Ineffekt i rörs bioreaktorer kan mätas genom det vridmoment som agerar på pumphjulet axeln under rotation. Detta manuskript beskriver hur en air betydelse kan användas för att effektivt minska friktionsförlusterna observerats i mekaniska tätningar och förbättra noggrannheten i power input mätningar i småskaliga fartyg.
Ineffekt i rörs bioreaktorer är en viktig parameter för upptrappningen och kan mätas genom det vridmoment som agerar på pumphjulet axeln under rotation. Experimentell bestämning av ineffekt i småskaliga fartyg är dock fortfarande utmanande på grund av relativt höga friktionsförluster släpper vanligtvis används bussningar, lager eller axeltätningar och riktigheten av kommersiellt tillgängliga vridmoment meter. Endast begränsade data för småskaliga bioreaktorer, särskilt engångsbruk system, alltså tillgängliga i litteraturen, försvårar jämförelser mellan olika engångsbruk system och deras konventionella motsvarigheter.
Detta manuskript ger ett protokoll för hur att mäta effekt ingångar i bänkmonterade skala bioreaktorer över ett brett spektrum av turbulens villkorar, som kan beskrivas av den dimensionslöst Reynoldstal (Re). Ovannämnda friktionsförlusterna reduceras effektivt genom användning av en air betydelse. Proceduren att inrätta, genomföra och utvärdera ett vridmoment-baserade power input mätning, med särskilt fokus på cell odlingsbetingelser typiska agitation med låg till måttlig turbulens (100 < Re < 2·104), beskrivs i detalj. Ineffekt av flera multi-användning och engångsbruk bioreaktorer tillhandahålls av dimensionslös power numret (kallas även Newton nummer, P0), som bedöms vara i intervallet av P0 ≈ 0,3 och P0 ≈ 4.5 för den maximala Reynoldstal i de olika bioreaktorerna.
Ineffekt är en viktig teknisk parameter för karakterisering och upptrappningen av bioreaktorer eftersom det rör sig om många arbetsmoment, såsom homogenisering1,2,3, vätske-dispersion2 , 4 , 5, värme överföring6 och solid suspension7. Ineffekt associeras också med shear stress, vilket kan särskilt påverka tillväxten och produkten formation i skjuvning känsliga cell kulturer8,9,10,11.
De vanligaste teknikerna Rita för mätning av ineffekt i rörs bioreaktorer baseras på elkraft12,13,14, kalorimetri12,15 (dvs stationära värme saldo eller dynamisk uppvärmning genom agitation) eller vridmomentet på omröraren. Den senare kan experimentellt bestämmas genom dynamometrar, vridmoment meter eller töjningsgivare, som har tillämpats för en mängd agitatorer, inklusive enkel- eller etappvis Rushton turbiner1,16,17 , 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 , 25, lutande blad impellrar19,20,23,26,27, InterMig19,21 och Scaba impellrar28 , 29. en detaljerad genomgång ges av Ascanio et al. (2004)30.
Från vridmomentet (T), kan ineffekt (P) beräknas från ekv 1, där N är rotationshastigheten hos agitatorn.
(1)
För att beakta förluster i agitationen (i lager, tätningar och motorn själv), bör effektiv vridmomentet (Teff) bestämmas som skillnaden mellan det värde som uppmätts i tomma kärl (TD) och i vätskan (TL ). Slutligen, dimensionslös power nummer (P0, även känd som Newton nummer), som definieras av ekv 2 där ρL betecknar det vätskans densitet och d representerar pumphjulsdiameter, kan användas för att jämföra olika agitatorer.
(2)
Det är väl känt att antalet power är en funktion av antalet Reynolds (dvs. turbulensen) och blir konstant under fullt turbulenta förhållanden. Pumphjulet Reynoldstal definieras av ekv 3, där ηL är den vätskans viskositeten.
(3)
Power input mätningar i liten skala bioreaktorer är dock fortfarande utmanande på grund av relativt höga friktionsförlusterna inuti mekaniska lager av pumphjulet axlarna och mest kommersiellt tillgängliga vridmoment meter begränsad noggrannhet. Endast ett fåtal rapporter om power input följaktligen mätningar i bänkmonterade skala bioreaktorer har varit publicerad17,18,22,24,31,32. Det finns också en brist på data om ineffekt i engångsbruk bioreaktorer, som levereras av tillverkarna förmonterade, steriliserad och redo att använda33,34. I motsats till sina återanvändbara motsvarigheter, är de flesta engångsbruk bioreaktorer upprörd av specialdesignade impellrar, försvårar jämförelser.
För att täppa till denna lucka, har en pålitlig metod för power input mätningar med särskilt fokus på laboratoriet skala omrörare utvecklats nyligen35. De vridmomentvärden som uppmätts i de tomma kärl, som orsakades av friktionsförlusterna, minskade effektivt genom användning av en air betydelse. Följaktligen, ett brett utbud av driftförhållanden med låg till måttlig turbulens (100 < Re < 2·104) kunde undersökas och ineffekt av flera multi-användning och engångsbruk bioreaktorer har lämnats.
Föreliggande studie ger en detaljerad mätning protokoll av den tidigare utvecklade metoden och beskriver hur att inrätta, genomföra och utvärdera ett vridmoment-baserade power ingångsvärde i laboratoriet skala bioreaktorer. Särskilt fokus läggs på kommersiellt tillgängliga system för singel – och multi – återanvändning. En automatiserad mätmetod används för att minska det experimentella arbetet.
Trots vikten av den (specifika) ineffekt för engineering karakterisering och skalning-upp/ner av bioreaktorer, endast ett fåtal publikationer på experimentella undersökningar i bänkmonterade skala bioreaktorer, särskilt engångsbruk system i den ensiffrigt liters volym utbud, kan hittas i litteraturen. En anledning till denna brist på data kan ses i svårigheterna att korrekt power input mätningar i sådana små skalor. För att övervinna några av dessa svårigheter, ger föreliggande studie en detaljerad protokoll för vridmoment baserat power input mätningar som stöds av en air uthärda att minimera friktionsförlusterna i lagret. Tillämpligheten av metoden demonstrerades med tre kommersiellt tillgängliga engångsbruk bioreaktorer liksom multi-use bioreaktorer i skalorna mellan 1 L och 10 L arbetar volym.
Baserat på vår erfarenhet med vridmoment baserade mätningar, är de mest kritiska faktorerna adress: 1) att minska det döda vridmomentet genom att minimera friktionsförlusterna inuti kullager och tätningar, i synnerhet i laboratorium skala bioreaktorer, och 2) val av en lämpliga moment mätare för önskad bioreaktor storlek och agitation villkoren. Som har framgått tidigare35, kan döda vridmomentet sänkas dramatiskt genom användning av en air betydelse. I den aktuella studien användes en låg kostnad luft bussning av porösa kol material. Kvarstående vridmomentet i de tomma fartyg som testade var vanligtvis under 0,5 mN·m med agitation andelen upp till 900 rpm, motsvarar pumphjulet tip hastigheter upp till 3 m·s-1. Däremot döda moment av bioreaktor #6 med inbyggda mekaniska axeltätningar lagret var, till exempel mellan 9,4 mN·m och 20 mN·m, och jämförbara värden av runt 3 mN·m har också rapporterats för den bioreaktor #732. Detta är ungefär en storleksordning högre än de värden som erhålls i den föreslagna experiment.
Förutom de luft lagren är vridmoment mätaren används den viktigaste komponenten. En kommersiellt tillgängliga vridmoment mätare som är utformat för mätning av statiska och dynamiska vridmoment, rotationshastighet och Vridvinkel valdes för denna studie. Med tanke på bioreaktorerna sevärdheter med maximal arbetande volymer på 10 L och de motsvarande agitatorer, 0,2 nominella vridmoment nm valdes. Det konstaterades att hög reproducerbarhet med relativ standardavvikelse av replikerar < 5% och pålitliga mätningar kan erhållas för effektiv vridmoment så låg som 2 mN·m, motsvarar endast 1% av det nominella momentet. Mätområdet för sensorn tillämpas i den aktuella studien var därför betydligt bredare än resultat som har publicerats baserat på en genomför mellan olika laboratorier studie av medlemmar av den tyska GVC-VDI arbetsgruppen blandning41.
Ändå, spänna av agitator hastigheten bör väljas noggrant med avseende på den vridmoment sensor resolutionen, nominellt vridmoment och vortex bildandet. Den senare ofta förekommer i unbaffled bioreaktorer upprörd vid högre hastigheter och kan orsaka skador på vridmoment mätaren. Både den högsta och lägsta genomförbara agitator hastigheten kan vara begränsande faktorer för den metod som beskrivs i denna studie. Förutom våra tidigare arbeta35, denna studie också inblandade i bioreaktor #3, den minsta medlemmen i glas bioreaktor familj som tillhandahålls av tillverkaren, som är upprörd av tvåstegs impellrar med en diameter på 42 mm. En jämförbar makt kännetecken som i den geometriskt liknande bioreaktor #4 erhölls med presenterade experimentella setup. Detta är anmärkningsvärt eftersom vridmomentet skalor med M d5 för en given vätskans densitet, impeller geometri (dvs power nummer) och rotationshastighet (se ekv 1 och ekv 2). Följaktligen, en cirka 40% lägre pumphjulet vridmoment resultat från en 10% mindre pumphjulsdiameter, t.ex. Dock krävdes högre rotationshastigheter i 1 L skalan än i 2 L skalan under drift att lösa producerade vridmomentet med tillgängliga vridmoment mätaren. På grund av de inbyggda bafflarna av bioreaktor #3, ingen vortex bildning observerades, men detta kan bli ett problem med unbaffled fartyg. Det bör betonas att konstanten förskjutning i power numren som hittades mellan de två skalorna kan resultera från mätning felaktigheter orsakade av den begränsade Sensorupplösning (förutom geometriska skillnader). Ytterligare undersökningar krävs att dra slutgiltiga slutsatser om minsta skalan där den föreslagna setup är fortfarande möjlig.
Dock användes samma protokoll för power input mätningar i olika glas fartyg från olika tillverkare med arbetande volymer mellan 1 L och 10 L i vårt laboratorium. Detta belyser överförbarheten av den använda metoden för karakterisering av olika bioreaktor system. Den experimentella ansträngningen kan minskas genom automatiska mätningar med recept förvaltningen inom automationssystemet som tillhandahålls av programvaran control unit och automatiserade databehandlingen baserat på det universella språket i Matlab.
Det bör vidare noteras att, med hjälp av sackaros som innehåller, billiga newtonska modell media, ett brett utbud av Reynolds tal (100 < Re < 6·104), beroende på agitator och skala, var täckt. Det bör också betonas att den nedre gränsen i intervallet turbulens är vanligtvis irrelevant för djur cellkulturer med vatten-liknande media, även om mycket låga pumphjulet hastigheter används. Dock betydande ökningar i buljong viskositet, vilket resulterar i turbulens dämpning, och även icke-newtonska beteende har beskrivits för svamp – och plantera cellbaserade kulturer. Till exempel har uppenbar viskositet i plant kulturer av upp till 400-fold jämfört med vatten varit rapporterade42, vilket leder till mycket lägre Reynoldstal.
Slutligen har använder bioreaktor #7 som en första fallstudie, det visats att den föreslagna experiment kan användas för att studera effekten av designändringar på ineffekt på laboratorieskala. I kombination med rapid prototyping teknik, kan detta vara ett kraftfullt verktyg för impeller designstudier, som kommer att utgöra delar av framtida arbete.
The authors have nothing to disclose.
Författarna vill tacka Dieter Häussler och slå Gautschi för deras hjälp under den experimentella uppsättningen upp. Vi är också tacksamma mot Caroline Hyde för engelska korrekturläsning.
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 |