Name: Pomiary mocy wejściowej w bioreaktorach z mieszadłem w skali laboratoryjnej (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-05-16T12:30:00.000+00:00
Duration: 10 min 49 s
Description: Poznaj metodę pomiaru mocy wejściowej w bioreaktorach laboratoryjnych z mieszadłem przy użyciu czujnika momentu obrotowego z łożyskiem powietrznym. Technika ta umożliwia niezawodne badania skalowania procesów biotechnologicznych.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Autorzy chcieliby podziękować Dieterowi Häusslerowi i Beatowi Gautschiemu za ich pomoc podczas przeprowadzania eksperymentu. Jesteśmy również wdzięczni Caroline Hyde za korektę tekstu w języku angielskim.

1. Przygotowanie roztworów sacharozy
UWAGA: Roztwory sacharozy są używane jako tanie, newtonowskie media modelowe o podwyższonej lepkości i gęstości dla warunków zmniejszonej turbulencji (patrz Tabela 1).
<ol>
	<li>Napełnij szklaną butelkę Duran wodą i sacharozą o różnych stężeniach (20 - 60 % w/w).</li>
	<li>Wymieszaj zawartość z mieszadłem magnetycznym, aż sacharoza całkowicie się rozpuści.
	<ol>
		<li>W przypadku stężeń sacharozy przekraczających 40 % w/w, sacharozę dodawać z przerwami i lekko podgrzać szklaną butelkę (~ 50 °C). Przed użyciem pozwól roztworowi sacharozy ostygnąć do temperatury pokojowej.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. Przygotowanie receptury pomiaru i rejestracja danych

<ol>
	<li>Po uruchomieniu oprogramowania należy zainicjować komunikację z jednostką sterującą wybierając z menu rozwijanego właściwy port szeregowy COM i klikając przycisk Połącz. 
	Uwaga: Przycisk Połącz zmieni kolor na zielony, a dioda LED pod menu rozwijanym zaświeci się po zainicjowaniu komunikacji z jednostką sterującą.</li>
	<li>Skonfiguruj ścieżkę pliku danych w oprogramowaniu jednostki sterującej bioreaktora, aby przechowywać dane na komputerze operatora.
	<ol>
		<li>Otwórz stronę zakładki Ustawienia i kliknij symbol folderu obok pola tekstowego Lokalizacja pliku danych.</li>
		<li>W oknie dialogowym pliku przejdź do żądanego folderu, wpisz nazwę pliku w polu tekstowym Nazwa pliku i kliknij przycisk OK. 
		Uwaga: Ścieżka i nazwa pliku dziennika danych są wyświetlane w polu tekstowym, a przycisk uruchamiania DAQ jest aktywny po zdefiniowaniu prawidłowej ścieżki do pliku.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Skonfiguruj rutynę w menedżerze receptur w oprogramowaniu jednostki sterującej bioreaktora, aby zautomatyzować procedurę pomiarową.
	<ol>
		<li>Otwórz zakładkę Receptura i wpisz żądane wartości wejściowe dla czasu, który upłynął od fazy receptury (min) i odpowiadającej jej prędkości wirnika (obr./min) w polach tekstowych. Profil jest automatycznie wyświetlany na wykresie. 
		Uwaga: Na przykład prędkość obrotowa mieszadła jest zwiększana stopniowo o 20 obr./min od 100 obr./min do 300 obr./min, a każda wartość jest utrzymywana przez 4 minuty, aby zagwarantować stabilny sygnał momentu obrotowego (patrz dyskusja poniżej). Minimalne i maksymalne prędkości obrotowe, a także wielkość przyrostu można dostosować do różnych mieszadeł i zbiorników. 
		Uwaga: Ostrożnie wybierz zakres prędkości w odniesieniu do rozdzielczości czujnika momentu obrotowego, nominalnego momentu obrotowego i tworzenia wirów. To ostatnie często występuje w bioreaktorach bez przegrody mieszanych przy wyższych prędkościach i może spowodować uszkodzenie miernika momentu obrotowego.</li>
		<li>Kliknij przycisk Zapisz, przejdź do żądanej ścieżki pliku i wpisz nazwę pliku w polu tekstowym. Naciśnij przycisk OK, aby zapisać plik.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. Instalacja czujnika momentu obrotowego
UWAGA: Konfiguracja eksperymentalna jest pokazana schematycznie w Rysunek 1.
<ol>
	<li>Zamontuj przetwornik momentu obrotowego w specjalnie zaprojektowanym uchwycie, który zawiera łożysko powietrzne (patrz <silna klasa="xfig">Rysunek 1) za pomocą, aby zamocować czujnik na miejscu. Łożysko powietrzne użyte w tym badaniu ma porowaty materiał tulei węglowej o średnicy wewnętrznej 13 mm.
	<ol>
		<li>Zamontuj bezszczotkowy silnik serwomieszacza na górze uchwytu. Przymocuj przetwornik momentu obrotowego do pionowego mocowania uchwytu za pomocą czterech.</li>
		<li>Podłącz wał silnika do wału napędowego przetwornika momentu obrotowego za pomocą metalowego sprzęgła mieszkowego, które może skompensować niewielkie niewspółosiowości wałów i dokręcić sprzęgło za pomocą. Podłączyć wałek mieszadła do wału pomiarowego przetwornika momentu obrotowego za pomocą innego metalowego sprzęgła mieszkowego. 
		UWAGA: W tym badaniu zastosowano specjalnie zaprojektowane wały wirnika o średnicy 13 mm (tolerancja: - 0,0076 mm) i długości od 270 mm do 520 mm dla różnych badanych zbiorników.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Zamontuj uchwyt czujnika na płycie głowicy bioreaktora i zamontuj wirniki na wale mieszadła z żądanym luzem od dna. W razie potrzeby zamontuj przegrody i dodatkowe instalacje (np. probówki do pobierania próbek i zbiorów, czujniki elektrochemiczne itp.) wewnątrz bioreaktora.</li>
	<li>W razie potrzeby zainstaluj żądany bioreaktor w uchwycie naczynia (bioreaktory #1, #3 do #10) lub umieść płytę głowicy na zbiorniku bioreaktora (bioreaktor #2) i dokręć płytę głowicy.
	<ol>
		<li>W przypadku badań szklanych bioreaktorów należy umieścić szklane naczynie bioreaktora w uchwycie.</li>
		<li>W przypadku badań bioreaktorów jednorazowego użytku należy zdemontować zamontowane od góry porty rurek i obudowę wału wirnika z plastikowych płyt głowicy za pomocą odpowiednich narzędzi tnących. Umieść plastikowe naczynie w uchwycie.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Umieść czujnik temperatury wewnątrz bioreaktora i podłącz go do jednostki sterującej. Podłącz rurkę doprowadzającą sprężone powietrze do portu wlotowego gazu łożyska pneumatycznego i zastosuj ciśnienie około 5.5 bara dostarczane przez sprężarkę. Podłącz przetwornik momentu obrotowego do przetwornika A/C i włącz nadajnik.</li>
</ol>
4. Konfiguracje w oprogramowaniu do akwizycji danych
<ol>
	<li>Otwórz oprogramowanie do akwizycji danych sygnału czujnika momentu obrotowego i skonfiguruj preferencje pomiaru.
	<ol>
		<li>Upewnij się, że pierwsze dwa kanały w oknie Kanały DAQ są zainicjowane i aktywne. W tym badaniu sygnał momentu obrotowego został ustawiony na kanale 0, a sygnał prędkości obrotowej został ustawiony na kanale 1.
		<ol>
			<li>Kliknij przycisk Aktualizacja na żywo, aby wyświetlić bieżące wartości pomiarów.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Ustaw sygnał kanału momentu obrotowego na zero, jeśli bezwzględny sygnał momentu obrotowego bez obrotu jest większy niż 0,1 mN·m, używając prawego przycisku myszy na pozycji kanału na liście kanałów i wybierając opcję Balans zera.</li>
		<li>Przejdź do zakładki zadania DAQ i zdefiniuj szybkość akwizycji danych 2 Hz z listy rozwijanego. Użyj opcji Natychmiast po rozpoczęciu zadania i Czas trwania z list rozwijanych, aby ustawić odpowiednio początek i koniec pobierania danych.</li>
		<li>Zdefiniuj przedział czasu trwania próbki, który jest dłuższy niż czas wymagany do zakończenia pomiaru (na przykład użyj 1 h 0 m 30 s dla jednogodzinnej receptury zdefiniowanej w drugim kroku).</li>
		<li>Przejdź do strony Ustawienia przechowywania danych i wybierz opcję ASCII + informacje o kanale z listy rozwijanej, aby ustawić format pliku dla pliku zapisu danych. Ustaw ścieżkę file na dysku twardym komputera dla pliku wyjściowego pomiaru.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
5. Wykonaj pomiar momentu obrotowego
<ol>
	<li>Rozpocznij akwizycję danych dla sygnału momentu obrotowego w oprogramowaniu sterującym i akwizycji danych dla miernika momentu obrotowego, klikając przycisk Start na stronie menu zadania DAQ.</li>
	<li>Rozpocznij akwizycję danych dotyczących prędkości mieszadła i temperatury w oprogramowaniu jednostki sterującej bioreaktora, klikając przycisk start DAQ na karcie Ustawienia.</li>
	<li>Uruchomić sterowanie mieszadłem w oprogramowaniu jednostki sterującej z ręczną nastawą lub wstępnie zdefiniowanym schematem receptury.
	<ol>
		<li>Jeśli przeprowadzany jest pojedynczy pomiar, należy skorzystać z wpisu w polu kontrolnym na karcie Główna w oprogramowaniu sterującym bioreaktorem. Wpisz żądaną wartość zadaną w polu tekstowym i kliknij pozycję "Sterowanie mieszadłem włączone".</li>
		<li>Jeśli przeprowadzanych jest wiele pomiarów z recepturą, przejdź do zakładki Fazy i kliknij przycisk Start. 
		Uwaga: Oprogramowanie automatycznie wyłączy wszystkie pola ręcznego wprowadzania na czas trwania przepisu, a okno otworzy się automatycznie z potwierdzeniem zakończenia procesu.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>W oprogramowaniu do akwizycji danych po upływie zdefiniowanego czasu pomiaru automatycznie otwiera się okno. Zapisz dane dla każdego pomiaru na komputerze operatora, najlepiej na dysku twardym, klikając przycisk Zapisz dane teraz.</li>
	<li>Powtórz pomiar dla każdej żądanej prędkości mieszadła bez i z cieczą wewnątrz zbiornika bioreaktora.
	<ol>
		<li>Wlać wodę (lub roztwór sacharozy) przez lejek do bioreaktora. 
		Uwaga: Upewnij się, że ciecz całkowicie zakrywa wirniki, ponieważ (częściowo) odsłonięte wirniki mogą powodować niepożądane siły osiowe, które mogą uszkodzić czujnik momentu obrotowego.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
6. Ocena danych
UWAGA: Uzyskane wartości momentu obrotowego w pustym zbiorniku (moment martwy) odpowiadają stratom tarcia resztkowego łożyska i muszą być odjęte od wartości określonych w cieczy, aby uzyskać efektywne wartości momentu obrotowego (patrz równanie 1).
<ol>
	<li>Uśrednić wartości momentu obrotowego dla każdej prędkości mieszadła zmierzonej po osiągnięciu quasi-stabilnego sygnału (patrz dyskusja poniżej). Najlepiej obliczyć średnią wartość w okresie co najmniej 2 minut dla każdego warunku, odpowiadającą 240 punktom danych przy częstotliwości pomiaru 2 Hz.</li>
	<li>Użyj kodu Matlab do przetwarzania danych, uruchamiając kod z wiersza poleceń oprogramowania. 
	UWAGA: Kod jest dostępny do pobrania w sekcji suplementów tego manuskryptu. Ten skrypt importuje plik surowych danych z zapisu danych, oblicza średnią fazową prędkość obrotową, liczbę Reynoldsa (z równania 3 na podstawie danych wejściowych użytkownika) i wartości momentu obrotowego dla każdej z faz, wizualizuje wyniki i zapisuje wyniki w drugim pliku tekstowym, który następnie można wykorzystać do dalszego przetwarzania danych.</li>
	<li>Odejmij wartości momentu obrotowego uzyskane w pustym naczyniu od wartości zmierzonych w cieczy, aby uzyskać efektywne wartości momentu obrotowego.</li>
	<li>Obliczyć moc wejściową i bezwymiarową liczbę mocy na podstawie uśrednionych w czasie wartości momentu obrotowego zgodnie z równaniem 1 i równaniem 2.</li>
</ol>

<ol><li>Shiue, S. J., Wong, C. W. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cjce.5450620505/full">Studies on homogenization efficiency of various agitators in liquid blending.</a> Can. J. Chem. Eng. 62, 602-609 (1984).</li>
<li>Zlokarnik, M. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aZlokarnik%2C+M+%22R%C3%BChrtechnik+--+Theorie+und+Praxis%22">Rührtechnik -- Theorie und Praxis</a>. , Springer-Verlag. Berlin, Heidelberg, New York. (1999).</li>
<li>Ghotli, A. R., Raman, A. A. A., Ibrahim, S., Baroutian, S. <a target="_blank" href="http://eprints.um.edu.my/9432/">Liquid-liquid mixing in stirred vessels: a review.</a> Chem. Eng. Commun. 200, 595-627 (2013).</li>
<li>Arjunwadkar, S. J., Sarvanan, K., Kulkarni, P. R., Pandit, A. B. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894797000831">Gas-liquid mass transfer in dual impeller bioreactor.</a> Biochem. Eng. J. 1, 99-106 (1999).</li>
<li>Hari-Prajitno, D., Mishra, V. P., Takenaka, K., Bujalski, W., Nienow, A. W., McKemmie, J. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cjce.5450760612/abstract">Gas-liquid mixing studies with multiple up- and down-pumping hydrofoil impellers: power characteristics and mixing time.</a> Can. J. Chemical Eng. 76, 1056-1068 (1998).</li>
<li>Wichterle, K. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0009250994850755">Heat transfer in agitated vessels.</a> Chem. Eng. Sci. 49, 1480-1483 (1994).</li>
<li>Angst, R., Kraume, M. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0009250905009000">Experimental investigations of stirred solid/liquid systems in three different scales: particle distribution and power consumption.</a> Chem. Eng. Sci. 61, 2864-2870 (2006).</li>
<li>Cherry, R., Papoutsakis, E. T. <a target="_blank" href="https://link.springer.com/article/10.1007%2FBF00369462">Hydrodynamic effects on cells in agitated tissue culture reactors.</a> Bioprocess Eng. 1, 29-41 (1986).</li>
<li>Chalmers, J. J. <a target="_blank" href="https://link.springer.com/article/10.1007%2FBF00350397">Shear sensitivity of insect cells.</a> Cytotechnology. 20, 163-171 (1996).</li>
<li>Ma, N., Mollet, M., Chalmers, J. J. Aeration, mixing and hydrodynamics in bioreactors. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aMa%2C+N+%22Cell+Culture+Technology+for+Pharmaceutical+and+Cell-Based+Therapies%22">Cell Culture Technology for Pharmaceutical and Cell-Based Therapies</a>. Ozturk, S. S., Hu, W. -S. , Taylor & Francis. New York (NY). 225-248 (2006).</li>
<li>Chisti, Y. Shear Sensitivity. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aChisti%2C+Y+%22Encyclopedia+of+Bioprocess+Technology%22">Encyclopedia of Bioprocess Technology</a>. Flickinger, M. C., Drew, S. W. , John Wiley & Sons. Hoboken, NJ, USA. 1719-1762 (2002).</li>
<li>Oosterhuis, N. M. G., Kossen, N. W. F. <a target="_blank" href="https://link.springer.com/article/10.1007/BF00158694">Power input measurements in a production scale bioreactor.</a> Biotechnol. Lett. 3, 645-650 (1981).</li>
<li>King, R. L., Hiller, R. A., Tatterson, G. B. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aic.690340320/abstract">Power consumption in a mixer.</a> AIChE J. 34, 506-509 (1988).</li>
<li>Brown, D. E. <a target="_blank" href="https://www.tib.eu/en/search/id/ceaba%3ACEAB1970060610/The-measurement-of-fermenter-power-input/">The measurement of fermenter power input.</a> Ind. Chem. 16, 684-688 (1997).</li>
<li>Bourne, J. R., Buerli, M., Regenass, W. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0009250981850142">Heat transfer and power measurements in stirred tanks using heat flow calorimetry.</a> Chem. Eng. Sci. 36, 347-354 (1981).</li>
<li>Böhme, G., Stenger, M. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ceat.270110127/abstract">Consistent scale-up procedure for the power consumption in agitated non-newtonian fluids.</a> Chem. Eng. Technol. 11, 199-205 (1988).</li>
<li>Reséndiz, R., Martínez, A., Ascanio, G., Galindo, E. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ceat.270140206/abstract">A new pneumatic bearing dynamometer for power input measurement in stirred tanks.</a> Chem. Eng. Technol. 14, 105-108 (1991).</li>
<li>Distelhoff, M. F. W., Laker, J., Marquis, A. J., Nouri, J. M. <a target="_blank" href="https://link.springer.com/article/10.1007/BF00190598">The application of a strain gauge technique to the measurement of the power characteristics of five impellers.</a> Exp. Fluids. 20, 56-58 (1995).</li>
<li>Ibrahim, S., Nienow, A. W. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/279596070_Power_curves_and_flow_patterns_for_a_range_of_impellers_in_Newtonian_fluids_40Re5105">Power curves and flow patterns for a range of Impellers in Newtonian fluids: 40 < Re < 5x10^5.</a> Chem. Eng. Res. Des. 73, 485-491 (1995).</li>
<li>Karcz, J., Major, M. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0255270198000336">An effect of a baffle length on the power consumption in an agitated vessel.</a> Chem. Eng. Process. Process Intensif. 37, 249-256 (1998).</li>
<li>Houcine, I., Plasari, E., David, R. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/1521-4125(200007)23:7%3C605::AID-CEAT605%3E3.0.CO;2-0/abstract">Effects of the stirred tank's design on power consumption and mixing time in liquid phase.</a> Chem. Eng. Technol. 23, 605-613 (2000).</li>
<li>Chen, Z. D., Chen, J. J. J. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aChen%2C+ZD+%22A+study+of+agitated+gas-liquid+reactors+with+concave+blade+impellers%22">A study of agitated gas-liquid reactors with concave blade impellers</a>. Gupta, B., Ibrahim, S. , Kluwer Academic Publishers. 43-56 (2000).</li>
<li>Chapple, D., Kresta, S. M., Wall, A., Afacan, A. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0263876202721965">The effect of impeller and tank geometry on power number for a pitched blade turbine.</a> Chem. Eng. Res. Des. 80, 364-372 (2002).</li>
<li>Gill, N. K., Appleton, M., Baganz, F., Lye, G. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quantification+of+power+consumption+and+oxygen+transfer+characteristics+of+a+stirred+miniature+bioreactor+for+predictive+fermentation+scale-up%5BTitle%5D)+AND+%22Biotechnol.+Bioeng%22%5BJournal%5D)">Quantification of power consumption and oxygen transfer characteristics of a stirred miniature bioreactor for predictive fermentation scale-up.</a> Biotechnol. Bioeng. 100, 1144-1155 (2008).</li>
<li>Cudak, M. <a target="_blank" href="https://www.degruyter.com/view/j/cpe.2014.35.issue-1/cpe-2014-0007/cpe-2014-0007.xml">Hydrodynamic characteristics of mechanically agitated air - aqueous sucrose solutions.</a> Chem. Process Eng. 35, 97-107 (2014).</li>
<li>Kuboi, R., Nienow, A. W., Allsford, K. <a target="_blank" href="http://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/00986448308940043">A multipurpose stirred tank facility for flow visualisation and dual impeller power measurement.</a> Chem. Eng. Commun. 22, 29-39 (1983).</li>
<li>Wu, J., Zhu, Y., Pullum, L. <a target="_blank" href="http://www.cherd.ichemejournals.com/article/S0263-8762(01)72140-5/pdf">Impeller geometry effect on velocity and solids suspension.</a> Chem. Eng. Res. Des. 79, 989-997 (2001).</li>
<li>Amanullah, A., Serrano-Carreon, L., Castro, B., Galindo, E., Nienow, A. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+influence+of+impeller+type+in+pilot+scale+xanthan+fermentations%5BTitle%5D)+AND+%22Biotechnol.+Bioeng%22%5BJournal%5D)">The influence of impeller type in pilot scale xanthan fermentations.</a> Biotechnol. Bioeng. 57, 95-108 (1998).</li>
<li>Saito, F., Nienow, A. W., Chatwin, S., Moore, I. P. T. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/238145132_Power_Gas_Dispersion_and_Homogenisation_Characteristics_of_SCABA_SRGT_and_Rushton_Turbine_Impellers">Power, gas dispersion and homogenisation Characteristics of SCABA SRGT and Rushton turbine impellers.</a> J. Chem. Eng. Japan. 25, 281-287 (1992).</li>
<li>Ascanio, G., Castro, B., Galindo, E. <a target="_blank" href="http://www.cherd.ichemejournals.com/article/S0263-8762(04)72615-5/pdf">Measurement of power consumption in stirred vessels - a review.</a> Chem. Eng. Res. Des. 82, 1282-1290 (2004).</li>
<li>Vilaça, P. R., Badino, A. C., Facciotti, M. C. R., Schmidell, W. <a target="_blank" href="https://link.springer.com/article/10.1007/s004490050730">Determination of power consumption and volumetric oxygen transfer coefficient in bioreactors.</a> Bioprocess Eng. 22, 261-265 (2000).</li>
<li>van Eikenhorst, G., Thomassen, Y. E., van der Pol, L. A., Bakker, W. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Assessment+of+mass+transfer+and+mixing+in+rigid+lab-scale+disposable+bioreactors+at+low+power+input+levels%5BTitle%5D)+AND+%22Biotechnol.+Prog%22%5BJournal%5D)">Assessment of mass transfer and mixing in rigid lab-scale disposable bioreactors at low power input levels.</a> Biotechnol. Prog. 30, 1269-1276 (2014).</li>
<li>Eibl, D., Peuker, T., Eibl, R. Single-use equipment in biopharmaceutical manufacture: A brief introduction. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aEibl%2C+D+%22Single-Use+Technology+in+Biopharmaceutical+Manufacture%22">Single-Use Technology in Biopharmaceutical Manufacture</a>. Eibl, R., Eibl, D. , John Wiley & Sons. Hoboken, NJ, USA. 3-11 (2010).</li>
<li>Eibl, R., Kaiser, S., Lombriser, R., Eibl, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Disposable+bioreactors%3A+the+current+state-of-the-art+and+recommended+applications+in+biotechnology%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Microbiol.+Biotechnol%22%5BJournal%5D)">Disposable bioreactors: the current state-of-the-art and recommended applications in biotechnology.</a> Appl. Microbiol. Biotechnol. 86, 41-49 (2010).</li>
<li>Kaiser, S. C., Werner, S., Jossen, V., Kraume, M., Eibl, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Development+of+a+method+for+reliable+power+input+measurements+in+conventional+and+single-use+stirred+bioreactors+at+laboratory+scale%5BTitle%5D)+AND+%22Eng.+Life+Sci%22%5BJournal%5D)">Development of a method for reliable power input measurements in conventional and single-use stirred bioreactors at laboratory scale.</a> Eng. Life Sci. 17 (5), 500-511 (2016).</li>
<li>Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH. Drehmoment-Messwelle T20WN product description. , Available from:
 <a target="_blank" href="http://www.hbm.com/en/0264/torq">http://www.hbm.com/en/0264/torq</a> (2016).</li>
<li>Nienow, A. W., Miles, D. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/i260037a007">Impeller power numbers in closed vessels.</a> Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev. 10, 41-43 (1971).</li>
<li>Liepe, F., Sperling, R., Jembere, S. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aLiepe%2C+F+%22R%C3%BChrwerke+-+Theoretische+Grundlagen%2C+Auslegung+und+Bewertung%22">Rührwerke - Theoretische Grundlagen, Auslegung und Bewertung</a>. , Eigenverlag FH. Anhalt, Köthen, Germany. (1998).</li>
<li>Kaiser, S. C., Werner, S., Eibl, D. CFD as tool to characterize single-use bioreactors. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aKaiser%2C+SC+%22Single-Use+Technology+in+Biopharmaceutical+Manufacture%22">Single-Use Technology in Biopharmaceutical Manufacture</a>. Eibl, R., Eibl, D. , John Wiley & Sons. Hoboken, NJ, USA. 264-279 (2010).</li>
<li>Liepe, F. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/zfch.19880281120/abstract">Verfahrenstechnische Berechnungsmethoden Teil 4: Stoffvereinigen in fluiden Phasen - Ausrüstungen und ihre Berechnung.</a> VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie. , Leipzig, Germany. (1988).</li>
<li>Kraume, M., Zehner, P. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S026387620172117X">Experience with experimental standards for measurements of various parameters in stirred tanks: a comparative test.</a> Chem. Eng. Res. Des. 79, 811-818 (2001).</li>
<li>Werner, S., Greulich, J., Geipel, K., Steingroewer, J., Bley, T., Eibl, D. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/elsc.201400024/abstract">Mass propagation of Helianthus annuus suspension cells in orbitally shaken bioreactors: Improved growth rate in single-use bag bioreactors.</a> Eng. Life Sci. 14, 676-684 (2014).</li>
</ol>

Autorzy zadeklarowali brak konfliktu interesów.

Pomimo znaczenia (specyficznego) dopływu mocy dla charakterystyki inżynieryjnej oraz skalowania w górę lub w dół bioreaktorów, w literaturze można znaleźć niewiele publikacji dotyczących badań eksperymentalnych w bioreaktorach w skali laboratoryjnej, w szczególności systemów jednorazowych o objętości rzędu pojedynczych litrów. Jedną z przyczyn tego braku danych mogą być trudności w dokładnym pomiarze dopływu mocy w tak małych skalach. Aby przezwyciężyć niektóre z tych trudności, niniejsze badanie przedstawia szczegółowy protokół pomiarów dopływu mocy opartych na momencie obrotowym, wspieranych przez łożysko powietrzne w celu zminimalizowania strat tarcia w łożysku. Zastosowalność tej metody zademonstrowano przy użyciu trzech dostępnych komercyjnie bioreaktorów jednorazowych, a także bioreaktorów wielokrotnego użytku w skalach od 1 L do 10 L objętości roboczej.
W oparciu o nasze doświadczenia z pomiarami momentu obrotowego, najbardziej krytycznymi czynnikami wymagającymi uwagi są: 1) redukcja momentu jałowego poprzez minimalizację strat tarcia w łożyskach i uszczelnieniach, w szczególności w bioreaktorach w skali laboratoryjnej, oraz 2) wybór odpowiedniego miernika momentu obrotowego dla pożądanego rozmiaru bioreaktora i warunków mieszania. Jak wykazano wcześniej35, moment jałowy można znacznie zredukować poprzez zastosowanie łożyska powietrznego. W niniejszym badaniu wykorzystano niskokosztową tuleję powietrzną wykonaną z porowatego materiału węglowego. Moment szczątkowy w badanych pustych naczyniach wynosił zazwyczaj poniżej 0,5 mN·m przy prędkościach mieszania do 900 rpm, co odpowiada prędkościom liniowym końcówek mieszadła do 3 m·s-1. W przeciwieństwie do tego, moment jałowy bioreaktora #6 z wbudowanym mechanicznym łożyskiem wału wynosił na przykład od 9,4 mN·m do 20 mN·m, a porównywalne wartości rzędu 3 mN·m zgłoszono również dla bioreaktora #732. Jest to wartość o około rząd wielkości wyższa niż wartości uzyskane w proponowanym układzie eksperymentalnym.
Oprócz łożyska powietrznego, najkrytyczniejszym zastosowanym elementem jest miernik momentu obrotowego. Do niniejszego badania wybrano dostępny komercyjnie miernik momentu obrotowego, przeznaczony do pomiaru momentu statycznego i dynamicznego, prędkości obrotowej oraz kąta obrotu. Biorąc pod uwagę analizowane bioreaktory o maksymalnych objętościach roboczych 10 L oraz odpowiadające im mieszadła, wybrano nominalny moment obrotowy 0.2 N·m. Stwierdzono, że wysoką powtarzalność z względnym odchyleniem standardowym powtórzeń &lt; 5% oraz wiarygodne pomiary można uzyskać dla momentów efektywnych już na poziomie 2 mN·m, co odpowiada zaledwie 1% momentu nominalnego. Zatem zakres pomiarowy czujnika zastosowanego w niniejszym badaniu był znacznie szerszy niż wyniki opublikowane na podstawie badania międzylaboratoryjnego członków niemieckiej grupy roboczej GVC-VDI ds. mieszania41.
Niemniej jednak zakres prędkości mieszadła należy starannie dobrać w odniesieniu do rozdzielczości czujnika momentu obrotowego, momentu nominalnego oraz tworzenia się wirów. To ostatnie zjawisko często występuje w bioreaktorach bez przegród mieszanych z wysokimi prędkościami i może spowodować uszkodzenie miernika momentu obrotowego. Zarówno minimalna, jak i maksymalna możliwa prędkość mieszadła mogą być czynnikami ograniczającymi metodę opisaną w niniejszym badaniu. Oprócz naszych poprzednich prac35, w badaniu tym wykorzystano również bioreaktor nr 3, najmniejszy element z rodziny bioreaktorów szklanych dostarczonych przez producenta, który jest mieszany za pomocą dwustopniowych mieszadeł o średnicach 42 mm. Przy zastosowaniu przedstawionego układu doświadczalnego uzyskano charakterystykę mocy porównywalną do tej w geometrycznie podobnym bioreaktorze nr 4. Jest to istotne, ponieważ moment obrotowy skaluje się z M <img alt="Równanie reprezentujące symbol proporcjonalności, związane z zależnościami i zasadami matematycznymi." src="/files/ftp_upload/56078/56078pro.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Proporcjonalnie do"> d5 dla danej gęstości cieczy, geometrii mieszadła (tj. liczby mocy) i prędkości obrotowej (patrz Równ. 1 i Równ. 2). W konsekwencji, na przykład o 10% mniejsza średnica mieszadła skutkuje około 40% niższym momentem obrotowym mieszadła. Niemniej jednak podczas pracy w skali 1 L wymagane były wyższe prędkości obrotowe niż w skali 2 L, aby móc rozdzielić wytworzony moment obrotowy za pomocą dostępnego miernika. Dzięki wbudowanym przegrodom w bioreaktorze nr 3 nie zaobserwowano tworzenia się wirów, co może jednak stać się problemem w naczyniach bez przegród. Należy podkreślić, że stałe przesunięcie w liczbach mocy, które stwierdzono między dwiema skalami, mogło wynikać z niedokładności pomiarowych spowodowanych ograniczoną rozdzielczością czujnika (oprócz różnic geometrycznych). Wymagane są dalsze badania, aby sformułować ostateczne wnioski na temat minimalnej skali, w której proponowany układ jest nadal możliwy do zastosowania.
Niemniej jednak, w naszym laboratorium ten sam protokół został zastosowany do pomiarów mocy dostarczonej w różnych naczyniach szklanych od różnych producentów o objętościach roboczych od 1 L do 10 L. Podkreśla to możliwość przeniesienia zastosowanej metody na charakterystykę różnych systemów bioreaktorów. Nakład pracy eksperymentalnej można byłoby zredukować poprzez zautomatyzowane pomiary z wykorzystaniem zarządzania recepturami w systemie automatyzacji zapewnionym przez oprogramowanie jednostki sterującej oraz zautomatyzowane przetwarzanie danych w oparciu o uniwersalny język Matlab.
Należy ponadto zauważyć, że dzięki zastosowaniu tanich mediów newtonowskich zawierających sacharozę, objęto szeroki zakres liczb Reynoldsa (100 &lt; Re &lt; 6·104), w zależności od mieszadła i skali. Należy również podkreślić, że dolna granica zakresu turbulencji jest zazwyczaj nieistotna dla hodowli komórek zwierzęcych w mediach o właściwościach zbliżonych do wody, nawet przy zastosowaniu bardzo niskich prędkości obrotowych mieszadła. Jednak w przypadku hodowli opartych na komórkach roślinnych i grzybach opisano znaczne wzrosty lepkości cieczy, co prowadzi do tłumienia turbulencji, a nawet do wystąpienia zachowań nienewtonowskich. Na przykład w hodowlach roślinnych zgłaszano lepkości pozorne do 400 razy większe niż w przypadku wody42, co prowadzi do znacznie niższych liczb Reynoldsa.
Wreszcie, wykorzystując bioreaktor nr 7 jako pierwsze studium przypadku, wykazano, że proponowana konfiguracja eksperymentalna może być stosowana do badania wpływu modyfikacji konstrukcyjnych na moc wejściową w skali laboratoryjnej. W połączeniu z technikami szybkiego prototypowania może to stanowić potężne narzędzie do badań nad konstrukcją mieszadeł, co będzie przedmiotem przyszłych prac.

Doprowadzenie mocy jest kluczowym parametrem inżynieryjnym dla charakterystyki i skalowania bioreaktorów, ponieważ odnosi się do wielu operacji jednostkowych, takich jak homogenizacja1,2,3, dyspersja gaz-ciecz2,4,5, wymiana ciepła6 i zawieszenie ciał stałych7. Doprowadzenie mocy wiąże się również z naprężeniem ścinającym, które może w szczególności wpływać na wzrost i tworzenie produktów w kulturach komórkowych wrażliwych na ścinanie8,9,10,11.
Najczęstsze techniki pomiaru mocy dostarczanej do bioreaktorów z mieszadłem opierają się na poborze mocy elektrycznej12,13,14, kalorymetrii12,15 (tj. stacjonarnym bilansie cieplnym lub dynamicznym ogrzewaniu poprzez mieszanie) lub momencie obrotowym mieszadła. Ten ostatni może być określany eksperymentalnie za pomocą dynamometrów, mierników momentu obrotowego lub tensometrów, które były stosowane dla różnych rodzajów mieszadeł, w tym jednostopniowych lub wielostopniowych turbin Rushtona1,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25, mieszadeł z łopatkami skośnymi19,20,23,26,27, mieszadeł InterMig19,21 oraz mieszadeł Scaba28,29. Szczegółowy przegląd przedstawili Ascanio i wsp. (2004)30.
Na podstawie momentu obrotowego (T) można oszacować pobieraną moc (P) za pomocą równania 1, gdzie N oznacza prędkość obrotową mieszadła.
<img alt="Równanie równowagi statycznej; schemat; PL=2πNTeff=2πN(TL−TD); edukacyjny koncept fizyczny." src="/files/ftp_upload/56078/56078eq1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 1"> (1)
Aby uwzględnić straty występujące podczas mieszania (w łożyskach, uszczelkach i samym silniku), moment obrotowy efektywny (Teff) należy wyznaczyć jako różnicę między wartością zmierzoną w pustym naczyniu (TD) a wartością w cieczy (TL). Ostatecznie, do porównania różnych mieszadeł można wykorzystać bezwymiarową liczbę mocy (P0, znaną również jako liczba Newtona), zdefiniowaną w równaniu 2, gdzie ρL oznacza gęstość cieczy, a d reprezentuje średnicę wirnika.
<img alt="Równanie równowagi statycznej, symbole ciśnienia i gęstości; wyrażenie matematyczne." src="/files/ftp_upload/56078/56078eq2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 2"> (2)
Powszechnie wiadomo, że liczba mocy jest funkcją liczby Reynoldsa (tj. turbulencji) i staje się stała w warunkach pełnej turbulencji. Liczba Reynoldsa dla mieszadła jest zdefiniowana zgodnie z równaniem 3, gdzie ηL oznacza lepkość cieczy.
<img alt="Wzór na liczbę Reynoldsa, równanie mechaniki płynów, ilustrujące obliczenia dynamiki przepływu." src="/files/ftp_upload/56078/56078eq3.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 3"> (3)
Niemniej jednak, pomiary mocy dostarczanej w bioreaktorach małej skali wciąż stanowią wyzwanie ze względu na stosunkowo wysokie straty tarcia w łożyskach mechanicznych wałów mieszadeł oraz ograniczoną dokładność większości dostępnych komercyjnie mierników momentu obrotowego. W konsekwencji opublikowano jedynie kilka raportów dotyczących pomiarów mocy dostarczanej w bioreaktorach w skali laboratoryjnej17,18,22,24,31,32. Brakuje również danych na temat mocy dostarczanej w bioreaktorach jednorazowych, które są dostarczane przez producentów w formie zmontowanej, wysterylizowanej i gotowej do użycia33,34. W przeciwieństwie do ich wielorazowych odpowiedników, większość bioreaktorów jednorazowych jest mieszana za pomocą specjalnie zaprojektowanych mieszadeł, co utrudnia przeprowadzanie porównań.
Aby wypełnić tę lukę, opracowano niedawno wiarygodną metodę pomiaru mocy wejściowej, ze szczególnym uwzględnieniem mieszadeł w skali laboratoryjnej35. Wartości momentu obrotowego mierzone w pustych naczyniach, wynikające ze strat tarcia, zostały skutecznie zredukowane dzięki zastosowaniu łożyska powietrznego. W konsekwencji możliwe było zbadanie szerokiego zakresu warunków operacyjnych przy niskiej i umiarkowanej turbulencji (100 &lt; Re &lt; 2·104), a także określono moc wejściową kilku bioreaktorów wielorazowych i jednorazowych.
Niniejsze badanie przedstawia szczegółowy protokół pomiarowy wcześniej opracowanej metody oraz opisuje sposób konfiguracji, przeprowadzania i oceny pomiaru doprowadzanej mocy opartego na momencie obrotowym w bioreaktorach w skali laboratoryjnej. Szczególną uwagę poświęcono dostępnym komercyjnie systemom jednorazowym oraz wielokrotnego użytku. W celu zmniejszenia nakładu pracy eksperymentalnej zastosowano zautomatyzowaną procedurę pomiarową.

<table><tbody><tr><td>Miernik momentu obrotowego T20WN</td><td>HBM Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH</td><td></td><td>Nominalny moment obrotowy 0,2 Nm</td></tr><tr><td>Spider-8</td><td>HBM Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH</td><td></td><td>HBM Spider8 nie jest już dostępny w sprzedaży. Zalecany jest system DAQ QuantumX (zwłaszcza moduły QuantumX MX840A i MX440A).</td></tr><tr><td>Łatwe oprogramowanie Catman</td><td>HBM Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH</td><td></td><td>Wersja 4.2.2</td></tr><tr><td>Łożysko pneumatyczne</td><td>IBS precyzyjna inżynieria</td><td></td><td>13 mm tuleja powietrzna</td></tr><tr><td>Wał wirnika ze stali nierdzewnej</td><td>Bioengineering AG</td><td></td><td>Tolerancja wału -0,0076 mm</td></tr><tr><td>Silnik bezszczotkowy AKM2</td><td>Kollmorgen</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Metalowe sprzęgło mieszkowe</td><td>Uiker AG</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Jednostka sterująca Finesse RDPDmini</td><td>Finesse, część Thermo Fisher Scientific</td><td></td><td>Nie jest już obsługiwana (można użyć produktu zastępczego G3Lab uniwersalny kontroler</td></tr>)<tr><td>Sacharoza</td><td>Migros Schweiz AG</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Oprogramowanie Matlab</td> klasy spożywczej <td>Mathworks</td><td></td><td>Wersja R2017a</td></tr><tr><td>Finesse &mu; Oprogramowanie komputerowe TruBio</td><td>Finesse, część Thermo Fisher Scientific</td><td></td><td>w wersji 3.1 (nie jest już obsługiwane)</td></tr><tr><td>SmartGlass 1L</td><td>Finesse, część Thermo Fisher Scientific</td><td></td><td>określana jako Bioreactor 1L w tabeli 2</td></tr><tr><td>SmartGlass 3L</td><td>Finesse, część Thermo Fisher Scientific</td><td></td><td>określana jako Bioreactor 3L w tabeli 2</td></tr><tr><td>SmartVessel 3L</td><td>Finesse, część Thermo Fisher Scientific</td><td></td><td>określany jako bioreaktor jednorazowego użytku o pojemności 3 litrów w tabeli 2</td></tr><tr><td>Mobius CellReady 3L</td><td>Merck Millipore</td><td></td><td>określany jako Cell Ready Single-Use 3L Bioreactor w Tabeli 2</td></tr><tr><td>UniVessel SU 2L</td><td>Sartorius Stedim Biotech</td><td></td><td>określany jako Jednorazowy Bioreaktor 2L w Tabeli 2</td></tr></tbody></table>

pomiary mocy wejściowej w bioreaktorach z mieszadłem w skali laboratoryjnej

Power Input Measurements in Stirred Bioreactors at Laboratory Scale

Moc wejściowa w bioreaktorach z mieszadłem jest ważnym parametrem skalowania i może być mierzona za pomocą momentu obrotowego, który działa na wał wirnika podczas obrotu. Jednak eksperymentalne określenie mocy wejściowej w małych zbiornikach jest nadal trudne ze względu na stosunkowo wysokie straty tarcia wewnątrz zwykle stosowanych tulei, łożysk i/lub uszczelnień wału oraz dokładność dostępnych na rynku mierników momentu obrotowego. W związku z tym w literaturze dostępne są jedynie ograniczone dane dotyczące małych bioreaktorów, w szczególności systemów jednorazowego użytku, co utrudnia porównania między różnymi systemami jednorazowego użytku i ich konwencjonalnymi odpowiednikami.
Ten manuskrypt zawiera protokół, jak mierzyć moc wejściową w bioreaktorach stacjonarnych w szerokim zakresie warunków turbulencji, które można opisać za pomocą bezwymiarowej liczby Reynoldsa (Re). Wspomniane straty wynikające z tarcia są skutecznie redukowane dzięki zastosowaniu łożyska powietrznego. Szczegółowo opisano procedurę konfiguracji, przeprowadzania i oceny pomiaru mocy wejściowej na podstawie momentu obrotowego, ze szczególnym uwzględnieniem typowych warunków mieszania hodowli komórkowych z niskimi lub umiarkowanymi turbulencjami (100 < Re < 2·104). Pobór mocy kilku bioreaktorów wielokrotnego i jednorazowego użytku jest zapewniony przez bezwymiarową liczbę mocy (zwaną również liczbą Newtona, P0), która jest określana jako mieszcząca się w zakresie P0 ≈ 0,3 i P0 ≈ 4,5 dla maksymalnych liczb Reynoldsa w różnych bioreaktorach.

Moc wejściowa w bioreaktorach z mieszadłem może być mierzona za pomocą momentu obrotowego, który działa na wał wirnika podczas obrotu. W artykule opisano, w jaki sposób łożysko powietrzne może być wykorzystane do skutecznego zmniejszenia strat tarcia obserwowanych w uszczelnieniach mechanicznych i poprawy dokładności pomiarów mocy wejściowej w małych zbiornikach.

Pomiary mocy wejściowej w bioreaktorach z mieszadłem w skali laboratoryjnej

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 ...

Ogólnym celem niniejszego protokołu jest wyznaczenie mocy doprowadzanej do mieszanych bioreaktorów laboratoryjnych na podstawie pomiarów momentu obrotowego. Główną zaletą tej techniki jest możliwość wykorzystania komercyjnie dostępnych czujników do badań w skali laboratoryjnej, co pozwala użytkownikowi na przeprowadzanie pomiarów na potrzeby badań nad skalowaniem procesu. Wizualna demonstracja tej techniki jest kluczowa, ponieważ prawidłowy montaż przetwornika momentu obrotowego ma istotne znaczenie dla wiarygodności pomiarów.Ustaw elementy bioreaktora i aparatury sterującej na stole laboratoryjnym. W tym doświadczeniu wykorzystano dwulitrowy zbiornik mieszający oraz uchwyt naczynia. Znajduje się również specjalnie zaprojektowany uchwyt silnika mieszadła.Oprócz uchwytu silnika znajduje się uchwyt dla miernika momentu obrotowego. Specjalna konstrukcja obejmuje łożysko powietrzne z wlotem dla sprężonego powietrza. Do akwizycji danych i sterowania należy użyć komputera oraz jednostki sterującej bioreaktorem.Należy również zapewnić ciecz o określonej gęstości i lepkości, taką jak czysta woda lub roztwór sacharozy. Pierwszym krokiem jest zamontowanie silnika mieszadła oraz przetwornika momentu obrotowego. Najpierw umieść bezszczotkowy serwosilnik mieszadła na górnej części uchwytu.Przymocuj silnik za pomocą śrub, a następnie odpowiednio zorientuj przetwornik momentu obrotowego i ustaw go na miejscu. Zamocuj go w uchwycie, używając czterech śrub. Zamontuj metalową sprzęgkę miechową, aby połączyć wał silnika z wałem napędowym przetwornika momentu obrotowego.Po wykonaniu tej czynności należy pobrać wał mieszadła. Przed kontynuowaniem zainstaluj wirniki na wale mieszadła. Następnie włóż wał mieszadła do tulei powietrznej.Zamocuj drugą metalową sprzęgkę miechową, aby połączyć wał mieszadła z wałem pomiarowym przetwornika momentu obrotowego. Umieść uchwyt z zainstalowanym przetwornikiem momentu obrotowego i napędem silnika na płycie głównej bioreaktora. Po wybraniu odpowiedniego czujnika i warunków testowych najbardziej krytycznym etapem jest prawidłowa instalacja przetwornika momentu obrotowego oraz wału wirnika, który jest utrzymywany w miejscu przez łożysko powietrzne.Następnie umieść czujnik temperatury w bioreaktorze. Podłącz czujnik do przetwornika A/D. Następnie podłącz sterownik silnika do jednostki sterującej.Przygotuj łożysko powietrzne, podłączając przewody do sprężonego powietrza. Przyłóż do łożyska odpowiednie ciśnienie powietrza. Gotowy układ przedstawiono na tym schemacie.Oprogramowanie komputerowe wykorzystuje jednostkę sterującą do ustawiania prędkości silnika i monitorowania temperatury. Komputer zbiera dane z przetwornika momentu obrotowego za pomocą przetwornika analogowo-cyfrowego. Uruchom oprogramowanie sterujące na komputerze.Ekranem startowym jest karta Ustawienia. Przejdź do rozwijanego menu portu COM i wybierz z niego odpowiedni port. Kliknij przycisk Połącz, aby nawiązać komunikację z jednostką sterującą.Na tej samej karcie przejdź do symbolu folderu obok pola tekstowego Lokalizacja pliku danych. Kliknij go, a następnie automatycznie otworzy się ostatnie okno dialogowe. Przejdź do wybranego folderu i wpisz nazwę pliku dla pliku rejestracji danych.Zatwierdź, klikając przycisk Okay. Ścieżka i nazwa pliku zostaną wyświetlone w polu tekstowym Data File Location. Teraz przejdź do karty Recipes i przenieś tę stronę na pierwszy plan.Znajdź pola oznaczone jako PhaseDuration oraz Agitator. W polach tekstowych wpisz pożądane wartości czasu trwania fazy przepisu w minutach oraz odpowiadające im prędkości mieszadła. Aby zapisać przepis, kliknij Save.W oknie dialogowym pliku wybierz żądaną ścieżkę dostępu. Wpisz nazwę pliku. Kliknij OK, a okno dialogowe pliku zostanie automatycznie zamknięte.Otwórz oprogramowanie do akwizycji danych w celu jego konfiguracji. Zielony wskaźnik obok kanału oznacza, że jest on zainicjowany i aktywny. Kliknij przycisk Live Update.Jeden kanał wyświetla sygnał momentu obrotowego, który powinien zostać odpowiednio wyzerowany. Wybierz zakładkę strony Data Acquisition Job, aby przejść do strony karty Data Acquisition. Tam, w sekcji Sample Rate Groups, wybierz częstotliwość akwizycji danych wynoszącą 2 Hz.W sekcji Start of Data Recording wybierz opcję Immediately at Job Start. Następnie przejdź do Stop of Data Recording i wybierz Duration. Określ czas nieco dłuższy niż czas trwania pomiaru.Następnie przejdź do karty Data Storage. Z rozwijanego menu File Format wybierz opcję ASCII Channel Info. W odpowiednim polu tekstowym określ ścieżkę pliku dla danych pomiarowych.Aby przeprowadzić eksperyment, należy wrócić do bioreaktora. Używając lejka, należy dodać wodę lub roztwór sacharozy do naczynia. Eksperyment jest gotowy do rozpoczęcia.W oprogramowaniu do akwizycji danych przejdź do strony Data Acquisition Job. Kliknij tam Start, a następnie przełącz się do oprogramowania jednostki sterującej, aby uruchomić mieszadło. Aby skorzystać z receptury, przejdź do karty Recipe.Następnie wybierz zdefiniowany przepis dla eksperymentu. Na tej samej stronie kliknij przycisk Start. Proces rozpocznie się automatycznie, a prędkość mieszadła zostanie ustawiona zgodnie z parametrami określonymi w przepisie.Po zakończeniu eksperymentu otworzy się okno w oprogramowaniu do akwizycji danych. Należy zapisać dane, klikając przycisk Save Data Now. W oprogramowaniu jednostki sterującej pojawi się pole komunikatu informujące o zakończeniu procesu.Kliknij OK, przejdź do karty Recipe i kliknij przycisk Stop, aby zakończyć procedurę. Do przetwarzania surowych danych można wykorzystać skrypt Matlab, który znajduje się w sekcji Supplement niniejszego artykułu. Po uruchomieniu oprogramowania Matlab przejdź do katalogu roboczego, w którym zapisano dane eksperymentalne.Wpisz polecenie Torque Results w oknie poleceń i naciśnij Enter. Uruchomi to skrypt Matlab, który przeprowadzi użytkownika przez proces przetwarzania danych. Wybierz plik rejestracji danych dla czujnika momentu obrotowego i kliknij Otwórz.Wprowadź parametry procesu w odpowiednich polach tekstowych, gdy zostaniesz o to poproszony. Wyniki są prezentowane graficznie, a przetworzone dane są automatycznie zapisywane w nowym pliku tekstowym w katalogu roboczym. Dane te pokazują, jak sygnał momentu obrotowego wzrastał przy każdym stopniowym zwiększeniu prędkości obrotowej.Po przejściowym piku upływa około jednej minuty, zanim pomiary staną się quasi-stabilne. Zależniało to od prędkości obrotowej i mieszadła. Linie przerywane wskazują 5% przedział ufności wokół wartości uśrednionych w czasie.Wykres ten porównuje przewidywaną i zmierzoną moc wejściową w funkcji liczby Reynoldsa dla różnych stężeń sacharozy. Linie ciągłe reprezentują model zakładający, że moc jest proporcjonalna do sześcianu liczby Reynoldsa. Kółka reprezentują dane pomiarowe.Bioreaktor stanowił szklane naczynie o objętości roboczej 2 l z konfiguracją pojedynczego mieszadła turbinowego Rushtona. Trójkąty na tym wykresie reprezentują dane z szklanego bioreaktora o objętości roboczej 2 l. Kółka reprezentują dane z bioreaktora ze stali nierdzewnej o objętości roboczej 10 l.Oba posiadają pojedynczą turbinę Rushtona. Liczby mocy dla warunków pełnej turbulencji są jednakowe w obu skalach. Porównanie danych z bioreaktorów o objętości roboczej jednego i dwóch litrów z modyfikowanymi turbinami Rushtona oraz mieszadłami segmentowymi wykazuje, że w obu przypadkach obserwuje się podobne spadki liczb mocy wraz ze wzrostem liczb Reynoldsa.Różnica między nimi może wynikać z geometrii naczynia lub mieszadła. Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo posiadać dobrą wiedzę na temat konfiguracji pomiarów momentu obrotowego w celu określenia mocy dostarczanej w bioreaktorach laboratoryjnych. Postępując zgodnie z tą procedurą, pomiary można przeprowadzać zarówno w systemach jednorazowych, jak i konwencjonalnych.Dzięki zastosowaniu pomiarów zautomatyzowanych można znacząco ograniczyć nakład pracy eksperymentalnej oraz w szybki, wiarygodny i powtarzalny sposób uzyskać wiele punktów pomiarowych.

power-input-measurements-in-stirred-bioreactors-at-laboratory-scale

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Bioinżynieria

Fermentory są używane do zwiększania wydajności hodowli i produktywności komórek bioinżynieryjnych.  Po przesiewie wielu kandydatów na hodowle mikrobiologiczne lub komórki zwierzęce w kolbach wstrząsowych, następnym logicznym krokiem jest zwiększenie biomasy wybranej kultury za pomocą fermentora. Ten film pokazuje konfigurację i działanie typowego systemu bioreaktora laboratoryjnego.

Działanie bioreaktora laboratoryjnego

Korzystając z bioreaktora pneumatycznego, demonstrujemy montaż, działanie i wydajność tego jednorazowego systemu bioreaktorów do wzrostu komórek ssaków.

Hodowla komórek ssaków przy użyciu systemu jednorazowego bioreaktora pneumatycznego

Nowatorski projekt reaktora, nazwany bioreaktorem o wysokiej gęstości (HDBR), jest prezentowany do hodowli i badania społeczności drobnoustrojów o dużej gęstości. W tym przypadku HDBR jest z powodzeniem stosowany w konfiguracji fotobioreaktora (PBR) do badania metabolizmu azotu przez mieszaną społeczność glonów o dużej gęstości.

Nowatorski bioreaktor do hodowli o dużej gęstości różnych zbiorowisk mikroorganizmów

Ten artykuł opisuje proces montażu i działania laboratoryjnego bioreaktora fotosyntetycznego, który może być użyty, w połączeniu z innymi metodami, do oszacowania odpowiednich parametrów wzrostu kinetycznego. System ten stale monitoruje pH, światło i temperaturę za pomocą czujników, jednostki akwizycji i sterowania danymi oraz oprogramowania do akwizycji danych typu open source.

Budowa i konfiguracja laboratoryjnego bioreaktora fotosyntetycznego glonów z monitorowaniem temperatury, światła i pH do testów wzrostu kinetycznego

Przedstawiono szczegółowy protokół jednoczesnego działania 48 równoległych kultur komórkowych w różnych warunkach w systemie mikrobioreaktora. Opisano proces hodowli komórek, zbiór i późniejszą analizę miana przeciwciał.

Zastosowanie wysokowydajnego zautomatyzowanego systemu mikrobioreaktorów do produkcji modelowej IgG1 w komórkach CHO

Uprawa akseniczna na skalę laboratoryjną ułatwia charakterystykę mikroglonów i optymalizację produktywności przed kolejnym zwiększeniem skali procesu. Fotobioreaktory zapewniają niezbędną kontrolę dla wiarygodnych i powtarzalnych eksperymentów z mikroalgami i mogą być przystosowane do bezpiecznej hodowli mikroalg z gazami korozyjnymi (CO2, SO2, NO2) z emisji ze spalania komunalnego lub przemysłowego.

Uprawa mikroalg i kwantyfikacja biomasy w fotobioreaktorze laboratoryjnym z korozyjnymi gazami spalinowymi

Tutaj przedstawiamy szczegółową procedurę przeprowadzania projektu eksperymentu w zautomatyzowanym mikro-bioreaktorze, a następnie zbierania komórek i kwantyfikacji białka za pomocą kolumny Białko A.

Optymalizacja procesów z wykorzystaniem zautomatyzowanych mikrobioreaktorów o wysokiej przepustowości w hodowli komórek jajnika chomika chińskiego

Ta publikacja opisuje projekt laboratoryjnych fotobioreaktorów (PBR) z konfigurowalnymi reżimami oświetlenia. Wzrost sinic lub mikroalg, wykorzystujących wodorowęglan jako źródło węgla, jest stale monitorowany poprzez pomiar objętościowej produkcji tlenu. Te PBR ułatwiają szybkie, powtarzalne porównania wzrostu laboratoryjnego przy niewielkiej interwencji użytkownika podczas eksperymentów.

Obsługa fotobioreaktorów laboratoryjnych z pomiarami wzrostu online i konfigurowalnymi reżimami oświetlenia

Zanieczyszczenie powietrza wpływa na jakość życia wszystkich organizmów. W tym miejscu opisujemy zastosowanie biotechnologii mikroalg do oczyszczania biogazu (jednoczesne usuwanie dwutlenku węgla i siarkowodoru) oraz produkcji biometanu poprzez półprzemysłowe otwarte stawy glonów o wysokiej szybkości, a następnie analizę skuteczności oczyszczania, pH, rozpuszczonego tlenu i wzrostu mikroalg.

Oczyszczanie biogazu poprzez zastosowanie systemu mikroalgo-bakteryjnego w półprzemysłowych stawach z glonami o wysokiej zawartości

Tematem tego artykułu jest szczegółowe opisanie najlepszych praktyk tworzenia pożywek dla wymagających mikroorganizmów beztlenowych pozyskanych ze środowiska. Metody te pomagają w zarządzaniu kulturami beztlenowymi i mogą być stosowane do wspomagania wzrostu nieuchwytnych mikroorganizmów niehodowlanych, "mikrobiologicznej ciemnej materii".

Zestaw symulowanych formatów pożywek opartych na informacjach in situ do hodowli mikroorganizmów beztlenowych nabytych w środowisku

Poznaj metodę pomiaru mocy wejściowej w bioreaktorach laboratoryjnych z mieszadłem przy użyciu czujnika momentu obrotowego z łożyskiem powietrznym. Technika ta umożliwia niezawodne badania skalowania procesów biotechnologicznych.

Pomiary mocy wejściowej w bioreaktorach z mieszadłem w skali laboratoryjnej

Przeglądaj więcej filmów