Summary
Power input i stirred bioreaktorer kan måles gennem det drejningsmoment, der fungerer på løbehjulet akslen under rotation. Dette manuskript beskriver, hvordan et luft, der kan bruges til effektivt at reducere friktionstab observeret i mekaniske tætninger og forbedre nøjagtigheden af power input målinger i små fartøjer.
Abstract
Power input i stirred bioreaktorer er et vigtigt parameter, optrapning og kan måles gennem det drejningsmoment, der fungerer på løbehjulet akslen under rotation. Den eksperimentelle bestemmelse af power input i små fartøjer er imidlertid stadig udfordrende på grund af relativt høj friktionstab inde typisk anvendte bøsninger, lejer og/eller akseltætninger og nøjagtigheden af kommercielt tilgængelige drejningsmoment meter. Således fås kun begrænsede data for små bioreaktorer, navnlig engangsbrug systemer, i litteratur, vanskeliggør sammenligninger af forskellige engangsbrug systemer og deres konventionelle kolleger.
Håndskriftet indeholder en protokol om, hvordan at måle strøm indgange i benchtop skala bioreaktorer over en bred vifte af turbulens betingelser, som kan beskrives ved den dimensionsløst Reynolds tal (Re). De førnævnte friktionstab reduceres effektivt ved hjælp af en air pejling. Proceduren for hvordan man konfigurere, gennemføre og evaluere en moment-baseret power input måling, med særlig fokus på celle kultur typisk agitation betingelser med lav til moderat turbulens (100 < Re < 2·104), er beskrevet i detaljer. Effektinput for flere multi-use og engangsbrug bioreaktorer er fastsat af dimensionsløs magt antallet (også kaldet Newton nummer, P0), som er fast besluttet på at være i den vifte af P0 ≈ 0,3 og Pedersen0 ≈ 4.5 for den maksimalt Reynolds tal i de forskellige bioreaktorer.
Introduction
Power input er en vigtigste tekniske parameter til karakterisering og optrapning af bioreaktorer fordi det vedrører mange enhed operationer, såsom homogenisering1,2,3, gas-væske spredning2 , 4 , 5, varme overførsel6 og solid suspension7. Power input er også tilknyttet shear stress, som kan især påvirker vækst og produkt dannelse i shear følsomme celle kulturer8,9,10,11.
De mest almindelige teknikker tegne til måling af effektinput i stirred bioreaktorer er baseret på elektrisk strøm12,13,14, kalorimetri12,15 (dvs. stationære varme balance eller dynamisk varme gennem agitation) eller drejningsmoment ved omrører. Sidstnævnte kan eksperimentelt bestemmes af dynamometre, drejningsmoment meter eller strain gauges, der er blevet anvendt til en række forskellige røreværker, herunder enkelt eller etapevis Rushton turbiner1,16,17 , 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 , 25, højfrekvent klinge skovlhjul19,20,23,26,27, InterMig19,21 og Scaba skovlhjul28 , 29. en detaljeret gennemgang er fastsat af Ascanio et al. (2004)30.
Fra drejningsmoment (T), kan power input (P) estimeres ud fra Eq. 1, hvor N er omrører rotationshastighed.
(1)
For at tage højde for tab opstår i agitation (i lejer, sæler og motoren sig selv), skal den effektive drejningsmoment (Teff) bestemmes som forskellen mellem værdien målt i det tomme skib (TD) og væske (TL ). Endelig kan dimensionsløs magt antallet (P0, også kendt som Newton nummer), som er defineret ved Eq. 2 hvor RhoL betegner den flydende tæthed og d repræsenterer løbehjulet diameter, bruges til at sammenligne forskellige agitatorer.
(2)
Det er velkendt, at magt tal er en funktion af Reynolds tal (dvs. turbulensen) og bliver konstant under fuldt turbulente forhold. Løbehjulet Reynolds tal er defineret af Eq. 3, hvor ηL er den flydende viskositet.
(3)
Power input målinger i lille skala bioreaktorer er imidlertid stadig udfordrende på grund af de relativt høje friktionstab inde mekaniske lejer af løbehjulet skakter og begrænset nøjagtigheden af de fleste kommercielt tilgængelige drejningsmoment meter. Derfor kun få rapporter om power input målinger i benchtop skala bioreaktorer har været udgivet17,18,22,24,31,32. Der er også en mangel på data om effektinput i engangsbrug bioreaktorer, som er leveret af fabrikanter formonteret, steriliseret og klar-til-brug33,34. I modsætning til deres genanvendelige modstykker, er de fleste engangsbrug bioreaktorer ophidset af specialdesignede skovlhjul, gør sammenligninger vanskelige.
For at lukke dette hul, er en pålidelig metode til power input målinger med særlig fokus på laboratoriet skala omrørere blevet udviklet for nylig35. Drejningsmomentværdier målt i de tomme fartøjer, der var forårsaget af friktionstab, var effektivt reduceret med brugen af en air pejling. Derfor en bred vifte af operationelle betingelser med lav til moderat turbulens (100 < Re < 2·104) kunne undersøges og power input af flere multi-use og engangsbrug bioreaktorer er blevet leveret.
Den nuværende undersøgelse giver en detaljeret måling protokol af den tidligere udviklede metode og beskriver, hvordan du kan konfigurere, gennemføre og evaluere en moment-baseret power input målinger i laboratoriet skala bioreaktorer. Særligt fokus er på kommercielt tilgængelige single og multi genbrug systemer. En automatiseret målemetode anvendes til at reducere den eksperimentelle forsøg.
Protocol
1. forberedelse af saccharose løsninger
Bemærk: Saccharose løsninger er brugt som billig, newtonske model medier med forhøjet viskositet, og massefylde for reduceret turbulens betingelser (Se tabel 1).
- Udfylde en Duran glasflaske med vand og saccharose i forskellige koncentrationer (20-60 %w/w).
- Bland indholdet med en magnetomrører, indtil saccharose er helt opløst.
- For saccharose koncentrationer på over 40 %w/w, tilsæt saccharose periodisk og varme glasflaske lidt (~ 50 ° C). Lad saccharose løsning køle ned til stuetemperatur før anvendelse.
2. forberedelse af en måling opskrift og datalogning
- Efter start af softwaren, starte kommunikation med styreenheden ved at vælge den korrekte serielle COM port fra dropdown menuen og klikke på knappen Tilslut .
Bemærk: Knappen Tilslut vil ændre farve til grøn og LED under rullemenuen vil tænde, når kommunikationen med styreenheden initieres. - Oprette data filsti inde bioreaktor kontrol enhed software for at lagre data på operatoren PC.
- Åbne siden Indstillinger fane og ramte mappe-symbolet ud for tekstfeltet Data fil placering .
- I dialogvinduet fil til mappen ønske, Skriv et filnavn i feltet filnavn og klikke på knappen OK .
Note: Data log filsti og navn vises i tekstboksen og knappen DAQ start er aktiveret, når en gyldig filsti er defineret.
- Oprette en rutine inde opskrift manager bioreaktor kontrol enhed software for at automatisere målemetode.
- Åbn fanesiden opskrift og skrive de ønskede input værdier for opskrift fase forløbet tid (min) og den tilsvarende løbehjul hastighed (rpm) i feltet tekstbokse. Profilen vises automatisk i diagrammet.
Bemærk: For eksempel, omrører hastighed øges trinvis med 20 rpm fra 100 rpm til 300 rpm, og hver værdi opretholdes for 4 minutter for at sikre en stabil drejningsmoment signal (Se forklaring nedenfor). De minimale og maksimale hastigheder samt størrelsen af stigningen kan justeres til forskellige røreværker og fartøjer.
Bemærk: Vælg hastighedsområde omhyggeligt hvad drejningsmoment sensor opløsning, nominelt drejningsmoment og vortex dannelsen. Sidstnævnte ofte opstår i unbaffled bioreaktorer ophidset ved højere hastigheder og kan forårsage skade på momentmåler. - Klik på knappen Gem , gennemse hen til den ønskede filsti og skriv et filnavn i tekstfeltet. Tryk på OK knappen for at gemme filen.
- Åbn fanesiden opskrift og skrive de ønskede input værdier for opskrift fase forløbet tid (min) og den tilsvarende løbehjul hastighed (rpm) i feltet tekstbokse. Profilen vises automatisk i diagrammet.
3. installation af drejningsmoment sensor
Bemærk: Den eksperimentelle setup er vist skematisk i figur 1.
- Installer drejningsmoment transduceren i en specialdesignet indehaveren, der inkorporerer luften bærer (Se figur 1) ved hjælp af skruer til lave sensoren på plads. Air pejling anvendes i denne undersøgelse har en porøs carbon bøsning materiale med en indre diameter på 13 mm.
- Montere brushless servo omrører motor på toppen af indehaveren. Fix drejningsmoment transducer til indehaveren lodret montering ved hjælp af fire skruer.
- Tilslut motorakslen til drivakslen af drejningsmoment transducer hjælp af en metal bellow kobling der kan udligne mindre aksiale forskydninger af aksler og spænd koblingen med skruer. Tilslut omrører akslen til måling skaftet af drejningsmoment transduceren ved hjælp af et andet metal bellow kobling.
Bemærk: I denne undersøgelse, specialdesignet løbehjulet aksler med en diameter på 13 mm (tolerance:-0.0076 mm) og med længder på mellem 270 og 520 mm blev brugt til de forskellige fartøjer undersøgt.
- Montere sensor indehaveren på bioreaktor hoved pladen og installere skovlhjul på omrører akslen med den ønskede off bunden clearance. Montere bafler og yderligere installationer (f.eks. prøveudtagning og høst rør, elektrokemiske sensorer, osv.) inde bioreaktor, hvis det kræves.
- Installere de ønskede bioreaktor i fartøjet indehaveren, hvis påkrævet (bioreaktorer #1, #3-#10) eller hoved pladen anbringes på bioreaktor tank (bioreaktor #2) og spænd hoved pladen med skruer.
- Undersøgelser af glas bioreaktorer, læg bioreaktor glas fartøj i holderen.
- For undersøgelser af engangsbrug bioreaktorer, demontere den top monterede slanger havne og løbehjulet akslen boliger fra hoved plastplader ved hjælp af passende skærende værktøjer. Sted plast fartøjet ind i holderen.
- Placer en temperaturføler inde bioreaktor og tilsluttes kontrolenheden. Tilslut slangen til den trykluft til gas indløbsstuds af air pejling og anvende et tryk på omkring 5,5 bar leveres af en kompressor. Forbind drejningsmoment transducer til A/D-konverter og tænd senderen.
4. konfigurationer i data erhvervelse software
- Åbn softwaren til dataopsamling af drejningsmoment sensorsignalet og konfigurere indstillingerne for måling.
- Sørg for, at de første to kanaler i vinduet DAQ kanaler er initialiseret og aktive. I denne undersøgelse, drejningsmoment signal blev fastsat på kanal 0 og rotationshastighed signal blev fastsat på kanal 1.
- Klik på knappen Live update til at vise de aktuelle målingsværdier.
- Indstil drejningsmoment kanal signal til nul, hvis den absolutte drejningsmoment signal uden rotation er større end 0,1 mN·m ved hjælp af højre-mus Klik på elementet kanal i kanallisten og vælge indstillingen nul balance .
- Gå til fanesiden DAQ job og definere en data erhvervelse sats af 2 Hz fra dropdown menuen liste. Bruge indstillingerne straks på job start og varighed fra rullelisten til at indstille Start og Stop af datafangst, henholdsvis.
- Definere en budgetcyklus for prøven varighed , der er længere end den tid, det tager at afslutte måling (for eksempel, brug 1 h 0 m 30 s til en én times opskrift defineret i andet trin).
- Navigere til indstillingssiden for lagring af Data og vælge indstillingen ASCII + kanal info på rullelisten til at angive den fil format for dataene, gemme filen. Angiv en filsti på PC harddisk til måling Output-fil.
- Sørg for, at de første to kanaler i vinduet DAQ kanaler er initialiseret og aktive. I denne undersøgelse, drejningsmoment signal blev fastsat på kanal 0 og rotationshastighed signal blev fastsat på kanal 1.
5. udføre drejningsmoment måling
- Start dataopsamling for drejningsmoment signal i den kontrol og data erhvervelse software til momentmåler ved at klikke på knappen Start på siden DAQ job menu.
- Start dataopsamling for omrører hastighed og temperaturen i bioreaktor kontrol enhed software ved at klikke på knappen DAQ start på siden Indstillinger under fanen.
- Start omrører kontrol i kontrol enhed software med en manuel sætpunktet eller ordningen pre-definerede opskrift.
- Hvis en enkelt måling er foretaget, skal du bruge posten kontrol boks på fanesiden Main bioreaktor kontrol software. Skriv den ønskede sætpunkt i tekstfeltet og klik på elementet 'Omrører kontrol på'.
- Hvis flere målinger med en opskrift er gennemført, gå til fanesiden faser og klikke på knappen Start .
Bemærk: Softwaren deaktivere automatisk alle manuel indtastning kasser for varigheden af opskriften og et vindue åbnes automatisk for at bekræfte afslutningen af processen.
- I data erhvervelse software åbnes et vindue automatisk efter forud fastlagte måling varighed. Gemme data for hver måling af operatøren PC, helst på harddisken, ved at klikke på knappen Gem data nu .
- Gentag målingen for hver ønsket omrører hastighed uden og med væske inde bioreaktor fartøj.
- Hæld vand (eller rørsukkeropløsning) gennem en tragt i bioreaktor.
Bemærk: Sørg for, at væsken fuldstændig dækker skovlhjul, da (delvist) eksponerede pumpehjul kan resultere i uønskede aksiale kræfter, der kunne skade drejningsmoment sensor.
- Hæld vand (eller rørsukkeropløsning) gennem en tragt i bioreaktor.
6. data evaluering
Bemærk: De opnåede drejningsmomentværdier i det tomme skib (død drejningsmoment) svarer til de resterende friktionstab af lejet og skal trækkes fra de værdier, der er fastlagt i flydende for at opnå effektiv drejningsmomentværdier (Se Eq. 1).
- Gennemsnitlige drejningsmomentværdier for hver omrører hastighed målt efter en kvasi stabilt signal er opnået (Se forklaring nedenfor). Ideelt, beregne middelværdien over en periode på mindst 2 min. for hver betingelse, svarende til 240 datapunkter på en måling på 2 Hz.
- Bruge en Matlab kode for databehandling ved at køre koden fra kommandolinjen software.
Bemærk: Koden er fastsat for download i afsnittet supplement i dette håndskrift. Dette script import rå datafilen fra dataregistrering, beregner den fase gennemsnitlige rotationshastighed, Reynolds tal (fra Eq. 3 baseret på bruger input) og drejningsmoment værdier for hver af faserne, visualiserer resultaterne og gemmer resultaterne i en anden tekst fil, som derefter kan bruges til yderligere behandle dataene. - Subtrahere drejningsmomentværdier opnået i det tomme skib fra dem målt i væske til at opnå effektiv drejningsmomentværdier.
- Beregne effektinput og dimensionsløs magt antallet fra tid-gennemsnit drejningsmomentværdier Eq. 1 og Eq. 2.
Representative Results
Power input i forskellige multi-use og engangsbrug bioreaktorer med arbejder bind mellem 1 L og 10 L var opsat. De geometriske detaljer er sammenfattet i tabel 2. I tilfælde af engangsbrug fartøjer, toppen monteret slangen havne og løbehjulet aksel maskinhusene skulle fjernes fra hoved plader for at passe fartøjerne til indehaveren af fartøjet. Desuden, de indbyggede plast skakter blev knyttet til rustfrit stål akslen, der blev brugt i forbindelse med air pejling, men ingen yderligere ændringer var nødvendige.
Drejningsmomentet blev målt til løbehjulet hastigheder mellem 100 rpm og 300 rpm i de unbaffled fartøjer og mellem 100 rpm og 700 rpm i forbløffet fartøjer, svarende til maksimal tip hastigheder på 1,13 m·s-1 og 1,54 m·s-1 (Se Eq. 4) henholdsvis.
(4)
De definerede omrører hastigheder i den lavere ende blev begrænset af drejningsmoment sensor målenøjagtighed og Relativ standardafvigelse for reproducerbarhed ± 0,2% og < 0,05% af den nominelle drejningsmoment henholdsvis (angivet af fabrikanten36). Desuden maksimale omrører hastigheder blev defineret af det drejningsmoment (0,2 Nm), især for de 10 L tank undersøgt og vortex dannelsen i de unbaffled fartøjer. For at forhindre sensoren bliver beskadiget, skal det maksimale drejningsmoment under målingen blev defineret på 60% af den nominelle drejningsmoment (0,12 Nm) og vortex dybde var begrænset til ca. 20 mm baseret på visuel inspektion.
Ved hjælp af en trinvis stigning i de roterende omrører hastigheder, er en typisk drejningsmoment profil vist i figur 2. Drejningsmoment signal steg med hvert skridt stigning i rotationshastighed, som forventet fra Eq. 1. Topværdier i drejningsmoment signal blev observeret efter hver justering af løbehjulet hastigheden, som kan forklares ved den første acceleration af væsken og PID kontrol af omrører hastighed. Kvasi stabile målinger blev opnået efter ca. 1 min., afhængig af omdrejningstal og løbehjulet anvendes. De resterende udsving omkring tid i gennemsnit drejningsmoment værdien af den enkelte fase var normalt omkring 5% af den gennemsnitlige værdi for de fleste af pumpehjul og agitation hastigheder undersøgt.
For yderligere evaluering, blev fase i gennemsnit drejningsmomentværdier brugt, mens peak drejningsmoment efter hver hastighedsregulering blev ignoreret. Baseret på måling hyppigheden af 2 Hz, den målte momenter (TL) repræsenteret middelværdien af et mindst 240 datapunkter, der er fastsat en tilstrækkelig høj statistisk sikkerhed, og de relative standardafvigelser af disse middelværdier var mindre end 3% for de fleste af målepunkter, som angiver stabil måling signaler. Interessant, standardafvigelser typisk faldt med stigende uro hastigheder, som angiver, at den relative betydning af de førnævnte svingninger falder med højere agitation.
Som det har været vist tidligere35, den døde drejningsmoment, dvs drejningsmomentet, målt uden væske inde i skibet, som kan være et resultat af friktionstab i kuglelejet, sæler og motordrevne drev eller små bøjninger i eller ubalancer af løbehjulet akslen (især i de enkelt-bruger plast aksler), kan reduceres væsentligt ved brug af luft-bærende. Generelt, var de døde drejningsmomentværdier af rustfrit stål agitatorer mindre end for dem, der foretages af plast. Dette kan forklares ved det højere niveau af stivhed af stål skafter, hvilket resulterer i lavere svingning under rotationen. For de fleste af agitatorer bruges, de resterende døde halssmykker med air pejling var så lav som 0.5 mN·m og derfor, under, eller tæt på sensor opløsning af momentmåler anvendes (0.4 mN·m). Den højeste resterende døde drejningsmoment blev observeret i bioreaktor #6, som bruger en pumpehjul aksel retainer fartøj nederst. Under rotation kolliderede løbehjulet akslen med at holderen, som kan overholdes under dyrkning eksperimenter, hvilket resulterer i ekstra friktion.
Som det kan ses fra figur 3, efter beregning af power input fra de effektive momenter (baseret på Eq. 1) og plotte dem som en funktion af Reynolds tal (Eq. 3), individuelle profiler blev opnået for hver model mediernes testede. I hver af disse kurver, power input steg som Reynolds tal steget og pisterne var tæt på relationen PL 
Re3. Denne sammenhæng kan fås fra Eq. 2 og Eq. 3 når antages en konstant strøm antallet og løbehjul diameter. Dette blev anset for alle agitatorer testet med R2 > 0,99.
Fra data opnået eksperimentelle drejningsmoment blev magt Karakteristik af alle agitatorer undersøgt endelig beregnes baseret på Eq. 2 (Se figur 4, figur 5, figur 6). Standard Rushton vindmøllen blev brugt som reference med veldokumenteret effekt numre i litteratur1,16,17,18,19,20, 21,22,23,24,25. Som det fremgår af figur 4a, magt tal i de mindre 2 L fartøj (bioreaktor #1) faldt på lav Reynolds tal (100 < Re < ≈500) fra P0 = 6.3 til P0 ≈ 3.3, inden den steg igen over Re ≈ 2000. En næsten konstant strømforsyning antal P0 = 4.17±0.14 blev fremstillet under fuldt turbulente forhold (Re > 104). En sammenlignelig værdi af P0 = 4.34±0.22 blev fastsat for det større fartøj med 10 L arbejdsgruppe volumen (bioreaktor #2), mens nogle afvigelser mellem de to skalaer ikke blev fundet for det midlertidige udvalg med 600 < Re < 104 (Se figur 4a). ikke desto mindre, de kvalitative tendenser i begge skalaer aftalt fuldt med litteraturen data1,19, hvor power input til en enkelt Rushton vindmølle i 20 L1 og 40 L19 arbejder bind har været bestemmes, henholdsvis. Det skal bemærkes, at power tal for det turbulente område er op til 25% lavere end dem, der leveres af referencedata af P0 ≈ 4,719 og Pedersen0 ≈ 5.51. Dog direkte sammenligning er ofte vanskelig på grund af de forskellige målemetoder brugt samt afvigelser i de geometriske parametre, herunder diameter-forhold (d/D), off bunden clearance (zM/d) og tank bund og baffel geometri. Andre forskere fundet bruges magt numre for Rushton turbiner i forbløffet fartøjer i en vifte af 3.6 til 5,9, omrører og fartøj geometri17,18,21,24, 27,29,37,38. Således kan det hævdes, at de aktuelle resultater var tilfredsstillende.
I figur 4b, er magt numre af bioreaktorer #3 og #4, med 1 L og 2 L arbejder bind henholdsvis sammenlignet for en bred vifte af Reynolds tal. P0 værdierne af de to geometrisk lignende agitatorer faldt støt i rækken overgang og blev konstant (bioreaktor #3: P0 = 3.67±0.06; bioreaktor #4: P0 = 4.46±0.05) på fuldt udviklet turbulens med Re > 10 4, et kriterium, der tidligere er fundet for Rushton turbine og andre agitatorer38. Interessant nok, blev en næsten konstant forskydning mellem de to skalaer observeret, hvilket kan forklares med forskelle i fartøj og løbehjul geometrierne. Selvom løbehjulet konfiguration i de to fartøjer er lignende, var det ikke muligt at holde alle geometriske parametre konstant. For eksempel, er 1 L fartøjet udstyret med kun to indbyggede klapper, mens 2 L skibet var udstyret med tre klapper. Det er velkendt, at magt antallet stiger som antallet af bafler stigninger, indtil en kritisk forstærkning tilstand er opnået,38. Desuden skulle form af løbehjulet disken i mindre fartøjet ændres til manufacturability, der kunne have indflydelse på power input. Det bør også bemærkes, at de målte drejningsmomentværdier i de mindre fartøj var kun mellem 4,2 mN·m og 12,8 mN·m, hvilket svarer kun op til 6% af den nominelle drejningsmoment på momentmåler anvendes. I dette interval, kan små afvigelser i måling signal have en betydelig indflydelse på resultaterne. Da ingen sammenligningsdata fra referencemålinger er tilgængelige, er det vanskeligt at drage endelige konklusioner på måling pålidelighed ved den mindste skala anvendes i denne undersøgelse og yderligere undersøgelser er nødvendige.
Figur 5 viser power Karakteristik af de tre kommercielt tilgængelige engangsbrug bioreaktorer undersøgt. I modsætning til de forbløffet fartøjer, magt numre af engangsbrug agitatorer faldt støt over de komplette sortiment af Reynolds tal undersøgt (100 < Re < 3·104), og ingen konstante værdier blev opnået på grund af den progressive vortex dannelse til høj agitation priser i de unbaffled fartøjer. De højeste magt numre af mellem P0 ≈ 6 og Pedersen0 ≈ 1.8 blev opnået for bioreaktor #5, der er ophidsede af et radialt pumpning klinge løbehjul og en aksialt pumpning segment klinge løbehjul med 45 ° slog vinger.
Som forventet, lavere magt numre af mellem P0 ≈ 5.1 og Pedersen0 ≈ 1.1 blev opnået for bioreaktor #7, er ophidset af to segment klinge løbehjul med 30 ° slog vinger resulterer i en primært axial flow. Det er velkendt, at aksialtyper skovlhjul har mindre magt numre end radial flow klinge skovlhjul på grund af de lavere flow modstand af højfrekvent vinger38. Det skal bemærkes, at de eksperimentelle data på power input i bioreaktor #7 der har været tidligere rapporteret32 er noget højere (f.eks. P0 = 1,9 for Re = 1.4·104). De tidligere offentliggjorte data viste imidlertid de samme forhold af P0 Re-0.336 som findes i den nuværende undersøgelse. De forskellige måleteknikker kan være ansvarlig for de forskellige absolutte værdier.
Blandt de undersøgte engangsbrug bioreaktorer, bioreaktor #6, som er blandet af en bunden nær marine løbehjulet, havde den laveste magt numre i den vifte af P0 ≈ 0,8 og Pedersen0 ≈ 0,3 (Se figur 5). Dette lave magt input kan forklares ved lav løbehjulet banen, selvom computational fluid dynamics (CFD) Analysen viste en temmelig dominerende radial flow komponent omkring pumpehjulet vinger39. God aftale for den aktuelle resultater og offentliggjorte data fra CFD modeller39 og eksperimenter32 kan angives.
Endelig blev opsætningen måling brugt til at undersøge indflydelsen af løbehjulet diameter og blade vinkel i bioreaktor #7. Som det fremgår af figur 6, alle effektkurver skal falde løbende over komplet vifte af Reynolds tal, som forventet. Betydelige forskelle blev opnået mellem de to blade vinkler (30° og 45°), hvor de større blade vinkel havde højere strøm indgange (med 30°: 1.13 < P0 < 4.25 og 45 °: 1,65 < P0 < 4,46) uanset turbulens (dvs. Reynolds antal). Dette er også kendt for klassisk højfrekvent klinge skovlhjul40 og igen blive forklaret af den højere flow modstand omkring knivene med stærkere pitch. Interessant, blev ikke fundet nogen væsentlige forskelle i magt numre mellem de to løbehjul diametre. Dette er også blevet konstateret for højfrekvent klinge skovlhjul, mens magt numre af radial flow klinge løbehjul typisk har tendens til at falde som d/D forholdet øger40.
Figur 1: skematisk test opsætningen af. Opsætningen består af (1) blanding tank, (2) skibet indehaveren, (3) forsynet med bur med luft bøsning, (4) momentmåler, motor drevet (5), (6) A/D-konverter, (7) styreenheden, (8) PC til dataopsamling og kontrol. Trykluft (5,5 bar) blev leveret til luft bøsning, som anbefalet af fabrikanten. De vigtigste geometriske dimensioner af den blanding tank og omrører er også angivet. Dette tal er blevet ændret fra35. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2: typisk måling profil med en trinvis forøgelse omrører rotationshastighed (dvs. N1 < N2 < N3) i 5 min. mellemrum, som det fremgår af de lodrette stiplede linjer. De vandrette stiplede linjer repræsenterer en 5% konfidensinterval omkring tid i gennemsnit drejningsmomentværdier for de tilsvarende faser (anført af de vandrette streger). Topværdier blev observeret i løbet af det første minut af hvert interval, hvilket kan forklares ved den første acceleration af flydende indersiden tankene og PID baseret omrører hastighedskontrol. For yderligere evaluering, kun drejningsmoment signalet kvasi stabil fase blev brugt, gennemsnit hvor måling signal svingede omkring middelværdien værdi inden for 5% konfidensintervallet. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3: beregnet power input i bioreaktor #1 som en funktion af Reynolds tal for forskellige model media. Individuelle profiler blev fremstillet til hver model mediernes testet. De ubrudte linjer repræsenterer model forudsigelser antager P Re3 og meget god aftale med eksperimentelle data blev fundet (med R2 > 0,99). Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4: bestemmes magt numre som en funktion af Reynolds tal i forbløffet tanke. en a sammenligning af data fra Rushton turbiner i små og store tanke (med 2 L og 10 L arbejder bind henholdsvis) viser, at dimensionsløs magt numre for fuldt turbulente forhold lige mellem de to skalaer. Små afvigelser blev ikke fundet for det midlertidige område med Re < 104, hvor magt antallet steget som Reynolds tal steget. (b) en sammenligning af data fra bioreaktorer #3 og #4 viser en kvalitativt tilsvarende nedgang i magt numre som Reynolds tal steg indtil stabile værdier er opnået under fuldt turbulente forhold. Magt numre for 1 L bioreaktor vise større udsving i forhold til 2 L modstykke. Ingen data for 1 L fartøjet blev opnået for Reynolds tal i intervallet 550 < Re < 950 når du bruger den samme model medier som i 2 L fartøj. Den kvantitative forskydning mellem skalaer kan forklares med forskelle i fartøj og omrører geometrierne eller kunne være et resultat af sensor følsomhed. Yderligere undersøgelser er nødvendige. De ubrudte linjer repræsenterer polynomium regression modeller. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 5: bestemmes magt numre som en funktion af Reynolds tal for forskellige engangsbrug bioreaktorer. Magt numre for hvert af fartøjerne faldt som Reynolds tal steget. I modsætning til de forbløffet fartøjer, blev ingen stabile magt numre opnået på grund af progressiv vortex dannelsen til høj agitation priser i de unbaffled fartøjer. De ubrudte linjer repræsenterer polynomium regression modeller. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 6: bestemmes magt numre som en funktion af Reynolds tal for forskellige ændringer af bioreaktor #7. Særskilte profiler blev opnået for de to forskellige blade vinkler på 30° og 45°, men ingen væsentlige forskelle mellem de to løbehjulet diameter nøgletal (d/D = 0,43 og d/D = 0,57) blev fundet. Magt numre af alle konfigurationer viste en kontinuerlig falde over den komplette sortiment af Reynolds tal undersøgt på grund af progressiv vortex dannelsen til høj agitation priser i de unbaffled fartøjer. De ubrudte linjer repræsenterer polynomium regression modeller. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
| Endelige saccharose | Flydende tæthed RhoL | Flydende viskositet ηL | Reynolds tal Re |
| (%w/w) | (kg·m-3) | (mPa·s) | (-) |
| 0 | 998.2 | 1 | 11954 |
| 20 | 1081 | 2 | 6486 |
| 30 | 1127 | 3.2 | 4226 |
| 40 | 1176.4 | 6.2 | 2277 |
| 50 | 1231.7 | 15,5 | 954 |
| 55 | 1259.8 | 28.3 | 534 |
| 60 | 1288.7 | 58,9 | 263 |
Tabel 1: oversigt over flydende tætheder og viskositet for valgt saccharose løsninger ved 20 ° C og deraf følgende dimensionsløst Reynolds tal for en impeller med diameter og rotationshastighed på 60 mm og 200 rpm, hhv. Reynolds tal beregnes ved hjælp af Eq. 3.
Tabel 2: sammenfatning af de geometriske oplysninger af bioreaktorer undersøgt. Venligst klik her for at downloade denne fil.
Discussion
Trods vigtigheden af (bestemte) power input til engineering karakterisering og skalering-op/ned af bioreaktorer, kun et par publikationer på eksperimentelle undersøgelser i benchtop skala bioreaktorer, især engangsbrug systemer i den én-cifrede liter volumen spænder, kan findes i litteraturen. En af grundene til denne mangel på data kan ses i vanskelighederne af præcise power input målinger i sådanne små skæl. For at overvinde nogle af disse vanskeligheder, giver den nuværende undersøgelse en detaljeret protokol for drejningsmoment baseret power input målinger, der understøttes af en air pejling til minimere friktionstab i lejet. Anvendeligheden af metoden, der blev påvist ved hjælp af tre kommercielt tilgængelige engangsbrug bioreaktorer samt multi-use bioreaktorer i vægte mellem 1 L og 10 L arbejder bind.
Baseret på vores erfaring med drejningsmoment baseret målinger, de mest kritiske faktorer til adresse er: 1) at reducere de døde drejningsmoment ved at minimere friktionstab inde i lejer og sæler, navnlig i laboratoriet skala bioreaktorer og 2) udvælgelsen af en egnet momentmåler for de ønskede bioreaktor størrelse og agitation. Som har været vist tidligere35, kan den døde drejningsmoment reduceres dramatisk ved brugen af en air pejling. I den foreliggende undersøgelse, blev en billig luft bøsning fremstillet af porøse carbon materiale brugt. De resterende drejningsmoment i de tomme fartøjer testet var typisk under 0,5 mN·m med agitation satser på op til 900 omdr, svarende til løbehjulet tip hastigheder på op til 3 m·s-1. Derimod den døde drejningsmoment på bioreaktor #6 med indbygget mekanisk aksel lejet var eksempelvis mellem 9,4 mN·m og 20 mN·m, og sammenlignelige værdier af omkring 3 mN·m er også rapporteret til bioreaktor #732. Dette er én størrelsesorden højere end de værdier, der er opnået i den foreslåede eksperimentel opsætning.
Udover forsynet med luft er momentmåler bruges den mest kritiske komponent. Et kommercielt tilgængelige momentmåler, der er beregnet til måling af statiske og dynamiske drejningsmoment, rotationshastighed og vinkel på rotation blev udvalgt til denne undersøgelse. I betragtning af bioreaktorer af interesse med maksimal arbejder bind af 10 L og de tilsvarende røreværker, et nominelt drejningsmoment på 0,2 gik blev valgt. Det konstateredes, at høj reproducerbarhed med Relativ standardafvigelse på replikater < 5% og pålidelige målinger kan fås for effektiv halssmykker så lavt som 2 mN·m, svarende til kun 1% af den nominelle drejningsmoment. Dermed blev rækken måling af den sensor, der anvendes i den foreliggende undersøgelse betydeligt bredere end resultater, som er blevet offentliggjort baseret på en sammenlignende undersøgelse af medlemmer af den tyske GVC-VDI arbejdsgruppe om at blande41.
Ikke desto mindre bør vifte af omrører hastighed udvælges omhyggeligt drejningsmoment sensor opløsning, nominelt drejningsmoment og vortex dannelsen. Sidstnævnte ofte opstår i unbaffled bioreaktorer ophidset ved højere hastigheder og kan forårsage skade på momentmåler. Både de minimale og maksimale muligt omrører hastigheder kan være begrænsende faktorer af metoden i denne undersøgelse. Ud over vores tidligere arbejde35, denne undersøgelse involverede også bioreaktor #3, det mindste medlem i glas bioreaktor familie fra producenten, der er ophidsede af to-trins løbehjul med diameter 42 mm. Sammenlignelige magt karakteristisk at der i den geometrisk lignende bioreaktor #4 blev opnået med den præsenteres eksperimentel opsætning. Dette er bemærkelsesværdige, da drejningsmomentet skalaer med M d5 for en given flydende tæthed, løbehjulet geometri (dvs. strøm nummer) og rotationshastighed (Se Eq. 1 og Eq. 2). Derfor en ca 40% lavere løbehjulet drejningsmoment resultater fra et 10% mindre løbehjulet diameter, f.eks. Ikke desto mindre var højere omdrejningstal i 1 L skala end i 2 L skala påkrævet under drift til at løse den producerede drejningsmoment med de tilgængelige momentmåler. På grund af de indbyggede klapper af bioreaktor #3, ingen vortex dannelsen blev observeret, men dette kan blive et problem med unbaffled fartøjer. Det skal understreges, at den konstante modposteres på den magt numre, der blev fundet mellem de to skalaer kan skyldes måling unøjagtigheder forårsaget af de begrænsede sensor opløsning (ud over geometriske forskelle). Yderligere undersøgelser er forpligtet til at drage endelige konklusioner på minimum omfanget hvormed den foreslåede setup er stadig er mulig.
Ikke desto mindre, den samme protokol blev brugt til power input målinger i forskellige glas fartøjer fra forskellige producenter med arbejder bind af mellem 1 L og 10 L i vores laboratorium. Dette understreger overførsel af den anvendte metode til karakterisering af forskellige bioreaktor systemer. Den eksperimentelle forsøg kunne reduceres med automatiserede målinger ved hjælp af opskrift forvaltning inden for automatiseringssystem af kontrol enhed software og automatiseret behandling baseret på de universelle Matlab sprog.
Derudover skal det bemærkes, at der, ved hjælp af saccharose indeholder, billige newtonske model media, en bred vifte af Reynolds tal (100 < Re < 6·104), afhængigt af hvilke agitator og skala, var dækket. Det bør også understreges, at den nedre grænse for området turbulens er normalt uden betydning for dyrs cellekulturer med vand-lignende medier, selv om meget lav løbehjulet hastigheder anvendes. Dog betydelige stigninger i bouillon viskositet, hvilket resulterer i turbulens dæmpning, og selv ikke-newtonske adfærd er blevet beskrevet for svampe - og plante celle-baserede kulturer. For eksempel, har tilsyneladende viskositeter i plant kulturer af op til 400-fold i forhold til vand været rapporteret42, som fører til meget lavere Reynolds tal.
Endelig er bruger bioreaktor #7 som første Case, det blevet påvist at de foreslåede eksperimentel opsætning kan bruges til at studere effekten af design ændringer på effektinput på laboratoriet skala. I kombination med rapid prototyping teknikker, kan dette være et effektivt redskab til løbehjulet design undersøgelser, som vil udgøre dele af fremtidige arbejde.
Disclosures
Forfatterne har erklæret ingen interessekonflikter.
Acknowledgments
Forfatterne vil gerne takke Dieter Häussler og slå Gautschi for deres bistand under det eksperimentelle sæt op. Vi er også taknemmelige for Caroline Hyde engelsk korrekturlæsning.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| T20WN torque meter | HBM Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH |
Nominal torque 0.2 Nm | |
| Spider-8 | HBM Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH |
HBM Spider8 is no longer available for sale. QuantumX DAQ system (especially the QuantumX modules MX840A and MX440A) are recommended. |
|
| Catman easy software | HBM Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH |
Version 4.2.2 | |
| Air bearing | IBS precision engineering | 13 mm air bushing | |
| Stainless steel impeller shaft | Bioengineering AG | Shaft tolerance -0.0076 mm | |
| Brushless motor AKM2 | Kollmorgen | ||
| Metal bellow coupling | Uiker AG | ||
| Finesse RDPDmini control unit | Finesse, a part of Thermo Fisher Scientific | No longer supported (the replacement product G3Lab universal controller can be used) | |
| Sucrose | Migros Schweiz AG | Food grade | |
| Matlab software | Mathworks | Version R2017a | |
| Finesse μTruBio PC software | Finesse, a part of Thermo Fisher Scientific | Version 3.1 (no longer supported) | |
| SmartGlass 1L | Finesse, a part of Thermo Fisher Scientific | referred to as Bioreactor 1L in Table 2 | |
| SmartGlass 3L | Finesse, a part of Thermo Fisher Scientific | referred to as Bioreactor 3L in Table 2 | |
| SmartVessel 3L | Finesse, a part of Thermo Fisher Scientific | referred to as Single-Use 3L Bioreactor in Table 2 | |
| Mobius CellReady 3L | Merck Millipore | referred to as Cell Ready Single-Use 3L Bioreactor in Table 2 | |
| UniVessel SU 2L | Sartorius Stedim Biotech | referred to as Single-Use 2L Bioreactor in Table 2 |
References
- Shiue, S. J., Wong, C. W. Studies on homogenization efficiency of various agitators in liquid blending. Can. J. Chem. Eng. 62, 602-609 (1984).
- Zlokarnik, M. Rührtechnik -- Theorie und Praxis. , Springer-Verlag. Berlin, Heidelberg, New York. (1999).
- Ghotli, A. R., Raman, A. A. A., Ibrahim, S., Baroutian, S. Liquid-liquid mixing in stirred vessels: a review. Chem. Eng. Commun. 200, 595-627 (2013).
- Arjunwadkar, S. J., Sarvanan, K., Kulkarni, P. R., Pandit, A. B. Gas-liquid mass transfer in dual impeller bioreactor. Biochem. Eng. J. 1, 99-106 (1999).
- Hari-Prajitno, D., Mishra, V. P., Takenaka, K., Bujalski, W., Nienow, A. W., McKemmie, J. Gas-liquid mixing studies with multiple up- and down-pumping hydrofoil impellers: power characteristics and mixing time. Can. J. Chemical Eng. 76, 1056-1068 (1998).
- Wichterle, K. Heat transfer in agitated vessels. Chem. Eng. Sci. 49, 1480-1483 (1994).
- Angst, R., Kraume, M. Experimental investigations of stirred solid/liquid systems in three different scales: particle distribution and power consumption. Chem. Eng. Sci. 61, 2864-2870 (2006).
- Cherry, R., Papoutsakis, E. T. Hydrodynamic effects on cells in agitated tissue culture reactors. Bioprocess Eng. 1, 29-41 (1986).
- Chalmers, J. J. Shear sensitivity of insect cells. Cytotechnology. 20, 163-171 (1996).
- Ma, N., Mollet, M., Chalmers, J. J. Aeration, mixing and hydrodynamics in bioreactors. Cell Culture Technology for Pharmaceutical and Cell-Based Therapies. Ozturk, S. S., Hu, W. -S. , Taylor & Francis. New York (NY). 225-248 (2006).
- Chisti, Y. Shear Sensitivity. Encyclopedia of Bioprocess Technology. Flickinger, M. C., Drew, S. W. , John Wiley & Sons. Hoboken, NJ, USA. 1719-1762 (2002).
- Oosterhuis, N. M. G., Kossen, N. W. F. Power input measurements in a production scale bioreactor. Biotechnol. Lett. 3, 645-650 (1981).
- King, R. L., Hiller, R. A., Tatterson, G. B. Power consumption in a mixer. AIChE J. 34, 506-509 (1988).
- Brown, D. E. The measurement of fermenter power input. Ind. Chem. 16, 684-688 (1997).
- Bourne, J. R., Buerli, M., Regenass, W. Heat transfer and power measurements in stirred tanks using heat flow calorimetry. Chem. Eng. Sci. 36, 347-354 (1981).
- Böhme, G., Stenger, M. Consistent scale-up procedure for the power consumption in agitated non-newtonian fluids. Chem. Eng. Technol. 11, 199-205 (1988).
- Reséndiz, R., Martínez, A., Ascanio, G., Galindo, E. A new pneumatic bearing dynamometer for power input measurement in stirred tanks. Chem. Eng. Technol. 14, 105-108 (1991).
- Distelhoff, M. F. W., Laker, J., Marquis, A. J., Nouri, J. M. The application of a strain gauge technique to the measurement of the power characteristics of five impellers. Exp. Fluids. 20, 56-58 (1995).
- Ibrahim, S., Nienow, A. W. Power curves and flow patterns for a range of Impellers in Newtonian fluids: 40 < Re < 5x10^5. Chem. Eng. Res. Des. 73, 485-491 (1995).
- Karcz, J., Major, M. An effect of a baffle length on the power consumption in an agitated vessel. Chem. Eng. Process. Process Intensif. 37, 249-256 (1998).
- Houcine, I., Plasari, E., David, R. Effects of the stirred tank's design on power consumption and mixing time in liquid phase. Chem. Eng. Technol. 23, 605-613 (2000).
- Chen, Z. D., Chen, J. J. J. A study of agitated gas-liquid reactors with concave blade impellers. Gupta, B., Ibrahim, S. , Kluwer Academic Publishers. 43-56 (2000).
- Chapple, D., Kresta, S. M., Wall, A., Afacan, A. The effect of impeller and tank geometry on power number for a pitched blade turbine. Chem. Eng. Res. Des. 80, 364-372 (2002).
- Gill, N. K., Appleton, M., Baganz, F., Lye, G. J. Quantification of power consumption and oxygen transfer characteristics of a stirred miniature bioreactor for predictive fermentation scale-up. Biotechnol. Bioeng. 100, 1144-1155 (2008).
- Cudak, M. Hydrodynamic characteristics of mechanically agitated air - aqueous sucrose solutions. Chem. Process Eng. 35, 97-107 (2014).
- Kuboi, R., Nienow, A. W., Allsford, K. A multipurpose stirred tank facility for flow visualisation and dual impeller power measurement. Chem. Eng. Commun. 22, 29-39 (1983).
- Wu, J., Zhu, Y., Pullum, L. Impeller geometry effect on velocity and solids suspension. Chem. Eng. Res. Des. 79, 989-997 (2001).
- Amanullah, A., Serrano-Carreon, L., Castro, B., Galindo, E., Nienow, A. W. The influence of impeller type in pilot scale xanthan fermentations. Biotechnol. Bioeng. 57, 95-108 (1998).
- Saito, F., Nienow, A. W., Chatwin, S., Moore, I. P. T. Power, gas dispersion and homogenisation Characteristics of SCABA SRGT and Rushton turbine impellers. J. Chem. Eng. Japan. 25, 281-287 (1992).
- Ascanio, G., Castro, B., Galindo, E. Measurement of power consumption in stirred vessels - a review. Chem. Eng. Res. Des. 82, 1282-1290 (2004).
- Vilaça, P. R., Badino, A. C., Facciotti, M. C. R., Schmidell, W. Determination of power consumption and volumetric oxygen transfer coefficient in bioreactors. Bioprocess Eng. 22, 261-265 (2000).
- van Eikenhorst, G., Thomassen, Y. E., van der Pol, L. A., Bakker, W. M. Assessment of mass transfer and mixing in rigid lab-scale disposable bioreactors at low power input levels. Biotechnol. Prog. 30, 1269-1276 (2014).
- Eibl, D., Peuker, T., Eibl, R. Single-use equipment in biopharmaceutical manufacture: A brief introduction. Single-Use Technology in Biopharmaceutical Manufacture. Eibl, R., Eibl, D. , John Wiley & Sons. Hoboken, NJ, USA. 3-11 (2010).
- Eibl, R., Kaiser, S., Lombriser, R., Eibl, D. Disposable bioreactors: the current state-of-the-art and recommended applications in biotechnology. Appl. Microbiol. Biotechnol. 86, 41-49 (2010).
- Kaiser, S. C., Werner, S., Jossen, V., Kraume, M., Eibl, D. Development of a method for reliable power input measurements in conventional and single-use stirred bioreactors at laboratory scale. Eng. Life Sci. 17 (5), 500-511 (2016).
- Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH. Drehmoment-Messwelle T20WN product description. , Available from: http://www.hbm.com/en/0264/torq (2016).
- Nienow, A. W., Miles, D. Impeller power numbers in closed vessels. Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev. 10, 41-43 (1971).
- Liepe, F., Sperling, R., Jembere, S. Rührwerke - Theoretische Grundlagen, Auslegung und Bewertung. , Eigenverlag FH. Anhalt, Köthen, Germany. (1998).
- Kaiser, S. C., Werner, S., Eibl, D. CFD as tool to characterize single-use bioreactors. Single-Use Technology in Biopharmaceutical Manufacture. Eibl, R., Eibl, D. , John Wiley & Sons. Hoboken, NJ, USA. 264-279 (2010).
- Liepe, F. Verfahrenstechnische Berechnungsmethoden Teil 4: Stoffvereinigen in fluiden Phasen - Ausrüstungen und ihre Berechnung. VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie. , Leipzig, Germany. (1988).
- Kraume, M., Zehner, P. Experience with experimental standards for measurements of various parameters in stirred tanks: a comparative test. Chem. Eng. Res. Des. 79, 811-818 (2001).
- Werner, S., Greulich, J., Geipel, K., Steingroewer, J., Bley, T., Eibl, D. Mass propagation of Helianthus annuus suspension cells in orbitally shaken bioreactors: Improved growth rate in single-use bag bioreactors. Eng. Life Sci. 14, 676-684 (2014).
