Name: power input measurements in stirred bioreactors at laboratory scale
Uploaded: 2018-05-16T12:30:00
Duration: 10 min 49 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Power Input Measurements in Stirred Bioreactors at Laboratory Scale at JoVE.com

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.

1. forberedelse af saccharose løsninger
Bemærk: Saccharose løsninger er brugt som billig, newtonske model medier med forhøjet viskositet, og massefylde for reduceret turbulens betingelser (Se tabel 1).
<ol><li>Udfylde en Duran glasflaske med vand og saccharose i forskellige koncentrationer (20-60 %w/w).</li>
	<li>Bland indholdet med en magnetomrører, indtil saccharose er helt opløst.<ol>
<li>For saccharose koncentrationer på over 40 %w/w, tilsæt saccharose periodisk og varme glasflaske lidt (~ 50 ° C). Lad saccharose løsning køle ned til stuetemperatur før anvendelse.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. forberedelse af en måling opskrift og datalogning

<ol><li>Efter start af softwaren, starte kommunikation med styreenheden ved at vælge den korrekte serielle COM port fra dropdown menuen og klikke på knappen Tilslut . Bemærk: Knappen Tilslut vil ændre farve til grøn og LED under rullemenuen vil tænde, når kommunikationen med styreenheden initieres.</li>
	<li>Oprette data filsti inde bioreaktor kontrol enhed software for at lagre data på operatoren PC.<ol>
<li>Åbne siden Indstillinger fane og ramte mappe-symbolet ud for tekstfeltet Data fil placering .</li>
		<li>I dialogvinduet fil til mappen ønske, Skriv et filnavn i feltet filnavn og klikke på knappen OK . Note: Data log filsti og navn vises i tekstboksen og knappen DAQ start er aktiveret, når en gyldig filsti er defineret.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Oprette en rutine inde opskrift manager bioreaktor kontrol enhed software for at automatisere målemetode.<ol>
<li>Åbn fanesiden opskrift og skrive de ønskede input værdier for opskrift fase forløbet tid (min) og den tilsvarende løbehjul hastighed (rpm) i feltet tekstbokse. Profilen vises automatisk i diagrammet. Bemærk: For eksempel, omrører hastighed øges trinvis med 20 rpm fra 100 rpm til 300 rpm, og hver værdi opretholdes for 4 minutter for at sikre en stabil drejningsmoment signal (Se forklaring nedenfor). De minimale og maksimale hastigheder samt størrelsen af stigningen kan justeres til forskellige røreværker og fartøjer. Bemærk: Vælg hastighedsområde omhyggeligt hvad drejningsmoment sensor opløsning, nominelt drejningsmoment og vortex dannelsen. Sidstnævnte ofte opstår i unbaffled bioreaktorer ophidset ved højere hastigheder og kan forårsage skade på momentmåler.</li>
		<li>Klik på knappen Gem , gennemse hen til den ønskede filsti og skriv et filnavn i tekstfeltet. Tryk på OK knappen for at gemme filen.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. installation af drejningsmoment sensor
Bemærk: Den eksperimentelle setup er vist skematisk i figur 1.
<ol><li>Installer drejningsmoment transduceren i en specialdesignet indehaveren, der inkorporerer luften bærer (Se figur 1) ved hjælp af skruer til lave sensoren på plads. Air pejling anvendes i denne undersøgelse har en porøs carbon bøsning materiale med en indre diameter på 13 mm.<ol>
<li>Montere brushless servo omrører motor på toppen af indehaveren. Fix drejningsmoment transducer til indehaveren lodret montering ved hjælp af fire skruer.</li>
		<li>Tilslut motorakslen til drivakslen af drejningsmoment transducer hjælp af en metal bellow kobling der kan udligne mindre aksiale forskydninger af aksler og spænd koblingen med skruer. Tilslut omrører akslen til måling skaftet af drejningsmoment transduceren ved hjælp af et andet metal bellow kobling. Bemærk: I denne undersøgelse, specialdesignet løbehjulet aksler med en diameter på 13 mm (tolerance:-0.0076 mm) og med længder på mellem 270 og 520 mm blev brugt til de forskellige fartøjer undersøgt.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Montere sensor indehaveren på bioreaktor hoved pladen og installere skovlhjul på omrører akslen med den ønskede off bunden clearance. Montere bafler og yderligere installationer (f.eks. prøveudtagning og høst rør, elektrokemiske sensorer, osv.) inde bioreaktor, hvis det kræves.</li>
	<li>Installere de ønskede bioreaktor i fartøjet indehaveren, hvis påkrævet (bioreaktorer #1, #3-#10) eller hoved pladen anbringes på bioreaktor tank (bioreaktor #2) og spænd hoved pladen med skruer.<ol>
<li>Undersøgelser af glas bioreaktorer, læg bioreaktor glas fartøj i holderen.</li>
		<li>For undersøgelser af engangsbrug bioreaktorer, demontere den top monterede slanger havne og løbehjulet akslen boliger fra hoved plastplader ved hjælp af passende skærende værktøjer. Sted plast fartøjet ind i holderen.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Placer en temperaturføler inde bioreaktor og tilsluttes kontrolenheden. Tilslut slangen til den trykluft til gas indløbsstuds af air pejling og anvende et tryk på omkring 5,5 bar leveres af en kompressor. Forbind drejningsmoment transducer til A/D-konverter og tænd senderen.</li>
</ol>4. konfigurationer i data erhvervelse software
<ol><li>Åbn softwaren til dataopsamling af drejningsmoment sensorsignalet og konfigurere indstillingerne for måling.<ol>
<li>Sørg for, at de første to kanaler i vinduet DAQ kanaler er initialiseret og aktive. I denne undersøgelse, drejningsmoment signal blev fastsat på kanal 0 og rotationshastighed signal blev fastsat på kanal 1.<ol>
<li>Klik på knappen Live update til at vise de aktuelle målingsværdier.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Indstil drejningsmoment kanal signal til nul, hvis den absolutte drejningsmoment signal uden rotation er større end 0,1 mN·m ved hjælp af højre-mus Klik på elementet kanal i kanallisten og vælge indstillingen nul balance .</li>
		<li>Gå til fanesiden DAQ job og definere en data erhvervelse sats af 2 Hz fra dropdown menuen liste. Bruge indstillingerne straks på job start og varighed fra rullelisten til at indstille Start og Stop af datafangst, henholdsvis.</li>
		<li>Definere en budgetcyklus for prøven varighed , der er længere end den tid, det tager at afslutte måling (for eksempel, brug 1 h 0 m 30 s til en én times opskrift defineret i andet trin).</li>
		<li>Navigere til indstillingssiden for lagring af Data og vælge indstillingen ASCII + kanal info på rullelisten til at angive den fil format for dataene, gemme filen. Angiv en filsti på PC harddisk til måling Output-fil.</li>
	</ol>
</li>
</ol>5. udføre drejningsmoment måling
<ol><li>Start dataopsamling for drejningsmoment signal i den kontrol og data erhvervelse software til momentmåler ved at klikke på knappen Start på siden DAQ job menu.</li>
	<li>Start dataopsamling for omrører hastighed og temperaturen i bioreaktor kontrol enhed software ved at klikke på knappen DAQ start på siden Indstillinger under fanen.</li>
	<li>Start omrører kontrol i kontrol enhed software med en manuel sætpunktet eller ordningen pre-definerede opskrift.<ol>
<li>Hvis en enkelt måling er foretaget, skal du bruge posten kontrol boks på fanesiden Main bioreaktor kontrol software. Skriv den ønskede sætpunkt i tekstfeltet og klik på elementet 'Omrører kontrol på'.</li>
		<li>Hvis flere målinger med en opskrift er gennemført, gå til fanesiden faser og klikke på knappen Start . Bemærk: Softwaren deaktivere automatisk alle manuel indtastning kasser for varigheden af opskriften og et vindue åbnes automatisk for at bekræfte afslutningen af processen.</li>
	</ol>
</li>
	<li>I data erhvervelse software åbnes et vindue automatisk efter forud fastlagte måling varighed. Gemme data for hver måling af operatøren PC, helst på harddisken, ved at klikke på knappen Gem data nu .</li>
	<li>Gentag målingen for hver ønsket omrører hastighed uden og med væske inde bioreaktor fartøj.<ol>
<li>Hæld vand (eller rørsukkeropløsning) gennem en tragt i bioreaktor. Bemærk: Sørg for, at væsken fuldstændig dækker skovlhjul, da (delvist) eksponerede pumpehjul kan resultere i uønskede aksiale kræfter, der kunne skade drejningsmoment sensor.</li>
	</ol>
</li>
</ol>6. data evaluering
Bemærk: De opnåede drejningsmomentværdier i det tomme skib (død drejningsmoment) svarer til de resterende friktionstab af lejet og skal trækkes fra de værdier, der er fastlagt i flydende for at opnå effektiv drejningsmomentværdier (Se Eq. 1).
<ol><li>Gennemsnitlige drejningsmomentværdier for hver omrører hastighed målt efter en kvasi stabilt signal er opnået (Se forklaring nedenfor). Ideelt, beregne middelværdien over en periode på mindst 2 min. for hver betingelse, svarende til 240 datapunkter på en måling på 2 Hz.</li>
	<li>Bruge en Matlab kode for databehandling ved at køre koden fra kommandolinjen software. Bemærk: Koden er fastsat for download i afsnittet supplement i dette håndskrift. Dette script import rå datafilen fra dataregistrering, beregner den fase gennemsnitlige rotationshastighed, Reynolds tal (fra Eq. 3 baseret på bruger input) og drejningsmoment værdier for hver af faserne, visualiserer resultaterne og gemmer resultaterne i en anden tekst fil, som derefter kan bruges til yderligere behandle dataene.</li>
	<li>Subtrahere drejningsmomentværdier opnået i det tomme skib fra dem målt i væske til at opnå effektiv drejningsmomentværdier.</li>
	<li>Beregne effektinput og dimensionsløs magt antallet fra tid-gennemsnit drejningsmomentværdier Eq. 1 og Eq. 2.</li>
</ol>

<ol>
	<li>Shiue, S. J., Wong, C. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Studies+on+homogenization+efficiency+of+various+agitators+in+liquid+blending.">Studies on homogenization efficiency of various agitators in liquid blending.</a> Can. J. Chem. Eng. 62, 602-609 (1984).</li><li>Zlokarnik, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> R&#252;hrtechnik -- Theorie und Praxis. , (1999).</li><li>Ghotli, A. R., Raman, A. A. A., Ibrahim, S., Baroutian, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Liquid-liquid+mixing+in+stirred+vessels:+a+review.">Liquid-liquid mixing in stirred vessels: a review.</a> Chem. Eng. Commun. 200, 595-627 (2013).</li><li>Arjunwadkar, S. J., Sarvanan, K., Kulkarni, P. R., Pandit, A. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Gas-liquid+mass+transfer+in+dual+impeller+bioreactor.">Gas-liquid mass transfer in dual impeller bioreactor.</a> Biochem. Eng. J. 1, 99-106 (1999).</li><li>Hari-Prajitno, D., Mishra, V. P., Takenaka, K., Bujalski, W., Nienow, A. W., McKemmie, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Gas-liquid+mixing+studies+with+multiple+up-+and+down-pumping+hydrofoil+impellers:+power+characteristics+and+mixing+time.">Gas-liquid mixing studies with multiple up- and down-pumping hydrofoil impellers: power characteristics and mixing time.</a> Can. J. Chemical Eng. 76, 1056-1068 (1998).</li><li>Wichterle, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Heat+transfer+in+agitated+vessels.">Heat transfer in agitated vessels.</a> Chem. Eng. Sci. 49, 1480-1483 (1994).</li><li>Angst, R., Kraume, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+investigations+of+stirred+solid/liquid+systems+in+three+different+scales:+particle+distribution+and+power+consumption.">Experimental investigations of stirred solid/liquid systems in three different scales: particle distribution and power consumption.</a> Chem. Eng. Sci. 61, 2864-2870 (2006).</li><li>Cherry, R., Papoutsakis, E. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hydrodynamic+effects+on+cells+in+agitated+tissue+culture+reactors.">Hydrodynamic effects on cells in agitated tissue culture reactors.</a> Bioprocess Eng. 1, 29-41 (1986).</li><li>Chalmers, J. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Shear+sensitivity+of+insect+cells.">Shear sensitivity of insect cells.</a> Cytotechnology. 20, 163-171 (1996).</li><li>Ma, N., Mollet, M., Chalmers, J. J., Ozturk, S. S., Hu, W. -. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Aeration,+mixing+and+hydrodynamics+in+bioreactors.">Aeration, mixing and hydrodynamics in bioreactors.</a> Cell Culture Technology for Pharmaceutical and Cell-Based Therapies. , 225-248 (2006).</li><li>Chisti, Y., Flickinger, M. C., Drew, S. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Shear+Sensitivity.">Shear Sensitivity.</a> Encyclopedia of Bioprocess Technology. , 1719-1762 (2002).</li><li>Oosterhuis, N. M. G., Kossen, N. W. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Power+input+measurements+in+a+production+scale+bioreactor.">Power input measurements in a production scale bioreactor.</a> Biotechnol. Lett. 3, 645-650 (1981).</li><li>King, R. L., Hiller, R. A., Tatterson, G. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Power+consumption+in+a+mixer.">Power consumption in a mixer.</a> AIChE J. 34, 506-509 (1988).</li><li>Brown, D. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+measurement+of+fermenter+power+input.">The measurement of fermenter power input.</a> Ind. Chem. 16, 684-688 (1997).</li><li>Bourne, J. R., Buerli, M., Regenass, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Heat+transfer+and+power+measurements+in+stirred+tanks+using+heat+flow+calorimetry.">Heat transfer and power measurements in stirred tanks using heat flow calorimetry.</a> Chem. Eng. Sci. 36, 347-354 (1981).</li><li>B&#246;hme, G., Stenger, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Consistent+scale-up+procedure+for+the+power+consumption+in+agitated+non-newtonian+fluids.">Consistent scale-up procedure for the power consumption in agitated non-newtonian fluids.</a> Chem. Eng. Technol. 11, 199-205 (1988).</li><li>Res&#233;ndiz, R., Mart&#237;nez, A., Ascanio, G., Galindo, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+new+pneumatic+bearing+dynamometer+for+power+input+measurement+in+stirred+tanks.">A new pneumatic bearing dynamometer for power input measurement in stirred tanks.</a> Chem. Eng. Technol. 14, 105-108 (1991).</li><li>Distelhoff, M. F. W., Laker, J., Marquis, A. J., Nouri, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+application+of+a+strain+gauge+technique+to+the+measurement+of+the+power+characteristics+of+five+impellers.">The application of a strain gauge technique to the measurement of the power characteristics of five impellers.</a> Exp. Fluids. 20, 56-58 (1995).</li><li>Ibrahim, S., Nienow, A. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Power+curves+and+flow+patterns+for+a+range+of+Impellers+in+Newtonian+fluids:+40+&lt;+Re+&lt;+5x10^5.">Power curves and flow patterns for a range of Impellers in Newtonian fluids: 40 &lt; Re &lt; 5x10^5.</a> Chem. Eng. Res. Des. 73, 485-491 (1995).</li><li>Karcz, J., Major, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+effect+of+a+baffle+length+on+the+power+consumption+in+an+agitated+vessel.">An effect of a baffle length on the power consumption in an agitated vessel.</a> Chem. Eng. Process. Process Intensif. 37, 249-256 (1998).</li><li>Houcine, I., Plasari, E., David, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effects+of+the+stirred+tank's+design+on+power+consumption+and+mixing+time+in+liquid+phase.">Effects of the stirred tank's design on power consumption and mixing time in liquid phase.</a> Chem. Eng. Technol. 23, 605-613 (2000).</li><li>Chen, Z. D., Chen, J. J. J., Gupta, B., Ibrahim, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> A study of agitated gas-liquid reactors with concave blade impellers. , 43-56 (2000).</li><li>Chapple, D., Kresta, S. M., Wall, A., Afacan, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+effect+of+impeller+and+tank+geometry+on+power+number+for+a+pitched+blade+turbine.">The effect of impeller and tank geometry on power number for a pitched blade turbine.</a> Chem. Eng. Res. Des. 80, 364-372 (2002).</li><li>Gill, N. K., Appleton, M., Baganz, F., Lye, G. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantification+of+power+consumption+and+oxygen+transfer+characteristics+of+a+stirred+miniature+bioreactor+for+predictive+fermentation+scale-up.">Quantification of power consumption and oxygen transfer characteristics of a stirred miniature bioreactor for predictive fermentation scale-up.</a> Biotechnol. Bioeng. 100, 1144-1155 (2008).</li><li>Cudak, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hydrodynamic+characteristics+of+mechanically+agitated+air+-+aqueous+sucrose+solutions.">Hydrodynamic characteristics of mechanically agitated air - aqueous sucrose solutions.</a> Chem. Process Eng. 35, 97-107 (2014).</li><li>Kuboi, R., Nienow, A. W., Allsford, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+multipurpose+stirred+tank+facility+for+flow+visualisation+and+dual+impeller+power+measurement.">A multipurpose stirred tank facility for flow visualisation and dual impeller power measurement.</a> Chem. Eng. Commun. 22, 29-39 (1983).</li><li>Wu, J., Zhu, Y., Pullum, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Impeller+geometry+effect+on+velocity+and+solids+suspension.">Impeller geometry effect on velocity and solids suspension.</a> Chem. Eng. Res. Des. 79, 989-997 (2001).</li><li>Amanullah, A., Serrano-Carreon, L., Castro, B., Galindo, E., Nienow, A. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+influence+of+impeller+type+in+pilot+scale+xanthan+fermentations.">The influence of impeller type in pilot scale xanthan fermentations.</a> Biotechnol. Bioeng. 57, 95-108 (1998).</li><li>Saito, F., Nienow, A. W., Chatwin, S., Moore, I. P. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Power,+gas+dispersion+and+homogenisation+Characteristics+of+SCABA+SRGT+and+Rushton+turbine+impellers.">Power, gas dispersion and homogenisation Characteristics of SCABA SRGT and Rushton turbine impellers.</a> J. Chem. Eng. Japan. 25, 281-287 (1992).</li><li>Ascanio, G., Castro, B., Galindo, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measurement+of+power+consumption+in+stirred+vessels+-+a+review.">Measurement of power consumption in stirred vessels - a review.</a> Chem. Eng. Res. Des. 82, 1282-1290 (2004).</li><li>Vila&#231;a, P. R., Badino, A. C., Facciotti, M. C. R., Schmidell, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Determination+of+power+consumption+and+volumetric+oxygen+transfer+coefficient+in+bioreactors.">Determination of power consumption and volumetric oxygen transfer coefficient in bioreactors.</a> Bioprocess Eng. 22, 261-265 (2000).</li><li>van Eikenhorst, G., Thomassen, Y. E., van der Pol, L. A., Bakker, W. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Assessment+of+mass+transfer+and+mixing+in+rigid+lab-scale+disposable+bioreactors+at+low+power+input+levels.">Assessment of mass transfer and mixing in rigid lab-scale disposable bioreactors at low power input levels.</a> Biotechnol. Prog. 30, 1269-1276 (2014).</li><li>Eibl, D., Peuker, T., Eibl, R., Eibl, R., Eibl, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Single-use+equipment+in+biopharmaceutical+manufacture:+A+brief+introduction.">Single-use equipment in biopharmaceutical manufacture: A brief introduction.</a> Single-Use Technology in Biopharmaceutical Manufacture. , 3-11 (2010).</li><li>Eibl, R., Kaiser, S., Lombriser, R., Eibl, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Disposable+bioreactors:+the+current+state-of-the-art+and+recommended+applications+in+biotechnology.">Disposable bioreactors: the current state-of-the-art and recommended applications in biotechnology.</a> Appl. Microbiol. Biotechnol. 86, 41-49 (2010).</li><li>Kaiser, S. C., Werner, S., Jossen, V., Kraume, M., Eibl, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+of+a+method+for+reliable+power+input+measurements+in+conventional+and+single-use+stirred+bioreactors+at+laboratory+scale.">Development of a method for reliable power input measurements in conventional and single-use stirred bioreactors at laboratory scale.</a> Eng. Life Sci. 17 (5), 500-511 (2016).</li><li>Nienow, A. W., Miles, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Impeller+power+numbers+in+closed+vessels.">Impeller power numbers in closed vessels.</a> Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev. 10, 41-43 (1971).</li><li>Liepe, F., Sperling, R., Jembere, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> R&#252;hrwerke - Theoretische Grundlagen, Auslegung und Bewertung. , (1998).</li><li>Kaiser, S. C., Werner, S., Eibl, D., Eibl, R., Eibl, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=CFD+as+tool+to+characterize+single-use+bioreactors.">CFD as tool to characterize single-use bioreactors.</a> Single-Use Technology in Biopharmaceutical Manufacture. , 264-279 (2010).</li><li>Liepe, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Verfahrenstechnische+Berechnungsmethoden+Teil+4:+Stoffvereinigen+in+fluiden+Phasen+-+Ausr&#252;stungen+und+ihre+Berechnung.">Verfahrenstechnische Berechnungsmethoden Teil 4: Stoffvereinigen in fluiden Phasen - Ausr&#252;stungen und ihre Berechnung.</a> VEB Deutscher Verlag f&#252;r Grundstoffindustrie. , (1988).</li><li>Kraume, M., Zehner, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experience+with+experimental+standards+for+measurements+of+various+parameters+in+stirred+tanks:+a+comparative+test.">Experience with experimental standards for measurements of various parameters in stirred tanks: a comparative test.</a> Chem. Eng. Res. Des. 79, 811-818 (2001).</li><li>Werner, S., Greulich, J., Geipel, K., Steingroewer, J., Bley, T., Eibl, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mass+propagation+of+Helianthus+annuus+suspension+cells+in+orbitally+shaken+bioreactors:+Improved+growth+rate+in+single-use+bag+bioreactors.">Mass propagation of Helianthus annuus suspension cells in orbitally shaken bioreactors: Improved growth rate in single-use bag bioreactors.</a> Eng. Life Sci. 14, 676-684 (2014).</li></ol>

Forfatterne har erklæret ingen interessekonflikter.

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 <img alt="Proportional to" src="/files/ftp_upload/56078/56078pro.jpg"> 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.

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.
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/56078/56078eq1.jpg">(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.
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/56078/56078eq2.jpg">(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.
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/56078/56078eq3.jpg">(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.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>T20WN torque meter</td>
			<td>HBM Hottinger Baldwin 
			Messtechnik GmbH</td>
			<td></td>
			<td>Nominal torque 0.2 Nm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Spider-8</td>
			<td>HBM Hottinger Baldwin 
			Messtechnik GmbH</td>
			<td></td>
			<td>HBM Spider8 is no longer available for sale. QuantumX 
			DAQ system (especially the QuantumX modules MX840A and MX440A) are recommended.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Catman easy software</td>
			<td>HBM Hottinger Baldwin 
			Messtechnik GmbH</td>
			<td></td>
			<td>Version 4.2.2</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Air bearing</td>
			<td>IBS precision engineering</td>
			<td></td>
			<td>13 mm air bushing</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stainless steel impeller shaft</td>
			<td>Bioengineering AG</td>
			<td></td>
			<td>Shaft tolerance -0.0076 mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Brushless motor AKM2</td>
			<td>Kollmorgen</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Metal bellow coupling</td>
			<td>Uiker AG</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Finesse RDPDmini control unit</td>
			<td>Finesse, a part of Thermo Fisher Scientific</td>
			<td></td>
			<td>No longer supported (the replacement product G3Lab universal controller can be used)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sucrose</td>
			<td>Migros Schweiz AG</td>
			<td></td>
			<td>Food grade</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Matlab software</td>
			<td>Mathworks</td>
			<td></td>
			<td>Version R2017a</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Finesse &#956;TruBio PC software</td>
			<td>Finesse, a part of Thermo Fisher Scientific</td>
			<td></td>
			<td>Version 3.1 (no longer supported)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SmartGlass 1L</td>
			<td>Finesse, a part of Thermo Fisher Scientific</td>
			<td></td>
			<td>referred to as Bioreactor 1L in Table 2</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SmartGlass 3L</td>
			<td>Finesse, a part of Thermo Fisher Scientific</td>
			<td></td>
			<td>referred to as Bioreactor 3L in Table 2</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SmartVessel 3L</td>
			<td>Finesse, a part of Thermo Fisher Scientific</td>
			<td></td>
			<td>referred to as Single-Use 3L Bioreactor in Table 2</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mobius CellReady 3L</td>
			<td>Merck Millipore</td>
			<td></td>
			<td>referred to as Cell Ready Single-Use 3L Bioreactor in Table 2</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>UniVessel SU 2L</td>
			<td>Sartorius Stedim Biotech</td>
			<td></td>
			<td>referred to as Single-Use 2L Bioreactor in Table 2</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

power input measurements in stirred bioreactors at laboratory scale

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.

Watch this Scientific Journal Video about Power Input Measurements in Stirred Bioreactors at Laboratory Scale at JoVE.com

Power Input Measurements in Stirred Bioreactors at Laboratory Scale

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 målinger i Stirred bioreaktorer på laboratoriet skala

The power input in stirred bioreactors is an important scaling-up parameter and can be measured through the torque that acts on the impeller shaft during ...

Research

JoVE Journal

Bioengineering

High Throughput MicroRNA Profiling: Optimized Multiplex qRT-PCR at Nanoliter Scale on the Fluidigm Dynamic ArrayTM IFCs

The broad involvement of miRNAs in critical processes underlying development, tissue homoeostasis and disease has led to a surging interest among the ...

Continuously-stirred Anaerobic Digester to Convert Organic Wastes into Biogas: System Setup and Basic Operation

Anaerobic digestion (AD) is a bioprocess that is commonly used to convert complex organic wastes into a useful biogas with methane as the energy carrier ...

Synthetic Spider Silk Production on a Laboratory Scale

Syntetisk edderkoppespind Produktionen på laboratorieskala

As society progresses and resources become scarcer, it is becoming increasingly important to cultivate new technologies that engineer next generation ...

Hollow Fiber Bioreactors for In Vivo-like Mammalian Tissue Culture

Hollow Fiber Bioreactors for In Vivo-like Mammalian Tissue Culture

Hul fiber Bioreaktorer for<em&gt; In vivo</em&gt; -lignende Pattedyr Tissue Culture

Tissue culture has been used for over 100 years to study cells and responses ex vivo. The convention of this technique is the growth of anchorage ...

Rapid Scan Electron Paramagnetic Resonance Opens New Avenues for Imaging Physiologically Important Parameters In Vivo

Rapid Scan Electron Paramagnetic Resonance Opens New Avenues for Imaging Physiologically Important Parameters In Vivo

Hurtig Scan elektronspinresonans åbner nye muligheder for Imaging Fysiologisk vigtige parametre<em&gt; In vivo</em

We demonstrate a superior method of 2D spectral-spatial imaging of stable radical reporter molecules at 250 MHz using rapid-scan ...

Mammalian Cell Encapsulation in Alginate Beads Using a Simple Stirred Vessel

Mammalcelleindkapsling i alginatperler ved hjælp af et enkelt omrørt skib

Cell encapsulation in alginate beads has been used for immobilized cell culture in vitro as well as for immunoisolation in vivo. Pancreatic islet ...

A Tripeptide-Stabilized Nanoemulsion of Oleic Acid

Et tripeptid-stabiliseret Nanoemulsion af oliesyre

We describe a method to produce a nanoemulsion composed of an oleic acids-Pt(II) core and a lysine-tyrosine-phenylalanine (KYF) coating (KYF-Pt-NE). The ...

Process Optimization using High Throughput Automated Micro-Bioreactors in Chinese Hamster Ovary Cell Cultivation

Procesoptimering ved hjælp af høj gennemløb automatiseret mikro-bioreaktorer i kinesisk Hamster Ovary Cell Dyrkning

Optimization of bioprocesses to increase the yield of desired products is of importance in the biopharmaceutical industry. This can be achieved by strain ...

Lipidico Injection Protocol for Serial Crystallography Measurements at the Australian Synchrotron

Lipidico-injektionsprotokol til seriel krystallografimålinger ved den australske synkrotron

A facility for performing serial crystallography measurements has been developed at the Australian synchrotron. This facility incorporates a purpose built ...

Cultivating a Three-dimensional Reconstructed Human Epidermis at a Large Scale

Dyrke en tre-dimensionel rekonstrueret Human Epidermis i stor skala

A three-dimensional human epidermis model reconstructed from neonatal primary keratinocytes is presented. Herein, a protocol for the cultivation process ...