Name: Entrada de poder de medições em biorreatores mexidas em escala de laboratório (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-05-16T12:30:00.000+00:00
Duration: 10 min 49 s
Description: Aprenda a medir a entrada de potência em biorreatores mexidos em escala laboratorial usando medições de torque com rolamento de ar. Este método permite estudos de escalonamento com sensores comerciais disponíveis.

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Os autores gostaria agradecer Häussler Dieter e Gautschi bater sua assistência durante o conjunto experimental acima. Agradecemos também a Caroline Hyde inglês prova lendo.

1. preparação de soluções de sacarose
Nota: As soluções de sacarose são usadas como mídia modelo Newtoniano, barato, com elevada viscosidade e densidade, para condições de turbulência reduzida (ver tabela 1).
<ol><li>Encha a garrafa de vidro de Duran com água e sacarose de diferentes concentrações (20-60 %w/w).</li>
	<li>Misture o conteúdo com um agitador magnético até dissolver completamente a sacarose.<ol>
<li>Para concentrações de sacarose superiores a 40 %w/w, adicionar a sacarose intermitentemente e aquecer o frasco de vidro ligeiramente (~ 50 ° C). Deixe-o arrefecer de solução de sacarose até à temperatura ambiente antes do uso.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. preparação de uma receita de medição e o registro de dados

<ol><li>Depois de iniciar o software, inicie a comunicação com a unidade de controle, selecionando a correta porta serial COM do menu suspenso e clique no botão Connect . Nota: O botão Connect irá mudar a cor para verde e o LED abaixo do menu dropdown irá acender, uma vez iniciada a comunicação com a unidade de controle.</li>
	<li>Configurar o caminho do arquivo de dados dentro do software de unidade de controle de biorreator para armazenar os dados sobre o operador de PC.<ol>
<li>Abra a página do guia de configurações e bateu o símbolo de pasta ao lado do campo de texto local do arquivo de dados .</li>
		<li>Na janela de diálogo de arquivo, navegue até a pasta do desejo, digite um nome de arquivo no campo de texto nome do arquivo e clique no botão Okey . Nota: O caminho de arquivo de log de dados e o nome são exibidos na caixa de texto e botão Iniciar DAQ está habilitado, uma vez que um caminho de arquivo válido é definido.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Configurar uma rotina dentro do gerente da receita do software biorreator controle unidade a fim de automatizar o processo de medição.<ol>
<li>Abra a página da guia de receita e digite os valores de entrada desejados para o fase de receita decorrido tempo (min) e a correspondente velocidade do rotor (rpm) nas caixas de campo de texto. O perfil é automaticamente exibido no gráfico. Nota: por exemplo, a velocidade do agitador é stepwise aumentou 20 rpm de 100 rpm a 300 rpm, e cada valor é mantido por sinal de 4 minutos para garantir um torque estável (ver discussão abaixo). As velocidades mínimas e máximos, bem como o montante do aumento pode ser ajustado para embarcações e agitadores diferentes. Nota: Selecione a faixa de velocidade com cuidado no que diz respeito a resolução do sensor de torque, o torque nominal e a formação do vórtice. Este último muitas vezes ocorre em biorreatores unbaffled agitados em velocidades mais altas e pode causar danos para o torquímetro.</li>
		<li>Clique no botão salvar , navegue até o caminho do arquivo desejado e digite um nome de arquivo no campo de texto. Aperte o botão Okey para salvar o arquivo.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. instalação do sensor de torque
Nota: A montagem experimental está representada esquematicamente na Figura 1.
<ol><li>Instalação do transdutor de torque em um suporte especialmente concebido que incorpora o ar rolamento (ver Figura 1) usando os parafusos para fixar o sensor no lugar. O rolamento de ar utilizado neste estudo tem um carbono poroso bucha de material com um diâmetro interno de 13 mm.<ol>
<li>Monte o motor do agitador servo sem escova na parte superior do suporte. Corrigi o transdutor de torque para o titular vertical usando quatro parafusos de montagem.</li>
		<li>Conectar-se o eixo do motor para o eixo da movimentação do transdutor de torque usando um metal abaixo acoplamento que pode compensar pequenos desalinhamentos axiais dos eixos e aperte o acoplamento com parafusos. Conectar-se o eixo do agitador no eixo de medição do transdutor binário usando outro acoplamento de fole metálico. Nota: Neste estudo, especificamente projetado eixos impulsor com diâmetro de 13 mm (tolerância:-0,0076 mm) e com comprimentos de entre 270 e 520 mm foram usadas para os diferentes vasos investigados.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Montar o titular do sensor na placa cabeça de biorreator e instalar os impulsores do eixo agitador com o afastamento de fora inferior a desejada. Monte os defletores e instalações adicionais (por exemplo, tubos de amostragem e de colheita, sensores eletroquímicos, etc) dentro do biorreator se necessário.</li>
	<li>Instalar o biorreator desejado no suporte do navio, se necessário (biorreatores #1, #3 e #10) ou coloque o prato principal do tanque do biorreator (biorreator #2) e aperte a placa com parafusos de cabeça.<ol>
<li>Para investigações de biorreatores de vidro, coloque o recipiente de vidro de biorreator no suporte.</li>
		<li>Para investigações de biorreatores de uso único, desmonte a tubulação montada superior portos e carcaça de eixo impulsor as chapas de cabeça plástica usando ferramentas de corte adequada. Coloque o recipiente de plástico no suporte.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Coloque um sensor de temperatura dentro do biorreator e conectá-lo à unidade de controle. Conecte o tubo de ar pressurizado para a porta de entrada de gás do rolamento ar e aplicar uma pressão de cerca de 5,5 bar fornecido por um compressor. Conecte o transdutor de torque para o conversor A/D e a potência do transmissor.</li>
</ol>4. configurações do software de aquisição de dados
<ol><li>Abra o software para a aquisição de dados do sinal do sensor de torque e configurar as preferências de medição.<ol>
<li>Certifique-se de que os dois primeiros canais na janela de canais DAQ são inicializadas e ativo. Neste estudo, o sinal binário era sintonizado no canal 0 e o sinal de velocidade de rotação era sintonizado no canal 1.<ol>
<li>Clique no botão Live update para exibir os atual valores de medição.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Defina o sinal do canal binário a zero se o sinal binário absoluto sem rotação é maior do que 0,1 mN·m usando o direito do mouse clique sobre o item de canal na lista de canais e selecionar a opção saldo Zero .</li>
		<li>Navegue até a página de guia do emprego DAQ e definir uma taxa de aquisição de dados de 2 Hz da lista do menu dropdown. Use as opções imediatamente no trabalho começar e duração das listas dropdown para definir o Iniciar e parar a aquisição de dados, respectivamente.</li>
		<li>Defina um intervalo de tempo para a duração da amostra que é maior do que o tempo necessário para terminar a medição (por exemplo, uso 1 h 0 m 30 s para uma receita de uma hora definida na segunda etapa).</li>
		<li>Navegue até a página de configurações de armazenamento de dados e selecione a opção ASCII + canal de informação para definir o formato de arquivo para os dados, salve o arquivo na lista suspensa. Defina um caminho de arquivo do disco rígido de PC para a medição de arquivo de saída.</li>
	</ol>
</li>
</ol>5. Realize a medição de torque
<ol><li>Inicie a aquisição de dados para o sinal binário no software de aquisição de dados e controle para o torquímetro clicando no botão Iniciar na página de menu de trabalho DAQ .</li>
	<li>Inicie a aquisição de dados para a temperatura e a velocidade do agitador no software da unidade de controle do biorreator clicando no botão DAQ começar na página de configurações do guia.</li>
	<li>Inicie o controle de agitador no software da unidade de controle com um ponto de ajuste manual ou o esquema de receita previamente definido.<ol>
<li>Se uma única medição é conduzida, use a entrada de caixa de controle na página da guia principal do software de controle biorreator. Digite o set-point desejado na caixa de texto e clique no item 'Controle de agitador na'.</li>
		<li>Se são realizadas várias medições com uma receita, navegue até a página do guia de fases e clique no botão Iniciar . Nota: O software irá automaticamente desativar todas as caixas de entrada manual para a duração da receita e automaticamente abre uma janela para confirmar o fim do processo.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Do software de aquisição de dados, uma janela abre-se automaticamente após a duração da medição pré-definidos. Salve os dados para cada medição no operador PC, de preferência no disco rígido, clicando no botão salvar dados agora .</li>
	<li>Repita a medição para cada velocidade do agitador desejado sem e com líquido dentro do vaso de biorreator.<ol>
<li>Despeje água (ou a solução de sacarose) através de um funil o biorreator. Nota: Certifique-se de que o líquido cubra completamente os impulsores desde impulsores (parcialmente) expostos podem resultar em indesejáveis forças axiais que podem danificar o sensor de torque.</li>
	</ol>
</li>
</ol>6. avaliação de dados
Nota: Os valores de torque obtidos no recipiente vazio (binário morto) correspondem às perdas residuais de fricção do rolamento e devem ser subtraídos os valores determinados no líquido, a fim de obter os valores de torque eficaz (ver EQ. 1).
<ol><li>Média, os valores de binário para cada velocidade do agitador medido após um sinal quase estável foi alcançado (ver discussão abaixo). Idealmente, calcule o valor médio por um período de pelo menos 2 min para cada condição, correspondentes aos pontos de 240 dados a uma taxa de medição de 2 Hz.</li>
	<li>Use um código de Matlab para o processamento de dados, executando o código de linha de comando de software. Nota: O código é fornecido para download na seção de suplemento deste manuscrito. Esse script importa o arquivo de dados brutos da gravação de dados, calcula a velocidade rotacional média de fase, o número de Reynolds (de EQ. 3 com base em entradas do usuário) e valores de torque para cada uma das fases, visualiza os resultados e armazena os resultados em um segundo texto arquivo, que pode ser usado para processar mais dados.</li>
	<li>Subtrai os valores de torque obtidos no vaso vazio daqueles medidos no líquido para obter os valores de torque efetivo.</li>
	<li>Calcule a potência de entrada e número adimensional poder partir dos valores de torque a média de tempo de acordo com a EQ. 1 e EQ. 2.</li>
</ol>

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</ol>

Os autores declararam que não há conflitos de interesse.

Apesar da importância da entrada de energia (específico) para a caracterização de engenharia e dimensionamento-up/down de biorreatores, apenas algumas publicações sobre investigações experimentais em biorreatores de escala de bancada, particularmente uso único sistemas na faixa de volume de litros de um dígito, podem ser encontrados na literatura. Uma das razões para esta falta de dados pode ser vista nas dificuldades de entrada medições precisas poder tais escalas pequenas. Para superar algumas destas dificuldades, o presente estudo fornece um protocolo detalhado para binário com base poder entrada as medições que é suportados por um rolamento de ar para minimizar as perdas de atrito no rolamento. A aplicabilidade do método foi demonstrada usando três biorreatores de uso único comercialmente disponíveis, bem como biorreatores de multi-uso em escalas entre 1 L e o volume de trabalho de 10 L.
Baseado em nossa experiência com as medições de torque com base, são os fatores mais críticos para o endereço: 1) reduzindo o torque morto, minimizando as perdas de fricção dentro os rolamentos e vedações, em particular no laboratório escala biorreatores e 2) a seleção de um Torquímetro apropriado para as condições de tamanho e agitação de biorreator desejado. Como foi demonstrado anteriormente35, o torque morto pode ser drasticamente reduzido pelo uso de um rolamento de ar. No presente estudo, utilizou-se uma bucha de ar de baixo custo, feita de material poroso de carbono. O torque residual nos vasos vazios testados eram tipicamente abaixo de 0.5 mN·m com taxas de agitação de até 900 rpm, correspondente às velocidades de ponta de rotor de até 3 s-1. Em contraste, o torque morto de bioreator #6 com o rolamento do eixo mecânico interno foi, por exemplo, entre mN·m 9.4 e 20 mN·m, e valores comparáveis de cerca de 3 mN·m também foram relatados para o biorreator #732. Isto é sobre uma ordem de magnitude maior do que os valores obtidos na configuração experimental da proposta.
Além do rolamento de ar, o torquímetro utilizado é o componente mais importante. Um medidor de binário comercialmente disponível que é projetado para medir o torque de estática e dinâmica, velocidade de rotação e ângulo de rotação foi selecionado para este estudo. Considerando os biorreatores de interesse, com volumes de trabalho máximo de 10 L e os agitadores correspondentes, um torque nominal de 0,2 nm foi escolhido. Verificou-se que grande reprodutibilidade com desvio-padrão relativo de Replica < 5% e medições fiáveis podem ser obtidas para tão baixo quanto mN·m 2, correspondendo a apenas 1% do torque nominal eficaz torques. Portanto, a faixa de medição do sensor aplicado no presente estudo foi significativamente maior do que os resultados que foram publicados com base em um estudo interlaboratorial dos membros do grupo alemão GVC-VDI na mistura de41.
No entanto, a escala da velocidade do agitador deve ser cuidadosamente selecionada em relação a resolução do sensor de torque, o torque nominal e formação de vórtice. Este último muitas vezes ocorre em biorreatores unbaffled agitados em velocidades mais altas e pode causar danos para o torquímetro. Ambas as velocidades mínima e máxima viável agitador podem estar limitando fatores do método descrito neste estudo. Além de nossa anterior trabalho35, este estudo envolveu também o biorreator #3, o menor membro da família de biorreator de vidro fornecido pelo fabricante, que é agitado por rotores de dois estágios com 42 mm de diâmetro. Uma característica de poder comparável àquele em bioreator geometricamente semelhante #4 foi obtida com a instalação experimental apresentada. Isto é notável, desde que o torque pode ser dimensionado com M <img alt="Proportional to" src="/files/ftp_upload/56078/56078pro.jpg"> d5 para uma determinada densidade líquida, geometria de rotor (ou seja, número de poder) e velocidade de rotação (ver EQ. 1 e EQ. 2). Por conseguinte, um aproximadamente 40% mais baixo torque rotor resulta de um diâmetro de rotor 10% menor, por exemplo. No entanto, as velocidades de rotação mais elevadas na escala de 1 L, do que na escala de 2 L foram necessárias durante a operação para resolver o torque produzido com o torquímetro disponível. Devido as chicanas internas de bioreator #3, observou-se sem formação de vórtice, mas isso pode se tornar um problema com os navios unbaffled. Deve-se ressaltar que a constante deslocamento nos números de potência que foi encontrados entre as duas escalas poderia resultar de imprecisões de medição causadas por resolução do sensor limitada (para além das diferenças geométricas). Investigações são necessárias para tirar conclusões finais na escala mínima em que a instalação proposta é ainda viável.
No entanto, o mesmo protocolo foi usado para as medições de entrada de energia em vários vasos de vidro de diferentes fabricantes, com volumes de trabalho de entre 1 L e 10 L em nosso laboratório. Isto ressalta a possibilidade de transferência do método utilizado para a caracterização de sistemas diferentes do biorreator. O esforço experimental poderia ser reduzido por medições automatizadas usando o gerenciamento de receita, dentro do sistema de automação fornecidos pelo software da unidade de controle e o tratamento automatizado de dados baseada na linguagem universal do Matlab.
Além disso, note-se que, usando-se a sacarose que contém, mídia barato modelo Newtoniano, números uma ampla gama de Reynolds (100 < Re < 6·104), dependendo do agitador e escala, estava coberto. Também ressalta-se que o limite inferior do intervalo de turbulência é geralmente irrelevante para culturas de células animais com água-como a mídia, mesmo se impulsor muito baixas velocidades são usadas. No entanto, aumentos significativos na viscosidade caldo, que resulta em comportamento de amortecimento e até mesmo não-newtonianos turbulência foram descritos para fungos - e plantar culturas baseada em célula. Por exemplo, Viscosidade aparente nas culturas de plantas de até 400-fold comparado a água ter sido relatado42, que leva a muito menor números de Reynolds.
Finalmente, usando o biorreator #7 como um primeiro estudo de caso, foi demonstrado que a instalação experimental proposta pode ser usada para estudar o efeito de modificações de projeto sobre a entrada de energia em escala de laboratório. Em combinação com técnicas de prototipagem rápida, esta pode ser uma poderosa ferramenta para estudos de desenho do impulsor, que formará partes do trabalho futuro.

Entrada de energia é um parâmetro de engenharia chave para a caracterização e o dimensionamento do biorreatores porque se relaciona com muitas operações unitárias, tais como homogeneização1,2,3, dispersão de gás-líquido2 , 4 , 5, de transferência de calor6 e suspensão sólido7. Entrada de energia é também associada a tensão de cisalhamento, o que pode particularmente afeta crescimento e formação de produto em cisalhamento células sensíveis culturas8,9,10,11.
As técnicas mais comuns para a medição da potência entrada em biorreatores mexidas baseiam-se na energia elétrica desenhar12,13,14, Calorimetria12,15 (ou seja, estacionária calor equilíbrio ou aquecimento dinâmico através da agitação) ou o torque sobre o agitador. Este último pode experimentalmente determinado pelo dinamômetros, medidores de torque ou extensómetros, que tem sido aplicados para uma variedade de agitadores, incluindo simples ou multi-estágio Rushton turbinas1,16,17 , 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 , 25, lâmina arremessada impulsores19,20,23,26,27, InterMig19,21 e Scaba impulsores28 , 29. uma revisão detalhada é fornecida por Ascanio et al (2004)30.
Do torque (T), a entrada de poder (P) pode ser estimada da EQ. 1, onde N é a velocidade de rotação do agitador.
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/56078/56078eq1.jpg">(1)
Para dar conta perdas ocorrendo na agitação (em rolamentos, vedações e o motor em si), o torque eficaz (TFEP) deve ser determinado como a diferença entre o valor medido no recipiente vazio (TD) e no líquido (TL ). Finalmente, o número adimensional poder (P0, também conhecido como número de Newton), que é definido pela EQ. 2 onde ρL denota a densidade líquida e d representa o diâmetro do rotor, pode ser usado para comparar diferentes agitadores.
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/56078/56078eq2.jpg">(2)
É sabido que o número de potência é uma função do número de Reynolds (ou seja, a turbulência) e torna-se constante em condições totalmente turbulentas. O número de Reynolds do impulsor é definido pela EQ. 3, onde ηL é a viscosidade do líquido.
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/56078/56078eq3.jpg">(3)
Não obstante, as medições de entrada de energia em biorreatores de pequena escala são ainda um desafio devido às perdas relativamente alta fricção dentro mecânicos rolamentos dos eixos do rotor e a precisão limitada de medidores de binário mais comercialmente disponível. Consequentemente, apenas alguns relatos sobre o poder de entrada medições na escala de bancada biorreatores foram publicados17,18,22,24,31,32. Há também uma falta de dados sobre a entrada de energia em biorreatores de uso único, que são entregues pelos fabricantes preassembled, esterilizado e pronto para usar33,34. Ao contrário de suas contrapartes reutilizáveis, a maioria dos biorreatores de uso único são agitados por turbinas especialmente projetadas, dificultando as comparações.
A fim de colmatar esta lacuna, um método confiável para medições de entrada de energia com foco especial em agitadores de escala de laboratório foi desenvolvido recentemente35. Os valores de torque medidos nos vasos vazios, causados pelas perdas de fricção, efetivamente foram reduzidos pelo uso de um rolamento de ar. Por conseguinte, uma ampla gama de condições operacionais com baixa a moderada turbulência (100 < Re < 2,104) poderia ser investigado e a entrada de energia de vários biorreatores multi-uso e uso único foi fornecida.
O presente estudo fornece um protocolo de medição detalhada do método previamente desenvolvido e descreve como definir, conduzir e avaliar uma medição de entrada de energia baseado em binário em biorreatores de escala de laboratório. Foco especial é comercialmente disponíveis sistemas de reutilização de single e multi. Um procedimento de medição automatizado é usado para reduzir o esforço experimental.

<table><tbody><tr><td>Medidor de torque T20WN</td><td>HBM Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH</td><td></td><td>Torque nominal 0,2 Nm</td></tr><tr><td>Spider-8</td><td>HBM Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH</td><td></td><td>HBM Spider8 não está mais disponível para venda. O sistema DAQ QuantumX (especialmente os módulos QuantumX MX840A e MX440A) são recomendados.</td></tr><tr><td>Catman easy software</td><td>HBM Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH</td><td></td><td>Versão 4.2.2</td></tr><tr><td>Rolamento de ar</td><td>IBS engenharia</td><td></td> de precisão <td>13 mm bucha de ar</td></tr><tr><td>Eixo do impulsor de aço inoxidável</td><td>Bioengineering AG</td><td></td><td>Tolerância do eixo -0,0076 mm</td></tr><tr><td>Motor sem escovas AKM2</td><td>Kollmorgen</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Acoplamento de fole metálico</td><td>Uiker AG</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Unidade de controle Finesse RDPDmini</td><td>Finesse, uma parte da Thermo Fisher Scientific</td><td></td><td>Não é mais suportado (o produto de substituição do controlador universal G3Lab pode ser usado)</td></tr><tr><td>Sacarose</td><td>Migros Schweiz AG</td><td></td><td>Software Matlab de grau alimentício</td></tr><tr><td></td><td>Mathworks</td><td></td><td>Versão R2017a</td></tr><tr><td>Finesse &mu; Software para PC TruBio</td><td>Finesse, uma parte do Thermo Fisher Scientific</td><td></td><td>Versão 3.1 (não mais suportado)</td></tr><tr><td>SmartGlass 1L</td><td>Finesse, uma parte do Thermo Fisher Scientific</td><td></td><td>referido como Biorreator 1L na Tabela 2</td></tr><tr><td>SmartGlass 3L</td><td>Finesse, uma parte do Thermo Fisher Scientific</td><td></td><td>referido como Biorreator 3L na Tabela 2</td></tr><tr><td>SmartVessel 3L</td><td>Finesse, uma parte do Thermo Fisher Scientific</td><td></td><td>referido como Biorreator 3L de Uso Único na Tabela 2</td></tr><tr><td>Mobius CellReady 3L</td><td>Merck Millipore</td><td></td><td>referido como Biorreator 3L de Uso Único Pronto para Célula na Tabela 2</td></tr><tr><td>UniVessel SU 2L</td><td>Sartorius Stedim Biotech</td><td></td><td>referido como Biorreator 2L de Uso Único na Tabela 2</td></tr></tbody></table>

entrada de poder de medições em biorreatores mexidas em escala de laboratório

Power Input Measurements in Stirred Bioreactors at Laboratory Scale

A entrada do poder em biorreatores mexidas é um parâmetro importante de expansão e pode ser medida através do torque que age no eixo do rotor durante a rotação. No entanto, a determinação experimental da entrada de energia em pequenos vasos é ainda um desafio devido a perdas relativamente alta fricção dentro normalmente usadas buchas, mancais e/ou vedações do eixo e a precisão dos medidores de binário disponível comercialmente. Assim, apenas dados limitados para biorreatores, sistemas de uso único em particular, estão disponíveis na literatura, dificultando as comparações entre diferentes sistemas de uso único e suas contrapartes convencionais.
Este manuscrito fornece um protocolo sobre como medir as entradas de energia em biorreatores de escala de bancada em uma ampla gama de condições de turbulência, que pode ser descrito pelo número adimensional de Reynolds (Re). As perdas de atrito acima mencionados são efetivamente reduzidas pelo uso de um rolamento de ar. O procedimento sobre como definir, conduzir e avaliar uma alimentação baseada em binário de entrada medição, com foco especial em condições de agitação típica de cultura de células com baixa a moderada turbulência (100 < Re < 2,104), é descrito em detalhes. A entrada de energia de vários biorreatores multi-uso e uso único é fornecida pelo poder adimensional número (também chamado de número de Newton, P0), que é determinado para ser no intervalo de P0 ≈ 0,3 e P0 ≈ 4.5 para os números de Reynolds máximos em biorreatores os diferentes.

A entrada do poder em biorreatores mexidas pode ser medida através do torque que age no eixo do rotor durante a rotação. Este manuscrito descreve como um rolamento de ar pode ser usado para efetivamente reduzir as perdas de atrito observadas em selos mecânicos e melhorar a precisão das medições entrada de energia em pequenos vasos.

Entrada de poder de medições em biorreatores mexidas em escala de laboratório

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 ...

O objetivo geral deste protocolo é determinar a potência fornecida em biorreatores laboratoriais agitados com base em medições de torque. A principal vantagem desta técnica é que sensores comercialmente disponíveis podem ser utilizados em investigações em escala de bancada, o que permite ao usuário realizar medições para estudos de ampliação. A demonstração visual desta técnica é fundamental, pois a instalação adequada do transdutor de torque é importante para medições confiáveis.Monte os elementos do biorreator e o equipamento de controle sobre uma bancada de laboratório. Para este experimento, há um tanque de mistura de dois litros e o suporte para o vaso. Há também um suporte especialmente projetado para o motor do agitador.Além de um suporte para o motor, há um suporte para um medidor de torque. O design especial inclui um mancal de ar com uma entrada para ar pressurizado. Utilize um computador e uma unidade de controle de biorreator para aquisição e controle de dados.Além disso, forneça um líquido com densidade e viscosidade definidas, como água pura ou solução de sacarose. O primeiro passo é montar o motor do agitador e o transdutor de torque. Primeiro, coloque o motor do agitador servo sem escova na parte superior do suporte.Fixe o motor no lugar com parafusos, depois oriente corretamente o transdutor de torque e coloque-o em posição. Fixe-o no suporte utilizando quatro parafusos. Fixe o acoplamento metálico tipo fole para conectar o eixo do motor ao eixo de acionamento do transdutor de torque.Uma vez feito isso, pegue o eixo do agitador. Instale as pás no eixo do agitador antes de prosseguir. Em seguida, insira o eixo do agitador na bucha de ar.Fixe o segundo acoplamento de fole metálico para conectar o eixo do agitador ao eixo de medição do transdutor de torque. Coloque o suporte com o transdutor de torque instalado e a unidade motora na placa superior do biorreator. Após selecionar o sensor apropriado e as condições do teste, a etapa mais crítica é a instalação correta do transdutor de torque e do eixo do impulsor, que é mantido no lugar por um mancal a ar.Agora coloque um sensor de temperatura no biorreator. Conecte o sensor ao conversor A/D. Em seguida, conecte o acionador do motor à unidade de controle.Prepare o mancal de ar conectando a tubulação para ar pressurizado. Aplique a pressão de ar apropriada ao mancal. A configuração concluída é representada neste esquema.O software do computador utiliza a unidade de controle para ajustar a velocidade do motor e monitorar a temperatura. O computador coleta dados do transdutor de torque por meio de um conversor analógico-digital. Abra o software de controle no computador.A tela inicial é a página da guia Configurações. Acesse o menu suspenso da porta COM e utilize-o para selecionar a porta correta. Clique no botão Conectar para iniciar a comunicação com a unidade de controle.Na mesma página da guia, vá até o símbolo de pasta ao lado do campo de texto Localização do Arquivo de Dados. Clique nele, e uma caixa de diálogo final será aberta automaticamente. Navegue até a pasta desejada e digite um nome de arquivo para o arquivo de registro de dados.Confirme clicando no botão OK. O caminho e o nome do arquivo serão exibidos no campo de texto Localização do Arquivo de Dados. Agora, vá até a guia Receitas e traga essa página para o primeiro plano.Localize os campos marcados como PhaseDuration e Agitator. Digite os valores desejados para a duração da fase da receita em minutos e as velocidades correspondentes do agitador nos campos de texto. Para salvar a receita, clique em Save.No diálogo de arquivo, selecione o caminho de arquivo desejado. Digite o nome de arquivo desejado. Clique em OK, o diálogo de arquivo será fechado automaticamente.Abra o software de aquisição de dados para configurá-lo. Um indicador verde ao lado de um canal indica que ele está inicializado e ativo. Clique no botão Atualização em Tempo Real.Um canal exibe o sinal de torque, que deve ser corretamente zerado. Selecione a guia da página Tarefa de Aquisição de Dados para alternar para a página da guia Aquisição de Dados. Lá, em Grupos de Taxa de Amostragem, selecione uma taxa de aquisição de dados de dois hertz.Em Início da Gravação de Dados, selecione Imediatamente no Início da Tarefa. Em seguida, vá até Parada da Gravação de Dados e selecione Duração. Defina um tempo ligeiramente mais longo que a medição.Agora, navegue até a página da guia Armazenamento de Dados. Acesse o menu suspenso Formato de Arquivo e selecione a opção Informações do Canal ASCII. Defina um caminho de arquivo para os dados de medição no campo de texto correspondente.Para realizar o experimento, retorne ao biorreator. Use um funil para adicionar água ou a solução de sacarose ao vaso. O experimento está pronto para ser iniciado.No software de aquisição de dados, acesse a página Trabalho de Aquisição de Dados. Lá, clique em Iniciar e, em seguida, mude para o software da unidade de controle para ligar o agitador. Para usar uma receita, vá até a aba Receita.Lá, selecione uma receita predefinida para o experimento. Na mesma página, clique no botão Iniciar. O processo iniciará automaticamente e a velocidade do agitador será ajustada de acordo com as configurações definidas na receita.Quando o experimento for concluído, uma janela no software de aquisição de dados será aberta. Salve os dados clicando no botão Salvar Dados Agora. No software da unidade de controle, uma caixa de mensagem aparecerá indicando que o processo foi finalizado.Clique em OK, vá até a página da guia Receita e clique no botão Parar para finalizar a receita. Para o processamento dos dados brutos, pode-se utilizar um script do Matlab, que está disponível na seção Suplementar deste manuscrito. Após abrir o software Matlab, navegue até o diretório de trabalho onde os dados experimentais foram armazenados.Digite o comando Torque Results na janela de comandos e pressione Enter. Isso inicia o script do Matlab que orienta o usuário durante o processamento dos dados. Selecione o arquivo de registro de dados para os dados do sensor de torque e clique em Abrir.Digite os parâmetros do processo nos campos de texto correspondentes quando solicitado. Os resultados são exibidos graficamente e os dados processados são armazenados automaticamente em um novo arquivo de texto dentro do diretório de trabalho. Esses dados mostram como o sinal de torque aumentou a cada incremento no passo da velocidade de rotação.Após um pico transitório, cerca de um minuto se passa antes que as medições se tornem quase estáveis. Isso dependia da velocidade de rotação e do agitador. As linhas tracejadas indicam um intervalo de confiança de 5% em torno dos valores médios no tempo.Este gráfico compara a potência de entrada prevista e medida em função do número de Reynolds para diferentes concentrações de sacarose. As linhas contínuas representam um modelo que assume que a potência é proporcional ao cubo do número de Reynolds. Os círculos representam os dados.O biorreator era um vaso de vidro com volume útil de dois litros e configuração de agitador com turbina Rushton simples. Os triângulos neste gráfico representam dados de um biorreator de vidro com volume útil de dois litros. Os círculos são dados de um biorreator de aço inoxidável com volume útil de 10 litros.Ambos possuem uma única turbina Rushton. Os números de potência para condições totalmente turbulentas são iguais em ambas as escalas. Uma comparação de dados de biorreatores com volumes de trabalho de um e dois litros, equipados com turbinas Rushton modificadas e impulsores de lâmina segmentada, mostra que ambos apresentam diminuições semelhantes nos números de potência com o aumento dos números de Reynolds.O deslocamento entre os dois pode ser devido às geometrias do vaso ou do agitador. Após assistir a este vídeo, você deverá ter uma boa compreensão de como configurar medições de torque para determinar a potência fornecida em biorreatores em escala laboratorial. Após este procedimento, as medições podem ser realizadas tanto em sistemas descartáveis quanto em sistemas convencionais.Utilizando medições automatizadas, o esforço experimental pode ser significativamente reduzido e muitos pontos de dados podem ser obtidos de forma rápida, confiável e reprodutível.

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Research

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