Power input i stirred bioreaktorer kan måles gennem det drejningsmoment, der fungerer på løbehjulet akslen under rotation. Dette manuskript beskriver, hvordan et luft, der kan bruges til effektivt at reducere friktionstab observeret i mekaniske tætninger og forbedre nøjagtigheden af power input målinger i små fartøjer.
Power input i stirred bioreaktorer er et vigtigt parameter, optrapning og kan måles gennem det drejningsmoment, der fungerer på løbehjulet akslen under rotation. Den eksperimentelle bestemmelse af power input i små fartøjer er imidlertid stadig udfordrende på grund af relativt høj friktionstab inde typisk anvendte bøsninger, lejer og/eller akseltætninger og nøjagtigheden af kommercielt tilgængelige drejningsmoment meter. Således fås kun begrænsede data for små bioreaktorer, navnlig engangsbrug systemer, i litteratur, vanskeliggør sammenligninger af forskellige engangsbrug systemer og deres konventionelle kolleger.
Håndskriftet indeholder en protokol om, hvordan at måle strøm indgange i benchtop skala bioreaktorer over en bred vifte af turbulens betingelser, som kan beskrives ved den dimensionsløst Reynolds tal (Re). De førnævnte friktionstab reduceres effektivt ved hjælp af en air pejling. Proceduren for hvordan man konfigurere, gennemføre og evaluere en moment-baseret power input måling, med særlig fokus på celle kultur typisk agitation betingelser med lav til moderat turbulens (100 < Re < 2·104), er beskrevet i detaljer. Effektinput for flere multi-use og engangsbrug bioreaktorer er fastsat af dimensionsløs magt antallet (også kaldet Newton nummer, P0), som er fast besluttet på at være i den vifte af P0 ≈ 0,3 og Pedersen0 ≈ 4.5 for den maksimalt Reynolds tal i de forskellige bioreaktorer.
Power input er en vigtigste tekniske parameter til karakterisering og optrapning af bioreaktorer fordi det vedrører mange enhed operationer, såsom homogenisering1,2,3, gas-væske spredning2 , 4 , 5, varme overførsel6 og solid suspension7. Power input er også tilknyttet shear stress, som kan især påvirker vækst og produkt dannelse i shear følsomme celle kulturer8,9,10,11.
De mest almindelige teknikker tegne til måling af effektinput i stirred bioreaktorer er baseret på elektrisk strøm12,13,14, kalorimetri12,15 (dvs. stationære varme balance eller dynamisk varme gennem agitation) eller drejningsmoment ved omrører. Sidstnævnte kan eksperimentelt bestemmes af dynamometre, drejningsmoment meter eller strain gauges, der er blevet anvendt til en række forskellige røreværker, herunder enkelt eller etapevis Rushton turbiner1,16,17 , 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 , 25, højfrekvent klinge skovlhjul19,20,23,26,27, InterMig19,21 og Scaba skovlhjul28 , 29. en detaljeret gennemgang er fastsat af Ascanio et al. (2004)30.
Fra drejningsmoment (T), kan power input (P) estimeres ud fra Eq. 1, hvor N er omrører rotationshastighed.
(1)
For at tage højde for tab opstår i agitation (i lejer, sæler og motoren sig selv), skal den effektive drejningsmoment (Teff) bestemmes som forskellen mellem værdien målt i det tomme skib (TD) og væske (TL ). Endelig kan dimensionsløs magt antallet (P0, også kendt som Newton nummer), som er defineret ved Eq. 2 hvor RhoL betegner den flydende tæthed og d repræsenterer løbehjulet diameter, bruges til at sammenligne forskellige agitatorer.
(2)
Det er velkendt, at magt tal er en funktion af Reynolds tal (dvs. turbulensen) og bliver konstant under fuldt turbulente forhold. Løbehjulet Reynolds tal er defineret af Eq. 3, hvor ηL er den flydende viskositet.
(3)
Power input målinger i lille skala bioreaktorer er imidlertid stadig udfordrende på grund af de relativt høje friktionstab inde mekaniske lejer af løbehjulet skakter og begrænset nøjagtigheden af de fleste kommercielt tilgængelige drejningsmoment meter. Derfor kun få rapporter om power input målinger i benchtop skala bioreaktorer har været udgivet17,18,22,24,31,32. Der er også en mangel på data om effektinput i engangsbrug bioreaktorer, som er leveret af fabrikanter formonteret, steriliseret og klar-til-brug33,34. I modsætning til deres genanvendelige modstykker, er de fleste engangsbrug bioreaktorer ophidset af specialdesignede skovlhjul, gør sammenligninger vanskelige.
For at lukke dette hul, er en pålidelig metode til power input målinger med særlig fokus på laboratoriet skala omrørere blevet udviklet for nylig35. Drejningsmomentværdier målt i de tomme fartøjer, der var forårsaget af friktionstab, var effektivt reduceret med brugen af en air pejling. Derfor en bred vifte af operationelle betingelser med lav til moderat turbulens (100 < Re < 2·104) kunne undersøges og power input af flere multi-use og engangsbrug bioreaktorer er blevet leveret.
Den nuværende undersøgelse giver en detaljeret måling protokol af den tidligere udviklede metode og beskriver, hvordan du kan konfigurere, gennemføre og evaluere en moment-baseret power input målinger i laboratoriet skala bioreaktorer. Særligt fokus er på kommercielt tilgængelige single og multi genbrug systemer. En automatiseret målemetode anvendes til at reducere den eksperimentelle forsøg.
Trods vigtigheden af (bestemte) power input til engineering karakterisering og skalering-op/ned af bioreaktorer, kun et par publikationer på eksperimentelle undersøgelser i benchtop skala bioreaktorer, især engangsbrug systemer i den én-cifrede liter volumen spænder, kan findes i litteraturen. En af grundene til denne mangel på data kan ses i vanskelighederne af præcise power input målinger i sådanne små skæl. For at overvinde nogle af disse vanskeligheder, giver den nuværende undersøgelse en detaljeret protokol for drejningsmoment baseret power input målinger, der understøttes af en air pejling til minimere friktionstab i lejet. Anvendeligheden af metoden, der blev påvist ved hjælp af tre kommercielt tilgængelige engangsbrug bioreaktorer samt multi-use bioreaktorer i vægte mellem 1 L og 10 L arbejder bind.
Baseret på vores erfaring med drejningsmoment baseret målinger, de mest kritiske faktorer til adresse er: 1) at reducere de døde drejningsmoment ved at minimere friktionstab inde i lejer og sæler, navnlig i laboratoriet skala bioreaktorer og 2) udvælgelsen af en egnet momentmåler for de ønskede bioreaktor størrelse og agitation. Som har været vist tidligere35, kan den døde drejningsmoment reduceres dramatisk ved brugen af en air pejling. I den foreliggende undersøgelse, blev en billig luft bøsning fremstillet af porøse carbon materiale brugt. De resterende drejningsmoment i de tomme fartøjer testet var typisk under 0,5 mN·m med agitation satser på op til 900 omdr, svarende til løbehjulet tip hastigheder på op til 3 m·s-1. Derimod den døde drejningsmoment på bioreaktor #6 med indbygget mekanisk aksel lejet var eksempelvis mellem 9,4 mN·m og 20 mN·m, og sammenlignelige værdier af omkring 3 mN·m er også rapporteret til bioreaktor #732. Dette er én størrelsesorden højere end de værdier, der er opnået i den foreslåede eksperimentel opsætning.
Udover forsynet med luft er momentmåler bruges den mest kritiske komponent. Et kommercielt tilgængelige momentmåler, der er beregnet til måling af statiske og dynamiske drejningsmoment, rotationshastighed og vinkel på rotation blev udvalgt til denne undersøgelse. I betragtning af bioreaktorer af interesse med maksimal arbejder bind af 10 L og de tilsvarende røreværker, et nominelt drejningsmoment på 0,2 gik blev valgt. Det konstateredes, at høj reproducerbarhed med Relativ standardafvigelse på replikater < 5% og pålidelige målinger kan fås for effektiv halssmykker så lavt som 2 mN·m, svarende til kun 1% af den nominelle drejningsmoment. Dermed blev rækken måling af den sensor, der anvendes i den foreliggende undersøgelse betydeligt bredere end resultater, som er blevet offentliggjort baseret på en sammenlignende undersøgelse af medlemmer af den tyske GVC-VDI arbejdsgruppe om at blande41.
Ikke desto mindre bør vifte af omrører hastighed udvælges omhyggeligt drejningsmoment sensor opløsning, nominelt drejningsmoment og vortex dannelsen. Sidstnævnte ofte opstår i unbaffled bioreaktorer ophidset ved højere hastigheder og kan forårsage skade på momentmåler. Både de minimale og maksimale muligt omrører hastigheder kan være begrænsende faktorer af metoden i denne undersøgelse. Ud over vores tidligere arbejde35, denne undersøgelse involverede også bioreaktor #3, det mindste medlem i glas bioreaktor familie fra producenten, der er ophidsede af to-trins løbehjul med diameter 42 mm. Sammenlignelige magt karakteristisk at der i den geometrisk lignende bioreaktor #4 blev opnået med den præsenteres eksperimentel opsætning. Dette er bemærkelsesværdige, da drejningsmomentet skalaer med M d5 for en given flydende tæthed, løbehjulet geometri (dvs. strøm nummer) og rotationshastighed (Se Eq. 1 og Eq. 2). Derfor en ca 40% lavere løbehjulet drejningsmoment resultater fra et 10% mindre løbehjulet diameter, f.eks. Ikke desto mindre var højere omdrejningstal i 1 L skala end i 2 L skala påkrævet under drift til at løse den producerede drejningsmoment med de tilgængelige momentmåler. På grund af de indbyggede klapper af bioreaktor #3, ingen vortex dannelsen blev observeret, men dette kan blive et problem med unbaffled fartøjer. Det skal understreges, at den konstante modposteres på den magt numre, der blev fundet mellem de to skalaer kan skyldes måling unøjagtigheder forårsaget af de begrænsede sensor opløsning (ud over geometriske forskelle). Yderligere undersøgelser er forpligtet til at drage endelige konklusioner på minimum omfanget hvormed den foreslåede setup er stadig er mulig.
Ikke desto mindre, den samme protokol blev brugt til power input målinger i forskellige glas fartøjer fra forskellige producenter med arbejder bind af mellem 1 L og 10 L i vores laboratorium. Dette understreger overførsel af den anvendte metode til karakterisering af forskellige bioreaktor systemer. Den eksperimentelle forsøg kunne reduceres med automatiserede målinger ved hjælp af opskrift forvaltning inden for automatiseringssystem af kontrol enhed software og automatiseret behandling baseret på de universelle Matlab sprog.
Derudover skal det bemærkes, at der, ved hjælp af saccharose indeholder, billige newtonske model media, en bred vifte af Reynolds tal (100 < Re < 6·104), afhængigt af hvilke agitator og skala, var dækket. Det bør også understreges, at den nedre grænse for området turbulens er normalt uden betydning for dyrs cellekulturer med vand-lignende medier, selv om meget lav løbehjulet hastigheder anvendes. Dog betydelige stigninger i bouillon viskositet, hvilket resulterer i turbulens dæmpning, og selv ikke-newtonske adfærd er blevet beskrevet for svampe – og plante celle-baserede kulturer. For eksempel, har tilsyneladende viskositeter i plant kulturer af op til 400-fold i forhold til vand været rapporteret42, som fører til meget lavere Reynolds tal.
Endelig er bruger bioreaktor #7 som første Case, det blevet påvist at de foreslåede eksperimentel opsætning kan bruges til at studere effekten af design ændringer på effektinput på laboratoriet skala. I kombination med rapid prototyping teknikker, kan dette være et effektivt redskab til løbehjulet design undersøgelser, som vil udgøre dele af fremtidige arbejde.
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne vil gerne takke Dieter Häussler og slå Gautschi for deres bistand under det eksperimentelle sæt op. Vi er også taknemmelige for Caroline Hyde engelsk korrekturlæsning.
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 |