A Cost-effective and Reliable Method to Predict Mechanical Stress in Single-use and Standard Pumps

Ina Dittler; Wolfgang Dornfeld; Reto Sch&#246;b; Jared Cocke; J&#252;rgen Rojahn; Matthias Kraume; Dieter Eibl

doi:10.3791/53052

JoVE Journal > Engineering

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

Engineering

طريقة فعالة من حيث التكلفة ويمكن الاعتماد عليها للتنبؤ إجهاد ميكانيكي في ذات الاستخدام الواحد ومضخات قياسي

Published: August 05, 2015

doi:

10.3791/53052

Ina Dittler¹, Wolfgang Dornfeld², Reto Schöb², Jared Cocke³, Jürgen Rojahn³, Matthias Kraume⁴, Dieter Eibl¹

¹Institute of Biotechnology, School of Life Sciences and Facility Management,Zurich University of Applied Sciences, ²Levitronix Ltd., ³SOPAT Ltd., ⁴Institute of Chemical and Process Engineering,Technische Universität Berlin

Summary

Shear stress investigations on an oil-water emulsion system result in drop breakup over the experimental time. To count drop sizes in pumping processes, the suitability of inline endoscopy was successfully demonstrated in this protocol.

Abstract

تستخدم مضخات أساسا عند نقل المرق الثقافة العقيمة في عمليات الإنتاج الصيدلانية البيولوجية والتكنولوجيا الحيوية. ومع ذلك، أثناء عملية الضخ تحدث قوى القص التي يمكن أن تؤدي إلى النوعية و / أو الكمية خسارة المنتج. لحساب إجهاد ميكانيكي مع يقتصر حساب تجريبي، تم استخدام نظام مستحلب الزيت عن الماء، الذي تجلى لالمكتشفة حجم الانخفاض في المفاعلات الحيوية ¹ ملاءمة. كما تراجع تفكك النظام مستحلب الزيت عن الماء هي وظيفة من إجهاد ميكانيكي، وانخفاض أحجام تحتاج لفرزها على مدار الزمن التجريبية التحقيقات إجهاد القص. في دراسات سابقة، وقد تبين من التنظير مضمنة إلى أن تقنية دقيقة وموثوق بها قياس المكتشفة حجم الانخفاض في التفرق السائل / السائلة. والهدف من هذا البروتوكول هو إظهار مدى ملاءمة تقنية التنظير المضمنة لقياس حجم انخفاض في عمليات الضخ. من أجل التعبير عن حجم هبوط، وسوتر يعني قطروقد استخدم د ₃₂ مثل قطر تمثيلية من قطرات في مستحلب الزيت عن الماء. أظهرت النتائج تباين منخفضة في أقطار متوسط سوتر، والتي تم قياسها من خلال الانحرافات المعيارية لأقل من 15٪، مما يدل على موثوقية تقنية القياس.

Introduction

وتستخدم مضخات لنقل الثقافات خلية في الصناعات الدوائية والتكنولوجيا الحيوية. أثناء عملية الضخ، يمكن أن إجهاد يؤدي إلى تلف الخلايا لا رجعة فيه، والتي قد تنال من كمية وجودة المنتج ^1-4. مستوى إجهاد يعتمد على نوع مضخة ومضخة الإعدادات، كما هو موضح في الدراسات السابقة ^5-6. عادة، يتم استخدامها تحوي، حقنة والحجاب الحاجز مضخات للاستخدام مرة واحدة التطبيقات القائمة (SU) التكنولوجيا. هذه المضخات تؤدي إلى قوى القص المحلية العالية الناجمة عن ضغط من أنابيب ضخ وتدفق النابض ^7.

من أجل التغلب على هذه العوائق، ومضخات الطرد المركزي الماجليف (مضخات الطرد المركزي ماجليف) تشكل بديلا واعدا. هو الدافع والمحرك مغناطيسيا من أجل تجنب الفجوات الضيقة بين المكره والإسكان مضخة (الشكل 1). التحقيق في الدراسة السابقة الطرد المركزي ماجليفمضخات وأظهرت انخفاض الضغط الميكانيكي باللغة الصينية الهامستر المبيض (CHO) خلايا مقارنة مع مضخات الحجاب الحاجز تحوي و4-مكبس ^5. بالإضافة إلى ذلك، كشفت التحاليل انحلال الدم لا صدمة الدم والجلطة تشكيل كبير على مجموعة من الشروط العملية باستخدام هذه المضخات ^8-11. وتبين النتائج أن استخدام هذه المضخات المصممة خصيصا ينطبق أقل من الضغط الميكانيكي على النظم البيولوجية في المقارنة مع مضخات تحوي والحجاب الحاجز. للتحقيق في إجهاد ميكانيكي مع يقتصر حساب تجريبي، فمن المستحسن نظام نموذج مستحلب الزيت عن الماء بسبب من حيث التكلفة ل(حوالي 99.8٪) و(حوالي 99.5٪) تطبيق خفض الوقت مقارنة مع أنظمة زراعة الخلايا البيولوجية.

كما تراجع تفكك النظام مستحلب الزيت عن الماء هي وظيفة من إجهاد ميكانيكي، وانخفاض يجب أن تحسب أحجام مرور الوقت تجريبي التحقيقات إجهاد القص. العديد من التقنيات لتحديد حجم قطرات المتاحة، ثهيك يمكن تقسيمها إلى الصوت والليزر وتقنيات الصورة استنادا ^12. على وجه الخصوص، واستخدام للصورة البصرية التحقيق مضمنة التنظير يوضح أحجام انخفاض متطابقة تقريبا لالمكتشفة اليدوي والآلي (الانحراف المعياري أقل من 10٪) ويمكن كشف من 250 قطرات في الدقيقة ^13. بسبب دقتها وموثوقيتها، وقد تبين تقنية المنظار لتكون تقنية قياس معيارية فعالة لتوزيع حجم قطرة في التفرق السائل / السائلة بالمقارنة مع غيرها من التحقيقات التي يشيع استخدامها (على سبيل المثال، الألياف البصرية إلى الأمام، الى الوراء، نسبة (فبر) الاستشعار ، شعاع تركيزا طريقة الانعكاس (FBRM) والبصرية ثنائية الأبعاد تقنية قياس الانعكاس (2D-ORM)) ^12،14. وعلاوة على ذلك، فقد ثبت مدى ملاءمة التنظير مضمنة لقياس أحجام قطرة في وعاء أثار عدة مرات في التحقيقات السابقة ^15-18.

بناء على دراسة مسبقة ^6، يصف هذا البروتوكولاستخدام مضمنة التنظير لتحديد أحجام قطرة (سوتر يعني القطر) من نظام مستحلب الزيت عن الماء في المضخات. وسوتر يعني استخدمت قطر كمعيار مقارنة لتقدير الضغط الميكانيكي للاستخدام المتعدد (MU) مضخات الطرد المركزي ماجليف، وهي تحوي وتستخدم مرة واحدة (SU) 4-مكبس مضخة الحجاب الحاجز.

الشكل 1. مرفوع مغناطيسيا الطرد المركزي مضخة نظام. (A) وترد مبدأ محرك bearingless و (ب) PuraLev 200MU كمثال. يرجى النقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

Protocol

وأجريت التحقيقات باستخدام الإعداد مضخة الأنابيب (فيقو إعادة 2)، والتي تمكن التجارب الإجهاد الميكانيكية في معدلات تدفق ما يصل الى 60 L دقيقة -1 وينخفض ضغط تصل إلى 2 بار التي يتعين القيام بها. كما هو مبين في الشكل ش إعادة 2، ويتكون من الإعداد التجريبية للسفينة التخزين، ودائرة مضخة، والمعدات اللازمة لتقنية مضمنة التنظير. المكره السفينة التخزين وتستخدم فقط لخلط السطحي. تم دمج عناصر هامشية في حلقة مغلقة لمراقبة معدل تدفق الخامس وهبوط الضغط ع في ضبط مضخة مختلفة. وقد تنوعت التحقيقات باستخدام صمام اليد وعجلة القيادة. 1. الإعداد التجريبي تأكد من أن مفاعل حيوي (D = 0.15 متر، H / D = 2.2) ومجهزة المكره لحل surfactaالإقليم الشمالي والتأكد من أن أنبوب مدخل الانخفاضات في السائل لتجنب دخوله الغاز. تجهيز حلقة مضخة مع منفذ حقنة، ومضخة التحقيق، على المشبك على تدفق متر، وتستخدم مرة واحدة استشعار الضغط وصمام اليد وعجلة القيادة. بعد اتصال من حلقة المضخة إلى عاء تخزين، وربط رأس المضخة إلى المحرك وإعداد لجنة التحقيق المنظار. جبل الطائرة انعكاس للتغيير، مرآة الروديوم في هذه الحالة، في تلميح التحقيق وضبط المسافة بين المرآة والعدسة إلى 150 ميكرون. ضبط المسمار في 100 ميكرون للتركيز على حدة الهدف. ربط التحقيق الى مصطربة عن طريق كابل الألياف الضوئية والكاميرا من المنظار إلى الكمبيوتر عن طريق كابل إيثرنت. ثم، قم بتوصيل الكاميرا ومصطربة معا عن طريق كابل الزناد مربع. بدء تشغيل جهاز الكمبيوتر وفتح التي توفرها الشركة المصنعة للبرامج، والذي يتضمن الحصول على الصور والبرامج الاعتراف، وكذلك البرامج نتيجة محلل. حدد البرنامج الحصول على الصور في القائمة الرئيسية. انقر على زر "كشف جهاز" في الزاوية العلوية اليسرى من الشاشة للكشف عن الكاميرا. تحت عنوان "إعدادات دليل" حدد الموقع على الكمبيوتر لحفظ الصور وتنشيط الأمر "إنشاء مجلدات فرعية الزناد". أدخل المعلمات العملية في قسم "وضع الزناد: جاهز". معدل الإطار: 7.5 هرتز لقطة في الزناد: 50 عدد المشغلات: 60 الفاصل الزمني الزناد: 60 ثانية بعد الانتهاء من جميع الأعمال التحضيرية، صب 5 لتر ماء منزوع الأيونات في الإناء تخزين وتشغيل المضخة لملء المضخة وحلقة المضخة. إيقاف المضخة وإضافة 0.9 مل السطحي (ج السطحي = 0.18 مل L -1، السطحي ρ، 20 ° C = 1070 كيلو متر -3، وتركيز مذيلة النقدي (CMC): ω CMC0؛ ≈ 0.018 مل L -1، ω السطحي ≈ 10 · ω CMC) مع ماصة 10 مل مع التحريك. بعد 10 دقيقة يذوب تماما بالسطح. إيقاف المكره وتشغيل المضخة. ضع التحقيق المنظار بحيث عدسة يقع مباشرة تحت أنبوب مدخل. ضبط معدل تدفق 3.4 L دقيقة -1 وانخفاض ضغط 0.03، 0.3 أو 0.61 شريط من خلال تغيير سرعة المكره وصمام اليد وعجلة القيادة. تزن 6.3 غرام من الزيت مباشرة في المحاقن (β النفط = 1.26 ز L -1، النفط ρ، 20 ° C = 989.5 كجم م -3). بدء تشغيل البرنامج الحصول على الصور وإضافة الزيت عبر منفذ حقنة. مضخة تشغيل توزع قطرات مستحلب. بعد 1 ساعة، والانتهاء من التحقيق إجهاد القص وتنظيف المنظار مضمنة فضلا عن مفاعل حيويمع مضخة حلقة متكاملة. وفي وقت لاحق، وإعداد الإعداد التجريبية لعملية الضخ القادمة. 2. قياس وتحليل الصور فتح التلقائي برنامج التعرف على الصور في القائمة الرئيسية. تحت عنوان "الدليل الجذر دفعة" حدد الموقع على الكمبيوتر لحفظ الملفات (جميع *. CSV). حدد العمود "مسار سلسلة صورة" وانقر على زر "إضافة صورة سلسلة المجلدات الفرعية" في الزاوية اليسرى السفلى من الشاشة لتحميل سلسلة صورة. تحميل المعلمات العملية التي يتم توفيرها من قبل الشركة المصنعة. حدد العمود "إعدادات البحث (* .pss أو auftrag _ *. حصيرة)" وانقر على زر "تعيين إعدادات البحث" في منتصف السفلي من الشاشة لتحميل المعلمات عملية من أجل تحديد اعتراف الهبوط. حدد العمود "البحث نمط (* .psp أو F _ *. حصيرة) وانقر على زر" مجموعة البحث نمط "في الزاوية اليمنى السفلى من الشاشة لتحميل المعلمات عملية من أجل تحديد تحليل قطرة. بدء التعرف على الصور من خلال النقر على زر "دفعة البداية". بعد الانتهاء من التعرف على الصور، والتعبير عن أحجام انخفاض الكشف عنها من قبل سوتر يعني قطرها (د 32)، أو أي ممثل آخر يعني قيمة أو توزيع الخيار باستخدام البرنامج نتيجة محلل. فتح البرنامج نتيجة محلل في القائمة الرئيسية. تنشيط الأمر "جميع *. CSV في 1 مجلد" وانقر على "مجلد تحميل (ق)" الموجود في الزاوية العلوية اليسرى من الشاشة لتحميل المحفوظة مسبقا عن * ملف .csv. حدد القيمة ذات الصلة (على سبيل المثال، سوتر يعني القطر) في القائمة المنسدلة في الوسط العلوي من الشاشة لتصور النتائج. لحساب قطر أدخل التحجيم من 0.6591 ميكرون بكسل -1 على الحق، والتي يتم توفيرها من قبل الشركة المصنعة. الشكل 2. الإعداد التجريبية الدائرة مضخة الأنابيب الإعداد مضخة باستخدام التنظير المضمنة كأسلوب فني القياس: (1) سفينة تخزين، (2) ميناء الحقنة، (3) مضخة، (4) استشعار الضغط، (5) تدفق الاستشعار، ( 6) مصطربة، (7) الكمبيوتر مع البرمجيات المقدمة المصنعة، و (8) التحقيق المنظار. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

Representative Results

التقييم البصري التين ش إعادة 3 معارض الصور الاعتراف الجسيمات بعد وقت ضخ 1 ساعة. العليا أربع صور تظهر قطرات قبل الاعتراف بها وأقل أربع صور تظهر قطرات والتي تمثلت في برنامج التعرف. وسلط الضوء على قطرات الكشف مع حافة خضراء. وبمقارنة الصور العلوي والسفلي يدل على أن انخفاض حواف تم الكشف على وجه التحديد من قبل برنامج التعرف على الصور. الصور على اليسار تظهر توزيع قطرة للالطرد المركزي ماجليف مضخات PuraLev 200MU وPuraLev 600MU، وأصحاب اليمين تظهر الحجاب الحاجز 4-مكبس المضخة وتحوي. يسمح بتقييم البصرية لتصنيف الأولي لإجهاد ميكانيكي في نظام نموذجي مستحلب. كشفت هذه التي تم إنشاؤها أحجام انخفاض أكبر ويقل فيها عدد قطرة من قبل مضخات الطرد المركزي ماجليف مقارنة مع diaphr 4-مكبساجتماع الجمعية العامة العادية وتحوي مضخة. ونتيجة لذلك، ومضخات الطرد المركزي ماجليف، وخاصة PuraLev 200MU، أظهر انخفاض انخفاض الكسر، مشيرا إلى الضغوط الميكانيكية أقل. الشكل 3. صور من التنظير المضمنة. مستحلب قطرات قبل (A، B، C، D) وبعد (E، F، G، H) الاعتراف الجسيمات بعد 1 ساعة من ضخ باستخدام (A، E) وPuraLev 200MU، ( B، F) وPuraLev 600MU، (C، G) 4-مكبس مضخة الحجاب الحاجز، و(D، H) مضخة تحوي تحت ظروف التشغيل متطابقة (3.4 L دقيقة -1 و 0.03 بار). الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم. سوتر ليقطرها وكشفت التحقيقات مزيد من الانحرافات المعيارية أدناه د 32 ± 0.4 ميكرون ومضمونة النتائج قابلة للتكرار عند استخدام مضمنة التنظير 19. ولذلك، كانت تحقيقات متعددة ليس مطلوبا لهذا النهج، مما قلل بالإضافة إلى ذلك على حساب تجريبي. من أجل التعبير عن حجم هبوط، وسوتر يعني قطر د 32 (انظر المعادلة 1) وتستخدم قطر تمثيلية من قطرات في مستحلب الزيت عن الماء لهذا النهج. بشكل عام، وسوتر يعني تناقص قطر على مر الزمن لجميع أنواع المضخات وضبط المضخة حتى تصل إلى حالة مستقرة 12. وأكدت التحقيقات في هذه الدراسة من تطور سوتر يعني قطرها (الشكل ش إعادة 4A إلى D)، والمنحنيات من PuraLev 200MU (الشكل ش إعادة &# 160؛ 4A) ومضخة تحوي (الشكل ش إعادة 4D) التي تجري مناقشتها exemplarily في هذا البروتوكول. وعلى النقيض من PuraLev 200MU، وسوتر يعني كانت بأقطار تصل إلى 40٪ أصغر لمضخة تحوي في ظروف العملية نفسها (معدل التدفق = 3.4 L دقيقة -1، والضغط قطرة = 0.03 بار). ونتيجة لذلك، أدت الضغوط الميكانيكية أعلى في زيادة انخفاض تفكك والأحجام قطرة بالتالي أصغر. علاوة على ذلك، سوتر يعني قطرها انخفضت مع زيادة هبوط الضغط في PuraLev 200MU (الشكل ش إعادة 4A)، مما يدل على تبعية حجم الانخفاض في هبوط الضغط. في المقابل، أظهرت مضخة تحوي على سوتر يعني قطر د 32،60min = 10 ميكرون في نهاية التجربة لجميع المعلمات عملية (الشكلش إعادة 4D). ولذلك، فإن سوتر يعني عثر قطر لتكون مستقلة عن هبوط الضغط. ومع ذلك، فإن النتائج تعكس الفهم المادي للانخفاض تفكك: مع الضغط الميكانيكي العالي، وتم تحديد سوتر أقطار يعني أصغر (انظر أيضا الشكل ش إعادة 5). لكل نقطة قياس، تم تحديد 300 على الأقل قطرات من أجل ضمان اليقين الإحصائي. انخفض مستوى الانحراف الأقصى للPuraLev 200MU من د 32،4min ± 42 ميكرون وللPuraLev 600MU من د 32،6min ± 21 ميكرون إلى د حوالي 32 ± 0.5 ميكرومتر في نهاية عملية الضخ. أدى الانحراف المعياري انخفضت من زيادة حجم التوزيع قطرة متجانس حتى تم التوصل إلى حالة مستقرة. بالمقارنة رس ماجليف مضخات الطرد المركزي، كشفت مضخات الحجاب الحاجز تحوي و4-مكبس الانحرافات المعيارية أدناه د 32 ± 10 ميكرون. (1) الرقم 4. الشخصية النموذجية لسوتر تعني أقطار د 32 مع مرور الوقت وتحديد قياس سوتر أقطار متوسط د 32، م. مقارنة سوتر أقطار متوسط د 32 (A) لPuraLev 200MU، (B) لPuraLev 600MU، (C) للمضخة الحجاب الحاجز 4-المكبس، و (D) للمضخة تحوي. د تم تحديد أقطار متوسط سوتر 32 بمعدل تدفق 3.4 L دقيقة -1 والضغط قطرات تتراوح 0،03-0،61 بار.وتقاس سوتر متوسط قطرها د 32، احتسب م لمدة 10 دقيقة الماضي (الحدود). الانحراف المعياري الناتجة من أقطار متوسط سوتر D هو مبين 32 (N ≥ 300). الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم. قياس سوتر متوسط قطرها كنظام المقارنة كما هو موضح أعلاه، سوتر يعني تناقص قطر على مر الزمن حتى وصلت أحجام قطرة حالة مستقرة. في 10 دقيقة الأخيرة من الوقت التجريبية، ومتوسط قيمة سوتر يعني حسبت قطر لتحديد سوتر المقاس يعني القطر، والتي كانت تستخدم كمعيار مقارنة (انظر حدود الشكل ش إعادة 4A-D). وتقاس سوتر أقطار متوسط د 32، وترد م لمعدل تدفق 3.4 L &# 160؛ مجموعة دقيقة -1 وانخفاض ضغط 0،03-0،61 بار في الشكل ش إعادة 5. تم تحديد أكبر قياس سوتر أقطار متوسط لكل من مضخات الطرد المركزي ماجليف (200MU و600MU) ومضخة الحجاب الحاجز 4-المكبس في أقل قطرات الضغط وبسرعة المكره. مضخة تحوي كشفت قياس سوتر يعني أقطار د 32، م = 10 ميكرون لجميع المعلمات العملية. كما ذكر سابقا، كانت قوى القص مستقلة عن هبوط الضغط لمضخة تحوي. وقد تم الحصول على أكبر قياس سوتر أقطار المتوسطة للد 32، م = 36 ميكرون لPuraLev 200MU ود 32، م = 34 ميكرون لPuraLev 600MU في انخفاض ضغط 0.03 بار. بالمقارنة مع نظرائهم، الحصول على ماجليف مضخة طرد مركزي سلسلة تصل إلى 59٪ أكبر قياس سوتر يعني الأقطار. هذه نتيجةوأشار الصورة انخفاض معدل انخفاض تفكك، وبالتالي إجهاد أقل الناتجة عن استخدام مضخات الطرد المركزي. الانحراف المعياري للقياس سوتر يعني أقطار خلال كانت حالة مستقرة أقل من 15٪، مما يؤكد القيم موثوقة ودقيقة للأحجام الهبوط. الرقم 5. مقارنة بين قياس سوتر أقطار متوسط د 32، م. قياس سوتر أقطار متوسط لمضخات الطرد المركزي ماجليف ونظرائهم في 3.4 L دقيقة -1 والضغط قطرات من 0.03، 0.30 و 0.61 بار. الانحرافات المعيارية الناتجة من قياس سوتر أقطار متوسط د 32، وترد م أثناء حالة مستقرة. الاختصارات التنوير القائلبورصة عمان انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم. 2D-ORM ثنائية الأبعاد قياس الانعكاس البصري CCD الجهاز المسؤول عن جانب CHO الهامستر الصيني المبيض CMC تركيز مذيلة حرجة FBR لنسبة إلى الأمام، الى الوراء FBRM شعاع تركيزا طريقة الانعكاس MU متعدد الاستخدامات SU استخدام فردى تسمية [م 3 ثانية -1] معدل التدفق ج [م 3 م -3] تركيز د 32 [م] سوتر متوسط قطر د 32، م [م] قياس سوتر متوسط قطر د ق [م] قطر السطح د ت [م] قطر حجم F [هرتز] تردد ن [ثانية -1] سرعة المكره N [-] عدد قطرات ص السلطة الفلسطينية انخفاض الضغط تي ثانية مرة β [كغ م -3] تركيز كتلة ρ [كغ م -3] كثافة 69؛ [م 3 م -3] جزء الشامل الجدول 1. الجدول الاختصارات والتسميات.

Discussion

والهدف من هذا البروتوكول هو إظهار مدى ملاءمة تقنية التنظير المضمنة لقياس حجم انخفاض في عمليات الضخ. لهذا الغرض، وانخفاض أحجام نظام مستحلب الزيت عن الماء تم تحديد واحتسب سوتر متوسط قطرها قياس لتوصيف الإجهاد الميكانيكي للالطرد المركزي ماجليف مضخات وكذلك نظرائهم، وهي تحوي و4-مكبس مضخة الحجاب الحاجز. أظهرت النتائج تباين منخفضة من سوتر المقاس يعني أقطار، والتي تم قياسها من خلال الانحرافات المعيارية لأقل من 15٪، مشيرا إلى أن أحجام قطرة تم قياسها بشكل موثوق ودقيق. ونتيجة لذلك، يمكن أن تستخدم بنجاح في سوتر متوسط قطرها تقاس كمعيار مقارنة لتقييم الإجهاد الميكانيكي للمضخات التحقيق. كشفت مضخات الطرد المركزي ماجليف قياس سوتر أقطار متوسط أكبر، مشيرا إلى انخفاض الضغوط الميكانيكية على قطرات مستحلب مقارنة مع مضخات الحجاب الحاجز تحوي و4-مكبس. في استيلادالمنشأ حتى الآن، وقد تبين مضمنة التنظير لتكون تقنية قوية وبسيطة لإسقاط موثوق قياس حجم ^{1،6،12-14،20-21،} وهو ما أكده أيضا في هذه الدراسة. بالمقارنة مع تقنيات قياس بديلة، مثل الألياف البصرية الاستشعار FBR، وFBRM وتقنية 2D-ORM، تقنية المنظار يمكن استخدام الطريقة القياسية للحصول على بيانات دقيقة في تطبيقات السائل / السائلة ^12،14.

لسهولة التعامل من التنظير مضمنة وإنتاج بسيط لنظام مستحلب الزيت عن الماء غير البيولوجية يمكن إجراء مباشر لالمكتشفة انخفاض حجم وفقا للنص البروتوكول (انظر أعلاه). ومع ذلك، تجدر الإشارة إلى أن موقف لجنة التحقيق المنظار يعتمد على تدفق السوائل في الأوعية التخزين. وقد كشفت التحقيقات مزيد (لا تظهر البيانات) أن العدسة لجنة التحقيق يجب أن يكون موجودا مباشرة تحت أنبوب مدخل لانخفاض معدلات تدفق تصل إلى 5 L دقيقة ^-1من أجل تجنب الكشف عن العديد من قطرة واحدة ^(19). للصور حادة في معدلات تدفق أكثر من 5 L دقيقة ^-1، فمن المستحسن لوضع مسبار ما لا يقل عن 10 سم بعيدا عن أنبوب مدخل. مستقلة عن المعلمات العملية، ينبغي أن يكون صاحب التنظير مضمنة مستقر من أجل تجنب التحول لجنة التحقيق، التي يمكن أن تؤدي إلى عدم وضوح الصور.

وعلاوة على ذلك، يجب أن لا سيما الإشارة إلى أن حجم الانخفاض الكشف على مقربة من حدود الكشف أقل للصور الضوئية النظام المطبق، حيث الحد الأدنى قطرة قطره اكتشاف هو 6.5 ميكرون. كما تم تحسين البرامج المقدمة مصنع، يمكن أن التقنيات المضمنة التنظير كشف موثوق الحد الأدنى من حجم قطرة من 1 ميكرون. وعلاوة على ذلك، سيتم تطوير ومعالجة الصور كذلك لتمكين مراقبة الانترنت من التطبيقات الصناعية.

في حين ركزت الدراسة الحالية على معدلات تدفق منخفضة نسبيا تصل إلى 3.4 L 60؛ دقيقة ^-1، يجب أن الدراسات المستقبلية النظر في مجموعة واسعة من الظروف العملية. وقد أجريت التحقيقات الأولى للخروج في معدلات تدفق تصل إلى 20 دقيقة L ^-1 (لا تظهر البيانات). ومع ذلك، 1: 2 التخفيف (ج _السطحي = 0.09 مل L ^-1، ج _النفط = 0.64 مل L ^-1) من نظام مستحلب الزيت عن الماء ويوصى في معدلات تدفق أكثر من 10 دقيقة L ^{-1 19،} وزيادة انخفاض تفكك الناجمة عن الإجهاد الميكانيكي العالي لولاها تؤثر إسقاط الكشف وتقليل عدد قطرات الكشف عنها. التجارب أجريت مع 1: 2 تخفيف ومقارنتها مع نتائج نظام مستحلب الزيت عن الماء مخفف. لكلا النهجين، وسوتر يعني تم بأقطار قياسها بشكل موثوق (الانحراف المعياري أقل من 5٪). وبالتالي، انخفاض نسبة حجم: لم (1 2 تمييع) لا تؤثر على سوتر المقاس يعني أقطار، وبالتالي كان قطرة قطرة تفكك يكاد يذكر.

الإقليم الشمالي "> هذه المناهج التجريبية القوية وتوفر أساسا جيدا لتحسين تقنية التنظير وكذلك الحصول على الصور، والاعتراف ونتيجة محلل البرامج ذات الصلة. وعلاوة على ذلك، ومدى ملاءمة للتقنية التنظير لتصنيف أنواع المضخات وفقا لسلسلة الميكانيكية الخاصة الإجهاد وقد تجلى بنجاح. النتائج التي تم الحصول عليها ضرورية لمضخة تصميم وتطوير والتحسين من المضخات للحد من تلف الخلايا.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

فإن الكتاب أود أن أشكر لجنة التكنولوجيا والابتكار (CTI، سويسرا) للحصول على الدعم المالي (رقم 13236.1 PFFLI-LS).

Materials

CCD camera	Allied Vision Technologies GmbH	GX2750	Equipment for inline endoscopy
C-Flex Biopharmaceutical Tubing	Saint-Gobain Performance Plastics	374-375-4	Tube Select a tubing length of about 45 cm before the pump.
C-Flex Biopharmaceutical Tubing	Saint-Gobain Performance Plastics	374-375-3	Tube Select a tubing length of about 45 cm after the pump and clamp on the flow sensor to this tubing.
CLAVE Connector	Victus	011-C2000	Sampling port
Controller LPC-200.1-02	Levitronix GmbH	100-30030	PuraLev 200MU controller
Controller LPC-600.1-02	Levitronix GmbH	100-30033	PuraLev 600MU controller
LeviFlow Clamp-On Sensor LFSC-12	Levitronix GmbH	100-30329	Flow sensor for flow rates below 5 L min^-1
LeviFlow Converter LFC-1C-CS	Levitronix GmbH	100-30328	Flow sensor output device
Masterflex I/P Easy Load	Fisher Scientific AG	EW-77963-10	Peristaltic pump
Mitos free flow valve	Parker Hannifin Europe Sàrl	FFLQR16S6S6AM	Valve
Mobil Eal Arctic	Exxon Mobil Corporation	Mobil EAL Arctic 22	Oil Prepare the emulsion directly before the experiment.
Motor	Elektromotorenwerk Brienz AG	7WAC72N4THTF	Motor for agitator shaft
Motor BSM-1.4	Levitronix GmbH	100-10005	PuraLev 200MU motor
Motor LPM-600.4	Levitronix GmbH	100-10038	PuraLev 600MU motor
Norm-Ject 10 mL Luer Lock	Restek Corporation	22775	Syringe
Pump Head LPP-200.5	Levitronix GmbH	100-90525	PuraLev 200MU pump head
Pump Head LPP-600.18	Levitronix GmbH	100-90548	PuraLev 600MU pump head
Quattroflow 1200-SU	Almatechnik AG	QF 1200	4-piston diaphragm pump
SciPres Sensor	SciLog	080-695PSX	Pressure sensor
SciPres Sensor Monitor	SciLog	080-690	Pressure sensor output device
SOPAT-VF Inline Endoscopic Probe	SOPAT GmbH		Inline endoscopy
Stroboscope	Drello GmbH & Co KG	Drelloscop 255-01	Equipment for inline endoscopy
Triton X-100	Sigma-Aldrich	X100	Surfactant Handle with gloves and goggles. (acute toxicity, eye irritation)

References

Wollny, S. . Experimentelle und numerische Untersuchungen zur Partikelbeanspruchung in gerührten (Bio ) Reaktoren (Experimental and numerical investigations of particle stress in stirred (bio-) reactor). , (2010).
Jaouen, P., Vandanjon, L., Quéméneur, F. The shear stress of microalgal cell suspension (Tetraselmis suecica) in tangential flow filtration systems: the role of pumps. Bioresour. Technol. 68 (2), 149-154 (1999).
Bee, J. S., et al. Response of a concentrated monoclonal antibody formulation to high shear. Biotechnol. Bioeng. 103 (1), 936-943 (2009).
Klaus, S. . Bluttraumatisierung bei der Passage zeitkonstanter und zeitvarianter Scherfelder (Blood trauma during passage through steady and transient shear fields). , (2004).
Blaschczok, K., et al. Investigations on mechanical stress caused to CHO suspension cells by standard and single-use pumps. Chem. Ing. Tech. 85 (1-2), 144-152 (2012).
Dittler, I., et al. A cost-effective and reliable method to predict mechanical stress in single-use and standard pumps. Eng. Life Sci. 14 (3), 311-317 (2014).
Kaiser, S. C., Eibl, D. Single-use Pumpen in der Prozesstechnologie (Single-use pumps in the process technology). Chemie extra. , 30-31 (2013).
Aggarwal, A., et al. Use of a single-circuit CentriMag® for biventricular support in postpartum cardiomyopathy. Perfusion. 28 (2), 156-159 (2012).
Kouretas, P. C., et al. Experience with the Levitronix CentriMag® in the pediatric population as a bridge to decision and recovery. Artif. Organs. 33 (11), 1002-1004 (2009).
Khan, N. U., Al Aloul, M., Shah, R., Yonan, N. Early experience with the Levitronix CentriMag® device for extra corporeal membrane oxygenation following lung transplantation. Eur. J. of Cardio Thorac. 34 (6), 1262-1264 (2008).
Zhang, J., et al. Computational and experimental evaluation of the fluid dynamics and hemocompatibility of the CentriMag blood pump. Artif. Organs. 30 (3), 168-177 (2006).
Maaß, S., Grünig, J., Kraume, M. Measurement techniques for drop size distributions in stirred liquid-liquid systems. Chem. Process Eng. 30 (4), 635-651 (2009).
Maaß, S., Rojahn, J., Hänsch, R., Kraume, M. Automated drop detection using image analysis for online particle size monitoring in multiphase systems. Comput. Chem. Eng. 45, 27-37 (2012).
Maaß, S., Wollny, S., Voigt, A., Kraume, M. Experimental comparison of measurement techniques for drop size distributions in liquid/liquid dispersions. Exp. Fluids. 50 (2), 259-269 (2011).
Henzler, H. J. Particle Stress in Bioreactors. Adv. Biochem. Eng./ Biotechnol. 67, 35-82 (2000).
Sprow, F. B. Drop size distributions in strongly coalescing agitated liquid-liquid systems. AIChE J. 13 (5), 995-998 (1967).
Shinnar, R. On the behaviour of liquid dispersions in mixing vessels. J. Fluid Mech. 10 (2), 259-275 (1961).
Ritter, J., Kraume, M. On-line measurement technique for drop size distributions in liquid/liquid systems at high dispersed phase fractions. Chem. Eng. Technol. 23 (7), 579-581 (2000).
Fries, T. . Quantifizierung der mechanischen Beanspruchung von Pumpen auf tierische Zellen mittels des nicht-biologischen Modellsystems Emulsion (Quantification of mechanical stress caused by pumps on mammalian cells using a non-biological emulsion model system). , (2014).
Maaß, S., Wollny, S., Sperling, R., Kraume, M. Numerical and experimental analysis of particle strain and breakage in turbulent dispersions. Chem. Eng. Res. Des. 87 (4), 565-572 (2009).
Maaß, S., Metz, F., Rehm, T., Kraume, M. Prediction of drop sizes for liquid/liquid systems in stirred slim reactors – Part I: Single stage impellers. Chem. Eng. 162 (2), 792-801 (2010).

Play Video

PDF

DOI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite This Article

Dittler, I., Dornfeld, W., Schöb, R., Cocke, J., Rojahn, J., Kraume, M., Eibl, D. A Cost-effective and Reliable Method to Predict Mechanical Stress in Single-use and Standard Pumps. J. Vis. Exp. (102), e53052, doi:10.3791/53052 (2015).

Automatically Generated