Name: power input measurements in stirred bioreactors at laboratory scale
Uploaded: 2018-05-16T12:30:00
Duration: 10 min 49 s
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लेखक डाइटर Häussler का शुक्रिया अदा करना चाहेंगे और प्रयोगात्मक सेट अप के दौरान उनकी सहायता के लिए Gautschi को हराया । हम भी अंग्रेजी प्रूफ पढ़ने के लिए कैरोलीन हाइड के लिए आभारी हैं ।

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लेखकों ने हितों का टकराव नहीं घोषित किया है ।

के महत्व के बावजूद (विशिष्ट) इंजीनियरिंग लक्षण वर्णन और स्केलिंग के लिए बिजली इनपुट-ऊपर/benchtop पैमाने पर, विशेष रूप से एकल उपयोग प्रणालियों में प्रयोगात्मक जांच पर कुछ ही प्रकाशनों में, केवल एक अंक लीटर मात्रा रेंज, साहित्य में पाया जा सकता है । डेटा की इस कमी के लिए एक कारण ऐसे छोटे पैमाने में सटीक शक्ति इनपुट माप की कठिनाइयों में देखा जा सकता है । आदेश में इन कठिनाइयों में से कुछ को दूर करने के लिए, वर्तमान अध्ययन टोक़ आधारित शक्ति इनपुट माप है कि असर में घर्षण घाटे को कम करने के लिए एक हवा असर द्वारा समर्थित है के लिए एक विस्तृत प्रोटोकॉल प्रदान करता है । विधि की प्रयोज्यता 1 एल और 10 एल काम की मात्रा के बीच तराजू में तीन व्यावसायिक रूप से उपलब्ध एकल उपयोग के रूप में के रूप में अच्छी तरह से बहु का उपयोग करें, प्रतिक्रिया के प्रयोग का प्रदर्शन किया गया ।
टोक़ आधारित माप के साथ हमारे अनुभव के आधार पर, सबसे महत्वपूर्ण कारकों का पता करने के लिए कर रहे हैं: 1) बीयरिंगों और जवानों के अंदर घर्षण घाटे को कम करके मृत टोक़ को कम करने, विशेष रूप से प्रयोगशाला पैमाने पर प्रतिक्रिया में, और 2) एक का चयन वांछित प्रतिक्रिया आकार और आंदोलन की स्थिति के लिए उपयुक्त टोक़ मीटर । के रूप में पहले दिखाया गया है३५, मृत टोक़ नाटकीय रूप से एक हवा असर के उपयोग से कम किया जा सकता है । वर्तमान अध्ययन में, एक कम लागत हवा छिद्रित कार्बन सामग्री के बने झाड़ी का इस्तेमाल किया गया था । परीक्षण खाली जहाजों में अवशिष्ट टोक़ आम तौर पर ९०० rpm तक के आंदोलन की दर के साथ ०.५ mN · मी नीचे थे, करने के लिए इसी से उत्तेजित देनेवाला टिप गति के लिए 3 m · s-1। इसके विपरीत, मृत टोक़ के साथ #6 के लिए निर्मित यांत्रिक शाफ्ट असर था, उदाहरण के लिए, के बीच ९.४ mn · m और 20 mn · m, और लगभग 3 mn · m के तुलनीय मूल्यों के लिए भी रिपोर्ट किया गया है के लिए३२ यह प्रस्तावित प्रायोगिक सेटअप में प्राप्त मूल्यों से अधिक परिमाण के एक आदेश के बारे में है ।
हवा असर के अलावा, टोक़ मीटर इस्तेमाल सबसे महत्वपूर्ण घटक है । एक व्यावसायिक रूप से उपलब्ध टोक़ मीटर है कि स्थिर और गतिशील टोक़, रोटेशन की गति और रोटेशन के कोण को मापने के लिए बनाया गया है इस अध्ययन के लिए चुना गया था । 10 एल और इसी आंदोलनकारियों की अधिकतम कार्यशील मात्रा के साथ ब्याज की प्रतिप्रतिक्रियाओं को ध्यान में रखते हुए, ०.२ N · m का नाममात्र का टॉर्क चुना गया । यह पाया गया कि उच्च reproducibility के सापेक्ष मानक विचलन के साथ की प्रतिकृति < 5% और विश्वसनीय माप कम के रूप में प्रभावी टोक़ के लिए प्राप्त किया जा सकता है 2 mN · m के रूप में, नाममात्र टोक़ के केवल 1% करने के लिए इसी. इसलिए, वर्तमान अध्ययन में लागू सेंसर की माप रेंज परिणामों से काफी अधिक व्यापक था, जो जर्मन GVC-VDI काम कर रहे समूह के सदस्यों के एक अंतर-प्रयोगशाला अध्ययन के आधार पर प्रकाशित किया गया है४१मिश्रण पर ।
फिर भी, आंदोलनकारी गति की सीमा ध्यान से टोक़ सेंसर संकल्प, नाममात्र टोक़ और भंवर गठन के संबंध में चुना जाना चाहिए । बाद अक्सर चकित उच्च गति पर उत्तेजित प्रतिक्रियाओं में होता है और टोक़ मीटर को नुकसान का कारण बन सकता है । दोनों न्यूनतम और अधिकतम संभव आंदोलनकारी गति इस अध्ययन में वर्णित विधि के कारकों को सीमित किया जा सकता है । हमारे पिछले काम३५के अलावा, इस अध्ययन में भी शामिल है, प्रतिक्रिया #3, ग्लास में सबसे छोटे सदस्य के निर्माता द्वारा प्रदान की गई है, जो दो चरण उत्तेजित करने वालों द्वारा ४२ mm के व्यास के साथ उत्तेजित होता है । एक तुलनीय शक्ति है कि ज्यामितीय समान प्रतिक्रिया #4 में प्रस्तुत प्रयोगात्मक सेटअप के साथ प्राप्त किया गया था की विशेषता है । यह एक दिया तरल घनत्व के लिए एम डी <img alt="Proportional to" src="/files/ftp_upload/56078/56078pro.jpg"> 5 के साथ टोक़ तराजू के बाद से उल्लेखनीय है, उत्तेजित देनेवाला ज्यामिति (यानी शक्ति संख्या) और रोटेशन की गति (eq .1 और eq .2) देखें । नतीजतन, एक लगभग ४०% कम उत्तेजित देनेवाला एक 10% छोटे उत्तेजित व्यास से टोक़ परिणाम, उदाहरण के लिए । फिर भी, 2 एल पैमाने की तुलना में 1 एल पैमाने में उच्च रोटेशन गति उपलब्ध टोक़ मीटर के साथ उत्पादित टोक़ को हल करने के लिए आपरेशन के दौरान आवश्यक थे. कारण #3 के लिए निर्मित चकराता में, कोई भंवर गठन मनाया गया था, लेकिन यह चौंकाने वाली जहाजों के साथ एक मुद्दा बन सकता है । यह बल दिया जाना चाहिए कि दो तराजू के बीच पाया गया था कि बिजली की संख्या में लगातार ऑफसेट सीमित सेंसर संकल्प के कारण माप अशुद्धियों से परिणाम सकता है (ज्यामितीय मतभेदों के अलावा). आगे की जांच के लिए ंयूनतम पैमाने पर जो प्रस्तावित सेटअप अभी भी संभव है पर अंतिम निष्कर्ष आकर्षित करने के लिए आवश्यक हैं ।
फिर भी, एक ही प्रोटोकॉल विभिंन कांच वाहिकाओं में शक्ति इनपुट मापन के लिए विभिंन निर्माताओं के बीच के काम की मात्रा के साथ इस्तेमाल किया गया था 1 एल और 10 एल के बीच हमारी प्रयोगशाला में । यह अलग प्रतिक्रिया प्रणाली के लक्षण वर्णन के लिए इस्तेमाल किया विधि के हस्तांतरण पर प्रकाश डाला गया । प्रायोगिक प्रयास स्वचालित माप द्वारा नियंत्रण इकाई सॉफ्टवेयर द्वारा प्रदान की स्वचालन प्रणाली और यूनिवर्सल Matlab भाषा पर आधारित स्वचालित डेटा प्रसंस्करण के भीतर नुस्खा प्रबंधन का उपयोग करके कम किया जा सकता है ।
इसके अलावा, यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि, युक्त सुक्रोज का उपयोग करके, सस्ते ंयूटोनियन मॉडल मीडिया, रेनॉल्ड्स संख्या की एक विस्तृत श्रृंखला (१०० < Re < 6 · 104), आंदोलनकारी और स्केल पर निर्भर करता है, कवर किया गया था । यह भी जोर दिया जाना चाहिए कि अशांति सीमा की कम सीमा आम तौर पर पानी के साथ पशु सेल संस्कृतियों के लिए अप्रासंगिक है जैसे मीडिया, यहां तक कि अगर बहुत कम उत्तेजित करने की गति का उपयोग किया जाता है । हालांकि, शोरबा चिपचिपापन में महत्वपूर्ण वृद्धि, जो अशांति गलन में परिणाम है, और यहां तक कि गैर ंयूटोनियन व्यवहार कवक के लिए वर्णित किया गया है और संयंत्र सेल आधारित संस्कृतियों । उदाहरण के लिए, पौधों की संस्कृतियों में स्पष्ट viscosities के लिए ४००-गुना पानी की तुलना में४२, जो बहुत कम रेनॉल्ड्स संख्या की ओर जाता है रिपोर्ट किया गया है ।
अंत में, एक पहले मामले के अध्ययन के रूप में #7 प्रतिक्रिया का उपयोग कर, यह दिखा दिया गया है कि प्रस्तावित प्रयोगात्मक सेटअप प्रयोगशाला पैमाने पर बिजली इनपुट पर डिजाइन संशोधनों के प्रभाव का अध्ययन करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है । रैपिड प्रोटोटाइप तकनीक के साथ संयोजन में, यह उत्तेजित करनेवाला डिजाइन अध्ययन, जो भविष्य के काम के कुछ हिस्सों के रूप में होगा के लिए एक शक्तिशाली उपकरण हो सकता है ।

पावर इनपुट लक्षण वर्णन और के लिए एक महत्वपूर्ण इंजीनियरिंग पैरामीटर है, क्योंकि यह कई इकाई आपरेशनों से संबंधित है, क्योंकि यह homogenization1,2,3, गैस तरल फैलाव2 , 4 , 5, हीट ट्रांसफर6 और सॉलिड सस्पेंशन7. पावर इनपुट कतरनी तनाव के साथ भी जुड़ा हुआ है, जो विशेष रूप से कतरनी संवेदनशील सेल संस्कृतियों में विकास और उत्पाद के गठन को प्रभावित कर सकते हैं8,9,10,11.
हड़कंप मच प्रतिक्रिया में विद्युत इनपुट की माप के लिए सबसे आम तकनीक विद्युत शक्ति ड्रा के आधार पर कर रहे हैं12,13,14, calorimetry12,15 (यानी स्थिर गर्मी संतुलन या आंदोलन के माध्यम से गतिशील हीटिंग) या आंदोलनकारी पर टोक़ । बाद प्रयोगात्मक डायनामोमीटर, टोक़ मीटर या तनाव गेज, जो एक या बहु मंच Rushton टर्बाइनों सहित आंदोलनकारियों की एक किस्म के लिए लागू किया गया है द्वारा निर्धारित किया जा सकता है1,16,17 , 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 , 25, अनिमेष ब्लेड उत्तेजितकों19,20,23,26,27, InterMig19,21 और Scaba उत्तेजित करने वालों28 , 29. एक विस्तृत समीक्षा Ascanio एट अल द्वारा प्रदान की गई है (२००४)30।
टोक़ (टी) से, बिजली इनपुट (पी) Eq .1 से अनुमान लगाया जा सकता है, जहां एन आंदोलनकारी की घूर्णन गति है ।
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/56078/56078eq1.jpg">1)
आदेश में आंदोलन में होने वाले घाटे के लिए खाते में (बीयरिंगों में, जवानों और मोटर ही), प्रभावी टोक़ (टीeff) खाली पोत (टीडी) में मापा मूल्य के बीच अंतर के रूप में निर्धारित किया जाना चाहिए और में तरल (टीएल ). अंत में, क्वांटिटी पावर नंबर (P0, भी न्यूटन संख्या के रूप में जाना जाता है), जो Eq .2 द्वारा परिभाषित किया गया है, जहां दर्षायाएल तरल घनत्व और घ उत्तेजितकर्ता व्यास का प्रतिनिधित्व करता है, अलग आंदोलनकारियों की तुलना करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है ।
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/56078/56078eq2.jpg">2)
यह अच्छी तरह से ज्ञात है कि शक्ति संख्या रेनॉल्ड्स नंबर (यानी अशांति) का एक समारोह है और पूरी तरह से अशांत परिस्थितियों में लगातार हो जाता है । उत्तेजित देनेवाला रेनॉल्ड्स नंबर Eq .3 द्वारा परिभाषित किया गया है, जहां ηL तरल चिपचिपापन है ।
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/56078/56078eq3.jpg">3)
फिर भी, छोटे पैमाने पर प्रतिक्रिया में सत्ता इनपुट माप अभी तक उत्तेजित करनेवाला शाफ्ट के यांत्रिक बीयरिंगों के अंदर अपेक्षाकृत उच्च घर्षण घाटे और सबसे अधिक व्यावसायिक रूप से उपलब्ध टोक़ मीटर की सीमित सटीकता के कारण चुनौती दे रहे हैं । नतीजतन, benchtop पैमाने पर प्रतिक्रिया में पावर इनपुट माप के बारे में केवल कुछ रिपोर्टों17,18,22,24,31,३२प्रकाशित किया गया है । यहां तक कि एकल उपयोग में शक्ति इनपुट के बारे में डेटा की कमी है, जो विनिर्माता, निष्फल और तैयार करने के लिए उपयोग३३,३४के द्वारा वितरित किया जाता है । उनके पुन: प्रयोज्य समकक्षों के विपरीत, सबसे एकल उपयोग प्रतिक्रिया विशेष रूप से डिजाइन उत्तेजितकों द्वारा उत्तेजित कर रहे हैं, तुलना मुश्किल बना ।
आदेश में इस अंतर को बंद करने के लिए, प्रयोगशाला पैमाने पर सरगर्मियों पर विशेष ध्यान के साथ बिजली इनपुट माप के लिए एक विश्वसनीय विधि हाल ही में३५विकसित किया गया है । टोक़ मूल्यों को खाली जहाजों, जो घर्षण घाटे की वजह से थे में मापा, प्रभावी ढंग से एक हवा असर के उपयोग से कम थे । फलस्वरूप, कम से मध्यम अशांति के साथ प्रचालनात्मक स्थितियों की एक विस्तृत श्रृंखला (१०० < Re < 2 · 104) की जांच की जा सकती है और कई बहु-उपयोग और एकल उपयोग वाले विनिवेशों के पावर इनपुट प्रदान किए गए हैं ।
वर्तमान अध्ययन पहले से विकसित विधि का एक विस्तृत माप प्रोटोकॉल प्रदान करता है और प्रयोगशाला पैमाने पर प्रतिक्रिया करने वालों में एक टोक़ आधारित बिजली इनपुट माप की स्थापना, आचरण और मूल्यांकन करने का तरीका बताता है । व्यावसायिक रूप से उपलब्ध एकल और बहु-उपयोग प्रणालियों पर विशेष ध्यान केंद्रित है । प्रयोगात्मक प्रयास को कम करने के लिए एक स्वचालित माप प्रक्रिया का उपयोग किया जाता है ।

<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

हड़कंप मच प्रतिक्रिया में बिजली इनपुट एक महत्वपूर्ण स्केलिंग अप पैरामीटर है और टोक़ के माध्यम से मापा जा सकता है कि रोटेशन के दौरान उत्तेजित करनेवाला शाफ्ट पर कार्य करता है । हालांकि, छोटे पैमाने पर जहाजों में बिजली इनपुट के प्रायोगिक संकल्प अभी भी अपेक्षाकृत उच्च घर्षण घाटे के कारण अंदर आमतौर पर इस्तेमाल किया झाड़ियों, बीयरिंगों और/या शाफ्ट जवानों और व्यावसायिक रूप से उपलब्ध टोक़ मीटर की सटीकता के लिए चुनौतीपूर्ण है । इस प्रकार, विशेष रूप से एकल उपयोग प्रणालियों में, छोटे पैमाने पर प्रतिक्रिया के लिए केवल सीमित डेटा, साहित्य में उपलब्ध है, अलग एकल उपयोग प्रणालियों और उनके पारंपरिक समकक्षों के बीच तुलना कर मुश्किल है ।
यह पांडुलिपि अशांति की स्थिति की एक विस्तृत श्रृंखला है, जो क्वांटिटी रेनॉल्ड्स नंबर (आरई) द्वारा वर्णित किया जा सकता है पर benchtop पैमाने पर प्रतिक्रिया में बिजली के आदानों को मापने के लिए कैसे पर एक प्रोटोकॉल प्रदान करता है. aforementioned घर्षण नुकसान प्रभावी ढंग से एक हवा असर के उपयोग से कम कर रहे हैं । कम से मध्यम अशांति (१०० < Re < 2 · 104) के साथ सेल कल्चर ठेठ आंदोलन की स्थिति पर विशेष ध्यान देने के साथ, एक टोक़-आधारित पावर इनपुट मापन की स्थापना, आचरण और मूल्यांकन करने के तरीके पर कार्यविधि का विस्तार से वर्णन किया गया है । कई बहु-उपयोग और एकल उपयोग वाले विनिवेशों के पावर इनपुट को क्वांटिटी पावर नंबर द्वारा प्रदान किया जाता है (जिसे न्यूटन नंबर भी कहा जाता है, p0), जो अधिकतम रेनॉल्ड्स नंबरों के लिए p0 ≈ ०.३ और p0 ≈ ४.५ की श्रेणी में होना निर्धारित है में विभिंन प्रतिक्रियाएं ।

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Power Input Measurements in Stirred Bioreactors at Laboratory Scale

हड़कंप मच प्रतिक्रिया में बिजली इनपुट टोक़ के माध्यम से मापा जा सकता है कि रोटेशन के दौरान उत्तेजित करनेवाला शाफ्ट पर कार्य करता है । इस पांडुलिपि का वर्णन कैसे एक हवा असर को प्रभावी ढंग से घर्षण घाटे को कम यांत्रिक जवानों में मनाया और छोटे पैमाने पर जहाजों में बिजली इनपुट माप की सटीकता में सुधार करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है ।

प्रयोगशाला पैमाने पर हड़कंप मच प्रतिक्रिया में पावर इनपुट माप

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

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