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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著者は、ディーター Häussler とビートのスライドシュー実験セットの中に彼らの支援を感謝したいと思います。英語プルーフリーディング キャロライン ハイドに感謝しております。

1 ショ糖溶液の調製
注: 蔗糖溶液用格安、ニュートン モデル メディアとして高粘度と密度と乱れ低減条件 (表 1参照)。
<ol><li>水と (20-60 %w/w) の異なる濃度のショ糖とデュランのガラス瓶を記入します。</li>
	<li>ショ糖が完全に溶けるまでマグネチックスターラーと内容をミックスします。<ol>
<li>ショ糖濃度 40 %w/w を超える、断続的にショ糖を追加し、ガラス瓶を少し熱 (~ 50 ° C)。使用する前に室温にショ糖ソリューションを冷ます。</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. 測定レシピ、データ記録の準備

<ol><li>ソフトウェアを起動した後に、ドロップ ダウン メニューから正しいシリアル COM ポートを選択し、接続ボタンをクリックすると、コントロール ユニットとの通信を開始します。 注:接続ボタンは色を緑に変えるし、コントロール ユニットとの通信が開始されると、ドロップ ダウン メニューの下の LED に切り替わります。</li>
	<li>オペレーターの PC にデータを格納するためにバイオリアクター コントロール ユニットのソフトウェア内のデータ ファイルのパスを設定します。<ol>
<li>設定] タブ ページを開くし、データ ファイルの場所] テキスト フィールドの横にあるフォルダー シンボルをヒットします。</li>
		<li>ファイル ダイアログ ウィンドウで欲望フォルダーを参照、ファイル名のテキスト フィールドにファイル名を入力して[ok]ボタンをクリックします。 注: データのログ ファイルのパスと名前がテキスト ボックスに表示されます、 DAQ スタート] ボタンが有効になります、有効なファイル パスが定義されています。</li>
	</ol>
</li>
	<li>測定手順を自動化するためにバイオリアクター コントロール ユニットのソフトウェアのレシピ マネージャー内部ルーチンを設定します。<ol>
<li>レシピタブ ページを開き、テキスト フィールド] ボックスに必要に応じてレシピ フェーズの経過時間 (分) と対応する撹絆速度 (rpm) の入力値を入力します。プロファイルが自動的にグラフに表示されます。 注: たとえば、撹拌速度が 300 rpm まで 100 rpm から 20 の rpm によって段階的に増加し、安定したトルクを保証するために 4 分信号 (後述) のため、各値が保持されます。異なる攪拌機及び容器用の増加量と同様に、最小値と最大速度を調整できます。 注: は、トルク センサーの解像度、公称トルクおよび渦形成に関して慎重に速度範囲を選択します。後者は多くの場合ないバイオリアクターより高い速度で撹拌で発生し、トルク計に損傷を与えることができます。</li>
		<li>[保存] ボタンをクリックして、目的のファイルのパスを参照し、テキスト フィールドにファイル名を入力します。ファイルを保存する[ok]ボタンを押します。</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. トルク センサーのインストール
注:、実験のセットアップは図 1に示す図式。
<ol><li>空気 (図 1参照) を使用してを軸受が組み込まれた特別にデザインされたホルダーのトルク変換器の所定の位置にセンサーを固定するネジをインストールします。本研究で使用される空気軸受はブッシング内径 13 mm 素材多孔質炭素です。<ol>
<li>ホルダーの上にブラシレス サーボモータ アジテーターをマウントします。4 本のネジを使用して取り付け垂直ホルダーをトルク変換器を修正します。</li>
		<li>モーターのシャフトを金属怒鳴るなカップリング シャフトの小さな軸ズレを補正でき、ネジを使用して結合を強化を使用してトルク変換器のドライブ シャフトに接続します。攪拌機シャフトを別の金属ベローズ カップリングを使用してトルク変換器の測定シャフトに接続します。 注: 本研究では特別に設計された羽根車シャフト直径 13 mm (許容差:-0.0076 mm) と調査の異なる容器長さ 270 mm と 520 mm の間で使用しました。</li>
	</ol>
</li>
	<li>バイオリアクター ヘッド プレート センサー ホルダーをマウントして目的の下部をクリアランスと攪拌機シャフトのインペラをインストールします。必要な場合は、バッフルと、バイオリアクター内の追加のインストール (例えば、サンプリングや収穫のチューブ、電気化学センサー等) をマウントします。</li>
	<li>(#10 に #3 #1 バイオリアクター) を必要に応じて容器ホルダーに必要なバイオリアクターをインストールまたはバイオリアクター タンク (バイオリアクター #2) の上にヘッド プレートを置き、頭板にネジで締めます。<ol>
<li>ガラス バイオリアクターの調査、バイオリアクターのガラス容器をホルダーに配置します。</li>
		<li>シングル用バイオリアクターの調査、適切な工具を使用して、トップ マウント チューブ ポートとプラスチック ヘッド プレートからインペラ シャフト住宅を分解します。ホルダーにプラスチックの容器を置きます。</li>
	</ol>
</li>
	<li>バイオリアクター内に温度センサーを配置し、コントロール ユニットに接続します。空気軸受のガス入口ポートに加圧空気のチューブを接続し、コンプレッサーによって提供される約 5.5 バールの圧力を適用します。トルク変換器を A/D コンバーターと送信機の電源に接続します。</li>
</ol>4. データ集録ソフトウェアの構成
<ol><li>トルク センサー信号のデータ取得用のソフトウェアを開き、測定の基本設定を構成します。<ol>
<li>DAQ チャンネル] ウィンドウで最初の 2 つのチャンネルが初期化され、アクティブなことを確認します。本研究ではトルク信号はチャネル 0 に設定された、回転数信号は、チャンネル 1 に設定されていた。<ol>
<li>現在の測定値を表示するライブ更新ボタンをクリックします。</li>
		</ol>
</li>
		<li>回転せず絶対トルク信号が 0.1 チャンネル リストで0 バランスオプションを選択するチャネル項目をクリックして右マウスを使用して mN·m より大きい場合、トルクのチャンネル信号を 0 に設定します。</li>
		<li>DAQ 仕事タブ ページに移動し、ドロップ ダウン メニューのリストから 2 Hz のデータ集録レートを定義します。ドロップダウン リストからすぐに仕事開始と期間のオプションを使用して、開始およびデータ収集の停止をそれぞれ設定。</li>
		<li>サンプル期間(たとえば、使用 1 h 0 m 30 秒 2 番目のステップで定義されている 1 時間レシピ) に測定を完了に必要な時間よりも長い時間間隔を定義します。</li>
		<li>データ ストレージ設定] ページに移動し、ファイルを保存、ファイル形式のデータを設定する] ドロップダウン リストからオプションASCII + チャネルの情報を選択します。測定出力ファイルを PC のハード ドライブにファイルのパスを設定します。</li>
	</ol>
</li>
</ol>5. トルク測定を実行します。
<ol><li>DAQ ジョブメニュー] ページの [スタート] ボタンをクリックして、トルク計の制御とデータ集録ソフトウェアでトルク信号をデータ集録を開始します。</li>
	<li>バイオリアクターのコントロール ユニットのソフトウェアで設定タブ ページにDAQ を開始ボタンをクリックして撹拌速度の温度データ集録を開始します。</li>
	<li>手動設定値または定義済みのレシピ スキームにコントロール ユニットのソフトウェアで攪拌機制御を開始します。<ol>
<li>1 回の測定が行われている場合は、バイオリアクター制御ソフトウェアのメインタブ ページにコントロール ボックスのエントリを使用します。テキスト ボックスに目的の設定ポイントを入力、'のアジテーター コントロール' の項目をクリックします。</li>
		<li>レシピで複数の計測が行われている場合フェーズ] タブ ページに移動し、[スタート] ボタンをクリックします。 注: ソフトウェアが自動的に無効にすべてのマニュアルのエントリ ボックス レシピの間、プロセスの終了を確認するウィンドウが自動的に開きます。</li>
	</ol>
</li>
	<li>データ集録ソフトウェアのウィンドウが事前に定義された測定期間の後自動的に開きます。今データを保存ボタンをクリックして、ハード ドライブをできればオペレーター PC に各測定ポイントのデータを保存します。</li>
	<li>各目的アジテータ速度なしとバイオリアクターの容器内の液体の測定を繰り返します。<ol>
<li>バイオリアクターに漏斗を通して水 (またはショ糖液) を注ぐ。 注: (部分的に) 公開されたインペラはトルク センサーに損傷を与えることが望ましくないの軸力につながりますので液体が完全にインペラをカバーを確認します。</li>
	</ol>
</li>
</ol>6. データの評価
注: 空の容器 (死んだトルク) で得られたトルク値は軸受の残留摩擦損失に対応し、(式 1 参照) トルクの実効値を得るために液体で決定される値から減算する必要があります。
<ol><li>平均準安定信号がされた後各撹拌速度のトルク値を達成 (以下の説明を参照してください)。理想的には、2 Hz の測定レートで 240 のデータ ポイントに対応する、各条件の少なくとも 2 分の期間の平均値を計算します。</li>
	<li>ソフトウェアのコマンドラインからコードを実行することによってデータ処理 Matlab のコードを使用します。 注: コードは、この原稿の補足セクションでダウンロード提供されます。このスクリプト データの記録から生データ ファイルをインポート、位相平均回転速度、(ユーザー入力に基づいて式 3) からレイノルズ数を計算しますと各段階のトルク、成果を可視化する、2 番目のテキストの結果を保存ファイルは、されます、さらにデータを処理することができます。</li>
	<li>トルクの実効値を取得する液体で測定されるそれらから空船で得られたトルク値を減算します。</li>
	<li>電源入力、式 1 と式 2 時間平均トルク値から無次元動力数を計算します。</li>
</ol>

<ol>
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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>

著者から、利益相反の宣言されていません。

バイオリアクターのスケーリング ・ アップ/ダウンの工学特性評価のための (特定) 電源入力の重要性にもかかわらず、ベンチトップ規模バイオリアクターに実験調査にのみいくつか出版物特に単回使用システムで、1 桁リットル容量範囲は文献で見つけることが。データの欠如の理由の 1 つは、このような小さなスケールで正確な電力入力測定の難しさで見ることができます。これらの問題のいくつかを克服するためには、本研究は、ベアリングの摩擦損失を最小限に抑える空気ベアリングによってサポートされてトルクによる電源入力測定の詳細なプロトコルを提供します。3 市販の単回使用バイオリアクターとして 1 L と 10 L 作業量のスケールでマルチユース バイオリアクターを使用してメソッドの適用性を示した。
基づくトルク測定と私たちの経験に基づいて、アドレスに最も重要な要因は、: 1) 死んだトルク削減研究室では特に軸受、シール、内部摩擦損失を最小限に抑えるスケール、バイオリアクターと 2) の選択、目的のバイオリアクターのサイズや撹拌条件の適切なトルク メーター。以前35を示されている、空気軸受を使用して死んでのトルクを大幅に削減できます。本研究では多孔質炭素材料の低コストの航空ブッシングが使用されました。テストの空の容器で残留トルクは最大 3 m·s-1のインペラー先端速度に対応する 900 rpm までの攪拌率 0.5 mN·m 以下通常だった。対照的に、内蔵の機械軸支承を用いたバイオリアクター #6 のデッドのトルクは、たとえば、9.4 mN·m と 20 mN·m とバイオリアクター #732約 3 mN·m の対等な価値も報告されています。これは約 1 桁の提案実験装置で得られた値よりも高いです。
空気軸受のほか使用トルク計は最も重要なコンポーネントです。静的および動的なトルク、回転速度、回転の角度を測定するために設計されている市販トルク メーターは、この研究に選ばれました。考えると興味の最大作業量 10 L および対応する攪拌機のバイオリアクター、0.2 の公称トルク n ・ m は選ばれました。高再現性の相対標準偏差はレプリケート < 5%、効果的なトルク公称トルクのわずか 1% に対応する 2 の mN·m 並みの信頼性の高い測定を得ることが分かった。したがって、本研究では、センサーの測定範囲は、41の混合に関するドイツ GVC VDI ワーキング グループのメンバーの厚生研究に基づいて公開されて結果よりもかなり広いでした。
それにもかかわらず、トルク センサーの解像度、公称トルクおよび渦形成に関して撹拌速度の範囲を慎重に選択する必要があります。後者は多くの場合ないバイオリアクターより高い速度で撹拌で発生し、トルク計に損傷を与えることができます。両方の最小値と最大可能なアジテータ速度には、今回説明した方法の要因を制限があります。私たちの前に加え35今回も関与するバイオリアクター #3、直径 42 mm の 2 段インペラに動揺する製造元によって提供されるガラス バイオリアクター家族の最小メンバーを動作します。提示実験装置 #4 の幾何学的類似のバイオリアクターのそれに匹敵する電力特性が得られました。これは顕著なトルクの M とスケール<img alt="Proportional to" src="/files/ftp_upload/56078/56078pro.jpg">d5特定の液体の密度、羽根車形状 (すなわち動力数) と回転速度 (式 1 と式 2 を参照)。その結果、たとえば 10% の羽根車小径から約 40% 低い羽根車トルクの結果します。それにもかかわらず、2 L スケールでより 1 L スケールでより高い回転速度は、利用可能なトルク計で作り出されたトルクを解決する操作中に要求されました。バイオリアクター #3 の組み込みのバッフルによる渦形成が認められず, が、これない血管と問題になることができます。2 つの尺度間に認められた電源数のオフセット定数 (幾何学的な違い) に加えて限られたセンサーの解像度により生じる測定測定誤差から可能性ことそれを強調します。詳しい調査は提案のセットアップはまだ可能最小スケールで最終的な結論を出す必要があります。
それにもかかわらず、同じプロトコルは、1 L と 10 L 当研究室での作業ボリュームに異なった製造業者からの様々 なガラス容器でのパワー入力測定に使われました。これは、異なるバイオリアクター システムの特性評価のために使用される方法の伝達性を強調表示します。実験的努力は、コントロール ユニットのソフトウェアによって提供されるオートメーション システムと普遍的な Matlab 言語に基づいて自動化されたデータ処理内にあるレシピ管理を使用して自動化された測定によって削減できた。
さらに、それは、ショ糖を使用してメディアを含む、安価なニュートン モデル、広いレイノルズ数に注意する必要があります (100 < 日時 < 6·104)、アジテータおよび規模によって、覆われていた。非常に低い翼回転速度を使用している場合でも、乱流範囲の下限の値は水のようなメディアで動物細胞培養の通常関係ないことも強調されるべきであります。ただし、スープの粘度は、乱流の減衰とも非ニュー トンの動作の結果の有意な増加は菌類のために記載されている、植物の細胞に基づく文化。たとえば、報告42、はるかに低いレイノルズ数につながるまで 400-fold の植物培養の見かけの粘度をされている水と比較しています。
最後に、#7 型バイオリアクターを使用すると、最初の事例として、それ示されている実験室規模での電源入力で設計変更の影響を研究する提案の実験のセットアップが使えます。ラピッドプロトタイピング技術と組み合わせて、羽根車設計スタディの今後の作業の部分を形成するための強力なツールをすることができますこの。

気液分散2均質化1,2,3, などの多くの単位操作に関係があるので、電源入力、特性評価およびバイオリアクターのスケーリング アップのキー技術パラメーター,4,5、熱転送6固体懸濁液7。電源入力は、せん断応力、特に影響を与える成長とせん断敏感な細胞文化8,9,10,11製品形成することができますにも関連付けられます。
最も一般的な手法攪拌バイオリアクター内の電源入力の測定、電力に基づいて描画12,13,14、熱量12,15 (すなわち定常熱バランスまたは動的加熱撹拌によって) または攪拌機にトルク。後者が実験的に決定、動力計、トルク メーターまたは撹拌機、単一または多段ラシュトン タービン1,16,17を含む様々 な適用されているひずみゲージは、,18,19,20,21,22,23,24,スカバー翼28 InterMig19、21翼羽根車19,20,23,26,27 25,29. Ascanio et al. (2004)30によって詳細なレビューを提供します。
トルク (T) から電源入力 (P) は、式 1、N は攪拌機の回転速度から推定できます。
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/56078/56078eq1.jpg">(1)
(TD) 空の容器と液体 (TL の測定値の違いとして決定する必要があります効果的なトルク (Teff) (軸受、シール、モーター自体) の撹拌で発生する損失を説明するために).最後に、異なる攪拌機を比較する式 2 ρLは液体の密度を表す d インペラ径を表します、によって定義される無次元動力数 (P0、ニュートン番号とも呼ばれます) を使用できます。
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/56078/56078eq2.jpg">(2)
電力数はレイノルズ数 (すなわち乱流) の関数であり、乱流の条件下で一定になる知られています。羽根車のレイノルズ数は、液体の粘度 ηLはどこですの eq 3 によって定義されます。
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/56078/56078eq3.jpg">(3)
それにもかかわらず、小規模なバイオリアクターでのパワー入力測定インペラ シャフトの機械的軸受と最も市販トルク メーターの精度の中の比較的高い摩擦損失のためまだ挑戦しています。その結果、力についての報告は少ないは、バイオリアクターはずっとベンチ スケールでの測定公開17,18,22,24,31,32を入力します。またメーカーの組立、滅菌・使える-33,34によって配信されるシングル用バイオリアクターの電源入力に関するデータの不足があります。再利用可能な相手と対照をなしてほとんどシングル用バイオリアクターは特別に設計された羽根車、比較が困難で興奮しました。
このギャップを閉めるために電源入力測定実験室スケール スターラーの特別な焦点との信頼性の高い方法が最近開発された35。摩擦損失によって引き起こされた、空の容器で測定トルク値は空気軸受の使用によって効果的に減った。その結果、適度な乱流低運用条件の広い範囲 (100 < 日時 < 2·104) 調査することができるし、いくつかの多目的に使用しシングル用バイオリアクターの電源入力が提供されています。
本研究では、以前開発した方法の詳細な測定プロトコルを提供し、設定・実施・評価スケール バイオリアクター研究室でトルク ベース電源入力測定方法について説明します。特別な焦点は市販のシングルとマルチユースのシステムです。実験の労力を削減する自動計測手順が使用されます。

<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

攪拌バイオリアクターの電源入力は重要なスケール アップ パラメーターし、回転中のインペラのシャフトに作用するトルクを測定することができます。ただし、小型船舶の電源入力の実験的決定はまだ一般的に使用されるブッシング、ベアリングやシャフト シール、市販トルク メーターの精度内の比較的高い摩擦損失のために挑戦。したがって、小規模なバイオリアクター、特に単回使用システムの限られたデータは文学、さまざまな単回使用システムや従来の相手間の比較が困難で利用可能。
この原稿は、無次元レイノルズ数 (Re) で記述できる乱流の条件の広い範囲にわたってベンチトップ規模バイオリアクターの電源入力を測定する方法のプロトコルを提供します。前述の摩擦損失は、空気軸受の使用によって効果的に縮小されます。設定、実施およびトルク パワーを評価する方法について手順入力適度な乱流に低いと典型的な撹拌培養条件の特別な焦点との測定 (100 < 日時 < 2·104)、詳細については。いくつかの多目的に使用しシングル用バイオリアクターの電源入力は無次元動力数 (ニュートン番号と P0とも呼ばれる)、範囲の P0 ≒ 0.3 と P0 ≒ 4.5 最大のレイノルズ数の決定によって提供されます。で異なるバイオリアクター。

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Power Input Measurements in Stirred Bioreactors at Laboratory Scale

攪拌バイオリアクターの電源入力は、回転中のインペラのシャフトに作用するトルクを測定できます。本稿では、空気軸受を使用して効果的にメカニカル シールの摩擦損失を低減し、小型船でのパワー入力測定の精度を向上させる方法について説明します。

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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

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