Summary
Strøminngang i rørt bioreactors kan måles gjennom dreiemoment som virker på pumpehjulet akselen under rotasjon. Denne oppgaven beskriver hvordan en luft peiling kan brukes effektivt redusere friksjon tap i mekaniske tetninger og forbedre nøyaktigheten av makt inn mål i småskala fartøy.
Abstract
Strøminngang i rørt bioreaktorer er en viktig parameter for skalering-up og kan måles gjennom dreiemoment som virker på pumpehjulet akselen under rotasjon. Eksperimentell bestemmelse av strøminngang i småskala skip er imidlertid fortsatt utfordrende på grunn av relativt høy friksjon tap i vanlige foringer, lagrene og/eller aksel sel og nøyaktigheten av kommersielt tilgjengelig dreiemoment meter. Dermed er bare begrenset data for småskala bioreaktorer, spesielt engangs systemer, tilgjengelig i litteraturen, gjør sammenligninger mellom forskjellige engangs systemer og deres vanlige motstykker vanskelig.
Dette manuskriptet gir en protokoll på hvordan måle strøminnganger i Borstemmaskin skala bioreactors over et bredt spekter av turbulens forhold som kan beskrives ved dimensjonsløs Reynolds nummeret (Re). Nevnte friksjon tap reduseres effektivt ved bruk av en luft peiling. Fremgangsmåte for hvordan du definerer, gjennomføre og evaluere et dreiemoment-basert makt inn måling, med spesiell fokus på celle kultur typisk agitasjon forhold med lav til moderat turbulens (100 < Re < 2·104), er beskrevet i detalj. Strøminngang av flere multi-bruk og bruke én bioreaktorer er levert av dimensjonsløs makt nummeret (også kalt Newton nummer, P0), som blir funnet i området av P0 ≈ 0,3 og P0 ≈ 4.5 for maksimal Reynolds tallene i de forskjellige bioreactors.
Introduction
Inngang er viktige tekniske parameter for karakterisering og skalere opp bioreaktorer fordi det gjelder mange enhet operasjoner, for eksempel homogenisering1,2,3gass-væske spredning2 , 4 , 5, varme overføring6 og solid suspensjon7. Inngang er forbundet med skjæring stress, som kan spesielt påvirker vekst og produkt-formasjonen i skjær følsom celle kulturer8,9,10,11.
De fleste vanlig teknikkene trekke for måling av strøminngang i rørt bioreaktorer er basert på elektrisk kraft12,13,14, calorimetry12,15 (i.e. stasjonær varme- balanse eller dynamisk oppvarming gjennom agitasjonen) eller dreiemoment på agitator. Sistnevnte kan eksperimentelt bestemmes av dynamometer, dreiemoment meter eller Måløy, som har vært brukt en rekke agitators, inkludert én eller flere trinn Rushton turbiner1,16,17 , 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 , 25, pitched blad viftehjulene19,20,23,26,27, InterMig19,21 og Scaba viftehjulene28 , 29. en detaljert gjennomgang er levert av Ascanio et al. (2004)30.
Fra dreiemoment (T), kan inngangen (P) estimeres fra Eq. 1, der N er agitator rotasjonshastighet.
(1)
For å kunne tap forekommer i agitasjon (i lagrene, sel og motoren selv), bør effektiv dreiemoment (Teff) fastsettes som forskjellen mellom verdien målt i tomme beholderen (TD) og i væsken (TL ). Endelig kan dimensjonsløs makt nummeret (P0, også kjent som Newton tall), som er definert av Eq. 2 der ρL angir flytende tetthet og d representerer pumpehjulet diameter, brukes til å sammenligne forskjellige agitators.
(2)
Det er velkjent at hvor makt er en funksjon av hvor Reynolds (i.e. turbulens) og blir konstant under fullt turbulent forhold. Pumpehjulet Reynolds nummer defineres av Eq. 3, hvor ηL er flytende viskositeten.
(3)
Likevel er makt inn mål i liten skala bioreaktorer fortsatt utfordrende på grunn av de relativt høy friksjon tap i mekanisk lagrene av pumpehjulet sjakter og begrenset nøyaktigheten av de fleste kommersielt tilgjengelige dreiemoment meter. Derfor bare noen rapporter om makt inn målinger i Borstemmaskin skala bioreaktorer har vært publisert17,,18,,22,,24,,31,,32. Det er også en mangel på data om inngangen i engangs bioreactors, som leveres av produsentene prefabrikkerte, sterilisert og klar til bruk33,34. I motsetning til deres gjenbrukbare kolleger, er de fleste engangs bioreaktorer opphisset av spesialdesignet viftehjulene, sammenlikner vanskelig.
For å lukke dette gapet, er en pålitelig metode for makt inn målinger med spesiell fokus på laboratoriet skala stirrers utviklet nylig35. Tiltrekkingsmoment verdier målt i de tomme kar, som var forårsaket av friksjon tap, ble effektivt redusert ved bruk av en luft peiling. Derfor en rekke operative forhold med lav til moderat turbulens (100 < Re < 2·104) kan undersøkes og makt input av flere multi-bruk og bruke én bioreaktorer er levert.
Studien gir detaljert måling protokollen tidligere utviklet metoden og beskriver hvordan du definerer, gjennomføre og evaluere et dreiemoment-basert makt inn mål i laboratoriet skala bioreactors. Spesiell fokus er kommersielt tilgjengelige enkelt - og multi - use systemer. En automatisert måling fremgangsmåte brukes til å redusere eksperimentelle arbeidet.
Protocol
1. forberedelse av sukrose løsninger
Merk: Sukrose løsningene er brukt som billig, newtonsk modell media med forhøyet viskositet og tetthet for redusert turbulens forhold (se tabell 1).
- Fyll en Duran glassflaske med vann og sukrose av ulike konsentrasjoner (20-60 %w/w).
- Bland innholdet med en magnetisk rørestang til i sukrose er fullstendig oppløst.
- Sukrose konsentrasjoner over 40 %w/w, legge av sukrose midlertidig og varme glassflaske litt (~ 50 ° C). La sucrose løsning avkjøles til romtemperatur før bruk.
2. forberedelse av en måling oppskrift og datalogging
- Når du starter programmet, start kommunikasjonen med kontrollenheten ved å velge riktig seriell COM-port fra nedtrekksmenyen og klikke Koble .
Merk: Tilkoblingsknappen endres fargen grønn og LED under rullegardinmenyen slås på, når kommunikasjonen med kontrollenheten startes. - Definere banen til data inne bioreactor kontroll enheten software for å lagre dataene på operatoren PC.
- Åpne kategorien Innstillinger og finne mappen symbolet ved siden av tekstfeltet Data arkiv plasseringen .
- I vinduet filen dialogboksen Bla til mappen ønske, Skriv inn et filnavn i filnavn tekstfeltet og klikk OK .
Merk: Data loggfilbanen og navnet vises i tekstboksen og DAQ start -knappen er aktivert, når en gyldig filbane er definert.
- Definere en rutine inne i oppskrift manager bioreactor kontroll enhet programvare for å automatisere Målingsrutinen.
- Åpne kategorien oppskrift og skriv inn ønsket verdiene for oppskrift fase medgått tid (min) og pumpehjulet hurtignummerknapp (rpm) i feltet tekstboksene. Profilen vises automatisk i diagrammet.
Merk: For eksempel agitator hastigheten økes trinnvis med 20 rpm fra 100 rpm til 300 rpm, og hver verdi opprettholdes for 4 minutter for å garantere en stabil dreiemoment signal (se diskusjon nedenfor). Minimum og maksimum hastighetene samt mengden økningen kan justeres for ulike agitators og fartøy.
Merk: Velg hastighet nøye med hensyn til dreiemoment sensor oppløsning, nominell dreiemoment og vortex formasjon. Sistnevnte ofte oppstår i unbaffled bioreaktorer opphisset ved høyere hastigheter og kan forårsake skade på dreiemomentmåler. - Klikk Lagre -knappen, bla til ønsket filbanen og skriv inn et filnavn i tekstfeltet. Trykk på OK for å lagre filen.
- Åpne kategorien oppskrift og skriv inn ønsket verdiene for oppskrift fase medgått tid (min) og pumpehjulet hurtignummerknapp (rpm) i feltet tekstboksene. Profilen vises automatisk i diagrammet.
3. installasjon av dreiemoment sensoren
Merk: Eksperimentell oppsettet vises skjematisk i figur 1.
- Installere dreiemoment svingeren i en spesialdesignet holder som inkorporerer luften bærer (se figur 1) bruker skruer for å fikse sensoren på plass. Air lageret brukes i denne studien har en porøs karbon foring materiale med en diameter på 13 mm.
- Montere børsteløs servo agitator motoren på toppen av holderen. Fastsette dreiemoment svingeren for loddrett innehaveren montering bruker fire skruene.
- Koble motorakselen til drivaksel av dreiemoment svinger ved hjelp et metall nedenfor kobling som kan kompensere liten aksial avvik av sjakter og stram koblingen bruker skruene. Koble agitator akselen til måling akselen dreiemoment svingeren ved hjelp av et annet metall nedenfor kobling.
Merk: I denne studien spesielt utformet pumpehjulet aksler med en diameter på 13 mm (toleranse:-0.0076 mm) og med lengder mellom 270 mm og 520 mm ble brukt til forskjellige fartøyene undersøkt.
- Montere sensor holderen på bioreactor hodet plate og installere i ulyd på agitator akselen med den ønskede av bunn avstanden. Montere Bafflene og flere installasjoner (f.eks prøvetaking og harvest rør, elektrokjemiske sensorer, etc.) i bioreactor hvis nødvendig.
- Installer den ønskede bioreactor i fartøyet innehaveren hvis nødvendig (bioreaktorer #1, #3 #10) eller plasser hodet platen på bioreactor tanken (bioreactor #2) og stram hodet platen med skruer.
- For undersøkelser av glass bioreaktorer, plassere bioreactor glass fartøyet inn i holderen.
- For undersøkelser av engangs bioreaktorer, demontere topp montert rør porter og pumpehjulet akselen bolig fra plast hodet plater ved hjelp av riktig skjærende verktøy. Plass plast fartøyet i abonnenten.
- Plasser en temperatursensor inne bioreactor og koble den til kontrollenheten. Koble slangen for trykkluft til gassen innløp porten på luften lageret og bruke et trykk rundt 5,5 bar fra en kompressor. Koble dreiemoment svingeren til A/D-omformer og makt på senderen.
4. konfigurasjoner i den oppkjøp programvaren
- Åpne programvaren for datainnsamling dreiemoment sensor signal og Konfigurer innstillinger for måling.
- Kontroller at de to første kanalene i vinduet DAQ kanaler er initialisert og aktiv. I denne studien dreiemoment signalet var satt på kanal 0 og rotasjonshastighet signalet ble satt på kanal 1.
- Klikk Live oppdatere for å vise gjeldende måling verdier.
- Angi dreiemoment kanal signalet til null hvis absolutt dreiemoment signalet uten rotasjon er større enn 0,1 mN·m ved hjelp av høyre museknapp Klikk på kanalen elementet i kanallisten og velge alternativet null balanse .
- Naviger til kategorisiden DAQ jobb og definere en datahastighet for oppkjøpet av 2 Hz, fra menyen rullegardinlisten. Bruk alternativene umiddelbart på jobb og varighet fra rullegardinlistene angi Start og Stopp av datainnsamling, henholdsvis.
- Angi et tidsrom for eksempel varighet som er lengre enn tiden det tar å fullføre måling (for eksempel bruk 1t 0 m 30 s for en en time oppskrift definert i det andre trinnet).
- Gå til siden datalagring og velger ASCII + kanal info fra rullegardinlisten sette den filformat for datatypen lagrer filen. Angi en filbane på PC hard kjøre for måling utdatafilen.
- Kontroller at de to første kanalene i vinduet DAQ kanaler er initialisert og aktiv. I denne studien dreiemoment signalet var satt på kanal 0 og rotasjonshastighet signalet ble satt på kanal 1.
5. utføre dreiemoment måling
- Start datainnsamling for dreiemoment signalet i kontroll og oppkjøp programvaren for dreiemomentmåler ved å klikke Start -knappen på siden DAQ jobb -menyen.
- Start datainnsamling for agitator hastigheten og temperaturen i bioreactor kontroll enhet programvaren ved å klikke DAQ start -knappen i kategorien Innstillinger .
- Starte kontrollen agitator i kontrollen enheten software med en manuell set-punktet eller forhåndsdefinerte oppskrift ordningen.
- Hvis en enkelt måling er utført, bruk kontrollen for oppføringen i Main kategorien bioreactor kontroll programvaren. Skriv inn ønsket set-punkt i tekstboksen og klikk på 'Agitator kontroll på' varen.
- Hvis flere målinger med en oppskrift er utført, navigere til kategorisiden faser og klikker Start -knappen.
Merk: Programvaren vil automatisk deaktivere alle manuell oppføring bokser for varigheten av oppskriften og et vindu åpnes automatisk for å bekrefte slutten av prosessen.
- I den oppkjøp programvaren åpnes et vindu automatisk etter forhåndsdefinert måling varigheten. Lagre data for hver måling av operatøren PC, helst på harddisken, ved å klikke lagre data nå .
- Gjenta målingen for hver ønsket agitator hastighet uten og med væsken inni bioreactor fartøyet.
- Hell vann (eller sucrose løsning) gjennom en trakt i bioreactor.
Merk: Sørg for at væske dekker i ulyd helt siden (delvis) utsatt Viftehjulene kan resultere i uønskede aksielle krefter som kan skade dreiemoment sensoren.
- Hell vann (eller sucrose løsning) gjennom en trakt i bioreactor.
6. data evaluering
Merk: Innhentet dreiemoment verdiene i tomme beholderen (død dreiemoment) tilsvarer gjenværende friksjon tap av lageret og må trekkes fra verdiene bestemmes i væske for å oppnå effektiv dreiemoment verdiene (se Eq. 1).
- Gjennomsnittlig dreiemoment verdiene for hver agitator hastighet måles etter en kvasi stabilt signal er oppnådd (se diskusjon nedenfor). Ideelt sett beregne middelverdien over en periode på minst 2 min for hvert vilkår, tilsvarer 240 datapunkter frekvensen måling av 2 Hz.
- Bruk en Matlab kode for databehandlingen ved å kjøre koden fra kommandolinjen programvare.
Merk: Koden finnes for dataoverføre i tillegg delen av dette manuskriptet. Dette skriptet importerer filen rådata fra data innspillingen, beregner fase gjennomsnittlig rotasjonshastighet, Reynolds tall (fra Eq. 3 basert på bruker-innganger) og dreiemoment verdier for hver fase, visualiserer resultatene og lagrer resultatene i en andre tekst fil, som deretter kan brukes til å behandle ytterligere data. - Trekke dreiemoment verdiene innhentet i Tom fartøyet fra de måles i væsken å få effektiv dreiemoment-verdier.
- Beregn inngang og dimensjonsløs makt tall fra de gjennomsnittlige Tiltrekkingsmoment verdiene Eq. 1 og Eq. 2.
Representative Results
Makt innganger i forskjellige multi-bruk og bruke én bioreactors med arbeider volumer mellom 1 L og 10 L ble bestemt. Geometriske detaljene oppsummeres i tabell 2. Ved bruke én fartøyene, toppen montert rør porter og pumpehjulet aksel hus måtte fjernes fra hodet platene for å passe fartøyene inn i fartøyet holderen. Videre innebygd plast sjakter ble knyttet til rustfritt stål akselen som ble brukt i forbindelse med luft lageret, men ingen ytterligere forandringer ble pålagt.
Dreiemoment ble målt for pumpehjulet hastigheter mellom 100 rpm og 300 rpm i unbaffled fartøyer og mellom 100 rpm og 700 rpm i forbløffet fartøyer, tilsvarer maksimalt tips hastigheter på 1.13 m·s-1 og 1,54 m·s-1 (se Eq. 4) henholdsvis.
(4)
Definerte agitator hastigheten på den nedre enden var begrenset av dreiemoment sensor nøyaktighet og relativ standardavviket for reproduserbarhet ± 0,2% og < 0,05% av nominell dreiemoment henholdsvis (angitt av produsenten36). Videre maksimal agitator hastighetene ble definert av nominell dreiemoment (0,2 Nm), spesielt for 10 L akvariet undersøkt, og vortex formasjon i unbaffled fartøyene. For å hindre sensoren blir skadet, dreiemoment under målingen ble definert 60% av nominell dreiemoment (0,12 Nm) og vortex dybden var begrenset til ca 20 mm basert på visuell inspeksjon.
Bruker gradvis økning i roterende agitator hastigheter, er en typisk dreiemoment profil vist i figur 2. Dreiemoment signalet økt med hvert trinn økning i rotasjonshastigheten, som forventet fra Eq. 1. Topp verdiene i dreiemoment signalet ble observert etter hver justering av pumpehjulet hastighet, som kan forklares med første akselerasjonen av væsken og PID kontroll av agitator hastigheten. Kvasi stabil målinger ble innhentet etter ca 1 min, avhengig av rotasjonshastighet og pumpehjulet brukes. De gjenværende svingningene i tiden rundt gjennomsnitt dreiemoment verdien av den enkelte fasen var vanligvis rundt 5% av middelverdien for de fleste viftehjulene og agitasjon hastigheter undersøkt.
For videre evaluering, ble fase gjennomsnitt dreiemoment verdiene brukt, mens toppen dreiemoment etter hver hastighet justering ble ignorert. Basert på målingen frekvensen av 2 Hz, målt dreiemomenter (TL) representerte gjennomsnittet av en minst 240 datapunkt, som ga en tilstrekkelig høy statistisk sikkerhet, og de relative standardavvikene av disse mener verdiene var lavere enn 3% for de fleste av målepunktene, som angir stabil måling signaler. Interessant, på standardavvikene vanligvis redusert med økende uro hastigheter, som indikerer at den relative betydningen av de nevnte svingningene redusere med høyere agitasjon.
Som det har vist tidligere35, død dreiemoment, dvs dreiemoment målt uten væsken inni skipet, som kan være et resultat av friksjon tap i lageret, sel og motor stasjon eller små bøyer i eller ubalanser av pumpehjulet akselen (spesielt i engangs plast sjakter), kan reduseres betydelig ved bruk av luft lageret. Generelt, var død dreiemoment verdiene av rustfritt stål agitators mindre enn for de laget av plast. Dette kan forklares ved høyere nivå av stivhet av stål sjakter, som resulterer i lavere oscillation i rotasjon. For de fleste agitators brukes, gjenværende døde dreiemomenter med luft lageret var så lav som 0.5 mN·m og følgelig under eller nær sensor oppløsning dreiemomentmåler brukt (0,4 mN·m). Høyeste gjenværende døde dreiemoment ble observert i bioreactor #6, som bruker en impeller aksel retainer fartøyet nederst. Under rotasjon kolliderte pumpehjulet akselen med at holderen, som kan også observeres under dyrking eksperimenter, som resulterer i flere friksjon.
Som kan sees fra Figur 3, etter beregning av makt innspill fra effektiv dreiemomenter (basert på Eq. 1) og plotte dem som en funksjon av Reynolds numbers (Eq. 3), individuelle profiler ble innhentet for hver modell media testet. I hver av disse kurvene, inngangen økt Reynolds økt og bakkene var nær forholdet PL 
er3. Denne sammenhengen kan fås fra Eq. 2 og Eq. 3 når forutsatt en konstant strøm nummer og pumpehjulet diameter. Dette ble funnet for alle agitators testet med R2 > 0,99.
Fra innhentet eksperimentelle dreiemoment data, ble strøm egenskapene til alle agitators undersøkt endelig beregnet basert på Eq. 2 (se Figur 4, figur 5, figur 6). Standard Rushton turbinen ble brukt som referanse med godt dokumentert makt tall i litteratur1,16,17,18,19,20, 21,22,23,24,25. Som kan sees fra figur 4a, hvor makt i mindre 2 L fartøyet (bioreactor #1) redusert til lave Reynolds numbers (100 < Re < ≈500) fra P0 = 6.3 til P0 ≈ 3.3 før det økt igjen over Re ≈ 2000. En nesten konstant strøm antall P0 = 4.17±0.14 ble innhentet under fullt turbulent forhold (Re > 104). Tilsvarende verdien P0 = 4.34±0.22 ble fastslått for det større fartøyet med 10 L volum (bioreactor #2), mens noen avvik mellom to skalaer ble funnet for overgang området med 600 < Re < 104 (se figur 4a). likevel kvalitativ trender i både skalaer enig fullt med litteratur data1,19, hvor inngangen for en enkelt Rushton turbin i 20 L1 og 40 L19 arbeider volumer er bestemt, henholdsvis. Det bør bemerkes at makt tallene for turbulente området er opptil 25% lavere enn de som referansedata av P0 ≈ 4.719 og P0 ≈ 5.51. Imidlertid direkte sammenligning er vanskelig på grunn av ulike måling teknikker samt avvik i geometriske parametrene, inkludert diameter forholdet (d/D), den av bunn avstanden (zM/D) og tank bunnen og forvirre geometri. Andre forskere funnet makt tall for Rushton turbiner i forbløffet skip i et område på 3.6 til 5,9, avhengig av rørestang og fartøy geometri brukes17,18,21,24, 27,29,37,38. Dermed kan det hevdes at gjeldende resultatene var tilfredsstillende.
Figur 4bsammenlignes makt antall bioreaktorer #3 og #4, med 1 L og 2 L arbeider volumer, for et bredt spekter av Reynolds numbers. P0 verdiene i de to Geometrisk tilsvarende agitators redusert kontinuerlig i overgangen området og ble konstant (bioreactor #3: P0 = 3.67±0.06; bioreactor #4: P0 = 4.46±0.05) på fullt utviklet turbulens med Re > 10 4, et vilkår som tidligere er funnet for Rushton turbinen og andre agitators38. Interessant, ble en nesten konstant forskyvning mellom to skalaer observert, som kan forklares med forskjeller i fartøyet og pumpehjulet geometrier. Selv om pumpehjulet konfigurasjonen i de to blodårene er lik, var det ikke mulig å holde alle geometriske parametrene konstant. For eksempel er 1 L fartøyet utstyrt med to innebygde Bafflene, mens 2 L fartøyet ble utstyrt med tre Bafflene. Det er velkjent at hvor makt øker som antall Bafflene øker, til en kritisk forsterkning tilstand er oppnådd38. Videre måtte form av pumpehjulet platen i mindre fartøyet endres for manufacturability, som kan ha innflytelse på inngangen. Det bør også bemerkes at målt dreiemoment verdiene i mindre fartøyet var bare mellom 4,2 mN·m og 12,8 mN·m, som tilsvarer bare opp til 6% av nominell dreiemomentet fra dreiemomentmåler brukes. I dette området, kan små avvik i måling signalet ha en betydelig innvirkning på resultatene. Siden ingen sammenligningsdata fra referanse målinger er tilgjengelig, er det vanskelig å trekke endelige konklusjoner av måling pålitelighet på minste målestokk i denne studien, og ytterligere undersøkelser er nødvendig.
Figur 5 viser makt karakteristikkene av de tre tilgjengelige engangs bioreaktorer undersøkt. I motsetning til forbløffet fartøyene, makt antall engangs agitators redusert kontinuerlig med komplett utvalg av Reynolds tallene undersøkt (100 < Re < 3·104), og ingen konstantverdier ble oppnådd på grunn av progressiv virvelen formasjon til høy agitasjon priser unbaffled fartøyene. Høyeste makt antall mellom P0 ≈ 6 og P0 ≈ 1.8 ble innhentet for bioreactor #5, som er glade et radielt pumping blad impeller og en aksialt pumping segmentet blad impeller med 45 ° slo blad.
Som forventet, lavere makt antall mellom P0 ≈ 5.1 og P0 ≈ 1.1 ble innhentet for bioreactor #7, som er glade to segmentet blad viftehjulene 30 ° slo blad som resulterer i en hovedsakelig aksialpumper. Det er velkjent at aksialpumper viftehjulene har mindre strøm tall enn radiell strømning blad viftehjulene på grunn av lavere flyt autentiske pitched blad38. Det bør bemerkes at eksperimentelle data på inngangen i bioreactor #7 som er tidligere rapportert32 er noe høyere (f.eks P0 = 1.9 for Re = 1.4·104). Men de tidligere publiserte dataene viste samme forholdet P0 Re-0.336 som finnes i denne studien. Forskjellige måling teknikker kan være ansvarlig for de ulike absolutte verdiene.
Blant de undersøkte engangs bioreaktorer, bioreactor #6, som er mikset av en bunnen-nær marine impeller, hadde den laveste makt tall i området av P0 ≈ 0,8 og P0 ≈ 0,3 (se figur 5). Strømsparingsmodus inndataene kan forklares med lav pumpehjulet banen, selv om computational fluid dynamics (CFD) analyse viste en heller dominerende radiell strømning komponent rundt pumpehjulet bladene39. God avtale av gjeldende resultatene og publiserte data fra CFD modeller39 og eksperimenter32 kan angis.
Til slutt, måling oppsettet ble brukt til å undersøke påvirkning av pumpehjulet diameter og blade vinkelen i bioreactor #7. Som kan sees fra figur 6, redusere alle makt kurver kontinuerlig over komplett utvalg av Reynolds tallene, som forventet. Betydelige forskjeller ble innhentet mellom to blad vinkler (30° og 45°), der større blade vinkelen hadde høyere makt innganger (med 30°: 1.13 < P0 < 4,25 og 45 °: 1,65 < P0 < 4,46) uansett turbulens (i.e. Reynolds tall). Dette er også kjent for klassisk pitched blad viftehjulene40 og igjen kan forklares av høyere flyt motstanden rundt bladene med sterkere pitch. Interessant, fant ingen betydelige forskjeller i kraft tallene mellom de to pumpehjulet diameter. Dette har også funnet for pitched blad viftehjulene, mens makt antall radiell strømning blad viftehjulene vanligvis pleier å redusere som d/D-forhold øker40.
Figur 1: skjematisk av test. Oppsettet består av (1) blanding akvariet, (2) fartøy holder, (3) peiling bur med luft foring, (4) dreiemomentmåler, (5) motor stasjon, (6) A/D-omformer, (7) kontrollenhet, (8) PC for datainnsamling og kontroll. Trykkluft (5,5 bar) gitt til luft foringen, som anbefalt av produsenten. De geometriske hoveddimensjoner for miksing tanken og agitator er også indikert. Dette tallet er endret fra35. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2: typisk måling profil med en gradvis økning i agitator rotasjonshastighet (i.e. N1 < N2 < N3) i 5 min intervaller, som angitt av de vertikale stiplede linjene. De vannrette stiplede linjene representerer et 5% konfidensintervall rundt de gjennomsnittlige Tiltrekkingsmoment verdiene for tilsvarende faser (angitt med de vannrette heltrukne linjene). Topp verdier ble observert i løpet av det første minuttet av hvert intervall, som kan forklares med første akselerasjon av væsken inni tankene og PID basert agitator hastighetskontroll. For videre evaluering, bare dreiemoment signalet i kvasi stabil fasen ble brukt, gjennomsnitt hvor målet signalet svingt rundt middelverdien verdien med 5% konfidensintervall. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3: beregnet inngang i bioreactor #1 som en funksjon av hvor Reynolds for annen modell medier. Individuelle profiler ble innhentet for hver modell media testet. Solid linjene representerer modell spådommer forutsatt P Re3 og veldig god avtale med eksperimentelle data ble funnet (med R2 > 0,99). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 4: bestemt kraft tall som en funksjon av hvor Reynolds forbløffet stridsvogner. (a) sammenligning av data fra Rushton turbiner i små og store tanker (med 2 L og 10 L arbeider volum henholdsvis) viser at dimensjonsløs makt tallene for fullt turbulent forhold er like mellom to skalaer. Lite avvik fant for overgang området med Re < 104, der hvor makt økt hvor Reynolds økt. (b) sammenligning av data fra bioreaktorer #3 og #4 viser en kvalitativt tilsvarende reduksjon av makt tallene som hvor Reynolds økt til stabile verdier er oppnådd under fullt turbulent forhold. Makt tallene for den 1 L bioreactor viser høyere svingninger sammenlignet med 2 L motparten. Ingen data for 1 L fartøyet ble innhentet for Reynolds tall i området 550 < Re < 950 ved samme modell media som 2 L fartøyet. Kvantitativ forskyvningen mellom vekten kan forklares av forskjeller i fartøyet og agitator geometrier eller kan være et resultat av sensoren følsomheten. Videre undersøkelser er nødvendig. Solid linjene representerer polynom regression modeller. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 5: bestemt kraft tall som en funksjon av hvor Reynolds for ulike engangs bioreaktorer. Makt tallene for hver av fartøyene redusert som Reynolds tallene økt. I motsetning til forbløffet fartøyene, ble ingen stabil kraft tall oppnådd på grunn av progressiv vortex dannelsen til høy agitasjon priser unbaffled fartøyene. Solid linjene representerer polynom regression modeller. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 6: bestemt kraft tall som en funksjon av Reynolds nummeret for forskjellige modifikasjoner av bioreactor #7. Forskjellige profiler ble innhentet for to ulike blad vinkler av 30° og 45°, men ingen betydelige forskjeller mellom de to pumpehjulet diameter ratio (d/D = 0.43 og d/D = 0.57) ble funnet. Makt antall alle konfigurasjoner viste en kontinuerlig nedgang over komplett utvalg av Reynolds tallene undersøkt på grunn av progressiv vortex dannelsen til høy agitasjon priser unbaffled fartøyene. Solid linjene representerer polynom regression modeller. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
| Siste sukrose konsentrasjon | Flytende tetthet ρL | Flytende viskositet ηL | Reynolds nummer 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 |
Tabell 1: Sammendrag av flytende tettheter og viskositet for valgt sukrose løsninger på 20 ° C og resulterende dimensjonsløs Reynolds nummer for en impeller med diameter og rotasjonshastighet på 60 mm og 200 rpm, henholdsvis. Reynolds antallet beregnes ved hjelp av Eq. 3.
Tabell 2: Sammendrag av geometriske detaljene i bioreaktorer undersøkt. Klikk her for å laste ned denne filen.
Discussion
Til tross for betydningen av den (spesielle) inngangen for engineering karakterisering og skalering-opp av bioreaktorer, bare noen få publikasjoner på eksperimentell undersøkelser i Borstemmaskin skala bioreaktorer, spesielt bruke én systemer i den ensifret liter område, kan finnes i litteraturen. En årsak til denne mangelen på data kan sees i vanskelighetene med nøyaktig makt inn mål i slike små skjell. For å overvinne noen av disse vanskelighetene, gir studien en detaljert protokoll for dreiemoment basert makt inn målinger som støttes av en luft betydning å redusere friksjon tap i lageret. Anvendelse av metoden ble demonstrert med tre kommersielt tilgjengelig bruke én bioreaktorer samt multi-bruk bioreaktorer i skalaer mellom 1 L og 10 L volum.
Basert på vår erfaring med dreiemoment basert målene, de viktigste faktorene for å adresse er: 1) redusere døde dreiemoment ved å minimere friksjon tap inne i lagrene og sel, spesielt i laboratorium skalere bioreaktorer og 2) valg av en egnet dreiemomentmåler for ønsket bioreactor størrelse og agitasjon forhold. Som har blitt vist tidligere35, reduseres død dreiemoment dramatisk ved bruk av en luft peiling. I studien, ble en lavpris foring av porøse karbon materiale brukt. Gjenværende dreiemoment i de tomme kar testet var vanligvis under 0,5 mN·m med agitasjon priser på opptil 900 rpm, tilsvarer pumpehjulet tips hastigheter på opptil 3 m·s-1. Derimot døde dreiemomentet fra bioreactor #6 med innebygd mekanisk aksel lageret var, for eksempel mellom 9,4 mN·m og 20 mN·m, og tilsvarende verdier på rundt 3 mN·m er også rapportert bioreactor #732. Dette er om en bestilling av omfanget høyere enn verdiene innhentet i det foreslåtte eksperimentelle oppsettet.
Foruten luft lageret er dreiemomentmåler brukes den mest kritiske komponenten. En kommersielt tilgjengelig dreiemomentmåler som er utformet for å måle statisk og dynamisk dreiemoment, hastighet og rotasjonsvinkel ble valgt for denne studien. Vurderer bioreaktorer rundt med maksimal arbeider mengder 10 L og de tilsvarende agitators, nominell dreiemoment 0,2 N·m ble valgt. Det ble funnet at høy reproduserbarhet med relativ standardavviket for replikerer < 5% og pålitelig målinger kan oppnås for effektiv dreiemomenter så lavt som 2 mN·m, tilsvarende bare 1% av nominell dreiemoment. Derfor var Måleområde av sensoren brukt studien betydelig større enn resultatene som er publisert basert på en inter-laboratory studie av medlemmer av den tyske GVC-VDI arbeidsgruppen på miksing41.
Likevel bør rekke agitator hastigheten være nøye utvalgt med hensyn til dreiemoment sensor oppløsning, nominell dreiemoment og vortex dannelsen. Sistnevnte ofte oppstår i unbaffled bioreaktorer opphisset ved høyere hastigheter og kan forårsake skade på dreiemomentmåler. Både minimums- og mulig agitator hastigheten kan være Begrensende faktorer av metoden beskrevet i denne studien. I tillegg til våre tidligere arbeid35, denne studien involverte også bioreactor #3, den minste medlemmet i glass bioreactor familie levert av produsenten, som er glade totrinns viftehjulene med diameter på 42 mm. Sammenlignbare makt karakteristisk som i den Geometrisk tilsvarende bioreactor #4 ble oppnådd med presentert eksperimentelle oppsett. Dette er bemerkelsesverdig siden dreiemoment skalerer M d5 for en gitt flytende tetthet, pumpehjulet geometri (i.e. makt tall) og rotasjonshastighet (se Eq. 1 og Eq. 2). Derfor en ca 40% lavere pumpehjulet dreiemoment resultater fra 10% mindre pumpehjulet diameter, for eksempel. Likevel var høyere rotasjonshastighet i 1 L skala enn i 2 L omfanget nødvendig under operasjon å løse produsert dreiemoment med de tilgjengelige dreiemomentmåler. På grunn av de innebygde Bafflene av bioreactor #3, ingen vortex formasjon ble observert, men dette kan bli et problem med unbaffled fartøy. Det bør understrekes at konstanten forskyvning i kraft tallene som ble funnet mellom to skalaer kan følge av måling unøyaktigheter skyldes begrenset sensor oppløsning (i tillegg til geometriske forskjeller). Videre undersøkelser er nødvendig å trekke endelige konklusjoner på minimum skala som foreslåtte oppsettet er fortsatt mulig.
Likevel, den samme protokollen ble brukt for makt inn mål i ulike glass fartøy fra forskjellige produsenter med arbeider mengder mellom 1 L og 10 L i vårt laboratorium. Dette understreker omsetningsbegrensninger på brukte metoden for karakterisering av ulike bioreactor systemer. Eksperimentelle arbeidet kunne reduseres automatisk mål med resepthåndtering automatisering systemet av kontroll enhet og automatisert databehandlingen basert på universal Matlab språket.
Videre bør det bemerkes at ved hjelp av sukrose inneholder, billig newtonsk modell media, et bredt utvalg av Reynolds numbers (100 < Re < 6·104), avhengig av agitator og skala, ble dekket. Det bør også understrekes at den nedre grensen av området turbulens er vanligvis irrelevant for dyr cellekulturer med vann-lignende medier, selv om svært lav pumpehjulet hastigheter brukes. Imidlertid betydelig økning i kjøttkraft viskositet, som resulterer i turbulens demping, og selv ikke-newtonsk atferd har blitt beskrevet for sopp - og plante celle-baserte kulturer. For eksempel har tydelig viskositet i anlegget kulturer av opptil 400-fold forhold til vann vært rapportert42, som fører til mye lavere Reynolds numbers.
Til slutt, bruker bioreactor #7 som en første studie, det har blitt demonstrert at foreslåtte eksperimentelle oppsett kan brukes til å studere effekten av endringer på strøminngang på laboratoriet skala. I kombinasjon med rapid prototyping teknikker, kan dette være et kraftig verktøy for pumpehjulet design studier, som vil danne deler av fremtidige arbeid.
Disclosures
Forfatterne har erklært ingen interessekonflikter.
Acknowledgments
Forfatterne vil gjerne takke Dieter Häussler og slå Gautschi for deres hjelp under den eksperimentelle satt opp. Vi er også takknemlige for Caroline Hyde engelsk bevis lese.
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).
