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

Författarna vill tacka Dieter Häussler och slå Gautschi för deras hjälp under den experimentella uppsättningen upp. Vi är också tacksamma mot Caroline Hyde för engelska korrekturläsning.

1. beredning av sackaros lösningar
Obs: Sackaros lösningarna används som billig, Newtons modell media med förhöjd viskositet och densitet för minskad turbulens villkor (se tabell 1).
<ol><li>Fyll en Duran glasflaska med vatten och sackaros i olika koncentrationer (20-60 %w/w).</li>
	<li>Blanda innehållet med en magnetisk omrörare tills sackaros är helt upplöst.<ol>
<li>För sackaros koncentrationer överstiger 40 %w/w, lägga till sackaros periodvis och värma glasflaska något (~ 50 ° C). Låt sackaros lösningen svalna ner till rumstemperatur före användning.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. beredning av mätning recept och dataloggning

<ol><li>Efter start programvaran, initiera kommunikationen med kontrollenheten genom att välja rätt seriell COM-port från rullgardinsmenyn och klicka på knappen Anslut . Obs: Knappen Anslut ändras färgen till grönt och LED nedanför menyn kommer att slå på, när kommunikationen med styrenheten initieras.</li>
	<li>Ställ in sökvägen till data inom bioreaktor kontroll enhet programvara för att lagra data på operatören PC.<ol>
<li>Öppna den Inställningar fliken och slå mapp symbolen bredvid textfältet Data filplats .</li>
		<li>I fönstret fil dialogrutan Bläddra till mappen önskan, Skriv ett filnamn i textrutan filnamn och klicka på OK . Obs: De data Loggfilens sökväg och namn visas i textrutan och DAQ start -knappen aktiveras, när en giltig filsökväg definieras.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Ställa in en rutin inuti recept chefen av bioreaktor kontroll enhet programvara för att automatisera mätproceduren.<ol>
<li>Öppna fliksidan recept och Skriv önskad indatavärdena för recept fas förfluten tid (min) och den motsvarande pumphjulet varvtal (rpm) i textrutorna för fältet. Profilen visas automatiskt i diagrammet. Obs: till exempel agitator hastigheten ökas stegvis med 20 rpm från 100 rpm till 300 rpm, och varje värde upprätthålls för 4 minuter för att garantera en stabil vridmoment signal (se diskussionen nedan). De lägsta och högsta hastigheterna samt beloppet av ökningen kan justeras för olika agitatorer och fartyg. Obs: Välj hastighetsområdet noggrant med avseende på den vridmoment sensor resolutionen, nominellt vridmoment och vortex bildandet. Den senare ofta förekommer i unbaffled bioreaktorer upprörd vid högre hastigheter och kan orsaka skador på vridmoment mätaren.</li>
		<li>Klicka på Spara -knappen, bläddra till önskad filsökvägen och skriv ett filnamn i textfältet. Tryck på OK för att spara filen.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. installation av vridmoment sensorn
Obs: Den experimentella setup visas schematiskt i figur 1.
<ol><li>Installera vridmoment givaren i en specialdesignad hållare som innehåller luften bär (se figur 1) använder skruvar för att fixa sensorn på plats. Den luft som bär används i denna studie har ett poröst kol bussning material med en inre diameter 13 mm.<ol>
<li>Montera den borstlösa servomotor agitator på toppen av innehavaren. Fixa vridmoment givaren till innehavaren vertikal montering med fyra skruvar.</li>
		<li>Anslut motoraxeln drivaxel av vridmoment givaren med en metall bälg koppling som kan kompensera små axiella förskjutningar av axlarna och dra åt kopplingen med skruvarna. Anslut agitator axeln till mätning axeln av vridmoment givaren med en annan metall bellow koppling. Obs: I denna studie särskilt utformade impeller axlar med en diameter på 13 mm (tolerans:-0.0076 mm) och med längder mellan 270 mm och 520 mm användes för olika fartyg undersökt.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Montera sensorn hållaren på bioreaktor huvud plattan och installera impellersna på agitator axeln med önskad off-botten clearance. Montera bafflar och ytterligare installationer (t.ex. provtagning och skörden rör, elektrokemiska sensorer, etc.) inuti bioreaktor om det behövs.</li>
	<li>Installera den önskade bioreaktor i hållaren fartyg om det behövs (bioreaktorer #1, #3 och #10) eller placera huvudet plattan på bioreaktor tanken (bioreaktor #2) och dra åt huvudet plattan med skruvar.<ol>
<li>För utredningar av glas bioreaktorer, placera den bioreaktor glaskärl i hållaren.</li>
		<li>För undersökningar av engångsbruk bioreaktorer, demontera övre monterade slangar portar och pumphjulet axel bostäder från plast huvud plattorna med hjälp av lämpliga skärande verktyg. Placera plast fartyget i hållaren.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Placera en temperatursensor inuti bioreaktor och Anslut den till styrenheten. Anslut slangen för trycksatt luft till gas inlet port av luft uthärda och ett tryck av ca 5,5 bar som tillhandahålls av en kompressor. Anslut vridmoment givaren till-omvandlare och slå på sändaren.</li>
</ol>4. konfigurationer i programvaran data förvärv
<ol><li>Öppna programvaran för dataförvärvet vridmoment sensor signal och konfigurera mätning preferenser.<ol>
<li>Kontrollera att de två första kanalerna i fönstret DAQ kanaler är initierad och aktiv. I denna studie, vridmoment signalen var inställd på kanal 0 och rotationshastighet signalen var inställd på kanal 1.<ol>
<li>Klicka på knappen Live uppdatera om du vill visa aktuella mätvärden.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Ange vridmoment kanalsignalen till noll om absoluta vridmoment signalen utan rotation är större än 0,1 mN·m genom att använda höger-musen klicka på objektet kanal i kanallistan och välja alternativet noll balans .</li>
		<li>Navigera till sidan DAQ jobb fliken och definiera en förvärv datahastighet på 2 Hz-menyn i listrutan. Använd alternativen omedelbart på jobb start och varaktighet från den nedrullningsbara listan Ange Start och stopp av dataförvärvet, respektive.</li>
		<li>Definiera ett tidsintervall för provets längd som är längre än den tid som krävs för att avsluta mätningen (till exempel användning 1 h 0 m 30 s för en timmes recept definieras i det andra steget).</li>
		<li>Navigera till sidan datalagring inställningar och välj alternativet ASCII + kanal info från den nedrullningsbara listan Ange den fil format för data Spara fil. Ange en sökväg på den PC hårda driva för mätning utdatafilen.</li>
	</ol>
</li>
</ol>5. utför Momentmätning
<ol><li>Starta dataförvärv för vridmoment signalen i kontroll- och förvärvet programvaran för vridmoment mätaren genom att klicka på Start -knappen på sidan DAQ jobb -menyn.</li>
	<li>Starta dataförvärv för omrörare hastigheten och temperaturen i bioreaktor kontroll enhet programvaran genom att klicka på knappen DAQ start på sidan Inställningar fliken.</li>
	<li>Starta kontrollen agitator i programvaran kontroll enhet med en manuell inställt eller fördefinierade recept systemet.<ol>
<li>Om en enskild mätning utförs får använda posten kontroll box på fliksidan Main av programvaran bioreaktor kontroll. Skriv önskad set-punkt i textrutan och klicka på objektet 'Agitator kontroll på'.</li>
		<li>Om flera mätningar med ett recept genomförs, navigera till fliksidan faser och klicka på knappen Start . Obs: Programvaran inaktiverar automatiskt alla manuella inmatningsrutor för varaktigheten av receptet och ett fönster öppnas automatiskt för att bekräfta i slutet av processen.</li>
	</ol>
</li>
	<li>I programvaran data förvärv öppnas ett fönster automatiskt efter fördefinierade mätning varaktighet. Spara data för varje mätning på operatören PC, helst på hårddisken, klicka på knappen Spara data nu .</li>
	<li>Upprepa mätningen för varje önskad agitator hastighet utan och med vätskan inuti bioreaktor fartyget.<ol>
<li>Häll vatten (eller sackaroslösning) genom en tratt i en bioreaktor. Obs: Se till att vätskan täcker fullständigt Fläkthjulen eftersom (delvis) exponerade Impellrar kan resultera i oönskade axialkrafter som kunde skada vridmoment sensorn.</li>
	</ol>
</li>
</ol>6. resultatutvärdering
Obs: Erhållna vridmomentvärdena i tomma kärl (döda vridmoment) motsvarar resterande friktionsförlusterna av uthärda och måste subtraheras från de värden som bestäms i vätskan för att få effektiva vridmomentvärdena (se ekv. 1).
<ol><li>Genomsnittliga vridmomentvärdena vid varje agitator hastighet mätt efter en kvasi stabil signal har uppnåtts (se diskussion nedan). Idealiskt, beräkna medelvärdet under en period av minst 2 min för varje villkor, motsvarande 240 datapunkter med en mätning hastighet av 2 Hz.</li>
	<li>Använda en Matlab-kod för databehandlingen genom att köra kod från kommandoraden programvara. Obs: Koden tillhandahålls för nedladdning i avsnittet tillägg i detta manuskript. Detta skript importerar filen rådata från data inspelning, beräknar den fas genomsnittliga rotationshastighet, Reynoldstal (från ekv 3 baserat på användaren ingångar) och vridmoment värden för var och en av faserna, visualiserar utfallen och lagrar resultatet i en andra text filen som sedan kan användas för att ytterligare bearbeta data.</li>
	<li>Subtrahera de vridmomentvärden som erhålls i det tomma fartyget från de som mättes i vätskan att erhålla de effektiva vridmomentvärdena.</li>
	<li>Beräkna ineffekt och dimensionslös power nummer från tid-genomsnitt vridmomentvärdena enligt ekv 1 och 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>

Författarna har förklarat inga intressekonflikter.

Trots vikten av den (specifika) ineffekt för engineering karakterisering och skalning-upp/ner av bioreaktorer, endast ett fåtal publikationer på experimentella undersökningar i bänkmonterade skala bioreaktorer, särskilt engångsbruk system i den ensiffrigt liters volym utbud, kan hittas i litteraturen. En anledning till denna brist på data kan ses i svårigheterna att korrekt power input mätningar i sådana små skalor. För att övervinna några av dessa svårigheter, ger föreliggande studie en detaljerad protokoll för vridmoment baserat power input mätningar som stöds av en air uthärda att minimera friktionsförlusterna i lagret. Tillämpligheten av metoden demonstrerades med tre kommersiellt tillgängliga engångsbruk bioreaktorer liksom multi-use bioreaktorer i skalorna mellan 1 L och 10 L arbetar volym.
Baserat på vår erfarenhet med vridmoment baserade mätningar, är de mest kritiska faktorerna adress: 1) att minska det döda vridmomentet genom att minimera friktionsförlusterna inuti kullager och tätningar, i synnerhet i laboratorium skala bioreaktorer, och 2) val av en lämpliga moment mätare för önskad bioreaktor storlek och agitation villkoren. Som har framgått tidigare35, kan döda vridmomentet sänkas dramatiskt genom användning av en air betydelse. I den aktuella studien användes en låg kostnad luft bussning av porösa kol material. Kvarstående vridmomentet i de tomma fartyg som testade var vanligtvis under 0,5 mN·m med agitation andelen upp till 900 rpm, motsvarar pumphjulet tip hastigheter upp till 3 m·s-1. Däremot döda moment av bioreaktor #6 med inbyggda mekaniska axeltätningar lagret var, till exempel mellan 9,4 mN·m och 20 mN·m, och jämförbara värden av runt 3 mN·m har också rapporterats för den bioreaktor #732. Detta är ungefär en storleksordning högre än de värden som erhålls i den föreslagna experiment.
Förutom de luft lagren är vridmoment mätaren används den viktigaste komponenten. En kommersiellt tillgängliga vridmoment mätare som är utformat för mätning av statiska och dynamiska vridmoment, rotationshastighet och Vridvinkel valdes för denna studie. Med tanke på bioreaktorerna sevärdheter med maximal arbetande volymer på 10 L och de motsvarande agitatorer, 0,2 nominella vridmoment nm valdes. Det konstaterades att hög reproducerbarhet med relativ standardavvikelse av replikerar < 5% och pålitliga mätningar kan erhållas för effektiv vridmoment så låg som 2 mN·m, motsvarar endast 1% av det nominella momentet. Mätområdet för sensorn tillämpas i den aktuella studien var därför betydligt bredare än resultat som har publicerats baserat på en genomför mellan olika laboratorier studie av medlemmar av den tyska GVC-VDI arbetsgruppen blandning41.
Ändå, spänna av agitator hastigheten bör väljas noggrant med avseende på den vridmoment sensor resolutionen, nominellt vridmoment och vortex bildandet. Den senare ofta förekommer i unbaffled bioreaktorer upprörd vid högre hastigheter och kan orsaka skador på vridmoment mätaren. Både den högsta och lägsta genomförbara agitator hastigheten kan vara begränsande faktorer för den metod som beskrivs i denna studie. Förutom våra tidigare arbeta35, denna studie också inblandade i bioreaktor #3, den minsta medlemmen i glas bioreaktor familj som tillhandahålls av tillverkaren, som är upprörd av tvåstegs impellrar med en diameter på 42 mm. En jämförbar makt kännetecken som i den geometriskt liknande bioreaktor #4 erhölls med presenterade experimentella setup. Detta är anmärkningsvärt eftersom vridmomentet skalor med M <img alt="Proportional to" src="/files/ftp_upload/56078/56078pro.jpg"> d5 för en given vätskans densitet, impeller geometri (dvs power nummer) och rotationshastighet (se ekv 1 och ekv 2). Följaktligen, en cirka 40% lägre pumphjulet vridmoment resultat från en 10% mindre pumphjulsdiameter, t.ex. Dock krävdes högre rotationshastigheter i 1 L skalan än i 2 L skalan under drift att lösa producerade vridmomentet med tillgängliga vridmoment mätaren. På grund av de inbyggda bafflarna av bioreaktor #3, ingen vortex bildning observerades, men detta kan bli ett problem med unbaffled fartyg. Det bör betonas att konstanten förskjutning i power numren som hittades mellan de två skalorna kan resultera från mätning felaktigheter orsakade av den begränsade Sensorupplösning (förutom geometriska skillnader). Ytterligare undersökningar krävs att dra slutgiltiga slutsatser om minsta skalan där den föreslagna setup är fortfarande möjlig.
Dock användes samma protokoll för power input mätningar i olika glas fartyg från olika tillverkare med arbetande volymer mellan 1 L och 10 L i vårt laboratorium. Detta belyser överförbarheten av den använda metoden för karakterisering av olika bioreaktor system. Den experimentella ansträngningen kan minskas genom automatiska mätningar med recept förvaltningen inom automationssystemet som tillhandahålls av programvaran control unit och automatiserade databehandlingen baserat på det universella språket i Matlab.
Det bör vidare noteras att, med hjälp av sackaros som innehåller, billiga newtonska modell media, ett brett utbud av Reynolds tal (100 < Re < 6·104), beroende på agitator och skala, var täckt. Det bör också betonas att den nedre gränsen i intervallet turbulens är vanligtvis irrelevant för djur cellkulturer med vatten-liknande media, även om mycket låga pumphjulet hastigheter används. Dock betydande ökningar i buljong viskositet, vilket resulterar i turbulens dämpning, och även icke-newtonska beteende har beskrivits för svamp - och plantera cellbaserade kulturer. Till exempel har uppenbar viskositet i plant kulturer av upp till 400-fold jämfört med vatten varit rapporterade42, vilket leder till mycket lägre Reynoldstal.
Slutligen har använder bioreaktor #7 som en första fallstudie, det visats att den föreslagna experiment kan användas för att studera effekten av designändringar på ineffekt på laboratorieskala. I kombination med rapid prototyping teknik, kan detta vara ett kraftfullt verktyg för impeller designstudier, som kommer att utgöra delar av framtida arbete.

Ineffekt är en viktig teknisk parameter för karakterisering och upptrappningen av bioreaktorer eftersom det rör sig om många arbetsmoment, såsom homogenisering1,2,3, vätske-dispersion2 , 4 , 5, värme överföring6 och solid suspension7. Ineffekt associeras också med shear stress, vilket kan särskilt påverka tillväxten och produkten formation i skjuvning känsliga cell kulturer8,9,10,11.
De vanligaste teknikerna Rita för mätning av ineffekt i rörs bioreaktorer baseras på elkraft12,13,14, kalorimetri12,15 (dvs stationära värme saldo eller dynamisk uppvärmning genom agitation) eller vridmomentet på omröraren. Den senare kan experimentellt bestämmas genom dynamometrar, vridmoment meter eller töjningsgivare, som har tillämpats för en mängd agitatorer, inklusive enkel- eller etappvis Rushton turbiner1,16,17 , 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 , 25, lutande blad impellrar19,20,23,26,27, InterMig19,21 och Scaba impellrar28 , 29. en detaljerad genomgång ges av Ascanio et al. (2004)30.
Från vridmomentet (T), kan ineffekt (P) beräknas från ekv 1, där N är rotationshastigheten hos agitatorn.
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/56078/56078eq1.jpg">(1)
För att beakta förluster i agitationen (i lager, tätningar och motorn själv), bör effektiv vridmomentet (Teff) bestämmas som skillnaden mellan det värde som uppmätts i tomma kärl (TD) och i vätskan (TL ). Slutligen, dimensionslös power nummer (P0, även känd som Newton nummer), som definieras av ekv 2 där ρL betecknar det vätskans densitet och d representerar pumphjulsdiameter, kan användas för att jämföra olika agitatorer.
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/56078/56078eq2.jpg">(2)
Det är väl känt att antalet power är en funktion av antalet Reynolds (dvs. turbulensen) och blir konstant under fullt turbulenta förhållanden. Pumphjulet Reynoldstal definieras av ekv 3, där ηL är den vätskans viskositeten.
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/56078/56078eq3.jpg">(3)
Power input mätningar i liten skala bioreaktorer är dock fortfarande utmanande på grund av relativt höga friktionsförlusterna inuti mekaniska lager av pumphjulet axlarna och mest kommersiellt tillgängliga vridmoment meter begränsad noggrannhet. Endast ett fåtal rapporter om power input följaktligen mätningar i bänkmonterade skala bioreaktorer har varit publicerad17,18,22,24,31,32. Det finns också en brist på data om ineffekt i engångsbruk bioreaktorer, som levereras av tillverkarna förmonterade, steriliserad och redo att använda33,34. I motsats till sina återanvändbara motsvarigheter, är de flesta engångsbruk bioreaktorer upprörd av specialdesignade impellrar, försvårar jämförelser.
För att täppa till denna lucka, har en pålitlig metod för power input mätningar med särskilt fokus på laboratoriet skala omrörare utvecklats nyligen35. De vridmomentvärden som uppmätts i de tomma kärl, som orsakades av friktionsförlusterna, minskade effektivt genom användning av en air betydelse. Följaktligen, ett brett utbud av driftförhållanden med låg till måttlig turbulens (100 < Re < 2·104) kunde undersökas och ineffekt av flera multi-användning och engångsbruk bioreaktorer har lämnats.
Föreliggande studie ger en detaljerad mätning protokoll av den tidigare utvecklade metoden och beskriver hur att inrätta, genomföra och utvärdera ett vridmoment-baserade power ingångsvärde i laboratoriet skala bioreaktorer. Särskilt fokus läggs på kommersiellt tillgängliga system för singel - och multi - återanvändning. En automatiserad mätmetod används för att minska det experimentella arbetet.

<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

Ineffekt i rörs bioreaktorer är en viktig parameter för upptrappningen och kan mätas genom det vridmoment som agerar på pumphjulet axeln under rotation. Experimentell bestämning av ineffekt i småskaliga fartyg är dock fortfarande utmanande på grund av relativt höga friktionsförluster släpper vanligtvis används bussningar, lager eller axeltätningar och riktigheten av kommersiellt tillgängliga vridmoment meter. Endast begränsade data för småskaliga bioreaktorer, särskilt engångsbruk system, alltså tillgängliga i litteraturen, försvårar jämförelser mellan olika engångsbruk system och deras konventionella motsvarigheter.
Detta manuskript ger ett protokoll för hur att mäta effekt ingångar i bänkmonterade skala bioreaktorer över ett brett spektrum av turbulens villkorar, som kan beskrivas av den dimensionslöst Reynoldstal (Re). Ovannämnda friktionsförlusterna reduceras effektivt genom användning av en air betydelse. Proceduren att inrätta, genomföra och utvärdera ett vridmoment-baserade power input mätning, med särskilt fokus på cell odlingsbetingelser typiska agitation med låg till måttlig turbulens (100 < Re < 2·104), beskrivs i detalj. Ineffekt av flera multi-användning och engångsbruk bioreaktorer tillhandahålls av dimensionslös power numret (kallas även Newton nummer, P0), som bedöms vara i intervallet av P0 ≈ 0,3 och P0 ≈ 4.5 för den maximala Reynoldstal i de olika bioreaktorerna.

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

Ineffekt i rörs bioreaktorer kan mätas genom det vridmoment som agerar på pumphjulet axeln under rotation. Detta manuskript beskriver hur en air betydelse kan användas för att effektivt minska friktionsförlusterna observerats i mekaniska tätningar och förbättra noggrannheten i power input mätningar i småskaliga fartyg.

Power Input mätningar i rörs bioreaktorer på laboratorieskala

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

Hög genomströmning MikroRNA Profilering: Optimerad Multiplex QRT-PCR vid metod i nanoliter Skala på 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

Kontinuerligt omrörd anaerob rötkammare för att omvandla organiskt avfall till biogas: System Setup och Basic drift

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 Spider Silk Production i 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

Hålfiber Bioreaktorer för<em&gt; In Vivo</em&gt; -liknande Mammalian 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

Snabb Scan elektronspinnresonans öppnar nya vägar för Imaging fysiologiskt viktiga parametrar<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

Mammalcellsinkapsling i alginatpärlor med hjälp av ett enkelt omrörat fartyg

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

En tripeptid-stabiliserad Nanoemulsion oljesyra

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

Processoptimering med hög genomströmning Automatiserad Mikro-Bioreaktorer i kinesisk hamster äggstockscellodling

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 Injection Protocol för seriella kristallografimätningar vid den australiska synkrotronen

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

Odla en tredimensionell rekonstruerad mänsklig epidermis i stor skala

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