シングル利用と標準ポンプに機械的応力を予測するために費用対効果と信頼性の高い方法

要約

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.

要約

バイオ医薬品とバイオテクノロジーの製造工程中の無菌培養液を転送するときにポンプが主に用いられています。しかしながら、ポンピングプロセス中に剪断力は、定性的および/または定量的な生成物の損失につながる可能性が生じます。限定された実験的な費用で機械的応力を計算するために、油-水エマルジ ​​ョン系は、その適合性、バイオリアクター¹における液滴サイズの検出のために示された、使用されました。油 - 水エマルジョン系のドロップ分裂は、機械的応力の関数であるので、液滴サイズは剪断応力調査の実験時間中にカウントされる必要があります。以前の研究では、インライン内視鏡検査は、液体/液体分散液中の液滴の大きさの検出のための正確で信頼できる測定技術であることが示されています。このプロトコルの目的は、ポンピングプロセスにおける液滴サイズの測定のためのインライン内視鏡検査法の適合性を示すことです。液滴の大きさを表現するために、ザウター平均直径D _32は、油-水エマルジ ​​ョン中の液滴の代表径としました。結果は、測定技術の信頼性を示す、15％以下の標準偏差によって定量したザウター平均直径、低変動を示しました。

概要

ポンプは、製薬およびバイオテクノロジー産業で細胞培養物を移すために使用されます。ポンピングプロセスの間、機械的応力は、製品^1〜4の量と質を損なう可能性があり、不可逆的な細胞損傷をもたらすことができます。機械的ストレスのレベルは、以前の研究^5-6で示したように、ポンプの種類とポンプの設定に依存します。一般的に、蠕動、シリンジおよびダイヤフラムポンプは、単回使用（SU）技術ベースのアプリケーションに使用されます。これらのポンプは、ポンプチューブと脈流⁷の圧縮による高い局所せん断力が生じます。

これらの欠点を克服するために、磁気浮上遠心ポンプ（MagLevの遠心ポンプ）は、有望な代替手段を構成しています。モータは磁気羽根車とポンプハウジング（ 図1）との間の狭い隙間を回避するために駆動されます。以前の研究では、MagLevの遠心を調査しました蠕動ポンプと、4ピストンダイアフラム^ポンプ5と比較して、チャイニーズハムスター卵巣 （CHO）細胞において低い機械的応力を示しました。また、溶血分析は、これらのポンプ^8-11を用いた操作条件の範囲にわたって有意な血液外傷および血栓形成を示さありませんでした。調査結果は、これらの特別に設計されたポンプの使用は、蠕動とダイヤフラムポンプと比較して生物学的システムにあまり機械的​​応力を加えることを示しています。限られた実験的な費用で機械的応力を調べるために、油-水エマルジ ​​ョンモデルシステムは、生物学的細胞培養システムと比較して、その費用（ 約 99.8％）と時間の減少（ 約 99.5％）のアプリケーションに推奨されます。

油 - 水エマルジョン系の低下割れは、機械的応力の関数であるように、液滴サイズは、せん断応力の調査の実験時間中にカウントされなければなりません。液滴をサイジングするための多くの技術はwが、利用可能ですHICHは、音、レーザーおよび写真ベースの技術¹²に分割することができます。具体的には、光の光プローブインライン内視鏡の使用は、手動と自動検出のためのほぼ同じ液滴サイズ（10％以下の標準偏差）を示し^、13分あたり250滴を検出することができます。その精度と信頼性のため、内視鏡技術は、液体/液体分散液中の液滴サイズ分布のために効果的な標準測定法であることが示されているので、他の一般的に使用されるプローブ（ 例えば、光ファイバ前後比（FBR）センサーと比較した場合、集束ビーム反射法（FBRM）と2次元光反射率測定法^{（2D-ORM））12,14。}また、攪拌容器に液滴サイズを測定するためのインライン内視鏡検査の適合性は、以前の研究^15-18で数回実証されています。

試験前⁶に基づいて、このプロトコルは説明します液滴の大きさを決定するために、インライン内視鏡検査の使用は、ポンプで油 - 水エマルジョン系の（ザウター平均直径）。ザウター直径マルチユース（MU）MagLevの遠心ポンプ、蠕動及び使い捨て（SU）4ピストンダイアフラムポンプの機械的応力を推定するために比較基準として使用された平均します。

図1は、磁気遠心ポンプシステムを浮上。（A）ベアリングレスモータと（B）PuraLev 200MUの原理を例として示している。 この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。

プロトコル

調査はL minから最大60流量で機械的応力実験を可能^-1、圧力を実行する2バールまで低下パイプで連結されたポンプの設定を（Figu 2の再 ）を用いて行きました。 uが2を再び図1に示すように、実験は、インライン内視鏡検査法のための貯蔵容器、ポンプ回路、および装置から構成されています。貯蔵容器の羽根車は、界面活性剤を混合するために使用されました。周辺素子は、異なるポンプ設定で流速Vと圧力損失Pを監視するために、閉ループ内に組み込まれました。調査はハンドホイール弁を使用することにより変化させました。

1。実験のセットアップ

1. バイオリアクター（D = 0.15メートル、H / D = 2.2）をsurfactaの溶解のためのインペラが装備されていることを確認してくださいNTと入口管はガス入りを回避するために、流体中に浸漬することを確認します。
2. 注射器ポート、調査ポンプ、クランプオン流量計、使い捨て圧力センサとハンドホイールバルブとポンプループを装備。貯蔵容器にポンプループの接続の後、モータにポンプヘッドを接続し、内視鏡プローブを準備します。
3. プローブ先端で、この場合には、変更反射面、ロジウムミラーをマウントし、150μmとミラーとレンズとの距離を調整します。目的のシャープネスを集中する100ミクロンのネジを調整します。
4. 光ファイバ·ケーブルとイーサネットケーブルを介してコンピュータに内視鏡のカメラを介してストロボにプローブを接続します。そして、トリガーボックスケーブルを介して一緒にカメラとストロボを接続してください。
5. コンピューターを起動して、画像取得と認識ソフトウェア、ならびに結果解析ソフトウェアが含まれ、メーカーが提供するソフトウェアを開きます。
6. メインメニューの画像取得ソフトウェアを選択します。
7. カメラを検出するために、画面の左上にある「デバイスの検出」ボタンをクリックします。
8. 「ディレクトリの設定」の下で画像を保存するコンピュータ上の場所を選択し、コマンド「トリガーサブフォルダを作成する」を有効にします。
9. セクションのプロセスパラメータを入力し、「トリガモード：レディ "。
   フレームレート：7.5ヘルツ
   トリガあたりのフレーム数：50
   トリガの数：60
   トリガ間隔：60秒
10. すべての準備作業が完了した後、貯蔵容器に5リットルの脱イオン水を注ぎ、ポンプとポンプループを埋めるためにポンプのスイッチを入れます。
11. ポンプの電源を切り、界面活性剤の0.9ミリリットルを追加します（Cの_{界面活性剤} = 0.18ミリリットルL ^-1、ρ _{界面活性剤、20°C} = 1070キロのM ^-3、臨界ミセル濃度_{（CMC）：CMCω}0;攪拌下で10 mlピペットで≈0.018ミリリットルL _{^-1、CMCωω界面活性剤} ≈10·）。 10分後、界面活性剤が完全に溶解します。
12. インペラの電源を切り、ポンプをオンにします。レンズは、入口管の真下に位置するように内視鏡プローブを配置します。
13. 3.4 Lの分の流速^-1とインペラー速度及びハンドホイール弁を変化させることによって0.03、0.3または0.61バールの圧力降下を設定します。
14. （ _油 = 1.26グラムのL ^-1、ρ _油、20°C = 989.5キロのM ^-3β）を注射器で直接オイルの6.3グラムを計量。
15. 画像取得ソフトウェアを起動し、シリンジポートを介してオイルを追加します。実行中のポンプは、エマルジョン滴を配布します。
16. 1時間後、せん断応力の調査を終了し、バイオリアクターと同様のインライン型内視鏡をきれいに統合されたポンプループを有します。続いて、次のポンピングプロセスのための実験を​​準備します。

2.測定と画像解析

1. メインメニューで自動画像認識ソフトウェアを開きます。
2. 「バッチのルートディレクトリ」の下にファイルを保存するコンピュータ上の場所を選択します（すべての* .csv）に。
3. コラム「画像シリーズのパス」を選択し、ボタンをクリックして画像シリーズをロードするために、画面の左下隅にある「画像シリーズサブフォルダを追加します」。
4. 製造業者によって提供されているプロセスパラメータをロードします。コラム「検索設定（* .pssまたはauftrag _ *。マット）」を選択し、ドロップ認識を指定するためにプロセスパラメータをロードするには、画面の下の中央にあるボタン「設定検索設定」をクリックします。
5. 列を選択し、「パターン（* .pspまたはF _ *。マット）を検索ボタンをクリックし、「設定された検索パターン」画面の右下隅にドロップ解析を指定するためにプロセスパラメータをロードします。
6. 「バッチを起動」ボタンをクリックすることで、画像認識を開始します。
7. 画像認識が終了した後、直径（D _32）を意味し、または任意の他の代表的な結果は、アナライザソフトウェアを使用して任意の値又は分布を意味するソーターによって検出された液滴サイズを表します。
8. メインメニューの結果解析ソフトウェアを開きます。
9. 以前は、すべての* .csvファイルを保存しロードするには、画面左上に「1フォルダ内のすべての* .CSV "コマンドをアクティブにし、ボタン「ロード·フォルダ（S）」をクリックします。
10. 結果を視覚化するには、画面の上部中央にあるドロップダウンリストで（ 例えば、ザウター平均直径）関連値を選択します。直径の計算のために、製造業者によって提供されて、右、上0.6591ミクロンピクセル^-1のスケーリングを入力してください。

図2実験セットアップの測定手法としてインライン内視鏡を使用してパイプ·ポンプの設定のためのポンプ回路：（1）貯蔵容器、（2）シリンジポート、（3）ポンプ、（4）圧力センサ、（5）流量センサ、（ 6）ストロボ、製造元が提供するソフトウェアと（7）コンピュータ、および（8）内視鏡プローブ。 この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。

結果

光学評価

uが3を再び図1時間の励起時間の後、粒子認識画像を示します。上部の4つの画像は、認識の前に低下し、下4つの画像が認識ソフトウェアでマークされた液滴を示す表示されます。検出された液滴は緑のエッジにハイライト表示さ​​れます。上下の画像を比較することドロップエッジが正確に画像認識ソフトウェアによって検出されたことを示しています。左の画像は、MagLevの遠心のドロップ分布はPuraLev 200MUとPuraLev 600MUをポンプ示し、右側のものは4ピストンのダイヤフラムと蠕動ポンプを示しています。光学的評価は、モデルエマルジョン系に機械的ストレスの初期分類を可能にしました。これは、より大きな滴サイズと低いドロップカウントが4ピストンdiaphrと比較MagLevの遠心ポンプによって生成されたことを明らかにしましたAGMと蠕動ポンプ。したがって、MagLevの遠心ポンプ、特にPuraLev 200MUは、低い機械的応力を示す、縮小落下破損を示しました。

インライン内視鏡の図3の画像。エマルジ ​​ョンは、（（A、E）PuraLev 200MUを用いてポンプの1時間後にする前に（A、B、C、D）と後（E、F、G、H）の粒子認識を低下B、F）PuraLev 600MU、（C、G）4ピストンダイヤフラムポンプ、および（D、H）同一の動作条件下で蠕動ポンプ（3.4 L分^-1および0.03バール）。 表示するにはこちらをクリックしてくださいこの図の拡大版。

ザウター私直径

さらなる調査がd _32±0.4ミクロン以下の標準偏差を明らかにし、インライン内視鏡^19を使用するときに再現性のある結果を保証しました。したがって、複数の調査はさらに、実験費用を低減し、このアプローチのために必要されていませんでした。

液滴の大きさを表現するために、ザウターは直径d _32を意味する（式1参照）、このアプローチのために、油-水エマルジ ​​ョン中の水滴の代表径としました。一般的に、ザウター平均直径定常状態^12に到達するまで、すべてのポンプタイプとポンプの設定のための時間をかけて減少しました。本研究における調査ザウターの進行は平均直径を確認した（ 図uはDに4Aを再）、uは＆再 PuraLev 200MU（ 図の曲線＃160; 4A）および例示的に、このプロトコルで説明されている蠕動ポンプ（ 図uは4Dを再 ）。

PuraLev 200MUとは対照的に、ザウターは直径が同じ動作条件での蠕動ポンプのための小さい40％（;圧力降下= 0.03バール、流速= ^-1分3.4 L）までであった意味します。その結果、より高い機械的応力が大きく低下分裂、したがってより小さい滴サイズが得られました。さらに、ザウター平均直径圧力降下に液滴サイズの依存性を示したPuraLev 200MU（ 図4A uは再 ）で増加する圧力降下と共に減少しました。対照的に、蠕動ポンプは、ザウターは（すべてのプロセスパラメータの実験の終了時に図のD _32,60min =10μmの平均直径を示しましたu）は、4Dを再び 。したがって、ザウター直径は圧力降下とは無関係であることが見出された平均します。しかし、結果はドロップ崩壊の物理的理解を反映：高い機械的ストレスで、小さいザウター平均直径は（uは5を再も、 図を参照）を決定しました。

各測定点は、少なくとも300滴統計的確実性を保証するために測定しました。最大の標準偏差は、ポンピングプロセスの最後に約Dに21ミクロン±Dの_32,6minから42ミクロン±とPuraLev 600MUのためのD _32,4minからPuraLev 200MUのために_32±0.5μmで減少しました。定常状態に達するまで減少し、標準偏差が大きく均一な液滴サイズ分布から得られました。比較T INMagLevの遠心ポンプO、蠕動と4ピストンダイヤフラムポンプは、D _32±10ミクロン以下の標準偏差を明らかにしました。

（1）

ザウターの図4.代表的なプロファイルは、直径が時間をかけて₃₂日間測定ザウター平均直径の決意で_{あり、mが32を} dは意味します。ザウターの比較は、直径がPuraLev 200MU、蠕動ポンプ4ピストンダイアフラムポンプのPuraLev 600MUための（B）、（C）及び_{（D）、32（A）}の dを意味します。ザウター平均直径は₃₂分^-1 3.4 Lの流量で測定されたDおよび圧力は、0.03〜0.61バールの範囲で低下します。測定ザウター平均径D _32は、mが最後の10分（境界）を計算しました。ザウター平均直径の結果として得られる標準偏差は_{32（N≥300）}が示されている日間。 この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。

比較システムとして測定ザウター平均直径

上述したように液滴サイズが定常状態に達するまで、ザウター平均直径は、時間とともに減少しました。実験時間の最後の10分で、ザウター平均値直径を比較基準として使用された直径を意味測定ザウターを決定するために計算された平均値（uは図4A-Dを再図の境界線を参照）。測定ザウター平均直径が_{32 D、Mは、3.4} Lの流量のために示されています＆＃160;分^-1および0.03からuは5を再度図 0.61バールの圧力降下範囲。大きな測定ザウター平均直径は、両方のMagLev遠心ポンプ（200MUと600MU）と低い圧力が低下し、インペラ速度で4ピストンダイヤフラムポンプについて決定しました。蠕動ポンプは、ザウターは、すべてのプロセスパラメータのためのD _32、M = 10ミクロンの直径を意味する測定が明らかになりました。前述のように、剪断力は、蠕動ポンプの圧力降下とは無関係でした。

PuraLev 200MUとPuraLev 600MUのためのD _32、M = 34ミクロンのためのD _32、M = 36ミクロンの最大測定ザウター平均直径は0.03バールの圧力低下で得られました。それらの対応と比較して、59％より大きいまで得MagLevの遠心ポンプシリーズは、ザウターは直径を意味する測定。これらの結果Sは、ドロップ崩壊の低い速度と遠心ポンプを使用した結果このように低い機械的応力を示しました。

定常状態の間に測定ザウター平均直径の標準偏差は、それによって、液滴サイズのために信頼性が高く、正確な値を確認し、15％未満でした。

測定ザウター平均直径の図5の比較では_32、Mを dは。測定ザウターは、最小3.4 LでMagLevの遠心ポンプとの対応のための直径を意味する^-1および0.03、0.30および0.61バールの圧力低下。測定ザウター平均直径の標準偏差が得られ、定常状態中_、mが示され_、32日間。

略語 PLEASEこの図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

2D-ORM	二次元の光反射率の測定
CCD	電荷結合素子
CHO	チャイニーズハムスター
CMC	臨界ミセル濃度
FBR	前後比
FBRM	集束ビーム反射率法
MU	マルチユース
SU	使い捨ての

命名

	[M 3秒-1]	流量
C言語	[M 3メートル-3]	濃度
D 32	[M]	ザウター平均直径
D 32、M	[M]	測定ザウター平均直径
D S	[M]	面径
DのV	[M]	体積直径
F	[Hz]の	周波数
N	[秒-1]	インペラー速度
N	[ - ]	滴数
P	パ	圧力降下
T	秒	時間
β	【キロM -3]	質量濃度
ρ	【キロM -3]	密度
69;	[M 3メートル-3]	質量分率

略語および命名法の表1表。

ディスカッション

このプロトコルの目的は、ポンピングプロセスにおける液滴サイズの測定のためのインライン内視鏡検査法の適合性を示すことです。この目的のために、決定された油 - 水エマルジョン系のサイズをドロップし、測定ザウター平均直径はMagLevの遠心の機械的ストレスがそれらの対応、蠕動4-ピストンダイヤフラムポンプと同様にポンプ特徴付けるために計算されました。結果は、測定ザウターの低い変動がその液滴サイズを確実にかつ正確に測定された15％を表す以下の標準偏差によって定量化した直径を意味示しました。その結果、測定ザウター平均粒径が正常調査ポンプの機械的ストレスを評価するために比較基準として使用することができます。 MagLevの遠心ポンプは、蠕動と4ピストンダイヤフラムポンプと比較して、乳化液滴の低い機械的応力を示す、より大きな測定ザウター平均直径を明らかにしました。スタッドでこれまでのIES、インライン内視鏡検査は、また、この調査により確認された信頼性の高い液滴サイズ測定^{1,6,12-14,20-21}に対する堅牢かつ簡単な方法であることが示されています。このような光ファイバFBRセンサなどの代替測定技術に比較して、FBRM及び2D-ORM技術は、内視鏡技術は、液体/液体アプリケーション^12,14に正確なデータを得るための標準的な方法として使用することができます。

インライン内視鏡検査および非生物学的油 - 水エマルジョン系の簡単な製造の容易な取扱いは（上記参照）のプロトコル·テキストに従って滴サイズの検出のための簡単​​な手順を可能にします。それにもかかわらず、内視鏡プローブの位置は、貯蔵容器内の流体の流れに依存することが言及されるべきです。さらなる調査（データは示さず）は、プローブのレンズL 5分までのより低い流量用の導入管の真下に配置されるべきであることを明らかにした^-1一滴¹⁹の複数の検出を避けるために。 ^-1分5リットル以上の流量で鮮明な画像のためには、10 cm以上離して導入管からのプローブを配置することをお勧めします。プロセスパラメータとは独立して、インライン内視鏡検査のホルダーはぼやけた画像をもたらすことができるプローブの移動を防止するために安定でなければなりません。

また、特に検出された液滴サイズは、検出可能な最小ドロップ径は6.5μmで適用される光光学系、検出下限に近いことに留意すべきです。メーカー提供のソフトウェアが改善されているように、インライン内視鏡検査技術は確実に1ミクロンの最小の液滴サイズを検出することができます。また、画像処理は、さらに、工業的用途のオンライン監視を可能にするために開発されます。

本研究は、最大3.4 Lの比較的低い流量に焦点を当てながら、 60; ^-1 MIN、今後の研究では、動作条件の広い範囲を検討する必要があります。最初の調査は、最小^-1（データは示していない）20 Lまでの流量で行いました。しかし、1：2希釈（C _{界面活性剤} = 0.09ミリリットルL ^-1、 _油 = 0.64ミリリットルL ^-1 C）油-水エマルジ ​​ョン系のは、増加したドロップ分裂として^、1分あたり¹⁹ 10 Lにわたって流量で推奨されます高い機械的ストレスによって引き起こされると、そうでなければ検出ドロップ影響し、検出された液滴の数を減少させるであろう。試験は1で実施した：2希釈および未希釈油 - 水エマルジョン系の結果​​と比較しました。両方のアプローチについては、ザウター平均直径は確実に（5％以下の標準偏差）を測定しました。したがって、減少した体積分率（1：2希釈）を測定ザウター平均直径に影響を与えなかった、従って、ドロップドロップ崩壊はごくわずかでした。

NT ">これらの強力な実験的アプローチは、内視鏡検査技術の向上だけでなく、関連する画像取得、認識と結果アナライザソフトウェアのための良好な基礎を提供する。また、内視鏡技術の適合性は、それらの機械によるポンプタイプとシリーズを分類します応力をうまく実証された。得られた結果をポンプ設計の開発と細胞損傷を低減するために、ポンプの最適化のために必須です。

資料

Name	Company	Catalog Number	Comments
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)