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

שיטה חסכונית ואמינה לחיזוי לחץ מכאני בSingle-שימוש ומשאבות רגילים

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

משאבות משמשות בעיקר בעת העברת broths תרבות סטרילי בתהליכי ייצור ביו-פארמה וביוטכנולוגיה. עם זאת, במהלך תהליך שאיבת כוחות גזירה להתרחש אשר יכולה להוביל לאובדן מוצר איכותי ו / או כמותית. כדי לחשב את הלחץ המכני עם חשבון ניסיוני מוגבל, שימשה מערכת תחליב שמן-מים, התאמה שהודגמה לתגליות גודל הירידה בbioreactors ^1. כהתפרקות ירידה של מערכת תחליב שמן-מים היא פונקציה של לחץ מכאני, שחרר גדלים צריכים לספור על הזמן הניסיוני של חקירות מאמץ גזירה. במחקרים קודמים, אנדוסקופיה מוטבעת הוכחה להיות טכניקת מדידה מדויקת ואמינה לתגליות גודל ירידה בתפוצות נוזלית / נוזל. המטרה של פרוטוקול זה היא להראות את ההתאמה של טכניקת אנדוסקופיה מוטבעת למדידות גודל ירידה בתהליכי שאיבה. כדי להביע את גודל הירידה, Sauter אומר קוטרד ₃₂ שימש כקוטר הנציג של טיפות בתחליב שמן-מים. התוצאות הראו וריאציה נמוכה בקטרים הממוצעים Sauter, שהיו לכמת על ידי סטיות תקן של מתחת ל -15%, המעידה על האמינות של טכניקת המדידה.

Introduction

משאבות משמשות להעברת תרביות תאים בתעשיות התרופות וביוטכנולוגיה. במהלך תהליך השאיבה, לחץ מכאני יכול לגרום לנזק בלתי הפיך תא, אשר עלול לפגוע בכמות ובאיכות של המוצר ^1-4. רמת לחץ מכאני תלויה בהגדרות סוג המשאבה ומשאבה, כפי שהודגם במחקרים קודמים ^5-6. בדרך כלל, משאבות peristaltic, מזרק והסרעפת משמשות לשימוש יחיד יישומים מבוססים טכנולוגיה (SU). משאבות אלה לגרום לכוחות גזירה מקומיים גבוהים הנגרמים על ידי הדחיסה של צינור המשאבה והזרימה הפועמת ^7.

על מנת להתגבר על חסרונות אלה, משאבות צנטריפוגליות לרחף מגנטי (משאבות צנטריפוגליות מגלב) מהווה חלופה מבטיחה. המנוע מונע מגנטי כדי למנוע פערים צרים בין המאיץ ודיור המשאבה (איור 1). מחקר קודם חקר את צנטריפוגלי המגלבמשאבות והראה לחץ מכאני נמוך בסינית השחלות (CHO) תאים לעומת סרעפת peristaltic ו -4 בוכנה משאבות ^5. בנוסף, ניתוחי המוליזה עולים כי אין היווצרות טראומת דם וקרישי דם משמעותית על פני טווח של תנאי הפעלה באמצעות משאבות אלה ^8-11. הממצאים מראים כי שימוש במשאבות שתוכננו במיוחד אלה חל פחות לחץ מכאני על מערכות ביולוגיות בהשוואה למשאבות peristaltic והסרעפת. כדי לחקור את הלחץ המכני עם חשבון ניסיוני מוגבל, מערכת מודל תחליב שמן-מים מומלץ בשל העלות-(בערך 99.8%) ו- (99.5% בקירוב) יישום מופחת זמן בהשוואה למערכות תרבית תאים ביולוגיות.

כהתפרקות ירידה של מערכת תחליב שמן-מים היא פונקציה של לחץ מכאני, שחרר גדלים חייבים להימנות על הזמן הניסיוני של חקירות מאמץ גזירה. טכניקות רבות לשינוי גודל טיפות זמינות, which ניתן לחלק את קול, לייזר וטכניקות מבוססות תמונה ^12. בפרט, השימוש באנדוסקופיה מוטבעת בדיקה התמונה אופטי תערוכות גדלים כמעט זהים לירידה לתגליות ידניות ואוטומטיות (סטיית תקן מתחת ל -10%) ומאפשר זיהוי של 250 טיפות לדקה ^13. בגלל הדיוק והאמינות שלו, טכניקת אנדוסקופ הוכחה להיות טכניקת מדידה סטנדרטית יעילה להפצות גודל ירידה בתפוצות נוזלי / נוזל בהשוואה לבדיקות נפוצות אחרות (למשל סיבים אופטיים קדימה-אחורה-יחס חיישן, (FBR) , שיטת קרן ממוקדת החזרה (FBRM) וטכניקת מדידת החזרה האופטית דו-ממדית (2D-ORM)) ^12,14. יתר על כן, את התאמתו של אנדוסקופיה מוטבעת למדידת גדלי ירידה בכלי עורר הודגמה מספר פעמים בחקירות קודמות ^15-18.

בהתבסס על מחקר לפני ^6, פרוטוקול זה מתארהשימוש באנדוסקופיה מוטבעת כדי לקבוע גדלי ירידה (Sauter אומר קוטר) של מערכת תחליב שמן-מים במשאבות. Sauter אומר קוטר שימש כקריטריון השוואה כדי להעריך את הלחץ המכני של משאבות רב-שימוש (MU) צנטריפוגלי מגלב, peristaltic ושימוש יחיד משאבת דיאפרגמה 4 בוכנה (SU).

איור 1. לרחף מגנטי משאבה-מערכת צנטריפוגלי. (א) העיקרון של מנוע bearingless ו( ב) 200MU PuraLev מוצג כדוגמא. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

Protocol

החקירות בוצעו באמצעות התקנת צנרת משאבה (Figu מחדש 2), המאפשרת ניסויי לחץ מכאניים בספיקות עד 60 דקות L -1 ולחץ יורד עד 2 בר להתבצע. כפי שניתן לראות באיור 2 u מחדש, ההתקנה הניסיונית מורכבת מכלי האחסון, מעגל המשאבה, והציוד לטכניקת אנדוסקופיה מוטבעת. המאיץ של כלי האחסון היה בשימוש רק לערבב החומרים פעילי השטח. אלמנטים היקפיים שולבו בלולאה הסגורה כדי לפקח על קצב הזרימה V ו- p ירידה בלחץ בהגדרות משאבה שונות. החקירות היו מגוונות על ידי שימוש בשסתום יד-הגלגל. 1. התקנה ניסיונית ודא שbioreactor (D = 0.15 מ ', H / D = 2.2) מצויד במאיץ לפירוק של surfactaNT ולוודא כי צינור הכניסה טובל לתוך הנוזל כדי למנוע הזנת גז. לצייד את משאבת הלולאה עם יציאת מזרק, המשאבה נחקרה, מד זרימת מהדק-על, חיישן לחץ שימוש יחיד ושסתום יד-גלגל. לאחר חיבור של משאבת הלולאה לכלי האחסון, לחבר את ראש המשאבה לרכב ולהכין את הבדיקה אנדוסקופ. הר מטוס ההשתקפות משתנה, מראה רודיום במקרה זה, בקצה הבדיקה ולהתאים את המרחק בין המראה ועדשה 150 מיקרומטר. התאם את הבורג ב 100 מיקרומטר להתמקד חדות אובייקטיביות. חבר את החללית להסטרובוסקופ באמצעות כבל סיב אופטי והמצלמה של אנדוסקופ למחשב באמצעות כבל Ethernet. לאחר מכן, לחבר את המצלמה והסטרובוסקופ יחד באמצעות כבל הדק-תיבה. הפעל את המחשב ולפתוח את התוכנה שסופק על-יצרן, הכוללת רכישת תמונה ותוכנה לזיהוי, כמו גם תוכנת מנתח תוצאה. בחר את תוכנת רכישת תמונה בתפריט הראשי. לחץ על הכפתור "זיהוי מכשיר" בפינה השמאלית העליונה של המסך כדי לזהות את המצלמה. תחת "הגדרות מדריך" בחר את המיקום במחשב לשמירת תמונות ולהפעיל את הפקודה "יצירת תיקיות משנה הדק". הזן את הפרמטרים התהליך בסעיף "מצב טריגר: מוכן". קצב פריימים: 7.5 הרץ מסגרות להדק: 50 מספר הגורמים: 60 מרווח הדק: 60 שניות , לאחר השלמת כל עבודת ההכנה לשפוך מים ללא יונים 5 L לתוך כלי האחסון ולעבור על המשאבה כדי למלא את המשאבה ומשאבת הלולאה. כבה את המשאבה ולהוסיף 0.9 מיליליטר של חומרים פעילי שטח (שטח C = L 0.18 מיליליטר -1, שטח ρ, 20 ° C = 1,070 מטר קילוגרם -3, ריכוז micelle קריטי (CMC): ω CMC0; ≈ 0.018 L מיליליטר -1, ω ≈ שטח 10 · ω CMC) עם פיפטה 10 מיליליטר תחת ערבוב. לאחר 10 דקות השטח הוא נמס לגמרי. כבה את המאיץ ולהפעיל את המשאבה. מקם את הבדיקה אנדוסקופ כך שהעדשה ממוקמת ישירות מתחת לצינור הכניסה. הגדר את קצב הזרימה של 3.4 דקות L -1 וירידה בלחץ של 0.03, 0.3 או 0.61 בר על ידי שינוי מהירות מאיץ ואת שסתום יד-גלגל. שוקל 6.3 גרם של שמן ישירות במזרק (β = L שמן 1.26 g -1, שמן ρ, 20 ° C = 989.5 -3 מ 'קילוגרם). הפעל את תוכנת רכישת תמונה ומוסיף את השמן דרך יציאת המזרק. המשאבה פועלת מפיצה טיפות התחליב. אחרי שעה 1, לסיים את חקירת מאמץ הגזירה ולנקות את אנדוסקופ מוטבע כמו גם bioreactorעם משאבת הלולאה המשולבת. בהמשך לכך, להכין את ההתקנה הניסיונית לתהליך השאיבה הבא. 2. מדידה וניתוח תמונה פתח את התוכנה לזיהוי תמונה האוטומטית בתפריט הראשי. תחת "מדריך שורש אצווה" בחר את המיקום במחשב לשמירת הקבצים (כל * .csv). בחר את העמודה "נתיב סדרת תמונה" ולחץ על הכפתור "הוסף תמונת תיקיות משנה סדרה" בפינה השמאלית התחתונה של המסך כדי לטעון את סדרת התמונה. טען את הפרמטרים תהליך המסופקים על ידי היצרן. בחר את העמודה "חיפוש הגדרות (* .pss או auftrag _ *. מחצלת)" ולחץ על הכפתור "הגדרות חיפוש סט" בבינוני-הנמוכה של המסך כדי לטעון פרמטרים תהליך כדי לציין את הכרת הירידה. בחר את העמודה "חיפוש תבנית (* .psp או F _ *. מחצלת) ולחץ על הכפתור" תבנית חיפוש סט "בפינה הימנית התחתונה של המסך כדי לטעון את הפרמטרים התהליך כדי לציין את ניתוח הירידה. התחל זיהוי תמונה על ידי לחיצה על הכפתור "התחל אצווה". לאחר השלמת זיהוי תמונה, להביע גדלי הירידה זוהו על ידי Sauter אומר קוטר (ד 32), או כל נציג אחר אומר ערך או הפצה של בחירה על ידי שימוש בתוכנת מנתח תוצאה. פתח את תוכנת מנתח תוצאה בתפריט הראשי. הפעל את הפקודה "כל * ה- csv בתיקייה 1" ולחץ על "התיקייה טען (ים)" כפתור בפינה השמאלית העליונה של המסך כדי לטעון את שנשמר בעבר כל קובץ csv *. בחר את הערך הרלוונטי (למשל, Sauter אומר קוטר) ברשימה הנפתחת באמצע העליון של המסך כדי להמחיש את התוצאות. לחישוב הקוטר להיכנס לקנה המידה של .6591 מיקרומטר פיקסל -1 בצד הימין, המסופק על ידי היצרן. איור 2. התקנה ניסיונית מעגל משאבה להתקנת משאבה זורמים באמצעות אנדוסקופיה מוטבעת כטכניקת מדידה:. (1) כלי אחסון, (2) נמל מזרק, (3) משאבה, (4) חיישן לחץ, (5) חיישני זרימה, ( 6 הסטרובוסקופ), (7) מחשב עם התוכנה שסופק על-היצרן, ו( 8) בדיקה אנדוסקופ. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

Representative Results

הערכה אופטית איור u מחדש 3 מציג את תמונות הכרת חלקיקים לאחר זמן שאיבה של 1 שעה. ארבע תמונות העליונות להראות טיפות לפני ההכרה וארבע תמונות התחתונות מראות הטיפות מסומנות על ידי התוכנה לזיהוי. הטיפות זוהו מודגשות עם קצה ירוק. השוואת התמונות העליונות ותחתונות מראה כי קצות הירידה התגלו דווקא על ידי התוכנה לזיהוי תמונה. התמונות משמאל מראות את התפלגות הירידה לצנטריפוגלי מגלב משאבות PuraLev 200MU וPuraLev 600MU, ואלה בצד הימין מראים את סרעפת 4 בוכנה ומשאבת peristaltic. הערכה אופטית אפשרה סיווג ראשוני של הלחץ המכני במערכת תחליב מודל. זה גילה כי גדלי ירידה גדולים יותר וספירת ירידה נמוכה יותר נוצרו על ידי המשאבות צנטריפוגליות המגלב לעומת diaphr 4 הבוכנהמשאבת AGM וperistaltic. כתוצאה מכך, המשאבות צנטריפוגליות מגלב, במיוחד 200MU PuraLev, הראו ירידת שבירה מופחתת, המצביעה על לחצים מכאניים נמוכים. 3. תמונות איור של אנדוסקופיה מוטבעת. אמולסיה טיפות לפני (A, B, C, D) ואחרי (E, F, G, H) הכרת חלקיקים לאחר שעה 1 של שאיבה באמצעות (A, E) 200MU PuraLev, ( B, משאבת הבוכנה סרעפת 4-F) 600MU PuraLev, (C, G), ו( D, H) משאבת peristaltic בתנאי הפעלה זהות (3.4 L דקות -1 ו0.03 בר). אנא לחץ כאן לצפייה גרסה גדולה יותר של דמות זו. SAUTERקוטר חקירות נוספות גילו סטיות תקן מתחת ד 32 ± 0.4 מיקרומטר ומובטחים תוצאות לשחזור בעת השימוש באנדוסקופיה מוטבעת 19. לכן, חקירות מרובות לא נדרשו לגישה זו, שגם הקטינה את ההוצאות הניסיוניות. כדי להביע את גודל הירידה, Sauter אומר ד קוטר 32 (ראה משוואה. 1) שימש כקוטר הנציג של טיפות בתחליב שמן-מים לגישה זו. באופן כללי, Sauter אומר קוטר ירד לאורך זמן לכל סוגי המשאבה והגדרות משאבה עד שמגיע למצב יציב 12. חקירות במחקר זה אישרו את ההתקדמות של Sauter אומר קוטר (איור u מחדש 4A לD), עקומות של PuraLev 200MU (איור u מחדש ו# 160; 4A) ומשאבת peristaltic (איור u מחדש 4D) דנים מופתי בפרוטוקול זה. בניגוד ל200MU PuraLev, Sauter אומר קטרים היו עד 40% קטנים יותר למשאבת peristaltic באותם תנאי פעולה (קצב זרימה = 3.4 L דקות -1; ירידה = 0.03 בר לחץ). כתוצאה מכך, לחצים מכאניים גבוהים הביאו להתפרקות ירידה מוגברת ובגדלי ירידה לכן קטנים יותר. יתר על כן, Sauter אומר קוטר ירד עם ירידת לחץ הגוברת ב200MU PuraLev (איור u מחדש 4A), אשר הצביעה על התלות בגודל טיפה על ירידה בלחץ. לעומת זאת, משאבת peristaltic הראתה Sauter אומר קוטר של ד 32,60min = 10 מיקרומטר בסוף הניסוי לכל הפרמטרים התהליך (איורu מחדש 4D). לכן, Sauter אומר קוטר נמצא להיות עצמאי של ירידה בלחץ. עם זאת, התוצאות משקפות את ההבנה פיזית של הפרידה הירידה: עם לחץ מכאני גבוה, קטרים ממוצעים Sauter קטנים נקבעו (ראה גם איור u מחדש 5). עבור כל נקודת מדידה, לפחות 300 טיפות נקבעו על מנת להבטיח ודאות סטטיסטית. סטיית התקן המקסימלי ירד ל200MU PuraLev מ32,4min ד ± 42 מיקרומטר ול600MU PuraLev מ32,6min ד ± 21 מיקרומטר לכ ד 32 ± 0.5 מיקרומטר בסופו של תהליך השאיבה. סטיית התקן ירדה כתוצאה מהתפלגות גודל הטיפה הומוגנית גדלה עד שהגיע למצב יציב. בהשוואה לאo המשאבות צנטריפוגליות המגלב, משאבות דיאפרגמה peristaltic ו -4 בוכנה-גילו סטיות תקן מתחת ד 32 ± 10 מיקרומטר. (1) 4. פרופילים אופייניים איור של Sauter אומר קטרים הייתם 32 לאורך זמן והנחישות של הקטרים הממוצעים Sauter נמדדו הייתם 32, מ '. השוואה של קטרים ממוצעים Sauter ד 32 (א) לPuraLev 200MU, (ב) לPuraLev 600MU, (ג) למשאבת הבוכנה 4-סרעפת, ו( ד ') למשאבת peristaltic. הקטרים הממוצעים Sauter ד 32 נקבעו בקצב זרימה של 3.4 ליטר דקות -1 ולחץ יורד החל 0.03-0.61 בר.ד נמדד Sauter ממוצע הקוטר 32, מ 'חושב שלעברו 10 דקות (גבול). סטיית התקן וכתוצאה מכך של הקטרים הממוצעים Sauter ד 32 (N ≥ 300) מוצג. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו. נמדד Sauter ממוצע קוטר כמערכת השוואה כפי שתואר לעיל, Sauter אומר קוטר ירד לאורך זמן עד גדלי הירידה הגיעו למצב יציב. בחודש האחרון 10 דקות של זמן הניסוי, הערך הממוצע של Sauter אומר קוטר חושבה כדי לקבוע את Sauter המדוד אומר קוטר, ששימש כקריטריון השוואה (ראה איור גבול של u מחדש 4A-D). הקטרים הממוצעים Sauter נמדדו הייתם 32, מ 'מוצגים לקצב זרימה של 3.4 L &# 160; דקות טווח -1 וירידה בלחץ 0.03-0.61 בר באיור u מחדש 5. קטרי Sauter נמדדו גדולים ממוצעים נקבעו עבור שני משאבות צנטריפוגליות המגלב (200MU ו600MU) ומשאבת דיאפרגמה 4 בוכנה-בטיפי לחץ נמוכות ומהירויות גלגל מניע. משאבת peristaltic חשפה נמדדה Sauter אומר קטרים של 32 ד, מ '= 10 מיקרומטר לכל הפרמטרים התהליך. כאמור, כוחות גזירה היו עצמאיים של הירידה בלחץ למשאבת peristaltic. הקטרים נמדדו גדול Sauter הממוצעים של 32 ד, מ '= 36 מיקרומטר ל200MU PuraLev וד 32, מ' = 34 מיקרומטר ל600MU PuraLev התקבלו בירידה בלחץ של 0.03 בר. בהשוואה לעמיתיהם, מגלב צנטריפוגלי משאבת סדרה שהושג עד 59% גדולים יותר נמדד Sauter אומר קטרים. תוצאה אלהים הצביע על שיעור נמוך יותר של התפרקות ירידה ובכך לחץ מכאני נמוך כתוצאה מהשימוש במשאבות צנטריפוגליות. סטיית התקן של Sauter המדוד אומרת קטרים במצב היציב היה מתחת ל -15%, ובכך מאשר ערכים אמינות ומדויקים לגדלי הירידה. השוואת איור 5. בקטרים ממוצעים Sauter נמדדו היית 32, מ '. נמדד Sauter קטרים ממוצעים למשאבות צנטריפוגליות מגלב ועמיתיהם על 3.4 L טיפות דקות -1 ולחץ של 0.03, 0.30 ו0.61 בר. סטיות תקן וכתוצאה מכך של הקטרים הממוצעים Sauter נמדדו הייתם 32, מ 'במצב היציב מוצגות. הקיצורים PleASE לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו. 2D-ORM מדידת החזרה אופטית דו-ממדית CCD מכשיר תשלום מצמידים CHO השחלה אוגר סינית CMC ריכוז micelle קריטי FBR קדימה-אחורה-יחס FBRM שיטת החזר קרן ממוקדת MU רב-שימוש SU שימוש יחיד מינוח [-1 3 שניות מ '] קצב זרימה ג [מ '3 מ' -3] ריכוז ד 32 [מ] Sauter ממוצע קוטר ד 32, מ ' [מ] נמדד Sauter ממוצע קוטר ד של [מ] קוטר משטח ד נ [מ] קוטר נפח ו [הרץ] תדירות n [שניות -1] מהירות מאיץ N [-] מספר הטיפות עמ ' אבא ירידה בלחץ לא שניות זמן β [מ -3 קילוגרם] ריכוז המוני ρ [מ -3 קילוגרם] צפיפות 69; [מ '3 מ' -3] חלק המוני טבלה 1. טבלה של קיצורים ומינוח.

Discussion

המטרה של פרוטוקול זה היא להראות את ההתאמה של טכניקת אנדוסקופיה מוטבעת למדידות גודל ירידה בתהליכי שאיבה. לצורך כך, שחרר גדלים של מערכת תחליב שמן-מים נקבעו וSauter ממוצע קוטר נמדד היה מחושב מאפיין את הלחץ המכני של צנטריפוגלי מגלב משאבות, כמו גם עמיתיהם, וperistaltic משאבת דיאפרגמה 4 בוכנה. התוצאות הראו וריאציה נמוכה של Sauter המדוד אומרת קטרים, שהיו לכמת על ידי סטיות תקן של מתחת ל -15%, מצביעים על כך שירידה בגדלים כבר מדידה באופן מהימן ומדויק. כתוצאה מכך, Sauter ממוצע הקוטר נמדד בהצלחה יכול לשמש כקריטריון השוואה להעריך את הלחץ המכני של המשאבות נחקרו. המשאבות צנטריפוגליות מגלב חשפו קטרי Sauter נמדדו גדולים יותר ממוצעים, המצביעים על לחצים מכאניים נמוכים יותר בטיפי תחליב לעומת משאבות דיאפרגמה peristaltic ו -4 בוכנה. בהרבעהies עד כה, אנדוסקופיה מוטבעת הוכחה להיות טכניקה חזקה ופשוטה למדידת ירידה אמינה גודל ^{1,6,12-14,20-21,} שגם אושרה על ידי מחקר זה. בהשוואה לטכניקות מדידה אלטרנטיביות, כגון חיישן FBR סיבים האופטי, FBRM וטכניקת 2D-ORM, טכניקת אנדוסקופ יכולים לשמש כשיטת סטנדרטית לקבלת נתונים מדויקים ביישומים נוזליים / נוזל ^12,14.

הטיפול קל של אנדוסקופיה מוטבעת והייצור הפשוט של מערכת תחליב שמן-מים שאינם ביולוגית מאפשר הליך פשוט לתגליות גודל ירידה בנוסח הפרוטוקול (ראה לעיל). עם זאת, יש לציין כי עמדת הבדיקה אנדוסקופ תלויה בזרימת הנוזל בכלי האחסון. חקירות נוספות (מידע לא מוצג) חשפו כי העדשה של החללית צריכה להיות ממוקמת מתחת לצינור הכניסה ישירות לספיקות נמוכות עד 5 L דקות ^-1על מנת להימנע מזיהוי מרובה של טיפה אחת ^19. לתמונות חדות בספיקות מעל 5 L דקות ^-1, מומלץ למקם את הבדיקה לפחות 10 סנטימטרים מצינור הכניסה. עצמאי של פרמטרים תהליך, בעל אנדוסקופיה מוטבעת צריך להיות יציב על מנת למנוע הסטה של החללית, אשר יכול לגרום לתמונות מטושטשות.

יתר על כן, היא צריכה במיוחד לציין כי גודל הטיפה זוהה הוא קרוב לגבול הגילוי נמוך יותר של מערכת פוטו-אופטי מיושמת, שבו קוטר ירידה לגילוי המינימאלי הוא 6.5 מיקרומטר. כתוכנה המסופק על היצרן שופרה, טכניקות אנדוסקופיה מוטבעת יכולות לזהות באופן אמין גודל ירידה מינימאלי של 1 מיקרומטר. יתר על כן, עיבוד התמונה יפותח נוסף כדי לאפשר ניטור מקוון של יישומים תעשייתיים.

למרות שהמחקר הנוכחי התמקד בספיקות נמוכות יחסית של עד 3.4 ליטר 60; דקות ^-1, מחקרים עתידיים צריכים לשקול מגוון רחב יותר של תנאי פעולה. החקירות הראשונות בוצעו בספיקות עד 20 דקות L ^-1 (מידע לא מוצג). עם זאת, 1: 2 לדילול _(שטח C = L מיליליטר 0.09 ^{-1, -1} L = 0.64 מיליליטר _שמן ג) למערכת תחליב שמן-מים מומלץ בספיקות מעל 10 דקות L ^{-1 19,} כהתפרקות ירידה מוגברת הנגרם על ידי לחץ מכאני גבוה אחרת להשפיע שחרר איתור ולצמצם את מספר הטיפות שזוהו. בדיקות בוצעו בדילול 1: 2 והשוואה עם תוצאות של מערכת תחליב שמן-מים חי. לשתי הגישות, Sauter אומר קטרים נמדדו (סטיית תקן מתחת ל -5%) באופן מהימן. לכן, החלק מופחת נפח (1: 2 דילול) לא השפיע על Sauter המדוד אומר קטרים, ובכך פרידה טיפה-טיפה הייתה זניחה.

NT "> גישות ניסיוניות רבות עוצמה אלה מספקים בסיס טוב לשיפור טכניקת אנדוסקופיה, כמו גם את תוכנת רכישת תמונה, זיהוי ומנתח תוצאה הנלווה. יתר על כן, את ההתאמה של טכניקת אנדוסקופיה לסווג סוגי משאבה וסדרה על פי המכני שלהם המתח הודגם בהצלחה. התוצאות שהתקבלו הם חיוניות להתפתחות עיצוב משאבה ואופטימיזציה של משאבות כדי להפחית נזק לתאים.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

המחברים מבקשים להודות לוועדה לטכנולוגיה וחדשנות (CTI, שוויץ) לתמיכה הכספית שלהם (מס '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