Misure di potenza ingresso in bioreattori agitate a scala di laboratorio

Riepilogo

La potenza assorbita in bioreattori agitate può essere misurata attraverso la coppia che agisce sull'albero della girante durante la rotazione. Questo manoscritto descrive come un cuscinetto di aria può essere utilizzato per ridurre le perdite per attrito osservate in tenute meccaniche efficacemente e migliorare la precisione delle misurazioni della potenza ingresso nei piccoli vasi.

Abstract

La potenza assorbita in bioreattori agitate è un importante parametro di scalabilità verticale e può essere misurata attraverso la coppia che agisce sull'albero della girante durante la rotazione. Tuttavia, la determinazione sperimentale dell'input di potere in piccoli vasi è ancora difficile a causa di perdite di attrito relativamente alta all'interno in genere usate boccole, cuscinetti e/o tenute e la precisione di torsiometri commercialmente disponibili. Così, solo i dati limitati per bioreattori in piccola scala, sistemi monouso in particolare, sono disponibili in letteratura, rendendo difficile il confronto tra diversi sistemi monouso e le loro controparti convenzionali.

Questo manoscritto fornisce un protocollo su come misurare gli ingressi di alimentazione in bioreattori scala benchtop sopra una vasta gamma di condizioni di turbolenza, che può essere descritto dal numero di Reynolds adimensionale (Re). Le perdite di attrito di cui sopra sono ridotti in modo efficace mediante l'uso di un cuscinetto di aria. La procedura su come impostare, condurre e valutare un'alimentazione basata su coppia misura, con particolare attenzione alle condizioni di agitazione tipico di coltura delle cellule con bassa a moderata turbolenza in ingresso (100 < Re < 2·10⁴), è descritto in dettaglio. L'alimentazione di diversi bioreattori multi-uso e monouso è fornito dal numero adimensionale potenza (chiamato anche numero di Newton, P₀), che è determinato per essere nella gamma di P₀ ≈ 0,3 e P₀ ≈ 4.5 per i massimi numeri di Reynolds nei bioreattori differenti.

Introduzione

Potenza in ingresso è un parametro chiave di ingegneria per la caratterizzazione e la scalabilità di bioreattori perché si riferisce a numerose operazioni di unità, quali omogeneizzazione^1,2,3, dispersione di gas-liquido^{2 , 4 , 5}, calore trasferimento⁶ e sospensione solido⁷. Potenza in ingresso è associato anche con sollecitazione di taglio, che può in particolare effetto crescita e formazione di prodotto nel taglio delle cellule sensibili culture^8,9,10,11.

Le tecniche più comuni per la misurazione della potenza assorbita in bioreattori agitate sono basati su energia elettrica disegno^12,13,14, calorimetria^12,15 (calore, cioè fisso equilibrio o riscaldamento dinamico attraverso l'agitazione) o la coppia al momento l'agitatore. Quest'ultimo può essere determinato sperimentalmente da dinamometri, torsiometri o estensimetri, che sono stati applicati per una varietà di agitatori, tra cui singole o multi-fase Rushton turbine^{1,16,17 , 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 , 25}, tetto spiovente lama giranti^{19,20,23,26,27}, InterMig^19,21 e Scaba giranti^{28 , 29}. una revisione dettagliata è fornita da Ascanio et al (2004)³⁰.

Dalla coppia (T), la potenza in ingresso (P) può essere stimato da EQ. 1, dove N è la velocità di rotazione dell'agitatore.

(1)

Al fine di tener conto delle perdite che si verificano nell'agitazione (in cuscinetti, guarnizioni e il motore stesso), la coppia effettiva (T_FEP) dovrebbe essere determinata come differenza tra il valore misurato nel recipiente vuoto (T_D) e nel liquido (T_L ). Infine, il numero adimensionale potenza (P₀, noto anche come numero di Newton), che è definito da EQ. 2 dove ρ_L denota la densità del liquido e d rappresenta il diametro della girante, utilizzabile per confrontare diversi agitatori.

(2)

È ben noto che il numero di potenza è una funzione del numero di Reynolds (cioè la turbolenza) e diventa costante in condizioni completamente turbolente. La girante numero di Reynolds è definita da EQ. 3, dove η_L è la viscosità del liquido.

(3)

Tuttavia, misure di input di potere in bioreattori su piccola scala sono ancora impegnative a causa le perdite di attrito relativamente alta all'interno di cuscinetti meccanici degli alberi girante e la precisione limitata di torsiometri più commercialmente disponibili. Di conseguenza, soltanto alcuni rapporti sulla potenza ingresso misure in scala di benchtop bioreattori sono stati pubblicati^{17,18,22,24,31,32}. C'è anche una mancanza di dati circa la potenza assorbita in bioreattori monouso, che vengono consegnati dai produttori preassemblati, sterilizzato e ready-to-use^33,34. Contrariamente alle loro controparti riutilizzabili, maggior parte dei bioreattori monouso sono agitati da giranti appositamente progettati, rendendo difficile il confronto.

Al fine di colmare questa lacuna, un metodo affidabile per misure di potenza ingresso con focus particolare su Agitatori da laboratorio scala è stato sviluppato recentemente³⁵. I valori di coppia misurati nei vasi vuoti, che sono stati causati da perdite di attrito, sono stati ridotti in modo efficace mediante l'uso di un cuscinetto di aria. Di conseguenza, una vasta gamma di condizioni operative con bassa turbolenza moderata (100 < Re < 2·10⁴) potrebbe essere studiato e l'alimentazione di diversi bioreattori multi-uso e monouso è stato fornito.

Il presente studio fornisce un protocollo di misura dettagliata del metodo precedentemente sviluppato e viene descritto come impostare, condurre e valutare una misura di ingresso alimentazione basata su coppia in bioreattori di scala di laboratorio. Particolare attenzione è su sistemi single - e multi - uso commercialmente disponibili. Una procedura di misura automatizzati è utilizzata per ridurre lo sforzo sperimentale.

Protocollo

1. preparazione delle soluzioni di saccarosio

Nota: Le soluzioni di saccarosio sono utilizzate come mezzi di modello economico, newtoniano con elevata viscosità e densità per condizioni di turbolenza ridotta (Vedi tabella 1).

1. Riempire una bottiglia di vetro Duran con acqua e saccarosio delle concentrazioni differenti (20-60 %w/w).
2. Miscelare il contenuto con un agitatore magnetico fino a sciolta completamente il saccarosio.
   1. Per concentrazioni di saccarosio superiori a 40 %w/w, aggiungere il saccarosio in modo intermittente e riscaldare leggermente la bottiglia di vetro (~ 50 ° C). Lasciare raffreddare la soluzione di saccarosio a temperatura ambiente prima dell'uso.

2. preparazione di una ricetta di misurazione e la registrazione di dati

1. Dopo aver avviato il software, è possibile avviare la comunicazione con l'unità di controllo selezionando la corretta porta COM seriale dal menu a discesa e fare clic sul pulsante Connetti .
   Nota: Il pulsante Connetti diventerà il colore verde e si accenderà il LED sotto il menu a discesa, una volta iniziata la comunicazione con la centralina.
2. Impostare il percorso del file di dati all'interno del software di unità di controllo bioreattore per memorizzare i dati all'operatore PC.
   1. Aprire la pagina di Impostazioni scheda e colpire il simbolo della cartella accanto alla casella di testo percorso del file di dati .
   2. Nella finestra di dialogo file, individuare la cartella di desiderio, digitare un nome file nel campo di testo Nome File e fare clic sul pulsante OK .
      Nota: Il percorso del file registro dati e il nome vengono visualizzati nella casella di testo e il pulsante start di DAQ è abilitato, una volta definito un percorso di file valido.
3. Impostare una routine all'interno il gestore di ricette del software di unità di controllo bioreattore per automatizzare la procedura di misurazione.
   1. Aprire la pagina di scheda di ricetta e digitare i valori di input desiderati per il tempo trascorso di ricetta fase (min) e la corrispondente velocità girante (rpm) nelle caselle del campo di testo. Il profilo viene visualizzato automaticamente nel grafico.
      Nota: ad esempio, la velocità dell'agitatore è aumentata gradualmente da 20 giri/min da 100 giri/min a 300 giri/min, e ogni valore viene mantenuto per 4 minuti al fine di garantire una coppia stabile del segnale (veda la discussione qui sotto). La velocità di minimo e massimo, nonché l'importo dell'aumento può essere regolata per le navi e agitatori differenti.
      Nota: Selezionare l'intervallo di velocità con attenzione per quanto riguarda la risoluzione del sensore di coppia, la coppia nominale e la formazione di vortice. Quest'ultimo spesso si verifica in bioreattori unbaffled agitati a velocità più elevate e può causare danni per il misuratore di coppia.
   2. Fare clic sul pulsante Salva , selezionare il percorso del file desiderato e digitare un nome file nel campo di testo. Premere il pulsante OK per salvare il file.

3. installazione del sensore di coppia

Nota: La messa a punto sperimentale è rappresentato schematicamente nella Figura 1.

1. Installare il trasduttore di coppia in un supporto appositamente progettato che incorpora l'aria cuscinetto (vedere Figura 1) utilizzando le viti per fissare il sensore in posizione. Il cuscinetto di aria utilizzato in questo studio ha un materiale con un diametro interno di 13 mm boccola di carbonio poroso.
   1. Montare il motore agitatore di servomotori brushless sulla parte superiore del supporto. Difficoltà il trasduttore di coppia al titolare verticale utilizzando quattro viti di montaggio.
   2. Collegare l'albero motore all'albero di azionamento del trasduttore coppia utilizzando un metallo soffietto accoppiamento che può compensare piccoli disallineamenti assiali degli alberi e serrare il giunto mediante viti. Unire l'albero agitatore con l'asta di misura del trasduttore di coppia utilizzando un altro giunto a soffietto metallico.
      Nota: In questo studio, specificamente progettato alberi girante con un diametro di 13 mm (tolleranza:-0,0076 mm) e con lunghezze di tra 270 e 520 mm sono stati usati per i diversi vasi studiati.
2. Montare il supporto del sensore sulla piastra di testa di bioreattore e installare le giranti sull'albero agitatore con la clearance di sconto inferiore desiderata. Montare i deflettori e installazioni aggiuntive (ad es. tubi di campionamento e raccolta, sensori elettrochimici, ecc.) all'interno del bioreattore se necessario.
3. Installare il bioreattore desiderato in nave titolare se richiesto (bioreattori #1, #3 e #10) o posizionare la piastra di testa sul serbatoio del bioreattore (bioreattore #2) e serrare la piastra di testa con viti.
   1. Per le indagini di vetro bioreattori, posizionare il vaso di vetro di bioreattore nel supporto.
   2. Per le indagini di bioreattori monouso, smontare la tubazione montata superiore porte e alloggiamento albero girante dalle piastre testa plastica utilizzando utensili da taglio appropriato. Posizionare il contenitore di plastica nel supporto.
4. Posizionare un sensore di temperatura all'interno del bioreattore e collegarlo all'unità di controllo. Collegare il tubo per l'aria pressurizzata per la porta di ingresso del gas del cuscinetto aria e applicare una pressione di circa 5,5 bar fornita da un compressore. Collegare il trasduttore di coppia per il convertitore A/D e la potenza del trasmettitore.

4. le configurazioni del software di acquisizione dati

1. Aprire il software per l'acquisizione di dati del segnale del sensore di coppia e configurare le preferenze di misurazione.
   1. Assicurarsi che i primi due canali nella finestra canali DAQ sono inizializzati e attivo. In questo studio, il segnale di coppia di torsione è stato impostato sul canale 0 e il segnale di velocità di rotazione è stato impostato sul canale 1.
      1. Fare clic sul pulsante aggiornamento Live per visualizzare i valori di misurazione corrente.
   2. Impostare il segnale del canale di coppia a zero se il segnale di coppia assoluto senza rotazione è maggiore di 0,1 MN · m utilizzando il mouse di destra fare clic sulla voce canale nella lista dei canali e selezionando l'opzione saldo Zero .
   3. Passare alla pagina scheda DAQ e definire una frequenza di acquisizione di dati di 2 Hz dall'elenco del menu a discesa. Utilizzare le opzioni immediatamente al lavoro inizio e durata dagli elenchi a discesa per impostare l'inizio e interrompere l'acquisizione di dati, rispettivamente.
   4. Definire un intervallo di tempo per la durata del campione che è più del tempo necessario per completare la misurazione (ad esempio, utilizzare 1H 0 m 30 s per una ricetta di un'ora definita nel secondo passaggio).
   5. Passare alla pagina delle impostazioni di archiviazione dei dati e selezionare l'opzione info ASCII + canale dall'elenco a discesa per impostare il formato di File per i dati di salvataggio file. Impostare un percorso di file sul disco rigido del PC per la misura file di Output.

5. eseguire la misurazione della coppia

1. Avviare l'acquisizione di dati per il segnale di coppia nel software di acquisizione dati e controllo per il misuratore di coppia facendo clic sul pulsante Avvia nella pagina dei menu lavoro DAQ .
2. Avviare l'acquisizione di dati per la temperatura e la velocità dell'agitatore del bioreattore software di controllo unità facendo clic sul pulsante DAQ inizia nella pagina della scheda Impostazioni .
3. Avviare il controllo agitatore del software di unità di controllo con un set-point manuale o il regime di pre-definita ricetta.
   1. Se viene eseguita una singola misurazione, è possibile utilizzare la voce di casella di controllo nella pagina della scheda principale del software di controllo bioreattore. Digitare il set-point desiderato nella casella di testo e clicca sulla voce 'Controllo agitatore su'.
   2. Se sono condotte misurazioni multiple con una ricetta, passare alla pagina scheda fasi e fare clic sul pulsante Start .
      Nota: Il software disattiverà automaticamente tutte le caselle di immissione manuale per tutta la durata della ricetta e si apre automaticamente una finestra per confermare la fine del processo.
4. Nel software di acquisizione dati, una finestra si apre automaticamente dopo la durata di misura pre-definita. Salvare i dati per ogni misurazione sull'operatore PC, preferibilmente sul disco rigido, fare clic sul pulsante Salva dati ora .
5. Ripetere la misurazione per ciascuna velocità agitatore desiderata senza e con liquido all'interno del recipiente di bioreattore.
   1. Versare acqua (o la soluzione di saccarosio) attraverso un imbuto in bioreattore.
      Nota: Assicurarsi che il liquido copra completamente le giranti poiché giranti (parzialmente) esposti possono provocare indesiderate forze assiali, che potrebbero danneggiare il sensore di coppia.

6. valutazione dei dati

Nota: I valori di coppia ottenuto nel recipiente vuoto (morto coppia) corrispondono alle perdite di attrito residuo del cuscinetto e devono essere sottratti dai valori determinati nel liquido al fine di ottenere i valori di coppia effettiva (Vedi EQ. 1).

1. Media i valori di coppia per ogni velocità agitatore misurato dopo un segnale quasi-stabile è stato raggiunto (Vedi la discussione qui sotto). Idealmente, è possibile calcolare il valore medio su un periodo di almeno 2 min per ogni condizione, corrispondenti ai punti di 240 dati a una velocità di misurazione di 2 Hz.
2. Utilizzare un codice Matlab per l'elaborazione dei dati eseguendo il codice dalla riga di comando software.
   Nota: Il codice viene fornito per il download nella sezione supplemento di questo manoscritto. Questo script consente di importare file di dati raw dalla registrazione dei dati, calcola la velocità media di rotazione di fase, il numero di Reynolds (da EQ. 3 Basato su input dell'utente) e valori di coppia per ciascuna delle fasi, Visualizza i risultati e memorizza i risultati in un secondo testo file, che quindi può essere utilizzato per elaborare ulteriormente i dati.
3. Sottrarre i valori della coppia ottenuti nel recipiente vuoto da quelli misurati nel liquido per ottenere i valori di coppia effettiva.
4. Calcolare la potenza in ingresso e numero adimensionale potere dai valori di coppia mediato nel tempo secondo EQ. 1 ed EQ. 2.

Risultati

Gli ingressi di potenza in diversi bioreattori multi-uso e monouso con volumi di lavoro tra 1 e 10 litri sono stati determinati. I dettagli geometrici sono riassunti nella tabella 2. In caso i vasi monouso, il top montato porte della tubazione e alloggiamenti albero girante ha dovuto essere rimosso dalle piastre testa al fine di adattare i vasi nel porta vaso. Inoltre, gli alberi di plastica incorporati sono stati fissati all'albero in acciaio inox che è stato utilizzato in combinazione con il cuscinetto di aria, ma senza ulteriori modifiche sono stati richiesti.

La coppia è stata misurata per velocità girante tra 100 e 300 giri/min nei vasi unbaffled e tra 100 e 700 giri/min nei vasi sconcertati, corrispondente ad una velocità di punta massima della 1,13 relativa^-1 e 1,54 relativa^-1 (Vedi EQ. 4), rispettivamente.

(4)

Le velocità agitatore definiti all'estremità inferiore sono state limitate dalla precisione di misurazione del sensore di coppia e la deviazione standard relativa di riproducibilità di ± 0,2% e < 0.05% della coppia nominale rispettivamente (specificato dal produttore³⁶). Inoltre, la velocità massima agitatore sono stati definiti dalla coppia nominale (0,2 Nm), in particolare per il serbatoio di 10 L studiato e formazione di vortice nei vasi unbaffled. Al fine di evitare di danneggiare il sensore, la coppia massima durante la misurazione è stata definita al 60% della coppia nominale (0.12 Nm) e la profondità del vortice era limitata a circa 20 mm basato su ispezione visiva.

Con l'aumento graduale nelle velocità di rotazione dell'agitatore, un profilo di coppia tipico è mostrato nella Figura 2. Il segnale di coppia di torsione aumentata con ogni passo aumento la velocità di rotazione, come previsto da EQ. 1. I valori di picco del segnale di coppia sono stati osservati dopo ogni regolazione della velocità girante, che può essere spiegata tramite l'accelerazione iniziale del liquido ed il controllo di PID della velocità dell'agitatore. Quasi stabile misure sono state ottenute dopo 1 min circa, a seconda della velocità di rotazione e la girante. Il residue fluttuazioni intorno il tempo media valore di coppia della fase individuale erano solitamente circa 5% del valore medio per la maggior parte delle giranti e velocità di agitazione studiato.

Per ulteriore valutazione, sono stati utilizzati i valori di coppia di fase media, considerando che il picco di coppia dopo ogni regolazione di velocità è stato ignorato. Base alla frequenza di misurazione di 2 Hz, i valori misurati delle coppie (T_L) rappresentata la media di un minor numero di punti 240 dati, che ha fornito una certezza statistica sufficientemente elevata, e le deviazioni standard relative di questi valori medi sono stati inferiori al 3% per la maggior parte dei punti di misura, che indica i segnali di misurazione stabile. Interessante, le deviazioni standard in genere è diminuite con l'aumento della velocità di agitazione, che indica che l'importanza relativa delle suddette fluttuazioni diminuiscono con maggiore agitazione.

Come è stato dimostrato precedenti³⁵, la coppia di morta, cioè la coppia misurata senza liquido all'interno della nave, che può essere un risultato di perdite di attrito nel cuscinetto, guarnizioni e l'azionamento del motore o piccole piegature in o squilibri dell'albero della girante (specialmente in gli alberi in plastica monouso), possono essere sostanzialmente ridotti mediante l'uso del cuscinetto di aria. In generale, i valori di coppia morto degli agitatori in acciaio inox erano più piccoli di quelle fatte della plastica. Ciò può essere spiegato dal più alto livello di rigidità degli alberi in acciaio, che si traduce in oscillazione inferiore durante la rotazione. Per la maggior parte degli Agitatori usati, le coppie di morta residua con il cuscinetto di aria erano più bassa come 0,5 MN · m e, di conseguenza, di sotto o vicino la risoluzione del sensore di misuratore di coppia applicata (0,4 MN · m). il più alta coppia residua morta è stata osservata nel bioreattore #6, che utilizza un fermo albero girante sul fondo del vaso. Durante la rotazione, albero della girante si scontrò con quello del fermo, che può anche essere osservato durante gli esperimenti di coltivazione, con conseguente attrito supplementare.

Come si può vedere dalla Figura 3, dopo il calcolo della potenza ingressi dalle coppie efficace (basata su EQ. 1) e li stampa in funzione dei numeri di Reynolds (EQ. 3), profili individuali sono stati ottenuti per ciascuno dei media modello testato. In ognuna di queste curve, l'input di potere aumentato il numero di Reynolds maggiore e le piste erano vicino il rapporto P_L Re³. Questa correlazione è ottenibile da EQ. 2 e 3 EQ. quando assumendo un diametro di numero e girante di potenza costante. Questo è stato trovato per tutti gli agitatori testati con R² > 0,99. 

Dai dati sperimentali ottenuti coppia, le caratteristiche di potenza di tutti gli agitatori studiati sono stati infine calcolate sulla base EQ. 2 (Vedi Figura 4, Figura 5, Figura 6). La turbina Rushton standard è stata utilizzata come riferimento con i numeri di potere ben documentato nella letteratura^{1,16,17,18,19,20, 21,22,23,24,25}. Come si può vedere dalla Figura 4a, il numero di potenza nel più piccolo vaso 2L (bioreattore #1) è diminuito a bassi numeri di Reynolds (100 < Re < ≈500) da P₀ = 6.3 a P₀ ≈ 3.3 prima aumentò di nuovo sopra Re ≈ 2000. Un numero quasi costante potenza di P₀ = 4.17±0.14 è stata ottenuta in condizioni completamente turbolente (Re > 10⁴). Un valore comparabile di P₀ = 4.34±0.22 è stata determinata per la più grande nave con volume di lavoro di 10 L (bioreattore #2), mentre alcune deviazioni tra le due scale sono state trovate per la gamma di transizione con 600 < Re < 10⁴ (Vedi figura 4a). Tuttavia, le tendenze qualitative in entrambe le scale concordato pienamente con letteratura dati^1,19, dove è stato l'input di potere di una sola turbina Rushton in 20 L¹ e 40 L¹⁹ lavoro volumi determinati, rispettivamente. Si noti che i numeri di potenza per la gamma turbolento sono fino al 25% inferiore rispetto a quanto previsto dai dati di riferimento di P₀ ≈ 4,7¹⁹ e P₀ ≈ 5.5¹. Tuttavia, diretto confronto è spesso difficile a causa delle tecniche di misurazione differenti utilizzate come pure le deviazioni dei parametri geometrici, tra cui il rapporto di diametro (d/D), la clearance di sconto inferiore (z/d_M) e il fondo del serbatoio e deflettore di geometria. Altri ricercatori hanno trovato i numeri di potere per turbine Rushton nei vasi sconcertati in una gamma di 3.6 a 5,9, a seconda dell'agitatore e la geometria della nave usato^{17,18,21,24, 27,29,37,38}. Così, si può affermare che i risultati attuali sono stati soddisfacenti.

In Figura 4b, i numeri di potere dei bioreattori #3 e #4, con volumi di lavoro 1 e 2 litri rispettivamente, vengono confrontati per i numeri di una vasta gamma di Reynolds. I valori di₀ P i due agitatori geometricamente simili è diminuito continuamente la gamma di transizione ed è diventato costanti (bioreattore #3: P₀ = 3.67±0.06; bioreattore #4: P₀ = 4.46±0.05) alle turbolenza pienamente sviluppata con Re > 10 ⁴, un criterio che precedentemente è stato trovato per la turbina Rushton e altri agitatori³⁸. Interessante, un offset quasi costante tra le due scale è stato osservato, che può essere spiegata da differenze nelle geometrie nave e girante. Anche se la configurazione di girante nei due vasi è simile, non era possibile mantenere tutti i parametri geometrici costante. Ad esempio, la nave di 1 L è dotata di solo due deflettori incorporati, mentre l'imbarcazione 2L era equipaggiata con tre deflettori. È noto che il numero di potenza aumenta come il numero dei deflettori aumenta, fino a quando una condizione di rinforzo critico è raggiunto³⁸. Inoltre, la forma del disco girante nel vaso più piccolo doveva essere modificato per la producibilità, che potrebbero avere un'influenza sull'ingresso di alimentazione. Dovrebbe anche essere notato che i valori di coppia misurata nel vaso più piccolo erano solo tra 4,2 MN · m e 12,8 MN · m, che corrisponde solo fino al 6% della coppia nominale del misuratore di coppia usato. In questa gamma, piccole deviazioni del segnale di misura possono avere un impatto significativo sui risultati. Poiché nessun dato di confronto da misure di riferimento è disponibile, è difficile trarre conclusioni definitive sull'affidabilità di misura utilizzato in questo studio su scala più piccola e ulteriori indagini sono necessarie.

La figura 5 Mostra le caratteristiche di potenza dei bioreattori monouso disponibili in commercio tre indagati. In contrasto con i vasi sconcertati, i numeri di potere degli agitatori monouso è diminuito continuamente sopra i numeri della gamma completa di Reynolds studiati (100 < Re < 3·10⁴), e non valori costanti sono stati ottenuti grazie alla progressivo vortice formazione al prezzo di agitazione elevata nei vasi unbaffled. I più alti numeri di potere di tra P₀ ≈ 6 e P₀ ≈ 1.8 sono stati ottenuti per il bioreattore #5, che è agitato da una girante a pale radiali pompaggio e una girante a pale segmento assialmente pompaggio con lame a 45 ° si accamparono.

Come previsto, bassa potenza numeri di tra P₀ ≈ 5.1 e P₀ ≈ 1.1 sono stati ottenuti per il bioreattore #7, che è agitato da due giranti di lama di segmento con 30 ° si accamparono lame risultante in un flusso prevalentemente assiale. È noto che i giranti assiali hanno più piccoli numeri di potenza rispetto a giranti di lama a flusso radiale a causa le resistenze di flusso inferiore del tetto spiovente lame³⁸. Si noti che i dati sperimentali sull'ingresso di potenza nel bioreattore #7 che sono stati precedentemente segnalati³² sono leggermente più elevati (ad esempio P₀ = 1,9 per Re = 1.4·10⁴). Tuttavia, i dati precedentemente pubblicati hanno mostrato lo stesso rapporto di P₀ Re^-0.336 come si trova nello studio presente. Le tecniche di misurazione differenti possono essere responsabile per i diversi valori assoluti.

Tra l'indagato bioreattori monouso, il bioreattore #6, che è mixato da un fondo vicino Marino girante, aveva i numeri più bassi di potenza nella gamma di P₀ ≈ 0,8 e P₀ ≈ 0,3 (Vedi Figura 5). Questo ingresso di bassa potenza può essere spiegato dal passo basso girante, anche se analisi fluidodinamica computazionale (CFD) hanno mostrato una componente di flusso radiale piuttosto dominante intorno la girante lame³⁹. Buon accordo dei risultati correnti e dati pubblicati da³⁹ ed esperimenti di modelli CFD³² può essere dichiaratoe.

Infine, la configurazione di misura è stata utilizzata per studiare l'influenza dell'angolo girante diametro e lama nel bioreattore #7. Come si può vedere dalla Figura 6, tutte le curve di potenza diminuiscono continuamente sopra i numeri della gamma completa di Reynolds, come previsto. Differenze significative sono state ottenute fra gli angoli di due lama (30° e 45°), dove l'angolo della lama più grande aveva più ingressi di alimentazione (con 30°: 1.13 < P₀ < 4,25 e 45 °: 1.65 < P₀ < 4,46) indipendentemente dalla turbolenza (cioè Reynolds numero). Questo è noto anche per la classica lama spiovente giranti⁴⁰ e ancora può essere spiegato con la maggiore resistenza di flusso attorno alle lame con passo più forte. È interessante notare che, nessuna differenza significativa nei numeri potenza tra i due diametri girante sono stata rilevata. Questo è stato trovato anche per giranti di tetto spiovente lama, considerando che i numeri di potere di giranti a flusso radiale lama in genere tendono a diminuire man mano che aumenta il rapporto d/D⁴⁰.

Figura 1: schematica del test setup. L'installazione consiste del serbatoio (1) miscelazione, (2) nave titolare, (3) cuscinetto gabbia con aria boccola, misuratore di coppia (4), azionamento del motore (5), convertitore A/D (6), unità di controllo (7), PC (8) per acquisizione dati e controllo. Aria pressurizzata (5,5 bar) è stata fornita per la boccola di aria, come raccomandato dal produttore. Sono anche indicate le principali dimensioni geometriche della vasca di miscelazione e l'agitatore. Questa figura è stata modificata da³⁵. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 2: profilo di misura tipica con un aumento graduale della velocità di rotazione dell'agitatore (cioè N₁ < N₂ < N₃) in intervalli di 5 min, come indicato dalle linee tratteggiate verticali. Le linee tratteggiate orizzontali rappresentano un intervallo di confidenza del 5% intorno ai valori di coppia una media di tempo per le fasi corrispondenti (indicate dalle linee solide orizzontali). I valori di picco sono stati osservati durante il primo minuto di ogni intervallo, che può essere spiegato con l'accelerazione iniziale del liquido interno i serbatoi e il PID basato su controllo della velocità dell'agitatore. Per ulteriore valutazione, solo il segnale di coppia durante la fase stabile quasi è stato usato, dove il segnale di misura ha oscillato intorno alla media media valore entro l'intervallo di confidenza del 5%. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 3: calcolato input di potere nel bioreattore #1 in funzione del numero di Reynolds per media di modello diverso. Profili individuali sono stati ottenuti per ciascuno dei media modello testati. Le linee continue rappresentano stime modello supponendo che P Re³ e ottimo accordo con i dati sperimentali è stato trovato (con R² > 0,99). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 4: determinati numeri di potenza in funzione del numero di Reynolds in serbatoi sconcertati. (a) il confronto dei dati da Rushton turbine nei serbatoi piccoli e grandi (con 2 L e 10 L di volume di lavoro rispettivamente) dimostra che i numeri adimensionali potenza per condizioni completamente turbolente sono uguali tra le due scale. Piccole deviazioni sono state trovate per la gamma di transizione con Re < 10⁴, dove il numero di potere aumentato il numero di Reynolds è aumentato. (b) il confronto dei dati dalle sfilate bioreattori #3 e #4 una diminuzione qualitativamente simile dei numeri potenza come il numero di Reynolds è aumentata fino a quando si ottengono valori stabili in condizioni completamente turbolente. I numeri di potenza per il bioreattore 1L mostrano fluttuazioni superiore rispetto alla controparte 2L. Nessun dato per la nave di 1 L sono stato ottenuto per numeri di Reynolds nella gamma 550 < Re < 950 quando si utilizza gli stessi supporti di modello come la nave di 2L. L'offset quantitativa tra le scale può essere spiegata da differenze nelle geometrie nave e agitatore o potrebbe essere un risultato di sensibilità del sensore. Ulteriori indagini sono necessarie. Le linee continue rappresentano modelli di regressione polinomiale. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 5: determinati numeri di potenza in funzione del numero di Reynolds per diversi monouso bioreattori. I numeri di potenza per ciascuna delle navi in diminuzione come i numeri di Reynolds è aumentati. In contrasto con i vasi sconcertati, nessun numero di potenza stabile sono stato ottenuto a causa della formazione di vortice progressivo al prezzo di agitazione elevata nei vasi unbaffled. Le linee continue rappresentano modelli di regressione polinomiale. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 6: determinati numeri di potenza in funzione del numero di Reynolds per diverse modifiche del bioreattore 7 #. Profili distinti sono stati ottenuti per i due angoli diversi lama di 30° e 45°, ma nessuna differenza significativa tra i due rapporti di diametro girante (d/D = 0,43 e d/D = 0,57) sono stati trovati. I numeri di potere di tutte le configurazioni hanno mostrate una continua diminuiscono sopra i numeri della gamma completa di Reynolds studiati a causa della formazione di vortice progressivo al prezzo di agitazione elevata nei vasi unbaffled. Le linee continue rappresentano modelli di regressione polinomiale. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Concentrazione di saccarosio finale	Liquido di densità ρL	Η la viscosità del liquidoL	Numero di Reynolds Re
(%w/w)	(chilogrammo-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

Tabella 1: Riepilogo di liquido densità e viscosità per selezionati soluzioni di saccarosio a 20 ° C e numero di Reynolds adimensionale risultante per una girante con diametro e velocità di rotazione di 60 mm e 200 giri/min, rispettivamente. Il numero di Reynolds è calcolato usando EQ. 3.

Tabella 2: sintesi dei dati geometrici dei bioreattori studiato. Per favore clicca qui per scaricare questo file.

Discussione

Nonostante l'importanza dell'input di potere (specifico) per la caratterizzazione ingegneristica e scaling-up/down di bioreattori, solo poche pubblicazioni su indagini sperimentali in bioreattori per bilancia da banco, particolarmente monouso sistemi nella una cifra litro range di volume, può essere trovato nella letteratura. Uno dei motivi per questa mancanza di dati può essere visto nelle difficoltà di misure ingresso alimentazione accurata di tali piccole squame. Al fine di superare alcune di queste difficoltà, lo studio presente fornisce un protocollo dettagliato per misure di input potenza coppia basata che sono supportate da un cuscinetto di aria per ridurre al minimo le perdite di attrito del cuscinetto. L'applicabilità del metodo è stata dimostrata utilizzando tre commercialmente disponibili monouso bioreattori così come multi-uso bioreattori in scale tra 1L e volume di lavoro di 10 L.

Basandoci sulla nostra esperienza con le misure di coppia basato, i fattori più critici all'indirizzo sono: 1) riduce la coppia di morta riducendo al minimo le perdite di attrito all'interno i cuscinetti e le guarnizioni, in particolare nel laboratorio scala bioreattori e 2) la selezione di un Misuratore di coppia adatto per le condizioni di dimensione e agitazione di bioreattore desiderata. Come è stato dimostrato precedenti³⁵, la coppia morta può essere drasticamente ridotto mediante l'uso di un cuscinetto di aria. Nello studio presente, una boccola di aria basso costo materiale poroso carbonio è stata utilizzata. La coppia residua nei vasi vuoti testati erano in genere sotto 0,5 MN · m con tassi di agitazione fino a 900 giri/min, corrispondente alla velocità di punta di girante di fino a 3 relativa^-1. Al contrario, la coppia morta del bioreattore #6 con il cuscinetto albero meccanico incorporato era, per esempio, tra 9,4 MN · m e 20 MN · m, e i valori comparabili di circa 3 MN · m inoltre sono stati segnalati per il bioreattore #7³². Si tratta di circa un ordine di grandezza superiore rispetto i valori ottenuti nel setup sperimentale proposto.

Oltre il cuscinetto di aria, il misuratore di coppia utilizzato è il componente più critico. Un misuratore di coppia disponibili in commercio che è stato progettato per la misura statica e dinamica di coppia, velocità di rotazione e angolo di rotazione è stato selezionato per questo studio. Considerando i bioreattori di interesse con volumi di lavoro massimi di 10 L e gli agitatori corrispondenti, una coppia nominale di 0.2 Nm è stato scelto. È stato trovato che un'elevata riproducibilità con deviazione standard relativa di replica < 5% e misurazioni affidabili possono essere ottenute per coppie efficace à partir 2 MN · m, corrispondente al solo 1% della coppia nominale. Quindi, il campo di misura del sensore applicato nello studio presente era significativamente più ampio di risultati che sono stati pubblicati sulla base di un studio interlaboratorio dei membri del gruppo di lavoro tedesco GVC-VDI⁴¹di miscelazione.

Tuttavia, la gamma della velocità agitatore deve essere accuratamente scelte per quanto riguarda la risoluzione del sensore di coppia, la coppia nominale e la formazione di vortice. Quest'ultimo spesso si verifica in bioreattori unbaffled agitati a velocità più elevate e può causare danni per il misuratore di coppia. Entrambe le velocità minime e massime realizzabili agitatore possono essere limitante fattori del metodo descritto in questo studio. Oltre al nostro precedente lavoro³⁵, questo studio inoltre coinvolto il bioreattore #3, il membro più piccolo in famiglia di bioreattore vetro fornito dal produttore, che è agitato da due stadi giranti con diametro di 42 mm. Una caratteristica di potenza paragonabile a quella nel bioreattore geometricamente simile #4 è stata ottenuta con la messa a punto sperimentale presentato. Questo è importante in quanto la coppia di bilance con M d⁵ per una determinata densità di liquido, geometria della girante (cioè numero di potenza) e velocità di rotazione (Vedi EQ. 1 ed EQ. 2). Di conseguenza, una coppia girante inferiore a circa il 40% deriva da un 10% più piccolo diametro della girante, per esempio. Tuttavia, velocità di rotazione più elevati nella scala 1 L rispetto alla scala di 2L sono stati richiesti durante il funzionamento per risolvere la coppia prodotta con il misuratore di coppia disponibile. Dovuto i deflettori incorporati del bioreattore #3, nessuna formazione di vortice è stata osservata, ma questo può diventare un problema con i vasi unbaffled. Va sottolineato che la costante offset i numeri di potenza che è stata trovata fra le due scale possa derivare da imprecisioni di misura causati dalla risoluzione del sensore limitato (oltre alle differenze geometriche). Ulteriori indagini sono necessarie per trarre conclusioni definitive su scala minima alla quale la configurazione proposta è ancora fattibile.

Tuttavia, lo stesso protocollo è stato utilizzato per misure di input di potere in vari vasi di vetro di diversi produttori con volumi di lavoro di tra 1 e 10 litri nel nostro laboratorio. Ciò evidenzia la trasferibilità del metodo usato per la caratterizzazione di sistemi diversi bioreattore. Lo sforzo sperimentale potrebbe essere ridotto da misure automatizzate utilizzando la gestione delle ricette all'interno il sistema di automazione fornito dal software di unità di controllo e il trattamento automatizzato di dati basato su linguaggio Matlab universale.

Inoltre, va notato che, utilizzando il saccarosio contenenti, supporti economici modello newtoniano, un vasta gamma di Reynolds numeri (100 < Re < 6·10⁴), a seconda dell'agitatore e scala, è stato coperto. Va inoltre sottolineato che il limite inferiore del campo di turbolenza è solitamente irrilevante per colture cellulari animali con acqua-come media, anche se vengono utilizzate velocità girante molto basso. Tuttavia, un aumento significativo della viscosità di brodo, che si traduce nel comportamento di smorzamento e anche non-newtoniani di turbolenza è state descritte per funghi - e culture basate sulle cellule della pianta. Per esempio, viscosità apparente in colture vegetali di fino a 400-fold rispetto all'acqua sono stati segnalati⁴², che conduce a molto più bassi numeri di Reynolds.

Infine, utilizzando il bioreattore #7 come un primo caso di studio, è stato dimostrato che la messa a punto sperimentale proposto può essere utilizzato per studiare l'effetto delle modifiche di progetto sulla potenza assorbita a scala di laboratorio. In combinazione con tecniche di prototipazione rapida, questo può essere un potente strumento per gli studi di progettazione girante, facenti parti del lavoro futuro.

Materiali

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