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

Een kosten-effectieve en betrouwbare methode om Mechanical Stress Voorspel in voor eenmalig gebruik en Standard Pompen

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

Pompen worden vooral gebruikt bij het overbrengen van steriele kweeksuspensies in biofarmaceutische en biotechnologische productieprocessen. Tijdens het pompen afschuifkrachten optreden die kunnen leiden tot kwalitatieve en / of kwantitatieve productverlies. Om de mechanische belasting met beperkte experimentele kosten te berekenen, werd een olie-water-emulsie wordt gebruikt, waarvan de geschiktheid werd aangetoond voor druppelgrootte detecties in bioreactoren ^1. Zoals druppel verbreken van de olie-water-emulsie systeem is een functie van spanning, druppelgroottes moeten worden geteld in de experimentele periode van schuifspanning onderzoeken. In eerdere studies is de inline endoscopie blijkt een nauwkeurige en betrouwbare meettechniek voor druppelgrootte detecties in vloeistof / vloeistof dispersies worden. Het doel van dit protocol is de geschiktheid van de inline endoscopie techniek voor druppelgrootte metingen pompen processen tonen. Om de druppelgrootte te drukken, de Sauter gemiddelde diameterd ₃₂ werd gebruikt als vertegenwoordiger diameter van druppels in de olie-water-emulsie. De resultaten toonden lage variatie in de Sauter gemiddelde diameters die werden gekwantificeerd door standaardafwijkingen dan 15%, waarin de betrouwbaarheid van de meettechniek.

Introduction

Pompen worden gebruikt om celculturen te dragen in de farmaceutische en biotechnologische industrieën. Tijdens het pompen, kan mechanische spanning leiden tot onherstelbare beschadiging van cellen, die de kwantiteit en kwaliteit van het product ^1-4 zouden kunnen aantasten. De mate van mechanische spanning afhankelijk van de instellingen pomptype en pomp, zoals aangetoond in eerdere studies ^5-6. Gewoonlijk worden peristaltische, spuit en membraanpompen gebruikt voor eenmalig gebruik (SU) technologie gebaseerde applicaties. Deze pompen leiden tot hoge locale afschuifkrachten veroorzaakt door het samendrukken van de pompslang en het pulserende stroom ^7.

Om deze nadelen magnetisch zweven centrifugaalpompen (MagLev centrifugaalpompen) overwonnen vormt een veelbelovend alternatief. De motor magnetisch aangedreven teneinde nauwe spleten tussen de waaier en het pomphuis (figuur 1) te vermijden. Een eerdere studie onderzocht de MagLev centrifugalepompen en vertoonden lagere spanning in Chinese Hamster Ovarium (CHO) cellen, vergeleken met peristaltische en 4-piston membraanpomp ^5. Bovendien hemolyse analyses lieten geen significante trauma bloed en trombusvorming over een bereik van bedrijfsomstandigheden gebruik van deze pompen ^8-11. De resultaten tonen aan dat het gebruik van deze specifiek ontworpen pompen zijn minder mechanische belasting van biologische systemen vergeleken met peristaltische en membraanpompen. Om de mechanische belasting met beperkte experimentele kosten te onderzoeken, is een olie-water-emulsie modelsysteem aanbevolen vanwege zijn kosten- (circa 99,8%) en in de tijd beperkt (ca. 99,5%) in vergelijking met de toepassing van biologische celcultuur systemen.

Zoals druppel verbreken van de olie-water-emulsie systeem is een functie van spanning, druppelgroottes te worden geteld in de experimentele periode van schuifspanning onderzoeken. Vele technieken voor de dimensionering drops beschikbaar, worden kunnen worden onderverdeeld in geluid, laser en foto-gebaseerde technieken ^12. Met name het gebruik van de foto-optische sonde inline endoscopie toont bijna identiek druppelgroottes voor handmatige en automatische detectie (standaard deviatie dan 10%) en maakt een detectie van 250 druppels per minuut ^13. Door de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid is de endoscoop techniek blijkt een effectieve standaard meettechniek voor drop grootteverdeling in vloeistof / vloeistof dispersies zijn in vergelijking met andere veelgebruikte probes (bijv fiber optische voorwaarts-achterwaarts verhouding sensor (FBR) , gefocusseerde bundel reflectie methode (FBRM) en de twee-dimensionale optische reflectie meettechniek (2D-ORM)) ^12,14. Bovendien, de geschiktheid van inline endoscopie voor het meten druppel maten in een geroerd vat is meerdere malen aangetoond in eerdere onderzoeken ^15-18.

Op basis van een voorafgaande studie ^6, dit protocol beschrijfthet gebruik van inline endoscopie om druppel maten te bepalen (Sauter gemiddelde diameter) van een olie-water-emulsie systeem pompen. The Sauter gemiddelde diameter werd gebruikt als vergelijkingscriterium voor de schatting van de mechanische spanning van het meervoudige gebruik (MU) MagLev centrifugaalpompen, een peristaltische en eenmalig gebruik (SU) 4-zuigermembraanpomp.

Figuur 1. Magnetisch zweven centrifugaalpomp-systeem. (A) Het principe van een bearingless motor en (B) de PuraLev 200MU worden getoond als een voorbeeld. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Protocol

De onderzoekingen werden uitgevoerd met een piped pomp setup (Figu her 2), waarbij mechanische spanning experimenten met stroomsnelheden tot 60 L maakt min -1 en drukval tot 2 bar uit te voeren. Zoals getoond in fig u re 2, de experimentele opstelling bestaat uit het voorraadvat, het pompcircuit en uitrusting voor endoscopie inline techniek. De waaier van het opslagvat werd alleen gebruikt om de oppervlakteactieve stof te mengen. Perifere elementen zijn geïntegreerd in de gesloten lus met het debiet V en drukverschil p bij verschillende pompinstellingen controleren. De onderzoeken werden gevarieerd door het gebruik van de handwiel afsluiter. 1. Experimentele Setup Zorg ervoor dat de bioreactor (D = 0,15 m, H / D = 2,2) is voorzien van een rotor voor het oplossen van de surfactant en zorg ervoor dat de inlaatbuis dips in de vloeistof naar een gas invoeren voorkomen. Voorzie de pomplus met een spuit poort, de onderzochte pomp, a clamp-on debietmeter, een eenmalig gebruik druksensor en een handwiel valve. Na aansluiting van de pomplus het voorraadvat, sluit de pompkop aan de motor en de voorbereiding van de endoscoop probe. Monteer de veranderlijke reflectievlak, rhodium spiegel in dit geval is bij de sondepunt en stel de afstand tussen spiegel en lens 150 urn. Stel de schroef 100 urn om de scherpte van het doel gericht. Sluit de sonde naar de stroboscoop via een glasvezelkabel en de camera van de endoscoop naar de computer via een Ethernet-kabel. Vervolgens sluit u de camera en de stroboscoop elkaar via een trigger-box-kabel. Start de computer en open de fabrikant meegeleverde software, die een beeld acquisitie en herkenning software, evenals gevolg analyse software bevat. Selecteer de afbeelding acquisitie software in het hoofdmenu. Klik op de knop "Detect-apparaat" in de linkerbovenhoek van het scherm om de camera te detecteren. Onder "Directory Settings" te selecteren de locatie op de computer voor het opslaan van beelden en activeer het commando "Creëer trekker submappen". Voer de procesparameters in het hoofdstuk "Trigger-modus: Ready". Frame rate: 7,5 Hz Frames per trekker: 50 Aantal triggers: 60 Trigger interval: 60 sec Na voltooiing van alle voorbereidende werkzaamheden, giet 5 L gedemineraliseerd water in het opslagvat en schakel de pomp aan de pomp en de pomp loop vullen. Schakel de pomp en voeg 0,9 ml van surfactant (oppervlakteactieve c = 0,18 ml L -1, ρ surfactant, 20 ° C = 1070 kg m -3, kritische micel concentratie (CMC): ω cmc0; ≈ 0,018 ml L -1, ω surfactant ≈ 10 · ω cmc) met een pipet 10 ml onder roeren. Na 10 minuten werd de surfactant volledig is opgelost. Schakel de waaier en zet de pomp. Plaats de endoscoop probe zodat de lens zich direct onder de inlaatbuis. Stel de stroomsnelheid van 3,4 L min -1 en de drukval van 0,03, 0,3 of 0,61 bar door variatie van de rotorsnelheid en de handwiel afsluiter. Weeg direct in de spuit (β olie = 1,26 g L -1, ρ olie, 20 ° C = 989,5 kg m -3) 6,3 g olie. Start het beeld acquisitie software en voeg de olie via de spuit poort. De lopende pomp verdeelt de emulsie druppels. Na 1 uur, af van de schuifspanning onderzoek en reinig het inline endoscoop en de bioreactormet geïntegreerde pomp loop. Vervolgens, de voorbereiding van de experimentele opstelling voor de volgende pompen proces. 2. Meting en beeldanalyse Open de automatische beeldherkenning software in het hoofdmenu. Selecteer onder "Batch Root Directory" de locatie op de computer voor het opslaan van de bestanden (alle * .csv). Selecteer de kolom "Image Series Path 'en klik op de knop" toevoegen Image Series submappen "in de linkerbenedenhoek van het scherm om de afbeelding serie laden. Laad de procesparameters die worden verschaft door de fabrikant. Selecteer de kolom "Search Instellingen (* .pss of auftrag _ *. Mat)" en klik op de knop "Set Search Settings" in de lagere-midden van het scherm om procesparameters te laden om de daling erkenning te geven. Selecteer de kolom "Zoeken Pattern (* .psp of F _ *. Mat) en klik op de knop" Set Search Pattern "in de rechterbenedenhoek van het scherm om de procesparameters te laden om de daling analyse te geven. Start de beeldherkenning door te klikken op de knop "Start Batch". Na voltooiing van beeldherkenning, drukken de gedetecteerde druppelgroottes de Sauter gemiddelde diameter (d 32), of andere representatieve gemiddelde waarde of de voorkeursdistributie met het resultaat analyse software. Open het resultaat analyse software in het hoofdmenu. Activeer de opdracht "alle * .csv in 1 map" en klik op de knop "Load Folder (s)" in de linker bovenhoek van het scherm om de eerder opgeslagen alle * .csv-bestand te laden. Selecteer de relevante waarde (bv Sauter gemiddelde diameter) in de drop-down lijst in de bovenste midden van het scherm om de resultaten te visualiseren. Voor de berekening van de diameter voer de schaling van 0,6591 urn pixel -1 rechts, die wordt geleverd door de fabrikant. Figuur 2. Experimentele setup pomp circuit voor achtergrondmuziek pomp setup met behulp van inline-endoscopie als meettechniek:. (1) opslagvat, (2) spuit poort, (3) pomp, (4) druksensor, (5) stromen sensor, ( 6) stroboscoop, (7) computer met de meegeleverde software-fabrikant, en (8) endoscoop sonde. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Representative Results

Optische beoordeling Fig u re 3 toont de beelden deeltje opname na pomptijd van 1 uur. De bovenste vier beelden tonen de druppels voordat erkenning en de onderste vier beelden tonen de druppels gemarkeerd door de herkenningssoftware. De gedetecteerde druppels worden gemarkeerd met een groene rand. Het vergelijken van de bovenste en onderste beelden blijkt dat de onderstaande randen juist door de beeldherkenningssoftware gedetecteerd. De beelden op de links tonen de daling verdeling van de MagLev centrifugaalpompen PuraLev 200MU en PuraLev 600MU, en die op de juiste tonen de 4-zuiger membraan en de peristaltische pomp. Een optische assessment toegestaan een eerste indeling van de mechanische spanning in het model emulsie systeem. Hieruit bleek dat grotere daling afmetingen en lagere onderstaande tellingen werden gegenereerd door het MagLev centrifugaalpompen opzichte van de 4-zuiger DiafragmaAVA en peristaltische pomp. Bijgevolg is de MagLev centrifugaalpompen, vooral de PuraLev 200MU, liet een verminderde daling breuk, wat aangeeft lagere mechanische spanningen. Figuur 3. Foto's van de inline endoscopie. Emulsie druppels voor (A, B, C, D) en na (E, F, G, H) deeltje opname na 1 h pompen gebruiken (A, E) de PuraLev 200MU, ( B, F) de PuraLev 600MU, (C, G) de 4-zuiger membraanpomp, en (D, H) de peristaltische pomp onder identieke omstandigheden (3.4 L min -1 en 0,03 bar). Klik hier om te bekijken grotere versie van deze figuur. Sauter meeen diameter Verder onderzoek toonde standaarddeviaties onder d 32 ± 0,4 micrometer en gegarandeerde reproduceerbare resultaten bij het gebruik van inline endoscopie 19. Daarom werden verschillende onderzoeken niet voor deze benadering, die bovendien verlaagde de experimentele kosten. Om de druppelgrootte expressie, de Sauter gemiddelde diameter d 32 (zie vgl. 1) werd gebruikt als vertegenwoordiger diameter van druppels in de olie-water emulsie voor deze aanpak. In het algemeen is de gemiddelde Sauter diameter verminderden in de tijd voor alle pomp en pompinstellingen tot aan steady state 12. Onderzoeken in deze studie bevestigt de progressie van de Sauter gemiddelde diameter (fig u re 4A D) krommen van de PuraLev 200MU (fig u re &# 160; 4A) en de peristaltische pomp (Fig u opnieuw 4D) wordt voorbeeldig besproken in dit protocol. In tegenstelling tot de PuraLev 200MU de Sauter gemiddelde diameters waren tot 40% kleiner voor de peristaltische pomp op dezelfde bedrijfsomstandigheden (stroomsnelheid = 3,4 L min -1; drukval = 0,03 bar). Bijgevolg hogere mechanische belasting resulteerde in een verhoogde onderstaande verbreken en daardoor kleinere druppelgroottes. Bovendien is de gemiddelde Sauter diameter af met toenemende drukval in de PuraLev 200MU (Fig u her 4A) die de afhankelijkheid van druppelgrootte op drukverlies aangegeven. In tegenstelling, de peristaltische pomp toonde een gemiddelde Sauter diameter van d = 32,60min 10 urn op het einde van het experiment alle procesparameters (Figu opnieuw 4D). Daarom is de gemiddelde Sauter diameter bleek onafhankelijk van de drukval. De resultaten weerspiegelen fysisch begrip van de onderstaande breuk: hogere mechanische belasting, werden kleinere Sauter gemiddelde diameters bepaald (zie ook fig u re 5). Voor elk meetpunt werden tenminste 300 druppels bepaald voor statistische zekerheid te garanderen. De maximale standaardafwijking daalde de PuraLev 200MU van d 32,4min ± 42 pm en de PuraLev 600MU van d 32,6min ± 21 urn tot ongeveer 32 d ± 0,5 pm op het einde van het pompproces. De verminderde standaarddeviatie het gevolg van de toegenomen homogene druppelgrootte distributie tot steady state werd bereikt. In vergelijking to de MagLev centrifugaalpompen, de peristaltische en 4-zuigermembraanpompen onthuld standaarddeviaties onder d 32 ± 10 micrometer. (1) Figuur 4. Typische profielen van Sauter betekenen diameters d 32 in de tijd en de bepaling van de gemeten Sauter gemiddelde diameters d 32, m. Vergelijking van Sauter gemiddelde diameters d 32 (A) voor de PuraLev 200MU, (B) voor de PuraLev 600MU, (C) voor de 4-zuiger membraanpomp, en (D) voor de peristaltische pomp. The Sauter gemiddelde diameters D 32 werden bepaald bij een stroomsnelheid van 3,4 L min -1 en drukvallen variërend 0,03-0,61 bar.De gemeten Sauter gemiddelde diameter d 32, werd m berekend voor de laatste 10 min (grens). De resulterende standaarddeviatie van de Sauter gemiddelde diameters d 32 (N ≥ 300) wordt getoond. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Gemeten Sauter gemiddelde diameter als vergelijkingssysteem Zoals hierboven beschreven zijn de Sauter gemiddelde diameter afgenomen totdat de onderstaande afmetingen bereikte een steady state. In de laatste 10 minuten van de experimentele periode, de gemiddelde waarde van de Sauter-gemiddelde diameter berekend ter bepaling van de gemeten Sauter gemiddelde diameter, die werd gebruikt als vergelijkingscriterium (zie grens van figuur U re 4A-D). De gemeten Sauter gemiddelde diameters d 32 zijn getoond m een stroomsnelheid van 3,4 L &# 160, min -1 en een drukval traject 0,03-0,61 bar in fig u re 5. Grotere gemeten Sauter gemiddelde diameters werden bepaald voor zowel MagLev centrifugaalpompen (200MU en 600MU) en de 4-zuiger membraanpomp bij lagere drukverliezen en waaier snelheden. De peristaltische pomp onthuld gemeten Sauter betekenen diameters van d 32, m = 10 um voor alle procesparameters. Zoals eerder vermeld, waren afschuifkrachten onafhankelijk van de drukval van de peristaltische pomp. De grootste gemeten Sauter gemiddelde diameters van d 32, m = 36 micrometer voor de PuraLev 200MU en d 32, m = 34 micrometer voor de PuraLev 600MU werden verkregen bij een drukval van 0,03 bar. In vergelijking met hun tegenhangers, de MagLev centrifugaalpomp serie pompen verkregen tot 59% grotere gemeten Sauter betekenen diameters. Deze resultaats aangegeven lagere daalsnelheid verbreken en daardoor lagere mechanische belasting als gevolg van het gebruik van centrifugaalpompen. De standaardafwijking van de gemeten Sauter gemiddelde diameters in de steady state was dan 15%, wat betrouwbare en nauwkeurige waarden voor de druppelgroottes bevestigd. Figuur 5. Vergelijking van de gemeten Sauter gemiddelde diameters d 32, m. Gemeten Sauter gemiddelde diameters voor de MagLev centrifugaalpompen en hun tegenhangers op 3,4 L min -1 en de druk daalt van 0,03, 0,30 en 0,61 bar. De resulterende standaarddeviaties van de gemeten Sauter gemiddelde diameters d 32 m tijdens de steady state worden getoond. Afkortingen Please klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. 2D-ORM tweedimensionale optische reflectiemeting CCD ladingsgekoppelde inrichting CHO Chinese hamster ovarium cmc kritische micelconcentratie FBR forward-backward-verhouding FBRM gefocusseerde bundel reflectie methode MU multifunctionele SU eenmalig gebruik Nomenclatuur [M 3 sec -1] debiet c [M 3 m -3] concentratie d 32 [M] Sauter gemiddelde diameter d 32, m [M] gemeten Sauter gemiddelde diameter d s [M] oppervlaktediameter d v [M] volumediameter f [Hz] frequentie n [Sec -1] waaier snelheid N [-] aantal druppels p Vader drukval t sec tijd β [Kg m -3] massaconcentratie ρ [Kg m -3] dichtheid 69; [M 3 m -3] massafractie Tabel 1. Tabel van afkortingen en nomenclatuur.

Discussion

Het doel van dit protocol is de geschiktheid van de inline endoscopie techniek voor druppelgrootte metingen pompen processen tonen. Daartoe druppelgrootten van een olie-wateremulsie systeem bepaald en gemeten Sauter gemiddelde diameter berekend karakteriseren de mechanische spanning van de MagLev centrifugaalpompen en hun tegenhangers, een peristaltische en een 4-zuigermembraanpomp. De resultaten toonden lage variatie van de gemeten Sauter gemiddelde diameters die werden gekwantificeerd door standaardafwijkingen dan 15%, wat aangeeft dat druppelgrootten zijn betrouwbaar en nauwkeurig gemeten. Bijgevolg kan de gemeten gemiddelde Sauter diameter succes gebruikt worden als vergelijkingscriterium de mechanische belasting van de onderzochte pompen evalueren. De MagLev centrifugaalpompen onthuld grotere gemeten Sauter gemiddelde diameters, wat aangeeft lagere mechanische spanningen op emulsie druppels vergeleken met de peristaltische en 4-zuiger membraanpompen. In studies tot op heden inline endoscopie aangetoond dat een robuuste en eenvoudige techniek een betrouwbare druppelgroottemeting ^{1,6,12-14,20-21,} die werd bevestigd door deze studie. In vergelijking met alternatieve meetmethoden, zoals de optische vezel FBR sensor, de FBRM en de 2D-ORM techniek de endoscoop techniek kan worden toegepast als de standaard methode voor het verkrijgen van nauwkeurige gegevens in vloeibare / vloeistoftoepassingen ^12,14.

De hantering van de inline endoscopie en eenvoudige productie van de niet-biologische olie-wateremulsie systeem maakt een eenvoudige procedure voor druppelgrootte detecties volgens het voorschrift tekst (zie boven). Desondanks moet worden opgemerkt dat de positie van de endoscoop probe afhangt van de vloeistofstroom in het voorraadvat. Verdere onderzoekingen (data niet getoond) is gebleken dat de lens van de probe direct moet worden geplaatst onder de inlaatbuis voor lagere capaciteiten tot 5 Lmin ^-1teneinde een veelvoud detectie van één druppel ¹⁹ te voorkomen. Voor scherpe beelden met stroomsnelheden in 5 L min ^-1, wordt het aanbevolen om de positie van de probe ten minste 10 cm van de inlaatbuis. Onafhankelijk van procesparameters, moet de houder van de inline endoscopie stabiel zijn om een verschuiving van de probe, wat kan leiden tot wazige beelden te voorkomen.

Bovendien moet in het bijzonder worden opgemerkt dat de druppelgrootte gedetecteerde vlakbij de onderste detectielimiet van de gebruikte foto-optisch systeem, waarbij de minimale detecteerbare daling diameter 6,5 urn. Omdat de fabrikant meegeleverde software is verbeterd, kan inline endoscopie technieken betrouwbaar detecteren een minimale druppelgrootte van 1 micrometer. Bovendien zal de beeldverwerking verder worden ontwikkeld om online monitoring van industriële toepassingen mogelijk te maken.

Hoewel de huidige studie concentreerde zich op een relatief lage debieten tot 3.4 L 60, min ^-1 dienen toekomstige studies overwegen een breder scala van bedrijfsomstandigheden. Eerste onderzoeken zijn uitgevoerd bij capaciteiten tot 20 L ^-1 min (gegevens niet getoond). Echter een 1: 2 verdunning wordt (c _surfactant = 0,09 ml L ^-1, c _olie = 0,64 ml L ^-1) van de olie-wateremulsie aanbevolen systeem met stroomsnelheden dan 10 Lmin ^{-1 19,} een toename onderstaande verbreken veroorzaakt door hogere mechanische belasting anders zouden beïnvloeden vallen opsporing en vermindering van het aantal druppels gedetecteerd. Testen werden uitgevoerd met een 1 uitgevoerd: 2 verdunning en vergeleken met de resultaten van een onverdunde olie-water-emulsie systeem. Voor beide gevallen wordt de Sauter gemiddelde diameters zijn betrouwbaar vastgesteld (standaardafwijking dan 5%). Derhalve verminderde volumefractie: leverde (1 2 verdunning) geen invloed op de gemeten Sauter gemiddelde diameters, en dus een druppel-druppel verbreken was verwaarloosbaar.

nt "> Deze krachtige experimentele benaderingen bieden een goede basis voor de verbetering van de endoscopie techniek alsmede de bijbehorende afbeelding overname, erkenning en resultaat analyse software. Bovendien, de geschiktheid van de endoscopie techniek om soorten en series pomp te classificeren op basis van hun mechanische spanning werd met succes gedemonstreerd. De verkregen resultaten zijn essentieel voor pompontwerp ontwikkeling en optimalisatie van pompen celschade te verminderen.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

De auteurs willen graag de Commissie bedanken voor Technologie en Innovatie (CTI, Zwitserland) voor hun financiële steun (No. 13.236,1 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