Shear stress investigations on an oil-water emulsion system result in drop breakup over the experimental time. To count drop sizes in pumping processes, the suitability of inline endoscopy was successfully demonstrated in this protocol.
Pumper anvendes hovedsageligt, når der overføres sterile kultur bouillon i biofarmaceutiske og bioteknologiske produktionsprocesser. Men i løbet af pumpeprocessen forskydningskræfter forekomme, hvilket kan føre til kvalitativ og / eller kvantitativ produkttab. For at beregne den mekaniske belastning med begrænset eksperimentel udgift blev en olie-vand-emulsion, der anvendes, hvis egnethed blev demonstreret for dråbe størrelse fund i bioreaktorer 1. Som drop opløsningen af olie-vand-emulsion systemet er en funktion af mekanisk stress, dråbestørrelser skal tælles i den eksperimentelle tidspunkt shear stress undersøgelser. I tidligere undersøgelser har inline endoskopi vist sig at være en nøjagtig og pålidelig måling teknik til Blækdråbestørrelse påvisninger i væske / væske-dispersioner. Formålet med denne protokol er at vise egnetheden af inline endoskopi teknik til dråbestørrelse målinger i pumpning processer. For at udtrykke dråbestørrelse, Sauter middeldiameterend 32 blev anvendt som repræsentant diameter dråber i olie-vand-emulsion. Resultaterne viste lav variation i Sauter middeldiameter, som blev kvantificeret ved standardafvigelser på under 15%, der angiver pålideligheden af måleteknikken.
Pumper anvendes til at overføre cellekulturer i de farmaceutiske og bioteknologiske industri. Under pumpning proces, kan mekanisk belastning resultere i irreversibel cellebeskadigelse, hvilket kan forringe mængde og kvalitet af produktet 1-4. Niveauet for mekanisk belastning afhænger af pumpens type og pumpe-indstillinger, som påvist i tidligere undersøgelser 5-6. Sædvanligvis er peristaltiske, sprøjte og membranpumper anvendes til engangsbrug (SU) teknologi baserede applikationer. Disse pumper resultere i høje lokale forskydningskræfter skyldes sammenpresning af pumpen slange og det pulserende flow 7.
For at overvinde disse ulemper, magnetisk leviteret centrifugalpumper (Magnetsvævebane centrifugalpumper) udgør et lovende alternativ. Motoren er magnetisk drevet for at undgå snævre mellemrum mellem pumpehjulet og pumpehuset (figur 1). En tidligere undersøgelse undersøgte Magnetsvævebane centrifugalpumper og viste lavere mekanisk belastning i kinesisk hamsterovarie (CHO) celler i forhold til peristaltiske og 4-stempel membranpumper 5. Desuden hæmolyse analyser afslørede ingen signifikant blod traumer og trombedannelse over et område af driftsbetingelser, der anvender disse pumper 8-11. Resultaterne viser, at brugen af disse specielt designet pumper gælder mindre mekanisk belastning på biologiske systemer i forhold til peristaltiske og membranpumper. For at undersøge den mekaniske belastning med begrænset eksperimentel omkostning, er en olie-vand-emulsion modelsystem anbefales på grund af dens omkostningseffektivitet (ca. 99,8%) og tid-reduceret (ca. 99,5%) ansøgning sammenlignet med biologiske cellekultursystemer.
Som drop opløsningen af olie-vand-emulsion systemet er en funktion af mekanisk stress, dråbestørrelser tælles over eksperimentelle tidspunkt shear stress undersøgelser. Mange teknikker til dimensionering dråber er til rådighed, which kan opdeles i lyd, laser og foto baserede teknikker 12. Især brugen af foto-optiske sonde inline endoskopi viser næsten identiske dråbestørrelser til manuelle og automatiske registreringer (standardafvigelse under 10%), og giver mulighed for en påvisning af 250 dråber i minuttet 13. På grund af sin nøjagtighed og pålidelighed, har endoskopet teknik vist sig at være en effektiv standard måleteknik til drop størrelsesfordelinger i væske / væske-dispersioner sammenlignet med andre almindeligt anvendte prober (f.eks fiber optisk fremad-bagud-forholdet (FBR) sensor , fokuseret stråle reflektans metoden (FBRM) og den todimensionale optiske reflektans måleteknik (2D-ORM)) 12,14. Desuden har egnethed inline endoskopi til måling dråbestørrelser i en omrørt beholder blevet påvist flere gange i tidligere undersøgelser 15-18.
Baseret på en forudgående undersøgelse 6, denne protokol beskriveranvendelse af inline endoskopi at bestemme dråbestørrelser (Sauter middeldiameter) af en olie-vand-emulsion systemet i pumper. Sauter middeldiameter blev brugt som en sammenligning kriterium for at vurdere den mekaniske belastning af de multi-use (MU) Magnetsvævebane centrifugalpumper, en peristaltisk og en enkelt-brug (SU) 4-stempel membranpumpe.
Figur 1. Magnetisk leviteret centrifugalpumpe-system. (A) Princippet om et lejefri motor og (B) PuraLev 200MU er vist som et eksempel. Klik her for at se en større version af dette tal.
Formålet med denne protokol er at vise egnetheden af inline endoskopi teknik til dråbestørrelse målinger i pumpning processer. Til dette formål drop størrelser af en olie-vand-emulsion systemet blev bestemt og en præcis Sauter middeldiameter blev beregnet til at karakterisere den mekaniske belastning af Magnetsvævebane centrifugalpumper samt deres modparter, en peristaltisk og en 4-stempel membranpumpe. Resultaterne viste lav variation af den målte Sauter betyde diametre, som blev kvantificeret ved standardafvigelser på under 15%, hvilket indikerer at dråbestørrelser er pålideligt og nøjagtigt målt. Som følge heraf kunne det målte Sauter middeldiameter held anvendes som en sammenligning kriterium for at evaluere den mekaniske belastning af pumperne undersøgte. Magnetsvævebane centrifugalpumper afslørede større målt Sauter gennemsnitlige diametre, hvilket indikerer lavere mekaniske påvirkninger på emulsion dråber sammenlignet med de peristaltiske og 4-stemplede membranpumper. I studerne til dato har inline endoskopi vist sig at være et robust og enkel teknik til pålidelig dråbestørrelse måling 1,6,12-14,20-21, hvilket også blev bekræftet af denne undersøgelse. I sammenligning med alternative målemetoder, såsom det fiberoptiske FBR sensor, FBRM og 2D-ORM teknik, endoskopets teknik kan bruges som standard fremgangsmåde til opnåelse præcise data i væske / væske applikationer 12,14.
Den nemme håndtering af inline endoskopi og den enkle fremstilling af ikke-biologisk olie-vand-emulsion system muliggør en enkel procedure for Blækdråbestørrelse detekteringer ifølge protokollen tekst (se ovenfor). Ikke desto mindre bør det nævnes, at positionen af endoskopet proben afhænger af fluidstrøm i lagerbeholderen. Yderligere undersøgelser (data ikke vist) har vist, at linsen i proben bør være placeret direkte under indløbsrøret for lavere strømningshastigheder op til 5 L min -1for at undgå en multipel påvisning af en dråbe 19. Til skarpe billeder ved strømningshastigheder over 5 L min -1, anbefales det at anbringe proben mindst 10 cm fra indløbsrøret. Uafhængig af procesparametre, bør indehaveren af inline endoskopi være stabil for at undgå en forskydning af sonden, hvilket kan resultere i slørede billeder.
Endvidere bør det især bemærkes, at dråbestørrelse detekteres, er tæt på den nedre detektionsgrænse for den anvendte foto-optisk system, hvor den laveste påviselige drop diameter er 6,5 um. Som producent-medfølgende software er blevet forbedret, kan inline endoskopi teknikker detektere en minimal dråbe størrelse på 1 um. Endvidere vil billedbehandling videreudvikles for at muliggøre online overvågning af industrielle applikationer.
Mens den foreliggende undersøgelse fokuserede på relativt lave strømningshastigheder på op til 3,4 l 60; min -1 bør fremtidige studier overveje en bredere vifte af driftsbetingelser. Første undersøgelser er blevet udført ved strømningshastigheder på op til 20 L min -1 (data ikke vist). Imidlertid en 1: 2 fortynding er (c overfladeaktivt = 0,09 ml L -1 c olie = 0,64 ml L -1), i olie-vand-emulsion systemet anbefales ved strømningshastigheder over 10 L min -1 19, da øget drop breakup forårsaget af højere mekanisk belastning ellers ville påvirke drop afsløring og reducere antallet af dråber detekteret. Tests blev udført med en 1: 2 fortynding og sammenlignet med resultaterne af en ufortyndet olie-vand-emulsion system. For begge fremgangsmåder, Sauter betyde diametre er blevet måles pålideligt (standardafvigelse under 5%). Derfor reduceret volumen fraktion: gjorde (1 2 fortynding) ikke påvirke den målte Sauter betyder diametre og dermed som et drop-drop bruddet var ubetydelig.
nt "> Disse kraftfulde eksperimentelle metoder giver et godt grundlag for forbedring af endoskopi teknik samt den tilhørende billede erhvervelse, anerkendelse og resultat analysator software. Desuden til egnetheden af endoskopi teknik klassificere pumpetyper og serier i henhold til deres mekaniske stress lykkedes demonstreret. De opnåede resultater er afgørende for pumpens design udvikling og optimering af pumper til at reducere celleskader.The authors have nothing to disclose.
Forfatterne vil gerne takke Kommissionen for Teknologi og Innovation (CTI, Schweiz) for deres økonomiske støtte (nr 13.236,1 PFFLI-LS).
CCD camera | Allied Vision Technologies GmbH | GX2750 | Equipment for inline endoscopy |
C-Flex Biopharmaceutical Tubing | Saint-Gobain Performance Plastics | 374-375-4 | Tube Select a tubing length of about 45 cm before the pump. |
C-Flex Biopharmaceutical Tubing | Saint-Gobain Performance Plastics | 374-375-3 | Tube Select a tubing length of about 45 cm after the pump and clamp on the flow sensor to this tubing. |
CLAVE Connector | Victus | 011-C2000 | Sampling port |
Controller LPC-200.1-02 | Levitronix GmbH | 100-30030 | PuraLev 200MU controller |
Controller LPC-600.1-02 | Levitronix GmbH | 100-30033 | PuraLev 600MU controller |
LeviFlow Clamp-On Sensor LFSC-12 | Levitronix GmbH | 100-30329 | Flow sensor for flow rates below 5 L min-1 |
LeviFlow Converter LFC-1C-CS | Levitronix GmbH | 100-30328 | Flow sensor output device |
Masterflex I/P Easy Load | Fisher Scientific AG | EW-77963-10 | Peristaltic pump |
Mitos free flow valve | Parker Hannifin Europe Sàrl | FFLQR16S6S6AM | Valve |
Mobil Eal Arctic | Exxon Mobil Corporation | Mobil EAL Arctic 22 | Oil Prepare the emulsion directly before the experiment. |
Motor | Elektromotorenwerk Brienz AG | 7WAC72N4THTF | Motor for agitator shaft |
Motor BSM-1.4 | Levitronix GmbH | 100-10005 | PuraLev 200MU motor |
Motor LPM-600.4 | Levitronix GmbH | 100-10038 | PuraLev 600MU motor |
Norm-Ject 10 mL Luer Lock | Restek Corporation | 22775 | Syringe |
Pump Head LPP-200.5 | Levitronix GmbH | 100-90525 | PuraLev 200MU pump head |
Pump Head LPP-600.18 | Levitronix GmbH | 100-90548 | PuraLev 600MU pump head |
Quattroflow 1200-SU | Almatechnik AG | QF 1200 | 4-piston diaphragm pump |
SciPres Sensor | SciLog | 080-695PSX | Pressure sensor |
SciPres Sensor Monitor | SciLog | 080-690 | Pressure sensor output device |
SOPAT-VF Inline Endoscopic Probe | SOPAT GmbH | Inline endoscopy | |
Stroboscope | Drello GmbH & Co KG | Drelloscop 255-01 | Equipment for inline endoscopy |
Triton X-100 | Sigma-Aldrich | X100 | Surfactant Handle with gloves and goggles. (acute toxicity, eye irritation) |