Summary
임 펠 러 샤프트 회전 중 작동 토크를 통해 촉발된 bioreactors에서 전원 입력을 측정할 수 있습니다. 이 원고는 효과적으로 기계 물개에서 관찰 하는 마찰 손실을 줄이고 소규모 선박에 전원 입력된 측정의 정확도 향상 하는 어 베어링을 사용 하는 방법을 설명 합니다.
Abstract
흔들된 bioreactors에서 전원 입력 중요 한 업그레이드 매개 변수 이며, 회전 중 임 펠 러 샤프트에 작동 하는 토크를 통해 측정 될 수 있다. 그러나, 소규모 선박에 전원 입력의 실험적인 결심은 일반적으로 사용 된 부싱, 베어링 및 샤프트 씰 및 상용 토크 미터의 정확도 안에 상대적으로 높은 마찰 손실 때문 여전히 도전적 이다. 따라서, 소규모 생물 반응 기, 특히 단일 사용 시스템에 대 한 제한 된 데이터만 제공 문학, 다른 단일 사용 시스템 및 그들의 전통적인 대조 물 사이 비교를 어렵게 됩니다.
이 원고는 치수 레이놀즈 수 (Re)에 의해 기술 될 수 있는 난 기류 조건의 넓은 범위 벤치탑 규모 bioreactors에서 전원 입력을 측정 하는 방법에 대 한 프로토콜을 제공 합니다. 앞서 언급 한 마찰 손실은 효과적으로 공기 베어링의 사용에 의해 감소 된다. 설정, 수행 및 토크 기반 전력 평가 하는 방법에 절차 입력 측정, 온건한 소란에 낮은 셀 문화 전형적인 동요 조건에 특별 한 초점 (100 < 다시 < 2·104), 자세히 설명. 여러 다 사용 하 고 단일 사용 bioreactors의 전원 입력 크기가 없는 전원 수 (뉴턴 번호, P0이 라고도 함), P의 범위0 ≈ 0.3, P0 ≈ 4.5 최대 레이놀즈 번호에 대 한 결정은 의해 제공 됩니다. 다른 생물 반응 기.
Introduction
가스-액체 분산2 균질1,2,3, 등 많은 단위 작업을 관련이 있기 때문에 전원 입력은 특성화 및 bioreactors의 스케일링 업에 대 한 주요 엔지니어링 매개 변수 , 4 , 5, 열 전송6 와 단단한 서 스 펜 션7 전원 입력은 특히 영향 성장 및 전단 민감한 셀 문화8,9,,1011제품 형성을 할 수 있는 전단 응력도 연관 된다.
가장 일반적인 기법 냈다 bioreactors에서 전원 입력의 측정은 전력에 기반을 위한 그리기12,,1314, 열 량,1215 (즉 고정 열 균형 또는 동요를 통해 동적 난방) 또는 교 반기 고 따라 토크. 후자 결정 될 수 있다 실험적으로 동력, 토크 미터 또는 교 반기, 단일 또는 다단계 러시 터빈1,,1617 를 포함 하 여 다양 한 적용 된 스트레인 게이지 , 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 , Scaba 날개28 , InterMig19,21 , 투 수 블레이드 날개19,20,23,,2627, 25 , 29. 자세한 리뷰는 아스카 니 오 외. (2004)30에 의해 제공 됩니다.
토크 (T)에서 전원 입력 (P) 식 1, 여기서 N은 회전 속도 교 반기에서에서 추정 될 수 있습니다.
(1)
(베어링, 물개 및 모터 자체)에 있는 동요에 발생 하는 손실에 대 한 설명 하기 위해 빈 그릇 (TD)와 액체 (TL 측정 값 간의 차이 효과적인 토크 (Teff)를 결정 ). 마지막으로, 크기가 없는 전원 번호 (P0, 일컬어 뉴 톤 수), eq. 2 ρL 액체 밀도 나타냅니다 및 d 임 펠 러 직경을 나타냅니다에 의해 정의 된 비교 다른 교 반기를 사용할 수 있습니다.
(2)
그것은 잘 알려진 전원 수 레이놀즈 수 (즉, 난 기류)의 함수 이며 완전 난 류 조건 하에서 일정 하 게 된다. 레이놀즈 수 임 펠 러 식 3, ηL 액체 점성이에 의해 정의 됩니다.
(3)
그럼에도 불구 하 고, 소규모 bioreactors에서 전원 입력된 측정은 임 펠 러 샤프트의 기계적 베어링 및 가장 상용 토크 미터의 한정 된 정확도 상대적으로 높은 마찰 손실로 인해 여전히 도전 합니다. 따라서, 전원에 대 한 몇 가지 보고서만 측정 벤치탑 규모 bioreactors 되었습니다 게시17,18,,2224,,3132입력. 또한 제조 소, 소독 및 준비--사용33,34에 의해 전달 되는 단일 사용 bioreactors에서 전원 입력에 대 한 데이터의 부족이 이다. 그들의 재사용 가능한 대응, 달리 대부분 단일 사용 bioreactors 비교를 어렵게 하는 특별히 고안 된 날개에 의해 흥분 됩니다.
이 간격을 닫기 위하여 실험실 규모 교 반기에 특별 한 초점 전원 입력된 측정에 대 한 신뢰할 수 있는 방법 개발 되었습니다 최근35. 마찰 손실에 의해 발생 했다, 빈 그릇에 측정 된 토크 값은 공기 베어링의 사용에 의해 효과적으로 감소 되었다. 따라서, 적당 한 기류를 낮은 작동 조건의 넓은 범위 (100 < 다시 < 2·104) 조사 수 하 고 여러 다 사용 하 고 단일 사용 bioreactors의 전원 입력을 제공 하고있다.
현재 연구는 이전 개발된 방법의 상세한 측정 프로토콜을 제공 하 고 설정, 수행 및 평가 실험실 규모 bioreactors에서 토크 기반 전력 입력된 측정 하는 방법에 설명 합니다. 특별 한 초점은 상업적으로 사용할 수 있는 단일 및 다중 재사용 시스템입니다. 자동화 된 측정 절차는 실험적인 노력을 줄이기 위해 사용 됩니다.
Protocol
1입니다. 자당 솔루션의 준비
참고: 자당 솔루션 사용 됩니다 저렴 한, 뉴턴 모델 미디어로 높은 점도와 밀도 감소 난 기류 조건 ( 표 1참조).
- 듀란 유리 병을 물과 다양 한 농도 (20-60 %w/w)의 자당을 채우십시오.
- 자력으로 혼합 콘텐츠는 자당 완전히 해산 했다 때까지.
- 자당 농도 40 %w / w 초과, 추가 자당 간헐적으로 하 고 약간 유리 병 열 (~ 50 ° C). 사용 하기 전에 실내 온도 아래로 자당 솔루션 식 지.
2. 측정 조리법 및 데이터 로깅의 준비
- 시작 후 소프트웨어, 통신 제어 장치 드롭다운 메뉴에서 올바른 직렬 COM 포트를 선택 하 고 연결 버튼을 클릭 하 여 시작.
참고: 연결 버튼 녹색 색깔을 바꿀 것입니다 및 제어 장치와 통신 시작 되 면, 드롭 다운 메뉴 아래 LED 전환 됩니다. - 운영자 PC에 데이터를 저장 하려면 생물 제어 장치 소프트웨어 내부 데이터 파일 경로를 설정 합니다.
- 데이터 파일 위치 텍스트 필드 옆에 있는 폴더 기호를 열고 설정 탭 페이지.
- 파일 대화 창 욕망 폴더를 찾아 파일 이름 텍스트 필드에 파일 이름을 입력 하 고 확인 버튼을 클릭 합니다.
참고: 데이터 로그 파일 경로 및 이름 텍스트 상자에 표시 되 고 유효한 파일 경로 정의 된 DAQ 시작 단추를 사용할 수 있습니다.
- 측정 절차를 자동화 하기 위해 생물 제어 유닛 소프트웨어의 레시피 관리자 내부 루틴을 설정 합니다.
- 제조 법 탭 페이지를 열고 제조 법 단계 경과 시간 (분) 및 해당 임 펠 러 속도 (rpm)에 대 한 원하는 입력된 값 텍스트 필드 상자에 입력 합니다. 프로 파일은 자동으로 차트에 표시 됩니다.
참고: 예를 들어 교 반기 속도 300 rpm에서 100 rpm 20 rpm stepwise 증가 하 고 안정적인 토크를 보장 하기 위하여 4 분 신호 (아래 내용 참조) 각 값은 유지 됩니다. 다른 교 반기 및 선박에 대 한 최소 및 최대 속도 뿐만 아니라 증가의 금액을 조정할 수 있습니다.
참고: 토크 센서 해상도, 공칭 토크 및 소용돌이 형성에 관하여 신중 하 게 속도 범위를 선택 합니다. 후자 종종 unbaffled bioreactors 흥분된 더 높은 속도에서 발생 하 고 토크 미터에 손상을 일으킬 수 있습니다. - 저장 버튼을 클릭 하 고 원하는 파일 경로 텍스트 필드에 파일 이름을 입력 합니다. 파일을 저장 하려면 확인 버튼을 누르십시오.
- 제조 법 탭 페이지를 열고 제조 법 단계 경과 시간 (분) 및 해당 임 펠 러 속도 (rpm)에 대 한 원하는 입력된 값 텍스트 필드 상자에 입력 합니다. 프로 파일은 자동으로 차트에 표시 됩니다.
3입니다. 토크 센서의 설치
참고: 실험적인 체제는 개요로 그림 1에 표시 됩니다.
- 설치 장소에 센서를 해결 하기 위해 특별히 설계 된 홀더 공기 베어링 ( 그림 1참조)를 사용 하 여 통합 토크 변환기 나사. 이 연구에 사용 된 공기 베어링 부싱 13 m m 내부 직경 자료 다공성 탄소가 있다.
- 소유자의 상단에 브러시리스 서보 교 반기 모터를 탑재 합니다. 장착 나사 4 개를 사용 하 여 수직 보유자에 토크 변환기를 수정 합니다.
- 모터 샤프트는 토크 변환기를 사용 하 여 금속 우는 샤프트의 작은 축 부정합을 보상 하 고 나사를 사용 하 여 결합을 강화 수 있는 커플링의 드라이브 샤프트에 연결 합니다. 다른 금속 벨로 커플링을 사용 하 여 토크 변환기의 측정 샤프트 교 반기 샤프트를 연결 합니다.
참고:이 연구에서 특별히 13 m m의 직경을 가진 임 펠 러 샤프트 (허용 오차:-0.0076 m m)와 270 m m 사이의 520 m m의 길이와 조사 다른 선박을 위해 사용 되었다.
- 생물 헤드 플레이트에 센서 홀더를 탑재 하 고 원하는 바닥에서 허가와 교 반기 샤프트에는 날개를 설치. 필요한 경우 배플 및 추가 설치 (예: 샘플링 및 수확 관, 전기 화학 센서, 등)는 생물 반응 기 내부를 탑재 합니다.
- 선박 소유자 (bioreactors #1, #3 ~ #10) 필요한 경우 원하는 생물을 설치 또는 머리 판 생물 반응 기 탱크 (생물 #2)에 놓고 머리 접시 나사를 조입니다.
- 유리 bioreactors의 조사에 대 한 소유자에 생물 유리 그릇을 놓습니다.
- 단일 사용 bioreactors의 조사에 대 한 적절 한 절단 도구를 사용 하 여 최고 탑재 된 배관 포트와 플라스틱 머리 접시에서 임 펠 러 샤프트 주택을 분해. 홀더에 플라스틱 그릇을 놓습니다.
- 생물 반응 기 내부 온도 센서를 놓고 제어 장치에 연결 합니다. 공기 베어링의 가스 입구 포트에 가압 공기 튜브를 연결 하 고 압축기에서 제공 하는 약 5.5 바의 압력을 적용 합니다. 토크 변환기 A/D 컨버터를 송신기에 전원을 연결 합니다.
4입니다. 데이터 수집 소프트웨어의 구성
- 토크 센서 신호 데이터 수집에 대 한 소프트웨어를 열고 측정 기본 설정을 구성 합니다.
- DAQ 채널 창에서 처음 두 채널 초기화 활성 있는지 확인 합니다. 이 연구에서 토크 신호 채널 0에 설정 하 고 회전 속도 신호는 채널 1에 설정 했다.
- 현재 측정 값을 표시 하려면 라이브 업데이트 버튼을 클릭 합니다.
- 회전 없이 절대 토크 신호는 채널 목록에 0 균형 옵션을 선택 하면 채널 항목에서 오른쪽 마우스를 사용 하 여 mN·m 클릭 0.1 보다 큰 경우 0 토크 채널 신호를 설정 합니다.
- DAQ 작업 탭 페이지로 이동한 드롭다운 메뉴 목록에서 2 Hz의 데이터 수집 속도 정의 합니다. 시작 및 데이터 수집의 중지 를 각각 설정 하려면 드롭다운 목록에서 즉시 작업 시작 및 기간 옵션을 사용 합니다.
- 샘플 기간 측정 (예를 들어 사용 1 h 0 m 30 s 두 번째 단계에서 정의 된 한 시간 제조 법)을 완료 하는 데 필요한 시간 보다 긴 시간 범위를 정의 합니다.
- 데이터 저장소 설정 페이지로 이동한 파일 저장에서 파일 형식 데이터를 설정 하 고 드롭다운 목록에서 ASCII + 채널 정보 옵션을 선택 합니다. 측정 출력 파일에 대 한 PC 하드 드라이브에 파일 경로 설정 합니다.
- DAQ 채널 창에서 처음 두 채널 초기화 활성 있는지 확인 합니다. 이 연구에서 토크 신호 채널 0에 설정 하 고 회전 속도 신호는 채널 1에 설정 했다.
5. 토크 측정 수행
- DAQ 작업 메뉴 페이지에서 시작 단추를 클릭 하 여 토크 미터에 대 한 제어 및 데이터 수집 소프트웨어에서 토크 신호에 대 한 데이터 수집을 시작 합니다.
- 생물 제어 장치 소프트웨어 설정 탭 페이지에서 DAQ 시작 버튼을 클릭 하 여 교 반기 속도 온도 대 한 데이터 수집을 시작 합니다.
- 수동 설정 포인트 또는 미리 정의 된 제조 법 체계와 제어 장치 소프트웨어에서 공정 제어를 시작 합니다.
- 단일 측정을 실시 하는 경우 생물 제어 소프트웨어의 메인 탭 페이지에 컨트롤 상자 항목을 사용 합니다. 텍스트 상자에 원하는 세트 포인트를 입력 하 고 '에 공정 제어' 항목을 클릭 하십시오.
- 여러 측정 제조 법을 실시 하는 단계 탭 페이지로 이동 하 고 시작 버튼을 클릭 합니다.
참고: 소프트웨어는 자동으로 비활성화 모든 수동 입력 상자 제조 법의 기간에 대 한 고 창 확인 과정의 끝에 자동으로 열립니다.
- 데이터 수집 소프트웨어에는 창이 미리 정의 된 측정 기간 이후 자동으로 열립니다. 지금 데이터 저장 단추를 클릭 하 여 하드 드라이브에 선호 운영자 PC에 각 측정에 대 한 데이터를 저장 합니다.
- 각 원하는 교 반기 속도 고 생물 용기 내부 액체에 대 한 측정을 반복 합니다.
- 생물에 퍼 널을 통해 물 (또는 자당 솔루션)을 붓으십시오.
참고: (부분적으로) 노출된 impellers 토크 센서를 손상 될 수 있습니다 원치 않는 축 세력에 발생할 수 있습니다 이후 액체 완전히는 impellers을 덮는 다는 것을 확인 하십시오.
- 생물에 퍼 널을 통해 물 (또는 자당 솔루션)을 붓으십시오.
6. 데이터 평가
참고: 빈 그릇 (죽은 토크)에서 얻은 토크 값 및 베어링의 잔여 마찰 손실 해당 (eq. 1 참조) 효과적인 토크 값을 얻기 위하여 액체에 결정 하는 값에서 공제 해야 합니다.
- 평균 각 교 반기 속도 준 안정 신호 후 측정에 대 한 토크 값 (아래 참조 토론) 달성. 이상적으로, 적어도 2 분 동안 2 Hz의 측정 속도로 240 데이터 요소에 해당 하는 각 조건에 대 한 평균 값을 계산 합니다.
- 데이터 처리에 대 한 Matlab 코드를 사용 하 여 소프트웨어 명령줄에서 코드를 실행 하 여.
참고: 코드가이 원고 보충 섹션에서 다운로드를 위해 제공 됩니다. 이 스크립트 원시 데이터 파일 데이터 기록에서 단계 평균 회전 속도, (식 3 사용자 입력에 따라)에서 레이놀즈 수를 계산 합니다 및 각 단계에 대 한 값을 토크, 시각화 결과 가져오고 두 번째 텍스트에 결과 저장 파일, 다음 추가 데이터를 처리 하는 데 사용 될 수 있는. - 효과적인 토크 값은 액체에서 측정에서 빈 그릇에 가져온 토크 값을 뺍니다.
- 전원 입력 및 치수 전원 번호 식 1과 식 2에 따라 시간 평균 토크 값을 계산 합니다.
Representative Results
전원 입력 작업 볼륨 1 L 10 L 사이 다른 다 사용 하 고 단일 사용 bioreactors에서 결정 했다. 기하학 세부 정보는 표 2에 요약 되어 있습니다. 단일 사용 선박 시 상단 배관 포트를 탑재 하 고 임 펠 러 샤프트 하우징 선박 소유자에 혈관을 맞추기 위해 머리 접시에서 제거 했다. 또한, 내장 된 플라스틱 샤프트 함께 공기 베어링에에서 사용 된 스테인리스 스틸 샤프트에 연결 된 하지만 더 수정할 필요 했다.
임 펠 러 속도 및 100 rpm와 해당 1.13 m·s-1 및 1.54 m·s-1 의 최대 팁 속도 하 당황 하 고 혈관에 700 rpm 100 rpm 및 unbaffled 선박에 300 rpm 사이의 토크 측정 되었다 (식 4 참조) 각각.
(4)
에 정의 된 교 반기 속도 토크 센서 측정 정확도 및 공칭 토크의 ± 0.2% < 0.05%의 재현성의 상대 표준 편차에 의해 각각 제한 했다 (36제조 업체 의해 지정 된). 또한, 최대 교 반기 속도 공칭 토크에 의해 정의 된 (0.2 Nm), 조사, 10 L 탱크에 대 한 특정 및 unbaffled 선박에 소용돌이 형성. 방지 하기 위해 센서 손상 되 고, 측정 중 최대 토크 공칭 토크의 60%에서 정의 되었다 (0.12 Nm)와 소용돌이 깊이 약 20 m m 육안 검사에 따라 제한.
회전 교 반기 속도 stepwise 증가 사용 하 여, 전형적인 토크 프로 파일 그림 2에 표시 됩니다. 식 1에서 예상 대로 토크 신호는 회전 속도에 모든 단계 증가 함께 증가. 토크 신호에 피크 값은 액체의 초기 가속 및 교 반기 속도의 PID 제어에 의해 설명 될 수 있는 임 펠 러 속도의 각 조정 후 관찰 되었다. 준 안정 측정 회전 속도 임 펠 러 사용에 따라 약 1 분 후 얻은 했다. 시간 잔여 변동 평균 토크 값의 개별 단계는 일반적으로 주위 대부분의 날개 및 교 반 속도 조사에 대 한 평균 값의 5%.
피크 토크 후 각 속도 조정 무시 되었습니다 반면 추가 평가 대 한 위상 평균 토크 값 사용 되었다. 측정 된 토크 (TL) 충분히 높은 통계적 인 확실성을 제공, 최소 240 데이터 포인트의 평균을 대표 하 고 이러한 평균값의 상대 표준 편차 3% 보다 낮은 되었습니다 2 Hz의 측정 주파수에 따라, 안정적인 측정 신호를 나타내는 측정 포인트의 대부분. 흥미롭게도, 일반적으로 증가, 교 반 속도 전술 변동의 상대적 중요도 함께 감소 하는 표준 편차 높은 동요와 함께 감소.
그것은 이전35, 죽은 토크 표시 즉 토크 측정 베어링, 물개 및 모터 드라이브 또는에 작은 굴절에서 마찰 손실의 결과 또는 (특히에서 임 펠 러 샤프트의 불균형 수 용기 내부 액체 없이 일회용 플라스틱 샤프트), 공기 베어링의 사용에 의해 크게 줄어들 수 있습니다. 일반적으로 스테인레스 스틸 교 반기에의 죽은 토크 값 보다 작은 플라스틱의 만든 그 했다. 이 회전 하는 동안 낮은 진동 귀착되는 강철 샤프트 강성의 높은 수준에 의해 설명 될 수 있다. 대부분의 사용 하는 교 반기, 공기 베어링과 잔여 죽은 토크 0.5 mN·m로 하 고, 결과적으로, 아래, 낮은 또는 토크 측정기의 센서 해상도 가까이 적용 (0.4 mN·m). 가장 높은 잔여 죽은 토크 용기 바닥에는 임 펠 러 샤프트 리 테 이너를 사용 하는 생물 # 6에서에서 관찰 되었다. 회전 하는 동안 임 펠 러 샤프트 그 보유자, 또한 재배 실험 동안 관찰 될 수 있습니다, 있는 결과로 추가 마찰과 충돌.
로 그림 3에서 테스트 (eq. 1 기준) 효과적인 토크 및 레이놀즈 번호 (식 3) 개별 프로필의 기능으로 그들을 플롯에서 입력 모델 미디어의 각 가져온 전원 계산 후 볼 수 있습니다. 이러한 곡선의 각, 전원 입력 증가 레이놀즈 수가 증가 하 고 슬로프 관계 PL 가까이 했다
3다시. 이 상관 관계 가감속 번호와 임 펠 러 직경을 가정 하면 식 2와 식 3에서 얻어질 수 있다. 이 모든 교 반기 r 테스트에 대 한 발견은2 > 0.99.
얻은 실험 토크 데이터에서 모든 교 반기 조사의 전원 특성 했다 마지막으로에 따라 계산 식 ( 그림 4, , 그림 5 그림 6참조) 2. 표준 러시 터빈 문학1,,1617,18,19,20, 잘 문서화 되어 전원 숫자 참조로 사용 되었다 21,,2223,,2425. 그림 4a에서 볼 수 있듯이 작은 2 L 용기 (생물 #1)에 전원 수 낮은 레이놀즈 수에서 감소 (100 < 다시 < ≈500) P0 = 6.3 P0 ≈ 3.3 ~ ≈ 2000 다시 위에 다시 증가 하기 전에. P0 의 거의 일정 한 힘 수 = 4.17±0.14 (> 104) 다시 완전히 난 류 조건 하에서 얻은 했다. P0 의 비교 가치 = 반면 두 개의 눈금 사이 일부 편차 600 과도 범위에 대 한 발견 했다 4.34±0.22 10 L 작업 볼륨 (생물 #2), 큰 그릇에 결정 했다 < < 104 (참조 그림 다시 4a). 그럼에도 불구 하 고, 모두 비늘에서 질적 동향 동의 완전히 문학 데이터1,19, 20 L1 과 40 L19 작업 볼륨에 단일 러시 터빈의 전원 입력 되었습니다 결정, 각각. 사나운 범위에 대 한 전력 수치는 4.719 와 P0 ≈ 5.5 그 P0 ≈의 참조 데이터에서 제공 하는 보다 낮은 25%를 주목 해야 한다1. 그러나, 직접 비교는 직경 비율 (d/D), 탱크 하단, 하단에서 클리어런스 (zM/D) 등 기하학적 매개 변수의 편차 뿐만 아니라 사용 하는 다른 측정 기술 때문에 종종 어려운과 형상을 배플합니다 다른 연구원은 3.6에 5.9, 활동가 및 선박 형상에 따라의 범위에 당황 하 고 선박에 Rushton 터빈 전원 번호 사용17,18,,2124, 발견 27,29,,3738. 따라서, 현재 결과 만족 했다 주장 수 있습니다.
그림 4b에서 1 L와 2l 작업 볼륨 bioreactors #3, # 4의 전원 번호는 각각, 넓은 레이놀즈 번호에 대 한 비교 됩니다. P0 값의 두 명의 기하학적으로 비슷한 교 반기 전환 범위에 지속적으로 감소 되었고 일정 (생물 #3: P0 = 3.67±0.06; 생물 반응 기 #4: P0 4.46±0.05 =) > 10 다시 함께 완전 개발된 소란에 4, Rushton 터빈과 다른 교 반기38에 대 한 발견 되었습니다 이전 기준. 흥미롭게도, 두 개의 눈금 사이 거의 일정 한 오프셋 관찰 되었다, 혈관 및 임 펠 러 형상에 차이 의해 설명 될 수 있는. 두 선박에 임 펠 러 구성은 비슷한, 비록 모든 기하학적 매개 변수가 일정 하 게 유지 불가능 했다.입니다. 예를 들어 1 L 용기 2 L 용기 3 배플 장착 했다 반면 두 개의 내장 배플을 갖추고 있다. 그것은 잘 알려진 전원 수 증가의 수 배플, 중요 한 강화 조건이 될 때까지38달성. 또한, 작은 그릇에 임 펠 러 디스크의 모양 전원 입력에 영향을 미칠 수 있는 제조에 대 한 수정 했다. 그것은 또한 작은 용기에 측정 된 토크 값 4.2 mN·m 및 12.8 mN·m만 최대 6% 사용 하는 토크 미터의 공칭 토크의 해당 했다 주목 해야한다. 이 범위에서 측정 신호에 작은 편차는 결과에 상당한 영향을 가질 수 있습니다. 참조 측정에서 비교 데이터가 사용할 수 있기 때문에,이 연구에 사용 된 작은 규모의 측정 신뢰성에 최종 결론 어렵다 고 추가 조사 필요 하다.
그림 5 는 조사 3 상용 단일 사용 bioreactors의 전원 특성을 보여 줍니다. 당황 하 고 혈관과는 달리 단일 사용 교 반기 전원 수가 조사 레이놀즈의 완전 한 범위 숫자 동안 지속적으로 감소 (100 < 다시 < 3·104), 그리고 상수 값 때문에 진보적인 소용돌이 가져온 unbaffled 선박에 높은 동요에 형성. P0 ≈ 6 사이의 P0 ≈ 1.8의 가장 높은 전원 번호는 45 ° 투 수 블레이드와 광선 펌핑 블레이드 임 펠 러와 축으로 펌핑 세그먼트 블레이드 임 펠 러에 의해 동요는 #5, 생물에 대 한 획득 했다.
30 °와 2 개의 세그먼트 블레이드 날개에 의해 동요 되는 P0 ≈ 5.1 P0 ≈ 1.1 사이 수의 생물 # 7에 대 한 가져온 예상, 낮은 전력으로 주로 축방향 흐름에서 발생 하는 블레이드를 투 수 있습니다. 그것은 잘 알려진 축 류 날개 투구 블레이드38의 방사형 흐름 블레이드 날개 낮은 흐름 저항 때문에 보다 작은 힘 숫자는. 그것은 이전에 보고 된32 되었습니다 생물 # 7에서에서 전원 입력에 실험 데이터는 다소 높은 지적 한다 (예: P0 1.9 = 다시 = 1.4·104). 그러나, 이전 게시 데이터 P0 의 동일한 관계를 보여주었다 -0.336 현재 연구에서 발견으로 다시. 다른 측정 기술을 다른 절대 값에 대 한 책임 수 있습니다.
조사 단일 사용 생물 반응 기, 생물 #6 중 어느 하나의 하단 근처 해양 임 펠 러에 의해 혼합, P의 범위0 ≈ 0.8 P0 ≈ 0.3 ( 그림 5참조)에서 최저 전력 숫자를 했다. 이 저전력 입력 전산 유체 역학 (CFD) 분석 임 펠 러 블레이드39주위는 오히려 지배적인 방사형 흐름 구성 요소를 보여 비록 낮은 임 펠 러 피치에 의해 설명 될 수 있다. 현재 결과 CFD 모델39 및 실험32 에서 게시 된 데이터의 좋은 계약 진술 될 수 있다.
마지막으로, 측정 설치 생물 # 7에에서 임 펠 러 직경과 블레이드 각도의 영향을 조사 하기 위해 사용 되었다. 그림 6에서 볼 수 있듯이 모든 파워 커브 감소 지속적으로 완전 한 레이놀즈 번호에 예상 대로. 큰 차이가 큰 블레이드 각도 높은 전원 입력을 했다 두 블레이드 각도 (30 ° 및 45 °), 사이 가져온 (30 °: 1.13와 < P0 < 4.25 및 45 °: 1.65 < P0 < 4.46) 난 기류 (즉, 레이놀즈에 관계 없이 수)입니다. 이것은 또한 고전적인 투 수 블레이드 날개40 알려지고 다시 강한 피치 블레이드 주위 높은 흐름 저항에 의해 설명 될 수 있다. 흥미롭게도, 두 개의 임 펠 러 직경 사이 전원 숫자에 큰 차이가 발견 되었다. 이것은 또한 발견 되었습니다 투 수 블레이드 날개에 대 한 반면 방사형 흐름 블레이드 날개의 힘 숫자는 일반적으로 d/D 비율 증가40감소 하는 경향이.
그림 1: 테스트 설정의 도식. (1) 혼합 탱크, (2) 선박 소유자, 공기 부싱, (4) 토크 미터, 모터 드라이브 (5), (6) A/D 컨버터, (7) 제어 장치, 데이터 수집 및 컨트롤을 위한 PC (8) (3) 베어링 케이지 설치 프로그램에 의하여 이루어져 있다. 압축된 공기 (5.5 bar) 제조업체에서 권장 하는 대로 공기 부싱에 대 한 공급 되었다. 혼합 탱크 및 교 반기는 주요 기하학적 치수 또한 표시 됩니다. 이 수치는35에서 수정 되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 2: stepwise 교 반기 회전 속도 증가 함께 일반적인 측정 프로 파일 (즉, N1 < N2 < N3) 5 분 간격, 수직 점선으로 표시. 수평 점선된 라인 (가로 실선으로 표시 됨) 해당 단계에 대 한 시간 평균 토크 값 5% 신뢰 간격을 나타냅니다. 피크 값은 탱크와 PID 기반 교 반기 속도 제어 액체 내부의 초기 가속에 의해 설명 될 수 있는 각 간격의 첫 번째 분 동안 관찰 되었다. 추가 평가, 준 안정 단계 토크 신호만 사용 했다, 5% 신뢰 간격 내 값을 평균 평균 주위 측정 신호 요동 쳤 다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 3: 다른 모델 미디어에 대 한 레이놀즈 수의 함수로 생물 # 1에서에서 전원 입력 계산. 개별 프로필 테스트 모델 미디어의 각 획득 했다. 단단한 라인 대표 모델 예측 P 가정 3 와 실험 데이터와 매우 좋은 계약을 다시 발견 (r2 > 0.99). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 4: 전원 번호 당황 하 고 탱크에 레이놀즈 수의 함수로 결정. (a)와 (2 L 10 L 볼륨을 각각 작업) 크고 작은 탱크에 Rushton 터빈에서 데이터의 비교 치수 전원 번호 완전 난 류 조건에 대 한 두 개의 눈금 사이 동등한 것을 보여줍니다. 작은 편차는 레이놀즈 수 증가 전원 수 증가 < 104, 다시과 과도 범위에 대 한 발견 됐다. (레이놀즈 수 전원 숫자의 질적으로 유사한 감소 증가 때까지 안정적인 값은 완전 난 류 조건 bioreactors #3, #4 보여 줍에서 데이터의 b) 비교. 1 L 생물에 대 한 전원 번호 표시 2 L 대응에 비해 높은 변동. 1 L 용기에 대 한 데이터 범위 550에에서 레이놀즈 번호에 대 한 가져온 < < 950 2 L 용기로 동일한 모델 미디어를 사용 하 여 다시. 비늘 사이의 양적 오프셋 선박 및 교 반기 형상에 차이 의해 설명 될 수 있다 또는 센서 감도의 결과 수 있습니다. 추가 조사는 필요 합니다. 고체 선은 다항식 회귀 모델을 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 5: 다른 단일 사용 bioreactors의 레이놀즈 번호의 기능으로 전원 번호 결정. 혈관의 각 전원 숫자 증가 레이놀즈 수가 감소. 당황 하 고 혈관과는 달리 아니 안정적인 전원 번호 unbaffled 선박에 높은 동요에 진보적인 소용돌이 형성으로 인해 얻은 했다. 고체 선은 다항식 회귀 모델을 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 6: 전원 번호 #7 생물의 다른 수정에 대 한 레이놀즈 수의 함수로 결정. 고유한 프로필 30 ° 및 45 °의 두 개의 다른 블레이드 각도만 두 임 펠 러 직경 비율 사이 큰 차이가 가져온 (d/D = 0.43 및 d/D = 0.57) 발견 했다. 모든 구성 보여주었다는 연속의 전원 번호 unbaffled 선박에 높은 동요에 진보적인 소용돌이 형성으로 인해 조사 레이놀즈의 완전 한 범위 숫자에 감소. 고체 선은 다항식 회귀 모델을 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
| 최종 자당 농도 | 액체 밀도 ρL | 액체의 점도 ηL | 레이놀즈 수 Re |
| (%w/w) | (kg·m-3) | (Mpa) | (-) |
| 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 |
표 1: 액체 밀도 및 점도 대 한 요약 각각 20 ° C와 임 펠 러 직경 및 60 m m와 200 rpm의 회전 속도 대 한 결과 치수 레이놀즈 수에서 자당 솔루션 선정. 레이놀즈 번호 식 3을 사용 하 여 계산 됩니다.
표 2:는 bioreactors의 기하학적 내용의 요약 조사. 이 파일을 다운로드 하려면 여기를 클릭 하십시오.
Discussion
공학 특성화에 대 한 (구체적인) 전원 입력의 중요성 및 스케일링 업/다운 bioreactors의,에 불구 하 고만 몇 간행물 벤치탑 규모 bioreactors에서 실험 조사에 특히 단일 사용 시스템에는 한 자리 리터 볼륨 범위, 문학에서 찾을 수 있습니다. 데이터의이 부족에 대 한 이유 중 하나는 이러한 작은 비늘에 파워 입력된 측정의 어려움에서 볼 수 있습니다. 이러한 어려움 들을 극복 하기 위하여 현재 연구 측정용 토크 기반으로 전원 입력는 베어링에서 마찰 손실을 최소화 하기 위해에 어 베어링에 의해 지원 되는 상세한 프로토콜을 제공 합니다. 방법의 적용 3 상용 단일 사용 bioreactors 다용도 bioreactors 비늘 1 L 10 L 작업 볼륨 사이에서 사용을 시연 했다.
기반으로 하는 토크 측정 우리의 경험을 바탕으로, 주소를 가장 중요 한 요소는: 생물 반응 기과 2)의 선택 비율 1) 실험실에서 특히 베어링 및 씰, 내부 마찰 손실을 최소화 하 여 죽은 토크 감소는 원하는 생물 반응 기 크기 및 동요 상태에 대 한 적합 한 토크 미터. 이전35표시 되었습니다로 죽은 토크는 공기 베어링의 사용에 의해 극적으로 줄일 수 있습니다. 현재 연구에서 다공성 탄소 재료의 만든 항공 부싱 사용 되었다. 테스트 빈 그릇에 잔여 토크 3 m·s-1의 임 펠 러 팁 속도 최대 900 rpm의 교 반 속도 0.5 mN·m 밑에 일반적으로 있었다. 대조적으로, 내장 기계적 샤프트 베어링 #6 생물의 죽은 토크는, 예를 들어 9.4 mN·m 20 mN·m, 사이 고 생물 #7323 mN·m의 비교 값 또한 보고 되었습니다. 이것은 대략 1 개의 크기 순서 제안된 실험 설정에 값 보다 더 높은 이다.
공기 베어링 외 토크 미터 사용에 가장 중요 한 구성 요소 이다. 정적 및 동적 토크, 회전 속도 회전의 각도 측정을 위해 설계 된 상용 토크 미터는이 연구에 대 한 선정 됐다. 최대 작업 및 볼륨을 10 L 해당 교 반기와 관심의 bioreactors, 고려에 0.2의 공칭 토크 n · m 선택 되었다. 그것은 높은 재현성의 상대 표준 편차와 복제 < 5% 효과적인 토크 낮은 공칭 토크의 단지 1%에 해당 하는 2 mN·m에 대 한 신뢰성 높은 측정을 얻을 수 있습니다 발견 했다. 따라서, 현재의 연구에 적용 하는 센서의 측정 범위41혼합에 독일 GVC VDI 작업 그룹의 구성원에의 한 inter-laboratory 연구에 따라 게시 된 결과 보다 훨씬 넓은 했다.
그럼에도 불구 하 고, 교 반기 속도의 범위 토크 센서 해상도, 공칭 토크 및 소용돌이 형성 신중 하 게 선택 되어야 합니다. 후자 종종 unbaffled bioreactors 흥분된 더 높은 속도에서 발생 하 고 토크 미터에 손상을 일으킬 수 있습니다. 최소 및 최대 가능한 교 반기 속도이 연구에서 설명 하는 방법의 요인 제한 수 있습니다. 우리의 이전 뿐만 아니라 작동35이 연구는 또한 관련 된 생물 #3, 42 m m의 직경을 가진 2 단계 날개에 의해 동요는 제조업체에서 제공 하는 유리 생물 가족에서 가장 작은 멤버. 기하학적으로 비슷한 생물 반응 기 # 4에에서 그것에 대 등 한 전력 특성 제시 실험 설치와 함께 얻은 것입니다. 토크 m 확장 때문에 이것은 주목할 만한 d5 는 주어진된 액체 밀도, 임 펠 러 형상 (예: 전원 번호)와 회전 속도 (식 1과 식 2 참조). 따라서, 한 예는 10% 더 작은 임 펠 러 직경에서 약 40% 더 낮은 임 펠 러 토크 결과. 그럼에도 불구 하 고, 더 높은 회전 속도 2 L 규모에서 보다 1 리터 규모에서 사용 가능한 토크 미터 생산된 토크를 해결 하려면 작업 중 필요 했다. #3 생물의 내장 배플 때문 전혀 소용돌이 형성 관찰 되었다, 하지만이 unbaffled 혈관에 문제가 될 수 있다. 그것은 두 개의 눈금 사이 발견 하는 전원 숫자에 오프셋 상수 (형상 차이) 뿐만 아니라 제한 된 센서 해상도로 인 한 측정 부정확에서 발생할 수 있는 강조 되어야 한다. 추가 조사는 제안 된 설치는 여전히 가능한 최소 규모에 최종 결론을 내릴 필요가 있습니다.
그럼에도 불구 하 고, 같은 프로토콜은 전력 입력된 측정 작업 1 L 사이 우리의 실험실에 10 L 양의와 다른 제조자에서 다양 한 유리 용기에 사용 하 고 있습니다. 이 다른 생물 시스템의 특성에 대 한 사용된 방법의 양도 강조 표시합니다. 실험적인 노력 자동된 측정 제어 장치 소프트웨어에서 제공 하는 자동화 시스템 및 보편적인 Matlab 언어에 따라 자동된 데이터 처리 제조 법 관리를 사용 하 여 감소 될 수 있습니다.
또한, 주목 해야 한다,는 자당을 사용 하 여 포함 된, 저렴 한 뉴턴 모델 미디어, 레이놀즈의 넓은 범위의 숫자 (100 < 다시 < 6·104), 교 반기 및 규모에 따라, 덮여 있었다. 그것은 또한 매우 낮은 임 펠 러 속도 사용 하는 경우에 난 기류 범위의 하한값 일반적으로 물 같은 미디어, 동물 세포 배양에 적합 하지는 강조 한다. 그러나, 난 기류 댐핑, 그리고 심지어 비 뉴턴 동작이 발생 국물 점도에 상당한 증가 버섯-에 대 한 설명 및 식물 세포 기반 문화. 예를 들어 최대 400-fold의 공장 문화에 명백한 점도 보고42, 훨씬 낮은 레이놀즈 번호에 이르게 되어 물에 비해.
마지막으로, 생물 # 7을 사용 하 여 첫 번째 사례 연구로, 그것은 증명 되었습니다 제안된 실험 설치 실험실 규모에서 전원 입력에 디자인 수정 작업의 효과 연구에 사용할 수 있습니다. 신속한 프로토 타입 기술 함께, 미래의 작업의 일부를 형성 하는 임 펠 러 디자인 연구를 위한 강력한 도구 수이.
Disclosures
저자는 관심 없음 충돌 선언 하 고 있다.
Acknowledgments
저자를 디 터 Häussler와 Gautschi 이길 실험 설정 하는 동안 그들의 도움에 대 한 감사 하 고 싶습니다. 우리는 또한 영어 증거 독서에 대 한 캐롤라인 하이드에 게 감사입니다.
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 |
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