Shear stress investigations on an oil-water emulsion system result in drop breakup over the experimental time. To count drop sizes in pumping processes, the suitability of inline endoscopy was successfully demonstrated in this protocol.
Pumper er i hovedsak brukes ved overføring av sterile kulturbuljonger i biofarmasøytisk og bioteknologiske produksjonsprosesser. Men under pumpeprosessen skjærkrefter forekomme som kan føre til kvalitativ og / eller kvantitativ produkttap. For å beregne mekanisk stress med begrenset eksperimentell regning, ble en olje-vann emulsjon som brukes, hvis egnethet ble demonstrert for drop størrelse påvisninger i bioreaktorer en. Som dråpe oppløsningen av olje-vann-emulsjon system er en funksjon av mekaniske påkjenninger, dråpestørrelser må telles i løpet av den eksperimentelle tiden for skjærspenning undersøkelser. I tidligere studier har inline endoskopi har vist seg å være en nøyaktig og pålitelig målemetode for dråpestørrelse påvisning i væske / væske-dispersjoner. Målet med denne protokollen er å vise egnethet inline endoskopi teknikk for dråpestørrelse målinger i pumpeprosesser. For å uttrykke den dråpestørrelsen, den Sauter middeldiameterD 32 ble anvendt som representative diameter av dråper i olje-vann-emulsjon. Resultatene viste liten variasjon i de Sauter-middeldiameter, som ble kvantifisert ved hjelp av standardavvikene til under 15%, noe som indikerer påliteligheten av måleteknikken.
Pumper brukes til å overføre cellekulturer innen farmasøytisk og bioteknologisk industri. Under pumpeprosessen, kan mekanisk påkjenning føre til irreversible celle-skade, som kan svekke mengden og kvaliteten av produktet 1-4. Nivået av mekanisk stress avhenger av pumpetype og pumpeinnstillinger, som vist i tidligere studier 5-6. Vanligvis er peristaltiske, sprøyte og membranpumper brukes til engangsbruk (SU) teknologi baserte applikasjoner. Disse pumpene resulterer i høye lokale skjærkrefter forårsaket av kompresjon av pumpeslangen og den pulserende strømning 7.
For å overvinne disse ulemper, magnetisk levitert sentrifugalpumper (MagLev Sentrifugalpumper) utgjør en lovende alternativ. Motoren er magnetisk drevet for å unngå smale spalter mellom pumpehjulet og pumpehuset (figur 1). En tidligere studie undersøkte MagLev sentrifugalpumper og viste lavere mekanisk stress i kinesisk hamsterovarie (CHO) celler sammenlignet med peristaltiske og 4-stempel membranpumper 5. I tillegg hemolyse analyser viste ingen signifikant blod trauma og trombedannelse over et område av driftsforhold ved hjelp av disse pumpene 8-11. Funnene viser at bruken av disse er spesielt utformet pumpene gjelder mindre mekanisk belastning på biologiske systemer i sammenligning med peristaltiske og membranpumper. For å undersøke mekaniske påkjenninger med begrenset eksperimentell regning, blir en olje-vann-emulsjon modellsystem anbefalt på grunn av sin kost- (ca. 99,8%) og tids-redusert (ca. 99,5%), sammenlignet med anvendelse biologiske cellekultursystemer.
Som dråpe oppløsningen av olje-vann-emulsjon system er en funksjon av mekaniske påkjenninger, dråpestørrelser må telles i løpet av den eksperimentelle tiden for skjærspenning undersøkelser. Mange teknikker for dimensjonering dråper er tilgjengelige, wjør kan deles inn lyd, laser og fotobaserte teknikker 12. Spesielt anvendelse av foto-optiske sonden inline endoskopi viser nesten identiske dråpestørrelser for manuelle og automatiske deteksjoner (standardavvik under 10%) og muliggjør en deteksjon av 250 dråper pr minutt 13. På grunn av sin nøyaktighet og pålitelighet, har endoskopet teknikk vist seg å være en effektiv standard måleteknikk for dråpe størrelsesfordelinger i væske / væske-dispersjoner når sammenlignet med andre vanlig anvendte prober (for eksempel fiber optisk forover-bakover-forholdet (FBR) sensor , fokusert stråle refleksjon metoden (FBRM) og to-dimensjonale optisk refleksjon måleteknikk (2D-ORM)) 12,14. Videre har egnetheten av inline endoskopi for måling av dråpestørrelser i et omrørt kar er vist flere ganger i tidligere undersøkelser 15-18.
Basert på en tidligere studie 6, beskriver denne protokollenbruk av inline endoskopi for å bestemme dråpestørrelser (Sauter-middeldiameter) av en olje-vann-emulsjon system i pumper. Den Sauter middeldiameter ble brukt som en sammenligningskriterium for å estimere den mekaniske belastning av flerbruks (MU) MagLev sentrifugalpumper, en peristaltisk og en engangs (SU) 4-stempelmembranpumpe.
Figur 1. Magnetisk levitated sentrifugalpumpe-system. (A) Prinsippet om et kulelagre motor og (B) PuraLev 200mu er vist som et eksempel. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Målet med denne protokollen er å vise egnethet inline endoskopi teknikk for dråpestørrelse målinger i pumpeprosesser. For dette formål, dråpestørrelser av en olje-vann-emulsjon system ble bestemt og en følsom Sauter middeldiameteren ble beregnet for å karakterisere mekanisk påkjenning av MagLev sentrifugal pumper, så vel som deres motstykker, en peristaltisk og en 4-stempelmembranpumpe. Resultatene viste liten variasjon av den målte Sauter-middeldiameter, som ble kvantifisert ved hjelp av standardavvikene til under 15%, noe som indikerer at dråpestørrelser er pålitelig og nøyaktig målt. Som en konsekvens kunne Sauter middeldiameter målt med hell anvendes som en sammenligning kriterium for å evaluere den mekaniske belastning av pumpene undersøkt. Maglev sentrifugalpumper avdekket større målt Sauter midlere diameter, noe som indikerer lavere mekaniske påkjenninger på emulsjon dråper i forhold til de peristaltiske og 4-stempelmembranpumper. I studtallet til dags dato har inline endoskopi har vist seg å være en robust og enkel teknikk for pålitelig dråpestørrelse måling 1,6,12-14,20-21, som også ble bekreftet av denne studien. I forhold til alternative målemetoder, som for eksempel fiberoptiske FBR sensor, FBRM og 2D-ORM teknikk, endoskopet teknikken kan brukes som den standard fremgangsmåte for å oppnå nøyaktige data i væske / væske-applikasjoner 12,14.
Den enkle håndtering av inline endoskopi og enkel produksjon av ikke-biologisk olje-vann emulsjonssystem gir en enkel prosedyre for dråpestørrelse deteksjoner i henhold til protokollen tekst (se ovenfor). Ikke desto mindre skal det nevnes at plasseringen av endoskopet sonden er avhengig av fluidstrømning i lagertanken. Ytterligere undersøkelser (data ikke vist) har vist at linsen av sonden bør være plassert rett under innløpsrøret for lavere strømningshastigheter opp til 5 l min -1for å unngå et multiplum deteksjon av en dråpe 19. For skarpe bilder ved strømningshastigheter over 5 L min -1, anbefales det å plassere sonden minst 10 cm vekk fra innløpsrøret. Uavhengig av prosessparametre, skal innehaveren av inline endoskopi være stabil for å unngå en forskyvning av sonden, noe som kan føre til uskarpe bilder.
Videre bør det spesielt legges merke til at dråpestørrelsen detektert er nær den nedre påvisningsgrensen for den anvendte foto-optisk system, hvor den minste detekterbare rullediameter er 6,5 um. Som produsent-medfølgende programvaren har blitt forbedret, kan inline endoskopi teknikker pålitelig oppdage en minimal dråpestørrelse på 1 mikrometer. Videre vil bildebehandling videreutvikles for å aktivere elektronisk overvåking av industrielle anvendelser.
Mens denne studien fokusert på relativt lave hastigheter på opp til 3,4 L 60; min -1, bør fremtidige studier vurdere et bredere spekter av driftsforhold. De første undersøkelser har blitt utført ved strømningshastigheter på opptil 20 l min -1 (data ikke vist). Imidlertid er en 1: 2 fortynning er (c surfaktant = 0,09 ml L -1, c olje = 0,64 ml L-1) av olje-vann-emulsjon system som anbefales ved strømningshastigheter over 10 l min -1 19, som økt dråpe bruddet forårsaket av høyere mekaniske påkjenninger som ellers ville påvirke slippe deteksjon og redusere antall dråper som detekteres. Forsøk ble utført med en 1: 2 fortynning og sammenlignet med resultatene av en ufortynnet olje-vann-emulsjon system. For begge metoder, det Sauter-middeldiameter er blitt pålitelig måte (standardavvik under 5%). Derfor redusert volum fraksjon: visste (1 2 fortynning) ikke påvirke den målte Sauter bety diameter, og dermed en drop-slipp breakup var ubetydelig.
nt "> Disse kraftige eksperimentelle tilnærminger gi et godt grunnlag for forbedring av endoskopi teknikk samt den tilhørende bildeopptak, anerkjennelse og resultat analysator programvare. Videre til egnethet endoskopi teknikk klassifisere pumpetyper og serier i henhold til deres mekanisk spenning ble demonstrert. De oppnådde resultater er essensielle for pumpeutforming utvikling og optimalisering av pumper for å redusere celleskader.The authors have nothing to disclose.
Forfatterne ønsker å takke Kommisjonen for teknologi og innovasjon (CTI, Sveits) for sin økonomiske støtte (No. 13236,1 PFFLI-LS).
CCD camera | Allied Vision Technologies GmbH | GX2750 | Equipment for inline endoscopy |
C-Flex Biopharmaceutical Tubing | Saint-Gobain Performance Plastics | 374-375-4 | Tube Select a tubing length of about 45 cm before the pump. |
C-Flex Biopharmaceutical Tubing | Saint-Gobain Performance Plastics | 374-375-3 | Tube Select a tubing length of about 45 cm after the pump and clamp on the flow sensor to this tubing. |
CLAVE Connector | Victus | 011-C2000 | Sampling port |
Controller LPC-200.1-02 | Levitronix GmbH | 100-30030 | PuraLev 200MU controller |
Controller LPC-600.1-02 | Levitronix GmbH | 100-30033 | PuraLev 600MU controller |
LeviFlow Clamp-On Sensor LFSC-12 | Levitronix GmbH | 100-30329 | Flow sensor for flow rates below 5 L min-1 |
LeviFlow Converter LFC-1C-CS | Levitronix GmbH | 100-30328 | Flow sensor output device |
Masterflex I/P Easy Load | Fisher Scientific AG | EW-77963-10 | Peristaltic pump |
Mitos free flow valve | Parker Hannifin Europe Sàrl | FFLQR16S6S6AM | Valve |
Mobil Eal Arctic | Exxon Mobil Corporation | Mobil EAL Arctic 22 | Oil Prepare the emulsion directly before the experiment. |
Motor | Elektromotorenwerk Brienz AG | 7WAC72N4THTF | Motor for agitator shaft |
Motor BSM-1.4 | Levitronix GmbH | 100-10005 | PuraLev 200MU motor |
Motor LPM-600.4 | Levitronix GmbH | 100-10038 | PuraLev 600MU motor |
Norm-Ject 10 mL Luer Lock | Restek Corporation | 22775 | Syringe |
Pump Head LPP-200.5 | Levitronix GmbH | 100-90525 | PuraLev 200MU pump head |
Pump Head LPP-600.18 | Levitronix GmbH | 100-90548 | PuraLev 600MU pump head |
Quattroflow 1200-SU | Almatechnik AG | QF 1200 | 4-piston diaphragm pump |
SciPres Sensor | SciLog | 080-695PSX | Pressure sensor |
SciPres Sensor Monitor | SciLog | 080-690 | Pressure sensor output device |
SOPAT-VF Inline Endoscopic Probe | SOPAT GmbH | Inline endoscopy | |
Stroboscope | Drello GmbH & Co KG | Drelloscop 255-01 | Equipment for inline endoscopy |
Triton X-100 | Sigma-Aldrich | X100 | Surfactant Handle with gloves and goggles. (acute toxicity, eye irritation) |