搅拌反应器中的功率输入可以通过旋转过程中叶轮轴作用的扭矩来测量。本文介绍了如何利用空气轴承有效地减少机械密封中的摩擦损耗, 提高小规模船舶功率输入测量的准确度。
搅拌反应器中的功率输入是一个重要的放大参数, 可通过旋转过程中叶轮轴的扭矩来测量。然而, 由于在典型的套管、轴承和/或轴密封内的摩擦损耗相对较高, 以及商用扭矩计的准确性, 小规模容器中的功率输入的实验确定仍然具有挑战性。因此, 文献中只提供小型生物反应器, 特别是单一用途系统的有限数据, 使不同的单一用途系统和它们的传统对应方之间的比较困难。
本文提供了一个关于如何测量台式尺度生物反应器中的功率输入的协议, 这些湍流条件可以用无量纲雷诺数 (Re) 来描述。上述摩擦损失是有效地减少了使用空气轴承。详细介绍了如何建立、进行和评估基于扭矩的功率输入测量的过程, 特别注重细胞培养典型的低到中湍流的搅拌条件 (100 < Re < 2·104)。几种多用途和单一用途生物反应器的功率输入由无量纲幂数 (也称为牛顿数, p0) 提供, 它被确定在 p0 ≈0.3 和 p0 ≈4.5 的范围内, 最大雷诺数在不同的生物反应器中。
电源输入是生物反应器的特性和放大的关键工程参数, 因为它涉及许多单元操作, 如均匀化1、2、3、气液分散2,4,5, 热传输6和固体悬浮7。电源输入也与剪切应力有关, 这可能特别影响剪切敏感细胞培养中的生长和产品形成8,9,10,11。
在搅拌生物反应器中, 测量功率输入的最常用的技术是基于电力绘制12,13,14, 热量12,15 (即固定热平衡或动态加热通过搅拌) 或扭矩后, 搅拌器。后者可由拉力、扭矩计或应变计进行实验确定, 该测量器已应用于各种搅拌器, 包括单台或多级拉什顿涡轮1,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25, 投刀片叶轮19,20,23,26,27, InterMig19,21和 Scaba 叶轮28,29. 详细审查由 Ascanio 等 (2004)30提供。
从扭矩 (T), 功率输入 (P) 可以估计从 Eq. 1, 其中 N 是旋转速度的搅拌器。
(1)
为了解释在搅拌 (轴承、密封和马达本身) 中发生的损失, 有效扭矩 (t) 应确定为在空容器 (tD) 和液体中测量的值之间的差额 (tL).最后, 无量纲幂号 (P0, 也称为牛顿号), 由 Eq 定义. 2 其中ρL表示液体密度和 d 代表叶轮直径, 可用于比较不同的搅拌器。
(2)
众所周知, 功率数是雷诺数 (即湍流) 的函数, 在完全湍流条件下变得恒定。叶轮雷诺数由 Eq 3 定义, 其中ηL是液体粘度。
(3)
然而, 小型生物反应器中的功率输入测量仍然具有挑战性, 这是因为叶轮轴的机械轴承内部摩擦损耗相对较高, 而且大多数商用扭矩计的精度有限。因此, 只有少数关于台式规模生物反应器中功率输入测量的报告已发布17,18,22,24,31,32。在单一使用的生物反应器中, 还缺乏有关电源输入的数据, 这些信息由制造商预装、灭菌和可使用的33、34提供。与可重用的对应物相比, 大多数单一用途的生物反应器被特别设计的叶轮搅动, 使得比较困难。
为了缩小这一差距, 最近开发了一种可靠的方法, 以实验室规模搅拌器为主要重点的电力输入测量技术已经发展了35。由于空气轴承的使用, 在空容器中测量的扭矩值是由摩擦力损失引起的。因此, 可以调查各种低到中度湍流的操作条件 (100 < Re < 2·104), 并提供了几种多用途和单一用途生物反应器的功率输入。
本研究提供了以前开发的方法的详细测量协议, 并描述了在实验室规模生物反应器中如何建立、进行和评价基于扭矩的功率输入测量。特别关注的是商业上可用的单和多用途系统。自动测量程序用于减少实验工作量。
尽管对生物反应器的工程特性和放大/下降的 (具体) 功率输入的重要性, 但在台式规模生物反应器的实验研究中, 只有少数出版物, 特别是单一用途系统在一位数公升容量范围, 在文学可以发现。这一数据缺乏的一个原因, 可以看到在这样小规模的准确的电力输入测量的困难。为了克服这些困难, 本研究提供了一个详细的协议, 为扭矩为基础的功率输入测量, 由空气轴承支持, 以尽量减少摩擦损失的轴承。采用三种商用单用生物反应器和1升 10 l 工作容积的多用途生物反应器, 证明了该方法的适用性。
根据我们基于扭矩测量的经验, 最关键的因素是: 1) 通过最小化轴承和密封内的摩擦损耗, 特别是实验室规模的生物反应器, 和 2, 减少死扭矩, 选择一种适用于所需的生物反应器尺寸和搅拌条件的扭矩计。如前面显示的35所示, 使用空气轴承可以大大减少死扭矩。本研究采用多孔炭材料制成的低成本空气套管。测试的空容器中的残余扭矩通常低于 0.5 mN·m, 搅拌速率高达 900 rpm, 相应于 3 m·s-1的叶轮尖端速度。相比之下, 生物反应器 #6 与内置机械轴轴承的死扭矩, 例如, 在 9.4 mN·m 和 20 mN·m 之间, 并报告了大约 3 mN·m 的可比值 #732。这是一个数量级高于所提出的实验设置的值。
除空气轴承外, 所用的扭矩计是最关键的部件。本研究选择了一种商用扭矩计, 用于测量静、动态扭矩、转速和旋转角度。考虑到最大工作容积为10升和相应搅拌器的感兴趣的生物反应器, 选择了 0.2 N·m 的标称扭矩。研究发现, 复制 < 5% 相对标准偏差的高重现性和可靠的测量结果可为低至 2 mN·m 的有效扭矩提供, 相当于标称扭矩的1%。因此, 在本研究中应用的传感器的测量范围比根据关于混合41的德国 GVC-VDI 工作组成员的实验室间研究发表的结果要大得多。
然而, 在扭矩传感器分辨率、标称扭矩和涡流形成方面, 搅拌器速度的范围应慎重选择。后者经常发生在 unbaffled 生物反应器以更高的速度激动并且可能导致损伤扭矩米。最小和最大可行的搅拌器速度都可能是本研究中所描述方法的限制因素。除了我们以前的工作35, 本研究还涉及生物反应器 #3, 这是制造商提供的玻璃生物反应器家庭中最小的成员, 这是由两个阶段的叶轮, 直径为42毫米的搅拌。用所提出的实验装置获得了与几何上相似的生物反应器 #4 的可比功率特性。这是引人注目的, 因为扭矩刻度与 M d 5为给定的液体密度, 叶轮几何 (即功率数) 和转速 (见 eq 1 和 eq 2)。因此, 大约40% 较低的叶轮扭矩的结果, 从10% 较小的叶轮直径, 例如。然而, 在操作过程中, 需要在1升刻度中比2升刻度更高的转速, 以利用可用扭矩计解决产生的扭矩。由于生物反应器 #3 的内置挡板, 没有观测到涡流的形成, 但这可能成为 unbaffled 容器的一个问题。应该强调的是, 在两个刻度之间发现的功率数中的恒定偏移量可能是由于传感器分辨率有限 (除了几何差异) 导致的测量不准确造成的。需要进一步调查, 以得出关于拟议的设置仍然可行的最低规模的最后结论。
然而, 同样的协议被用于不同制造商的各种玻璃器皿的功率输入测量, 在我们的实验室中有1升和10升的工作容积。这突出了使用的方法的可转移性的描述不同的生物反应器系统。通过在控制单元软件和基于通用 Matlab 语言的自动化数据处理的自动化系统中进行自动测量, 可以减少实验工作量。
此外, 应该指出, 通过使用含有蔗糖的廉价牛顿模型介质, 覆盖了各种雷诺数 (100 < Re < 6·104), 这取决于搅拌器和刻度。还应强调的是, 即使使用极低的叶轮速度, 湍流范围的下限也通常与类似水介质的动物细胞培养无关。然而, 肉汤粘度的显著增加, 导致湍流阻尼, 甚至非牛顿行为被描述为真菌和植物细胞为基础的文化。例如, 400 倍于水的植物培养物的表观粘度被报告为42, 这导致雷诺数大大降低。
最后, 以生物反应器 #7 为例进行了初步研究, 证明了所提出的实验装置可以用来研究设计修改对实验室规模的功率输入的影响。结合快速成型技术, 这可能是一个强大的工具, 叶轮设计研究, 这将成为未来工作的一部分。
The authors have nothing to disclose.
作者希望感谢节食者 Häussler 和击败高奇为他们的协助在实验设置了。我们也感谢卡罗琳·海德为英语证明阅读。
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. |
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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 |