysunek 4D). Stwierdzono zatem, że średnica Sautera była niezależna od spadku ciśnienia. Niemniej jednak wyniki te odzwierciedlają fizyczne zrozumienie rozpadu kropel: przy wyższym naprężeniu mechanicznym określono mniejsze średnice Sautera (patrz również Rysunek 5).
Dla każdego punktu pomiarowego wyznaczono co najmniej 300 kropel, aby zagwarantować pewność statystyczną. Maksymalne odchylenie standardowe zmniejszyło się dla PuraLev 200MU z d32,4min ± 42 µm oraz dla PuraLev 600MU z d32,6min ± 21 µm do około d32 ± 0.5 µm pod koniec procesu pompowania. Zmniejszone odchylenie standardowe wynikało ze zwiększonej homogeniczności rozkładu wielkości kropel aż do osiągnięcia stanu stacjonarnego. W porównaniu do pomp odśrodkowych MagLev, pompy perystaltyczne i membranowe 4-tłokowe wykazały odchylenia standardowe poniżej d32 ± 10 µm.
(1)
Rycina 4. Typowe profile średnic średnich Sautera d32 w czasie oraz wyznaczenie zmierzonych średnic średnich Sautera d32,m. Porównanie średnic średnich Sautera d32 (A) dla PuraLev 200MU, (B) dla PuraLev 600MU, (C) dla 4-tłokowej pompy membranowej oraz (D) dla pompy perystaltycznej. Średnice średnie Sautera d32 wyznaczono przy natężeniu przepływu 3.4 L min-1 i spadkach ciśnienia w zakresie od 0.03 do 0.61 bar. Zmierzoną średnicę średnią Sautera d32,m obliczono dla ostatnich 10 min (granica). Przedstawiono wynikowe odchylenie standardowe średnic średnich Sautera d32 (N ≥ 300). Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.
Zmierzona średnia średnica Sautera jako system porównawczy
Jak opisano powyżej, średnica Sautera zmniejszała się w czasie, aż rozmiary kropel osiągnęły stan stacjonarny. W ciągu ostatnich 10 min czasu eksperymentu obliczono średnią wartość średnicy Sautera w celu wyznaczenia zmierzonej średnicy Sautera, która posłużyła jako kryterium porównawcze (patrz granica na Rysunku 4A-D). Zmierzone średnice Sautera d32,m dla natężenia przepływu 3,4 L min-1 i zakresu spadku ciśnienia od 0,03 do 0,61 bar przedstawiono na Rysunku 5. Większe zmierzone średnice Sautera stwierdzono zarówno dla pomp odśrodkowych MagLev (200MU i 600MU), jak i dla pompy membranowej z 4 tłokami przy niższych spadkach ciśnienia i prędkościach obrotowych wirnika. Pompa perystaltyczna wykazała zmierzone średnice Sautera d32,m = 10 µm dla wszystkich parametrów procesu. Jak wspomniano wcześniej, w przypadku pompy perystaltycznej siły ścinania były niezależne od spadku ciśnienia.
Największe zmierzone średnice Sautera d32,m = 36 µm dla PuraLev 200MU oraz d32,m = 34 µm dla PuraLev 600MU uzyskano przy spadku ciśnienia wynoszącym 0,03 bar. W porównaniu z ich odpowiednikami, pompy odśrodkowe z serii MagLev wykazały do 59% większe zmierzone średnice Sautera. Wyniki te wskazują na mniejszą intensywność rozpadu kropli, a tym samym na niższy stres mechaniczny wynikający z zastosowania pomp odśrodkowych.
Odchylenie standardowe zmierzonych średnich średnic Sautera podczas stanu ustalonego wynosiło poniżej 15%, co potwierdziło wiarygodność i dokładność wartości rozmiarów kropel.
Rycina 5. Porównanie zmierzonych średnich średnic Sautera d32,m. Zmierzone średnie średnice Sautera dla odśrodkowych pomp MagLev i ich odpowiedników przy przepływie 3.4 L min-1 oraz spadkach ciśnienia 0.03, 0.30 i 0.61 bar. Przedstawiono wynikowe odchylenia standardowe zmierzonych średnich średnic Sautera d32,m w stanie ustalonym.
Skróty Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
| 2D-ORM | dwuwymiarowy pomiar odbiciowości optycznej |
| CCD | matryca CCD |
| CHO | komórki jajnika chomika chińskiego |
| karboksymetyloceluloza | krytyczne stężenie micelarne |
| FBR | stosunek sygnałów w kierunku w przód i w tył |
| FBRM | metoda odbicia wiązki skupionej |
| MU | wielokrotnego użytku |
| SU | jednorazowy |
Nomenklatura
 | [m3 sec-1] | natężenie przepływu |
| c | [m3 m-3] | stężenie |
| d32 | [m] | średnica Sautera |
| d32,m | [m] | zmierzona średnica Sautera |
| ds | [m] | średnica powierzchniowa |
| dv | [m] | średnica objętościowa |
| f | [Hz] | częstotliwość |
| n | [sec-1] | prędkość obrotowa mieszadła |
| N | [-] | liczba kropel |
| p | Pa | spadek ciśnienia |
| t | sec | czas |
| β | [kg m-3] | stężenie masowe |
| ρ | [kg m-3] | gęstość |
| ω | [m3 m-3] | ułamek masowy |
Tabela 1. Tabela skrótów i nomenklatury.
Dyskusja
Celem tego protokołu jest wykazanie przydatności techniki endoskopii inline do pomiaru wielkości kropli w procesach pompowania. W tym celu określono wielkości kropli w układzie emulsyjnym olej-woda i obliczono zmierzoną średnią średnicę Sautera, aby scharakteryzować naprężenia mechaniczne pomp odśrodkowych MagLev, a także ich odpowiedników, pompy perystaltycznej i 4-tłokowej pompy membranowej. Wyniki wykazały niewielką zmienność zmierzonych średnich średnic Sautera, które zostały określone ilościowo za pomocą odchyleń standardowych poniżej 15%, co wskazuje, że wielkości kropli zostały zmierzone wiarygodnie i dokładnie. W związku z tym zmierzona średnia średnica Sautera może być z powodzeniem wykorzystana jako kryterium porównawcze do oceny naprężeń mechanicznych badanych pomp. Pompy odśrodkowe MagLev wykazały większe zmierzone średnie średnice Sautera, co wskazuje na mniejsze naprężenia mechaniczne przy kroplach emulsji w porównaniu z pompami perystaltycznymi i 4-tłokowymi membranowymi. W dotychczasowych badaniach wykazano, że endoskopia inline jest solidną i prostą techniką wiarygodnego pomiaru wielkości kropli1,6,12-14,20-21, co również zostało potwierdzone w tym badaniu. W porównaniu z alternatywnymi technikami pomiarowymi, takimi jak światłowodowy czujnik FBR, FBRM i technika 2D-ORM, technika endoskopowa może być stosowana jako standardowa metoda uzyskiwania precyzyjnych danych w zastosowaniach ciecz/ciecz12,14.
Łatwa obsługa endoskopii inline i prosta produkcja niebiologicznego systemu emulsji olejowo-wodnej umożliwia prostą procedurę wykrywania wielkości kropli zgodnie z tekstem protokołu (patrz wyżej). Niemniej jednak należy wspomnieć, że położenie sondy endoskopowej zależy od przepływu płynu w naczyniu magazynowym. Dalsze badania (dane nie zostały pokazane) wykazały, że soczewka sondy powinna znajdować się bezpośrednio pod rurą wlotową dla niższych natężeń przepływu do 5 L min-1 , aby uniknąć wielokrotnego wykrywania jednej kropli19. Aby uzyskać ostre obrazy przy natężeniu przepływu powyżej 5 L min-1, zaleca się umieszczenie sondy w odległości co najmniej 10 cm od rurki wlotowej. Niezależnie od parametrów procesu, uchwyt endoskopii inline powinien być stabilny, aby uniknąć przesuwania się sondy, co może skutkować rozmyciem obrazu.
Ponadto należy zwrócić szczególną uwagę na to, że wykryta wielkość kropli jest bliska dolnej granicy wykrywalności zastosowanego systemu fotooptycznego, gdzie minimalna wykrywalna średnica kropli wynosi 6,5 μm. Ponieważ oprogramowanie dostarczone przez producenta zostało ulepszone, techniki endoskopii inline mogą niezawodnie wykrywać minimalny rozmiar kropli wynoszący 1 μm. Co więcej, przetwarzanie obrazu będzie dalej rozwijane, aby umożliwić monitorowanie aplikacji przemysłowych online.
Podczas gdy obecne badanie koncentrowało się na stosunkowo niskich natężeniach przepływu do 3,4 l min-1, przyszłe badania powinny uwzględniać szerszy zakres warunków pracy. Pierwsze badania przeprowadzono przy natężeniach przepływu do 20 L min-1 (dane nie pokazane). Zaleca się jednak rozcieńczenie 1:2 (cśrodek powierzchniowo czynny = 0,09 ml L-1, colej = 0,64 ml L-1) układu emulsji olej-woda przy natężeniach przepływu powyżej 10 L min-1 19, ponieważ w przeciwnym razie zwiększony rozpad kropli spowodowany większymi naprężeniami mechanicznymi wpłynąłby na wykrywanie kropli i zmniejszyłby liczbę wykrywanych kropli. Testy przeprowadzono w rozcieńczeniu 1:2 i porównano z wynikami nierozcieńczonego układu emulsji olej-woda. W przypadku obu podejść średnie średnice Sautera zostały wiarygodnie zmierzone (odchylenie standardowe poniżej 5%). W związku z tym zmniejszona frakcja objętościowa (rozcieńczenie 1:2) nie miała wpływu na zmierzone średnie średnice Sautera, a zatem rozpad kropla-kropla był znikomy.
Te potężne podejścia eksperymentalne stanowią dobrą podstawę do ulepszenia techniki endoskopii, a także powiązanego oprogramowania do akwizycji, rozpoznawania i analizy wyników. Ponadto z powodzeniem wykazano przydatność techniki endoskopii do klasyfikowania typów i serii pomp w zależności od ich naprężeń mechanicznych. Uzyskane wyniki są niezbędne do opracowania konstrukcji pomp i optymalizacji pomp w celu zmniejszenia uszkodzeń ogniw.
Oświadczenia
Wolfgang Dornfeld i Reto Schöb są pracownikami firmy Levitronix, Ltd., producenta pomp odśrodkowych MagLev.
Podziękowania
Autorzy chcieliby podziękować Komisji ds. Technologii i Innowacji (CTI, Szwajcaria) za wsparcie finansowe (nr 13236.1 PFFLI-LS).
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Kamera CCD | Allied Vision Technologies GmbH | GX2750 | Sprzęt do endoskopii inline |
| C-Flex Rurki biofarmaceutyczne | Saint-Gobain Performance Plastics | 374-375-4 | Rurka Wybierz długość rurki około 45 cm przed pompą. |
| Rurki biofarmaceutyczne C-Flex | Saint-Gobain Performance Plastics | 374-375-3 | Rurka Wybierz długość rurki około 45 cm za pompą i zacisk na czujniku przepływu do tej rurki. |
| Złącze CLAVE | Victus | 011-C2000 | Port próbkowania |
| Kontroler LPC-200.1-02 | Levitronix GmbH | 100-30030 | Sterownik PuraLev 200MU |
| Kontroler LPC-600.1-02 | Levitronix GmbH | 100-30033 | Sterownik PuraLev 600MU |
| Czujnik zaciskowy LeviFlow LFSC-12 | Levitronix GmbH | 100-30329 | Czujnik przepływu dla natężeń przepływu poniżej 5 L min-1 |
| LeviFlow Konwerter LFC-1C-CS | Levitronix GmbH | 100-30328 | Urządzenie wyjściowe czujnika przepływu |
| Masterflex I/P Easy Load | Fisher Scientific AG | EW-77963-10 | Pompa perystaltyczna |
| Zawór swobodnego przepływu | Mitos Parker Hannifin Europe Sà rl | FFLQR16S6S6AM | Zawór |
| Mobil Eal Arctic | Exxon Mobil Corporation | Mobil EAL Arctic 22 | Oil Przygotować emulsję bezpośrednio przed eksperymentem. |
| Silnik | Elektromotorenwerk Brienz AG | 7WAC72N4THTF | Silnik do wału mieszadła |
| Silnik BSM-1.4 | Levitronix GmbH | 100-10005 | Silnik PuraLev 200MU |
| Silnik LPM-600.4 | Levitronix GmbH | 100-10038 | Silnik PuraLev 600MU |
| Norm-Ject 10 ml Luer Lock | Restek Corporation | 22775 | strzykawkowej |
| LPP-200.5 | Levitronix GmbH | 100-90525 | Głowica pompy PuraLev 200MU |
| Głowica pompy LPP-600.18 | Levitronix GmbH | 100-90548 | Głowica pompy PuraLev 600MU |
| Quattroflow 1200-SU | Almatechnik AG | QF 1200 | 4-tłokowa pompa membranowa |
| SciPres Sensor | SciLog | 080-695PSX | Czujnik |
| SciPres Sensor Monitor | SciLog | 080-690 | Urządzenie wyjściowe czujnika ciśnienia |
| Sonda endoskopowa SOPAT-VF Inline | SOPAT GmbH | Endoskopia inline | |
| Stroboskop | Drello GmbH & Co KG | Drelloscop 255-01 | Sprzęt do endoskopii inline |
| Triton X-100 | Sigma-Aldrich | X100 | Surfaktant Handle z rękawicami i okularami. (ostra toksyczność, podrażnienie oczu) |
Bibliografia
- Wollny, S. Experimentelle und numerische Untersuchungen zur Partikelbeanspruchung in gerührten (Bio ) Reaktoren (Experimental and numerical investigations of particle stress in stirred (bio-) reactor). , Technische Universität Berlin. Berlin. (2010).
- Jaouen, P., Vandanjon, L., Quéméneur, F. The shear stress of microalgal cell suspension (Tetraselmis suecica) in tangential flow filtration systems: the role of pumps. Bioresour. Technol. 68 (2), 149-154 (1999).
- Bee, J. S., et al. Response of a concentrated monoclonal antibody formulation to high shear. Biotechnol. Bioeng. 103 (1), 936-943 (2009).
- Klaus, S. Bluttraumatisierung bei der Passage zeitkonstanter und zeitvarianter Scherfelder (Blood trauma during passage through steady and transient shear fields). , RWTH Aachen University. Aachen. (2004).
- Blaschczok, K., et al. Investigations on mechanical stress caused to CHO suspension cells by standard and single-use pumps. Chem. Ing. Tech. 85 (1-2), 144-152 (2012).
- Dittler, I., et al. A cost-effective and reliable method to predict mechanical stress in single-use and standard pumps. Eng. Life Sci. 14 (3), 311-317 (2014).
- Kaiser, S. C., Eibl, D. Single-use Pumpen in der Prozesstechnologie (Single-use pumps in the process technology). Chemie extra. , 30-31 (2013).
- Aggarwal, A., et al. Use of a single-circuit CentriMag® for biventricular support in postpartum cardiomyopathy. Perfusion. 28 (2), 156-159 (2012).
- Kouretas, P. C., et al. Experience with the Levitronix CentriMag® in the pediatric population as a bridge to decision and recovery. Artif. Organs. 33 (11), 1002-1004 (2009).
- Khan, N. U., Al Aloul, M., Shah, R., Yonan, N. Early experience with the Levitronix CentriMag® device for extra corporeal membrane oxygenation following lung transplantation. Eur. J. of Cardio Thorac. 34 (6), 1262-1264 (2008).
- Zhang, J., et al. Computational and experimental evaluation of the fluid dynamics and hemocompatibility of the CentriMag blood pump. Artif. Organs. 30 (3), 168-177 (2006).
- Maaß, S., Grünig, J., Kraume, M. Measurement techniques for drop size distributions in stirred liquid-liquid systems. Chem. Process Eng. 30 (4), 635-651 (2009).
- Maaß, S., Rojahn, J., Hänsch, R., Kraume, M. Automated drop detection using image analysis for online particle size monitoring in multiphase systems. Comput. Chem. Eng. 45, 27-37 (2012).
- Maaß, S., Wollny, S., Voigt, A., Kraume, M. Experimental comparison of measurement techniques for drop size distributions in liquid/liquid dispersions. Exp. Fluids. 50 (2), 259-269 (2011).
- Henzler, H. J. Particle Stress in Bioreactors. Adv. Biochem. Eng./ Biotechnol. 67, 35-82 (2000).
- Sprow, F. B. Drop size distributions in strongly coalescing agitated liquid-liquid systems. AIChE J. 13 (5), 995-998 (1967).
- Shinnar, R. On the behaviour of liquid dispersions in mixing vessels. J. Fluid Mech. 10 (2), 259-275 (1961).
- Ritter, J., Kraume, M. On-line measurement technique for drop size distributions in liquid/liquid systems at high dispersed phase fractions. Chem. Eng. Technol. 23 (7), 579-581 (2000).
- Fries, T. Quantifizierung der mechanischen Beanspruchung von Pumpen auf tierische Zellen mittels des nicht-biologischen Modellsystems Emulsion (Quantification of mechanical stress caused by pumps on mammalian cells using a non-biological emulsion model system). , University of Applied Sciences Berlin. Berlin. (2014).
- Maaß, S., Wollny, S., Sperling, R., Kraume, M. Numerical and experimental analysis of particle strain and breakage in turbulent dispersions. Chem. Eng. Res. Des. 87 (4), 565-572 (2009).
- Maaß, S., Metz, F., Rehm, T., Kraume, M. Prediction of drop sizes for liquid/liquid systems in stirred slim reactors - Part I: Single stage impellers. Chem. Eng. 162 (2), 792-801 (2010).
Przedruki i uprawnienia
