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

Экономически эффективный и надежный метод для прогнозирования механических напряжений в одноразовых и стандартные насосы

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

Насосы используются в основном при передаче стерильные культуры отвары в биофармацевтических и биотехнологических процессов производства. Тем не менее, в процессе закачки поперечные силы возникают, которые могут привести к качественному и / или количественного потери продукта. Для расчета механических напряжений с ограниченной экспериментальной счет, система эмульсии масло-вода использовалась, которого пригодность была продемонстрирована размер капель обнаружений в биореакторах ^1. Как падение распад системы нефть-вода эмульсии является функцией механического напряжения, падение размеры должны быть подсчитаны в течение времени эксперимента от напряжения сдвига исследований. В предыдущих исследованиях, рядный эндоскопия было показано, что точная и надежная методика измерения для размера капли обнаружений в жидкость / жидкость дисперсий. Цель этого протокола, чтобы показать пригодность методики встроенного эндоскопии для измерения размера капель в насосных процессов. Для того, чтобы выразить размер капли, Саутера средний диаметрD ₃₂ использовали в качестве представительного диаметром капель в масло-вода эмульсии. Результаты показали низкую вариацию в средних диаметров Sauter, которые были определены количественно с помощью стандартных отклонений ниже 15%, что указывает на надежность измерительной техники.

Introduction

Насосы используются для передачи клеточных культур в фармацевтических и биотехнологических производств. В процессе откачки, механическое напряжение может привести к необратимому повреждению клеток, которые могут ухудшить качество и количество продукта ^1-4. Уровень механических напряжений зависит от настроек типа насоса и насоса, как показано в предыдущих исследованиях ^5-6. Обычно, перистальтические, шприцев и мембранные насосы используются для одноразовых приложений, основанных технологий (СУ). Эти насосы привести к высокой локальной силы сдвига, вызванного сжатием трубы насоса и пульсирующего потока ^7.

Для того, чтобы преодолеть эти недостатки, магнитной подвеске центробежные насосы (центробежные насосы MagLev) представляют собой многообещающую альтернативу. Двигатель с магнитным приводом для того, чтобы избежать узких зазоров между рабочим колесом и корпусом насоса (рис 1). Предыдущее исследование исследовали MagLev центробежныенасосы и показал низкую механическую нагрузку в клетках яичника китайского хомячка (СНО), по сравнению с перистальтической и 4-поршневые мембранные насосы ^5. Кроме того, гемолиз анализы не выявили существенного травмы крови и тромбов формирования на различных условиях эксплуатации с использованием этих насосов ^8-11. Результаты показывают, что использование этих специально разработанных насосов применяется меньше механическое напряжение на биологические системы по сравнению с перистальтических и мембранных насосов. Чтобы исследовать механическое напряжение с ограниченной экспериментальной счет, система эмульсии модель нефть-вода рекомендуется из-за его экономически (около 99,8%) и времени уменьшается (около 99,5%) по сравнению с применением биологических систем культивирования клеток.

Как капля распад системы масло-вода эмульсию функция механического напряжения, падение размеры должны быть подсчитаны по экспериментальной время напряжения сдвига исследований. Многие методы калибровки капли доступны, жHICH могут быть разделены на звук, лазера и методов, основанных фото ^12. В частности, использование фото-оптический датчик встроенного эндоскопии показывает почти одинаковые размеры капель для ручных и автоматических обнаружений (стандартное отклонение ниже 10%) и позволяет обнаружение 250 капель в минуту ^13. Из-за своей точности и надежности, техника эндоскоп было показано, чтобы быть эффективным стандартный метод измерения для распределений размера капли в жидких / жидкое дисперсий по сравнению с другими широко используемыми датчиками (например, волоконно-оптические вперед-назад-коэффициент () датчик FBR , сфокусированный луч метод отражения (FBRM) и двумерная оптическая методика измерения отражения (2D-ОРМ)) ^12,14. Кроме того, пригодность встроенного эндоскопии для измерения размеров капель в сосуде с мешалкой было продемонстрировано несколько раз в предыдущих исследованиях ^15-18.

На основе предварительного исследования ^6, этот протокол описываетИспользование встроенного эндоскопии, чтобы определить размеры капель (Саутера средний диаметр) из эмульсионной системы масло-вода в насосах. Sauter средний диаметр был использован в качестве критерия сравнения для оценки механическое напряжение из многофункционального (MU) MagLev центробежных насосов, перистальтический и одноразовой (SU) 4-поршневого диафрагменного насоса.

Рисунок 1. магнитной подвеске центробежный насос-системы. () Принцип несущего двигателя и (б) PuraLev 200MU показаны в качестве примера. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Protocol

Исследования проводились с использованием водопроводной настройку насоса (FIGU повторно 2), что позволяет механические эксперименты стресс при расходе до 60 л мин -1 и давление падает до 2 бар должны быть выполнены. Как показано на рис у вновь 2, экспериментальная установка состоит из емкости для хранения, схемы накачки, и оборудования для техники рядный эндоскопии. Рабочее колесо из емкости для хранения используется только для смешивания поверхностно-активное вещество. Периферийные элементы были интегрированы в замкнутом контуре, чтобы контролировать расход V и перепада давления р при различных настройках насоса. Исследования изменяться с помощью маховика клапан. 1. Экспериментальная установка Убедитесь, что биореактор (D = 0,15 м, H / D = 2.2) оснащен рабочим колесом для роспуска surfactaNT и убедитесь, что на входе трубки опускается в жидкость, чтобы избежать газа, поступающего. Оборудуйте насос контура с помощью шприца порт, исследуемого насоса, расходомера зажим-на, датчик давления одноразовой и маховик клапана. После подключения насоса контура к емкости для хранения, подключить головку насоса к двигателю и подготовить эндоскопа зонда. Установите изменчивый плоскости отражения, родий зеркало в этом случае, на кончике зонда и отрегулировать расстояние между зеркалом и объективом до 150 мкм. Отрегулируйте винт на 100 мкм, чтобы сосредоточиться на резкость объектива. Подключите датчик к стробоскопа с помощью волоконно-оптического кабеля и камеры эндоскопа к компьютеру с помощью кабеля Ethernet. Затем подключите камеру и стробоскоп вместе через триггер ящика кабеля. Включите компьютер и откройте производитель предоставляемый программное обеспечение, которое включает в себя приобретение изображения и программное обеспечение для распознавания, а также программное обеспечение анализатора результат. Выберите программное обеспечение получения изображений в главном меню. Нажмите на кнопку "Detect устройство" в верхнем левом углу экрана, чтобы обнаружить камеру. Под "Настройки каталогов" выберите место на компьютере для сохранения изображений и активируйте команду "Создать триггер вложенные папки". Введите параметры процесса в разделе "режиме пуска: Готов". Частота кадров: 7.5 Гц Рамки на спусковой крючок: 50 Количество триггеров: 60 Триггера Интервал: 60 сек После завершения всех подготовительных работ, залить 5 л деионизированной воды в емкости для хранения и включите насос, чтобы заполнить насос и цикл насоса. Выключите насос и добавить 0,9 мл поверхностно-активного вещества (сурфактанта с = 0,18 мл L-1, ρ ПАВ, 20 ° С = 1,070 кг м -3, критическая концентрация мицеллообразования (ККМ): ω CMC0; ≈ 0,018 мл L-1, ω ≈ 10 поверхностно · ω CMC) с 10 мл пипетки при перемешивании. Через 10 мин поверхностно-активное вещество полностью не растворится. Выключите колесо и включить насос. Поместите зонд эндоскопа таким образом, что линза находится непосредственно под впускной трубой. Установите расход 3,4 л мин -1 и перепад давления 0,03, 0,3 или 0,61 бар, изменяя скорость рабочего колеса и ручной колеса клапан. Взвесьте 6,3 г масла непосредственно в шприце (β = 1,26 нефтяной г L -1, ρ нефти, 20 ° C = 989,5 кг · м -3). Запустите программу захвата изображений и добавьте масло через шприц порт. Работающий насос распределяет эмульсионных капель. После 1 часа, закончить расследование сдвига стресс и очистить встроенный эндоскопа, а также в биореакторс интегрированным цикла насоса. Впоследствии, подготовить экспериментальную установку для следующего процесса откачки. 2. Измерение и анализ изображений Откройте программы автоматического распознавания изображений в главном меню. Под "Пакетная корневой каталог" выберите место на компьютере для сохранения файлов (все * .csv). Выберите столбец "Путь серии изображения" и нажмите на кнопку "Добавить изображение серии вложенные папки" в левом нижнем углу экрана, чтобы загрузить серию изображений. Загрузка параметров процесса, которые предоставляются производителем. Выберите столбец "Настройки поиска (* .pss или Auftrag _ *. Коврик)" и нажмите на кнопку "Установить параметры поиска" в нижней-средней части экрана, чтобы загрузить параметры процесса для того, чтобы указать признание падение. Выберите столбец "Поиск Pattern (* .psp или F _ *. Мат) и нажмите на кнопку" Установить шаблон поиска "в правом нижнем углу экрана, чтобы загрузить параметры процесса для того, чтобы указать анализ падение. Начните распознавание образов, нажав на кнопку "Пуск Batch". После завершения распознавания изображений, выразить обнаруженные размеры зайти в Сотера средний диаметр (D 32), или любой другой представитель среднего значения или распространение выбора с помощью программного обеспечения анализатора результат. Откройте программное обеспечение анализатора результат в главном меню. Активируйте команду "все * .csv в 1 папку" и нажмите на кнопку "Load Folder (ов)" в левом верхнем углу экрана, чтобы загрузить ранее сохраненный все * .csv файл. Выберите соответствующее значение (например, Sauter средний диаметр) в раскрывающемся списке в верхней средней части экрана, чтобы визуализировать результаты. Для расчета диаметра введите масштабирование 0,6591 мкм -1 пиксель на правом, которое предусмотрено заводом-изготовителем, Рисунок 2. Схема экспериментальной установки насоса контура для установки водопроводной насосной использованием встроенного эндоскопии в качестве метода измерения:. (1) сосуда для хранения, (2) шприц порта, (3) насоса (4) датчика давления (5) датчик потока ( 6) стробоскоп, (7) компьютер с производителем, предоставляемый программным обеспечением, и (8) эндоскоп зонд. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Representative Results

Оптический оценка Рис у вновь 3 показывает изображения на признание частиц через некоторое время откачки 1 ч. Верхние четыре изображения показывают капель до признания и нижние четыре изображения показывают капель отмеченные с помощью программного обеспечения распознавания. Капли обнаруженные выделены зеленым краем. Сравнивая верхние и нижние изображения показывает, что падение края были обнаружены именно с помощью программного обеспечения распознавания изображений. Изображения слева показать распределение падение на магнитной подвеске центробежных насосов PuraLev 200MU и PuraLev 600MU, и те, на право показать диафрагму 4-поршневой и перистальтический насос. Оптический оценка позволила начальную классификацию механических напряжений в системе модели эмульсии. Это показало, что более крупные размеры капель и более низким количеством капель были получены с помощью Маглев центробежных насосов по сравнению с 4-поршневым diaphrAGM и перистальтический насос. Следовательно, MagLev центробежные насосы, особенно PuraLev 200MU, показали сниженную поломку падение, указывая низкие механические напряжения. Рисунок 3. Изображения встроенного эндоскопии. Эмульсия капель перед (А, В, С, D) и после (E, F, G, H) признание частиц после 1 ч насосных помощью (A, E) PuraLev 200MU, ( B, F) PuraLev 600MU (C, G) 4-поршневой насос диафрагма, и (D, H) перистальтический насос при одинаковых условиях эксплуатации (3,4 л · мин -1 и 0,03 бар). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть крупная версия этой фигуры. SAUTER меняДиаметр Дальнейшие исследования показали, стандартных отклонения ниже D 32 ± 0,4 мкм и гарантированно воспроизводимые результаты при использовании встроенного эндоскопии 19. Таким образом, несколько исследований не требовалось для этого подхода, который дополнительно пониженным экспериментальную расходы. Чтобы выразить размер капель, Sauter средний диаметр D 32 (см. 1) был использован в качестве репрезентативного диаметром капель масла в эмульсии воды-в этом подходе. В общем, Sauter средний диаметр не уменьшилось с течением времени для всех типов насосов и насосных установок до достижения устойчивого состояния 12. Исследования в этом исследовании подтвердили прогрессирование средней Саутера диаметром (рис у вновь 4А D), кривые PuraLev 200MU (рис у вновь &# 160; 4А) и перистальтический насос (рис у вновь 4D), которые в качестве примера обсуждаются в этом протоколе. В отличие от PuraLev 200MU, Sauter средний диаметр выросли на 40% меньше, для перистальтического насоса при тех же условиях эксплуатации (скорость потока = 3,4 л мин -1; перепадом давления = 0,03 бар). Как следствие, более высокие механические напряжения привело к увеличению капельного распада и, следовательно, меньшие размеры капель. Кроме того, Саутера средний диаметр уменьшается с увеличением перепада давления в PuraLev 200MU (рис у вновь 4А), что указывает на зависимость размера капель на падение давления. В противоположность этому, перистальтический насос показали Sauter средний диаметр д 32,60min = 10 мкм в конце эксперимента для всех параметров процесса (рису вновь 4D). Таким образом, Sauter средний диаметр Было обнаружено, что зависит от перепада давления. Тем не менее, результаты отражают физического понимания раскрывающегося распада: с более высоким механическим нагрузкам, меньшие Sauter средние диаметры были определены (см также рис у повторно 5). Для каждой точки измерения, по меньшей мере, 300 капель были определены для того, чтобы гарантировать статистическую достоверность. Стандартное отклонение уменьшилось максимальное для PuraLev 200MU из г 32,4min ± 42 мкм и для PuraLev 600MU из г 32,6min ± 21 мкм до приблизительно 32 г ± 0,5 мкм в конце процесса откачки. Стандартное отклонение уменьшилось в результате повышенной распределением по размерам гомогенной капли, пока не было достигнуто устойчивое состояние. В сравнении тО Маглев центробежных насосов, перистальтические и 4-поршневые насосы мембранные показал стандартных отклонения ниже D 32 ± 10 мкм. (1) Рисунок 4. Типичные профили Сотера в виду диаметр D 32 в течение долгого времени, и определение измеряемых Sauter средних диаметров D 32, м. Сравнение Sauter средних диаметров D 32 (A) для PuraLev 200MU, (B) для PuraLev 600MU, (C) для диафрагмы 4-поршневым насосом, и (D) для перистальтического насоса. Средние диаметры Sauter D 32 определяли при скорости потока 3,4 л мин -1 и падение давления в пределах от 0,03 до 0,61 бар.Измеряется Саутера средний диаметр d 32, м была рассчитана на последние 10 мин (краевой). В результате стандартное отклонение средних диаметров Sauter D 32 (N ≥ 300) показано. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Измеренное Sauter средний диаметр в системе сравнения Как описано выше, Sauter средний диаметр уменьшилось с течением времени до тех пор, размер капель не достиг устойчивого состояния. В последнем 10 мин экспериментального времени, среднее значение Sauter средний диаметр был рассчитан для определения измеренного Sauter средний диаметр, который был использован в качестве критерия сравнения (см границу рис у повторно 4A-D). Измеренные Sauter средние диаметры D 32, м показаны для скорости потока 3,4 л &# 160; мин -1 и падения давления диапазоне от 0,03 до 0,61 бар на рис у вновь 5. Большие измеренные средние диаметры Sauter были определены для обоих MagLev центробежных насосов (200MU и 600MU) и диафрагмы 4-поршневым насосом при более низких перепадах давления и скорости крыльчатки. Перистальтический насос выявленных измеряется Саутера значит диаметры D 32, м = 10 мкм для всех параметров процесса. Как упоминалось ранее, сдвиговые силы не зависят от перепада давления для перистальтического насоса. Крупнейшая измеренные средние Sauter диаметры D 32, м = 36 мкм для PuraLev 200MU и D 32, м = 34 мкм для PuraLev 600MU были получены при падении давления 0,03 бар. По сравнению со своими коллегами, MagLev центробежный насос серии получены до 59% больше, измеряется Саутера значит диаметров. Это результатс указывается более низкий уровень падения распада и, таким образом, более низкую механическую нагрузку в результате использования центробежных насосов. Стандартное отклонение измеренного Сотера значит диаметры во стационарное состояние было ниже 15%, тем самым подтверждая надежные и точные значения для размеров капель. Рисунок 5. Сравнение измеренных Sauter средних диаметров D 32, м. Измеряется SAUTER средний диаметр для MagLev центробежных насосов и их коллеги на 3,4 л мин -1 и давление капли 0,03, 0,30 и 0,61 бар. Полученные стандартные отклонения измеренных Sauter средних диаметров D 32, м в стационарном состоянии приведены. Сокращения Pleазы нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. 2D-ОРМ двумерное измерение оптической отражательной ПЗС прибор с зарядовой связью СНО Яичника китайского хомячка CMC критическая концентрация мицеллообразования FBR вперед-назад-коэффициент FBRM Метод отражения сфокусированного пучка МУ многофункциональный СУ одноразового использования Номенклатура [М 3 сек -1] расход С [М 3 м -3] концентрация d 32 [М] Саутера средний диаметр d 32, м [М] измеряется Саутера средний диаметр д ы [М] Диаметр поверхности d v [М] объемный диаметр е [Гц] частота N [Сек -1] Скорость рабочего колеса N [-] количество капель р Пенсильвания падение давления T сек время β [кг] -3 м концентрация по массе ρ [кг] -3 м плотность 69; [М 3 м -3] массовая доля Таблица 1. Таблица сокращений и номенклатуры.

Discussion

Цель этого протокола, чтобы показать пригодность методики встроенного эндоскопии для измерения размера капель в насосных процессов. Для этого, падение размеров системы эмульсии масло-вода были определены и измерены Саутера средний диаметр был рассчитан охарактеризовать механическое напряжение в магнитной подвеске центробежных насосов, а также их коллеги, перистальтические и 4-поршневым насосом диафрагмы. Результаты показали, низкое изменение измеренного Sauter средний диаметр, который количественно с помощью стандартных отклонений ниже 15%, что указывает на размер капель были надежно и точно измерить. Как следствие, измеренная Sauter средний диаметр успешно может быть использован в качестве критерия сравнения для оценки механической нагрузки насосов исследованных. Маглев центробежные насосы показал большие измеренные Sauter средний диаметр, указывая низкие механические напряжения на эмульсионных капель по сравнению с перистальтических и 4-поршневые насосы мембранные. В шпильких годов до настоящего времени, встроенный эндоскопии было показано, чтобы быть надежным и простым методом для надежной измерения размера капель ^{1,6,12-14,20-21,} который также было подтверждено в данном исследовании. По сравнению с альтернативными методами измерений, таких как волокна оптического датчика FBR, FBRM и метод 2D-ОРМ, техника эндоскоп может быть использован в качестве стандартного метода для получения точных данных в жидкость / жидкость приложений ^12,14.

Легкое обращение с инлайн эндоскопии и простой производства небиологических системы водонефтяной эмульсии позволяет простой процедуры размера капли обнаружений в соответствии с текстом протокола (см. Выше) Тем не менее, следует отметить, что положение эндоскопа зонда зависит от потока жидкости в емкости для хранения. Дальнейшие исследования (данные не показаны) показали, что объектив зонда должна быть расположена непосредственно под впускной трубой для более низких скоростей потока до 5 л мин ^-1для того, чтобы избежать многократного обнаружение одной капли ^19. Для резких изображений при расходе более 5 л мин ^-1, то рекомендуется расположить зонд, по крайней мере в 10 см от впускной трубы. Независимо от параметров процесса, владелец встроенного эндоскопии должна быть стабильной, чтобы избежать смещение зонда, который может привести к смазыванию изображений.

Кроме того, в частности, следует отметить, что размер капель обнаружено близка к нижнему пределу обнаружения приложенного фото-оптической системы, где минимальный регистрируемый диаметр капель на 6,5 мкм. Как производитель-прилагаемое программное обеспечение было улучшено, методы встроенный эндоскопии может надежно обнаруживать минимальный размер капли 1 мкм. Кроме того, обработка изображения будет дальнейшее развитие для того, чтобы онлайн-мониторинг промышленных приложений.

В то время как настоящее исследование было сосредоточено на относительно низких скоростях потока до 3,4 л 60; мин ^-1, будущие исследования должны рассматривать более широкий диапазон условий эксплуатации. Первые исследования были проведены при расходе до 20 л мин ^-1 (данные не показаны). Тем не менее, 1: 2 разведения (с _{поверхностно} = 0,09 мл ^L-1, с _маслом = 0,64 мл ^L-1) системы масло-водной эмульсии рекомендуется при расходе более 10 л мин ^{-1 19,} как увеличение падения распада вызвана более высокой механической нагрузки в противном случае повлиять обнаружения падения и уменьшить количество капель обнаруженных. Испытания проводились с разведении 1: 2 и по сравнению с результатами неразбавленной системы эмульсии масло-вода. Для обоих подходов, Саутера значит диаметры были надежно измерена (стандартное отклонение ниже 5%). Таким образом, уменьшается объемная доля (1: 2 разведение) не влияют на измеренное Саутера означает диаметр, и, таким образом падение падение распад был незначительным.

нт "> Эти мощные экспериментальные подходы обеспечивают хорошую основу для совершенствования техники эндоскопии, а также соответствующего программного обеспечения захвата изображений, распознавания и результат анализатора. Кроме того, пригодность методики эндоскопии классифицировать типы насосов и ряд в соответствии с их механической стресс успешно продемонстрировали. Полученные результаты имеют важное значение для разработки дизайна насоса и оптимизации насосов для уменьшения повреждения клеток.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Авторы хотели бы поблагодарить Комиссию по технологиям и инновациям (CTI, Швейцария) за финансовую поддержку (№ 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