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

Engineering

Um método custo-efetivo e confiável para prever a tensão mecânica em uso único e bombas standard

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

As bombas são utilizadas principalmente quando a transferência de caldos de cultura estéreis em processos de produção biofarmacêutica e biotecnológicos. No entanto, durante o processo de bombeamento ocorrer forças de cisalhamento que podem levar à perda de produto qualitativa e / ou quantitativa. Para calcular a tensão mecânica com despesa experimental limitado, um sistema de emulsão de óleo-água foi usada, cuja adequação foi demonstrada para detecções de tamanho de gota em biorreatores ^1. Como dissolução da gota no sistema de emulsão de óleo-água é uma função da tensão mecânica, gota tamanhos devem ser contados ao longo do tempo experimental de investigações de tensão de cisalhamento. Em estudos anteriores, a endoscopia incorporada tem sido mostrado para ser uma técnica de medição exacta e fiável para detecção do tamanho da gota em dispersões de líquido / líquido. O objectivo deste protocolo é para mostrar a adequação da técnica de endoscopia em linha para medições de tamanho de gota em processos de bombeamento. Para expressar o tamanho da gota, o diâmetro médio de Sauterd ₃₂ foi utilizada como representativa do diâmetro de gotas na emulsão de óleo-água. Os resultados mostraram baixa variação nos diâmetros médios Sauter, os quais foram quantificados por desvios padrão abaixo de 15%, indicando a fiabilidade da técnica de medição.

Introduction

As bombas são usadas para transferir as culturas de células nas indústrias farmacêutica e biotecnológica. Durante o processo de bombagem, o stress mecânico pode resultar em danos nas células irreversível, o que pode prejudicar a qualidade e quantidade do produto ^1-4. O nível de estresse mecânico depende das configurações do tipo de bomba e bombas, como demonstrado em estudos anteriores ^5-6. Comumente, bombas peristálticas, seringas e diafragma são usados para aplicações de uso único de base tecnológica (SU). Estas bombas resultar em altas forças de cisalhamento locais provocadas pela compressão da tubagem de bomba e o fluxo pulsante ^7.

A fim de ultrapassar estes inconvenientes, bombas centrífugas levitação magnética (bombas centrífugas MagLev) constituem uma alternativa promissora. O motor é accionado magneticamente, a fim de evitar falhas estreitas entre o rotor e o alojamento de bomba (Figura 1). Um estudo anterior investigou a centrífuga MagLevBombas e apresentaram menor estresse mecânico no ovário de hamster chinês (CHO) células em comparação com diafragma peristáltica e 4 bombas de pistão ^5. Além disso, análises de hemólise revelou nenhum trauma sanguíneo e do trombo formação significativa sobre uma variedade de condições de operação que utilizam estas bombas ^8-11. Os resultados demonstram que o uso destas bombas especificamente concebidos aplica menos tensão mecânica em sistemas biológicos, em comparação com as bombas peristálticas e diafragma. Para investigar a tensão mecânica com despesa limitada experimental, um modelo de sistema de emulsão de óleo-água é recomendada devido ao seu custo (ca. 99,8%) e (ca. 99,5%) de aplicação reduzida do tempo em comparação com os sistemas de cultura de células biológicas.

Como rompimento queda do sistema de emulsão de óleo-água é uma função do estresse mecânico, tamanhos de gota devem ser contados ao longo do tempo experimental de investigações tensão de cisalhamento. Muitas técnicas para dimensionamento gotas estão disponíveis, which pode ser dividido em som, laser e técnicas baseadas foto ^12. Em particular, o uso da sonda em linha endoscopia foto-óptico mostra tamanhos de gota quase idênticos para detecções manuais e automáticas (desvio padrão inferior a 10%) e permite uma detecção de 250 gotas por minuto ^13. Devido à sua precisão e fiabilidade, a técnica endoscópio foi mostrado ser uma técnica eficaz para a medição padrão distribuições de tamanho de gota em dispersões líquido / líquido quando comparado com outras sondas comumente utilizados (por exemplo, de fibra óptica para a frente e para trás de razão (FBR) Sensor , método de feixe focado reflectância (FBRM) e a técnica de medição de reflectância óptica bidimensional (2D-ORM)) ^12,14. Além disso, a adequação de endoscopia em linha para medir tamanhos de gota em um recipiente agitado foi demonstrado várias vezes em investigações anteriores ^15-18.

Com base em um estudo prévio ^6, este protocolo descreveo uso de linha endoscopia para determinar tamanhos de gota (diâmetro médio de Sauter) de um sistema de emulsão de óleo-água em bombas. O diâmetro médio de Sauter foi utilizado como um critério de comparação, a fim de estimar a tensão mecânica das bombas multi-uso (MU) MagLev centrífugos, um peristáltica e de uso único (SU) da bomba de diafragma 4-pistão.

Figura 1. levitação magnética centrífuga do sistema de bomba. (A) O princípio de um motor bearingless e (B) o PuraLev 200mu são mostrados como um exemplo. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Protocol

As investigações foram realizadas utilizando uma configuração de bomba de canalizada (Figu re 2), que permite que as experiências de tensão mecânica a taxas de fluxo de até 60 L min -1 e a pressão cai até 2 bar para ser executado. Como mostrado na Fig u re 2, a instalação experimental é constituído por o recipiente de armazenamento, o circuito da bomba, e o equipamento para a técnica in-line endoscopia. O impulsor do recipiente de armazenamento só foi utilizado para misturar o surfactante. Elementos periféricos foram integrados ao circuito fechado para monitorar a taxa de fluxo V e queda de pressão p em diferentes configurações de bomba. As investigações foram variadas, usando a válvula de mão-roda. 1. Setup Experimental Certifique-se de que o bioreactor (D = 0,15 m, H / D = 2,2) é equipado com um impulsor para a dissolução do tensoativosnt e certificar-se de que o tubo de entrada mergulha no fluido para evitar uma entrada de gás. Equipar o anel de bomba de seringa com uma porta, a bomba investigado, um medidor de fluxo clamp-on, um sensor de pressão de uso único e uma válvula de mão-roda. Após a ligação do anel de bomba para o vaso de armazenamento, ligar-se a cabeça da bomba para o motor e preparar a sonda endoscópio. Montar o plano de reflexão variável, um espelho de ródio, neste caso, na extremidade da sonda e ajustar a distância entre o espelho e a lente 150 um. Ajustar o parafuso a 100 | im a concentrar a nitidez do objectivo. Ligue a sonda para o estroboscópio através de um cabo de fibra óptica e da câmera do endoscópio para o computador através de um cabo Ethernet. Em seguida, ligue a câmera eo estroboscópio em conjunto através de um cabo disparador-box. Inicie o computador e abra o software fornecido pelo fabricante, que inclui uma aquisição de imagem e software de reconhecimento, bem como software analisador resultado. Selecione o programa de aquisição de imagem no menu principal. Clicar no botão "dispositivo de detecção", no canto superior esquerdo do ecrã, para detectar a câmara. Em "Configurações do Diretório", selecione o local no computador para salvar imagens e ativar o comando "Criar sub gatilho pastas". Digite os parâmetros do processo na seção "Modo de Trigger: Ready". Taxa de quadros: 7,5 Hz Frames por gatilho: 50 Número de gatilhos: 60 Intervalo de Trigger: 60 seg Depois de se completar todo o trabalho preparatório, despeje 5 L de água desionizada para o recipiente de armazenamento e ligar a bomba para encher a bomba e o circuito de bomba. Desligue a bomba e adicionar 0,9 ml de surfactante (c surfactante = 0,18 ml L -1, surfactante ρ, 20 ° C = 1,070 kg m -3, concentração micelar crítica (CMC): ω cmc0; ≈ 0,018 ml L -1, ω surfactante ≈ 10 · ω CMC), com uma pipeta de 10 ml sob agitação. Após 10 min o surfactante está completamente dissolvido. Desligue o impulsor e ligar a bomba. Posicione a sonda endoscópio de modo que a lente está localizado diretamente abaixo do tubo de entrada. Definir a taxa de fluxo de 3,4 L min -1 e a queda de pressão de 0,03, 0,3 ou 0,61 bar através da variação da velocidade do rotor e a válvula de mão-roda. Pesar 6,3 g de óleo directamente na seringa (β óleo = 1,26 g L-1, ρ óleo, 20 ° C = 989,5 kg m-3). Inicie o software de aquisição de imagem e adicione o óleo através do orifício de seringa. A bomba a funcionar, distribui as gotas da emulsão. Depois de 1 hora, terminar a investigação tensão de cisalhamento e limpar o endoscópio em linha, bem como o biorreactorcom o ciclo de bomba integrada. Posteriormente, preparar a configuração experimental para o próximo processo de bombeamento. 2. Medição e Análise de Imagem Abra o software de reconhecimento automático de imagem no menu principal. Em "Diretório Batch Root" selecione o local no computador para salvar os arquivos (tudo * .csv). Selecione a coluna "Caminho Series Imagem" e clique no botão "Adicionar série de imagens subpastas" no canto inferior esquerdo da tela para carregar a série de imagens. Carregar os parâmetros do processo, que são fornecidos pelo fabricante. Selecione a coluna "Definições de Pesquisa (* .pss ou Auftrag _ *. Mat)" e clique no botão "Definir configurações de pesquisa" no meio-inferior da tela para carregar os parâmetros do processo, a fim de especificar o reconhecimento queda. Selecione a coluna "Pesquisar Padrão (* .psp ou F _ *. Esteira) e clique no botão" Procurar Set Pattern "no canto inferior direito da tela para carregar os parâmetros do processo, a fim de especificar a análise gota. Comece o reconhecimento de imagem clicando no botão "Batch Start". Após a conclusão de reconhecimento de imagem, expressar os tamanhos de gotas detectadas por o diâmetro médio de Sauter (d 32), ou qualquer outro valor representativo ou distribuição de escolha significa usando o software analisador de resultado. Abra o software analisador de resultado no menu principal. Ative o comando "tudo * .csv em uma pasta" e clique no botão "Pasta (s) de carga" no canto superior esquerdo da tela para carregar o salvo anteriormente todos arquivo * .csv. Selecione o valor relevante (por exemplo, diâmetro médio de Sauter) na lista drop-down no meio superior da tela para visualizar os resultados. Para o cálculo do diâmetro introduzir a escala de 0,6591 uM de pixel -1, à direita, que é fornecido pelo fabricante. Figura 2. Instalação experimental circuito da bomba para a configuração da bomba encanada usando endoscopia em linha como a técnica de medição:. (1) reservatório de armazenamento, (2) Porta de seringa, (3) da bomba, (4) sensor de pressão (5), sensor de fluxo, ( 6) estroboscópio (7), computador com o software fornecido pelo fabricante, e (8) sonda endoscópio. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Representative Results

Avaliação ótica Fig u re 3 mostra as imagens de reconhecimento de partículas após um tempo de bombagem de 1 h. As quatro imagens superiores mostram as gotas antes de reconhecimento e as mais baixas quatro imagens mostram as gotas marcadas pelo software de reconhecimento. As gotas detectados são realçados com uma borda verde. Comparando as imagens superiores e inferiores mostra que as arestas da gota foram precisamente detectado pelo software de reconhecimento de imagem. As imagens à esquerda mostram a distribuição gota para o MagLev centrífuga bombas PuraLev 200mu e PuraLev 600MU, e os da direita mostram o diafragma 4 pistões e da bomba peristáltica. Uma avaliação ótica permitiu uma classificação inicial do estresse mecânico no sistema de modelo de emulsão. Este revelou que maiores tamanhos de gota e gota conta inferiores foram gerados pelas bombas centrífugas MagLev comparado com o diaphr 4-pistãobomba peristáltica e agm. Consequentemente, as bombas centrífugas MagLev, especialmente o PuraLev 200mu, mostrou reduzida quebra queda, indicando tensões mecânicas inferiores. Figura 3. Imagens da endoscopia em linha. Emulsão gotas antes (A, B, C, D) e depois (E, F, G, H) reconhecimento das partículas após 1 hora de bombear usando (A, E) a PuraLev 200mu, ( B, F) o PuraLev 600MU, (C, G) a bomba de diafragma 4 pistões, e (D, H) da bomba peristáltica sob condições operacionais idênticas (3,4 L min -1 e 0,03 bar). Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Sauter meum diâmetro Investigações posteriores revelaram desvios padrão abaixo d 32 ± 0,4 mm e garantido resultados reproduzíveis pelo uso da linha endoscopia 19. Portanto, vários inquéritos não foram necessários para essa abordagem, que adicionalmente reduzido a despesa experimental. A fim de expressar o tamanho de gota, o diâmetro médio de Sauter d 32 (ver Eq. 1) foi utilizada como representativa do diâmetro de gotas na emulsão de óleo-água para esta abordagem. Em geral, o diâmetro médio de Sauter diminuiu ao longo do tempo para todos os tipos de bomba e configurações de bomba até atingir o estado estacionário 12. As investigações neste estudo confirmou a progressão do diâmetro Sauter significa (Fig u re 4A a D), as curvas da PuraLev 200mu (Fig u re &# 160; 4A) e a bomba peristáltica (Fig u re 4D) sendo exemplarmente discutidas neste protocolo. Em contraste com o PuraLev 200mi, o Sauter diâmetros médios eram até 40% mais pequena para a bomba peristáltica, a as mesmas condições de funcionamento (velocidade de fluxo = 3,4 L min -1; queda de pressão = 0,03 bar). Como conseqüência, tensões mecânicas mais elevadas resultou em um aumento da dissolução de queda e tamanhos de gota, por conseguinte, menores. Além disso, o diâmetro médio de Sauter diminuiu com o aumento da queda de pressão no PuraLev 200mu (Fig u re 4A), que indicou a dependência do tamanho da gota de queda de pressão. Em contraste, a bomba peristáltica mostrou um diâmetro médio de Sauter de 32,60min d = 10 um, no final da experiência para todos os parâmetros do processo (figu 4D re). Portanto, o diâmetro médio de Sauter foi encontrado para ser independente da queda de pressão. No entanto, os resultados refletem a compreensão física da cisão gota: com maior tensão mecânica, Sauter diâmetros médios menores foram determinados (ver também Fig u re 5). Para cada ponto de medição, pelo menos, 300 quedas foram determinadas a fim de garantir uma certeza estatística. O desvio padrão máximo diminuiu para o PuraLev 200mu 32,4min de d ± 42 pM e para o PuraLev 600MU 32,6min de d ± 21 | im a cerca de d 32 ± 0,5 um no final do processo de bombeamento. O desvio padrão diminuiu resultou do aumento da distribuição do tamanho de gota homogénea até que o estado estacionário foi alcançado. Em comparação to Maglev bombas centrífugas, as bombas de diafragma e peristálticas 4 pistões revelou desvios padrão abaixo d 32 ± 10 mm. (1) Figura 4. perfis típicos de Sauter significa diâmetros de d 32 ao longo do tempo e à determinação dos Sauter diâmetros médios medidos de d 32, m. Comparação de Sauter diâmetros médios de d 32 (A) para a PuraLev 200mi, (B) para a PuraLev 600MU, (C) para a bomba de diafragma 4-pistão, e (D) para a bomba peristáltica. Os diâmetros médios Sauter d 32 foram determinadas a uma taxa de fluxo de 3,4 L min -1 e quedas de pressão variando 0,03-,61 bar.A medida Sauter diâmetro médio d 32, m foi calculada para os últimos 10 minutos (limite). O desvio padrão resultante das Sauter diâmetros médios de d 32 (N ≥ 300) é mostrado. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Medido diâmetro médio de Sauter como um sistema de comparação Como descrito acima, o diâmetro médio de Sauter diminuiu ao longo do tempo até que os tamanhos de gotas atinge a fase estacionária. No último 10 min do tempo experimental, o valor médio do diâmetro médio de Sauter foi calculado para determinar a Sauter diâmetro medido, o qual foi utilizado como um critério de comparação de médias (ver limite da Fig u re 4A-D). Os Sauter diâmetros médios medidos de d 32, m são mostradas para um caudal de 3,4 L &# 160; min intervalo -1 e uma queda de pressão 0,03-0,61 bar na Fig u re 5. Medidos Sauter diâmetros médios maiores foram determinadas para ambas as bombas centrífugas MagLev (200mi e 600MU) ea bomba de diafragma 4 pistões em quedas de pressão mais baixos e velocidades do impulsor. A bomba peristáltica revelada medido Sauter diâmetros médios de d 32, m = 10 um para todos os parâmetros do processo. Como mencionado anteriormente, as forças de cisalhamento foram independente da queda de pressão para a bomba peristáltica. Os diâmetros médios Sauter maior medidos de d 32, m = 36 uM para o PuraLev 200mu e d 32, m = 34 mm para o PuraLev 600MU foram obtidos a uma queda de pressão de 0,03 bar. Em comparação com os seus homólogos, o MagLev bomba centrífuga série obtida até 59% maior medida Sauter significa diâmetros. Estes resultams indicou uma taxa de dissolução mais baixa da gota e, assim, o esforço mecânico mais baixa resultante da utilização das bombas centrífugas. O desvio-padrão do Sauter medida significa diâmetros durante o estado estacionário foi abaixo de 15%, confirmando assim os valores fiáveis e precisos para os tamanhos de gota. Figura 5. Comparação de Sauter medidos diâmetros médios de d 32, m. Medido Sauter diâmetros médios para as bombas centrífugas MagLev e os seus homólogos em 3,4 L min -1 e pressão gotas de 0,03, 0,30 e 0,61 bar. Os desvios-padrão resultantes das Sauter diâmetros médios medidos de d 32, m durante o estado estacionário são mostrados. Abreviações Please clique aqui para ver uma versão maior desta figura. 2D-ORM medição de reflectância óptica bidimensional CCD dispositivo de carga acoplada CHO De ovário de hamster chinês cmc concentração micelar crítica FBR para a frente e para trás-ratio FBRM método de reflectância feixe focalizado MU multi-uso SU uso único Nomenclatura [M 3 s -1] quociente de vazão c [M 3 m -3] concentração d 32 [M] Sauter diâmetro médio d 32, m [M] Sauter diâmetro médio medido d s [M] diâmetro da superfície d v [M] diâmetro volumétrico f [Hz] freqüência n [S-1] velocidade do rotor N [-] número de gotas p Pa queda de pressão t sec Tempo β [kg m -3] concentração em massa ρ [kg m -3] densidade 69; [M 3 m -3] Fração de massa Tabela 1. Tabela de abreviaturas e nomenclatura.

Discussion

O objectivo deste protocolo é para mostrar a adequação da técnica de endoscopia em linha para medições de tamanho de gota em processos de bombeamento. Para este efeito, tamanhos de gota de um sistema de emulsão de óleo-água foram determinados e um diâmetro médio de Sauter medido foi calculada para caracterizar o esforço mecânico da centrífuga MagLev bombas, bem como os seus homólogos, um peristáltica e uma bomba de diafragma 4-pistão. Os resultados mostraram baixa variação da Sauter medida significa diâmetros, que foram quantificados por desvios-padrão dos abaixo de 15%, indicando que os tamanhos de gota foram mensurados de forma confiável e precisa. Como uma consequência, o diâmetro médio de Sauter medido com sucesso poderia ser utilizado como um critério de comparação para avaliar a tensão mecânica das bombas investigados. As bombas centrífugas MagLev revelou Sauter diâmetros médios maiores medidos, indicando tensões mecânicas mais baixas em gotas de emulsão em comparação com as bombas de diafragma e peristálticas 4 pistões. Em Studs até à data, em linha endoscopia foi demonstrado ser uma técnica robusta e simples para a medida do tamanho de gota fiável ^{1,6,12-14,20-21,} que também foi confirmada por este estudo. Em comparação com as técnicas de medição alternativos, tais como o sensor de fibra óptica FBR, o FBRM e a técnica 2D-ORM, a técnica endoscópio pode ser usado como o método padrão para a obtenção de dados precisos em aplicações de líquido / líquido ^12,14.

A facilidade de manipulação do endoscopia em linha simples e a produção do sistema de emulsão de óleo-água não-biológica permite um procedimento simples para a detecção do tamanho da gota de acordo com o texto do protocolo (ver acima). No entanto, deve mencionar-se que a posição da sonda endoscópio depende do fluxo de fluido no recipiente de armazenamento. Investigações posteriores (dados não apresentados) revelaram que a lente da sonda deve estar localizado directamente abaixo do tubo de entrada para as taxas de fluxo mais baixas até 5 L min ^-1a fim de evitar uma detecção múltipla de uma queda ^{de 19.} Para imagens nítidas em taxas de fluxo mais de 5 L min ^-1, recomenda-se a posicionar a sonda de pelo menos 10 cm de distância a partir do tubo de entrada. Independente dos parâmetros do processo, o titular da endoscopia em linha deve ser estável, a fim de evitar um deslocamento da sonda, o que pode resultar em imagens desfocadas.

Além disso, deve notar-se particularmente que o tamanho de gota é detectada perto do limite inferior de detecção do sistema foto-óptico aplicado, em que o diâmetro mínimo gota detectável é 6,5 uM. Como o software fornecido pelo fabricante foi melhorada, as técnicas de linha de endoscopia pode detectar com fiabilidade um tamanho mínimo de queda de 1 m. Além disso, o processamento de imagem continuará a ser desenvolvido para permitir o monitoramento on-line de aplicações industriais.

Embora o presente estudo incidiu sobre as taxas de fluxo relativamente baixas de até 3.4 L 60; min ^-1, estudos futuros devem considerar uma ampla gama de condições de operação. Primeiras investigações foram realizadas a taxas de fluxo de até 20 L min ^-1 (dados não mostrados). No entanto, uma diluição 1: 2 (c _surfactante = 0,09 ml de ^L-1, c _óleo = 0,64 ml de ^L-1) do sistema de emulsão de óleo-água é recomendada a taxas de fluxo superior a 10 L min ^{-1 19,} como o aumento da dissolução gota causada pela maior estresse mecânico, de outra forma afetar soltar a detecção e reduzir o número de gotas detectadas. Os testes foram realizados com uma diluição de 1: 2 e comparados com os resultados de um sistema de emulsão não diluída de água-óleo. Para ambas as abordagens, a Sauter significa diâmetros foram medidos de forma confiável (desvio padrão abaixo de 5%). Portanto, a fração de volume reduzido (diluição 1: 2) não influenciou a Sauter medido a média dos diâmetros e, portanto, de um rompimento drop-queda foi insignificante.

nt "> Estas abordagens experimentais poderosos fornecer uma boa base para a melhoria da técnica endoscopia, bem como o software de aquisição de imagem, reconhecimento e analisador resultado afins. Além disso, a aplicabilidade da técnica endoscopia para classificar os tipos de bombas e de acordo com a sua série mecânica estresse foi demonstrado com sucesso. Os resultados obtidos são essenciais para o desenvolvimento de projeto de bomba ea otimização de bombas para reduzir danos às células.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Os autores gostariam de agradecer à Comissão de Tecnologia e Inovação (CTI, Suíça), pelo apoio financeiro (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