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

Bir maliyet-etkin ve güvenilir Yöntemi Tek kullanımlı ve Standart Pompa mekanik Stres Tahmin etmek

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

Biofarmasötik ve biyoteknolojik üretim proseslerinde steril kültür broths aktarırken Pompalar ağırlıklı kullanılır. Bununla birlikte, pompalama işlemi sırasında kesme kuvvetleri kalitatif ve / veya kantitatif ürün kaybına yol açabilir meydana gelir. Sınırlı deneysel gideri ile mekanik stres hesaplamak için, bir yağ-su emülsiyonu sistemi olan uygunluk biyoreaktörlerde ¹ damla boyutu algılamaları için gösterilmiştir kullanıldı. Yağ-su emülsiyonu sistemi damla dağılmasından mekanik stres bir fonksiyonu olduğu için, boyutları kesme gerilmesi araştırmaların deney süresi boyunca sayılan gereken bırakın. Daha önceki çalışmalarda, inline endoskopi sıvı / sıvı dispersiyonlar düşüş boyutu algılamaları için doğru ve güvenilir ölçüm tekniği olduğu gösterilmiştir. Bu protokolün amacı, pompalama süreçlerinde damla boyutu ölçümleri için satır içi endoskopi tekniği uygunluğunu göstermektir. Damla boyutu olarak ifade etmek için, Sauter ortalama çapaD ₃₂ yağ-su emülsiyonu içinde damla temsili çapı olarak kullanılmıştır. Sonuçlar ölçüm tekniğinin güvenirliğini gösteren aşağıdaki% 15 standart sapma ile ölçüldü Sauter ortalama çap, düşük varyasyon göstermiştir.

Introduction

Pompalar, farmasötik ve biyoteknolojik endüstrilerinde hücre kültürlerinin aktarmak için kullanılır. Pompalama işlemi sırasında mekanik stres ürünün ^1-4 miktarını ve kalitesini bozabilecek geri dönüşümsüz hücre hasarı, neden olabilir. önceki çalışmalarda ^5-6 gösterildiği gibi mekanik stres düzeyi, pompa tipi ve pompa ayarlarına bağlıdır. Genel olarak, peristaltik şırınga ve diyafram pompaları tek kullanımlık (SU) teknolojisini temel uygulamalar için kullanılır. Bu pompalar, pompa boru sıkıştırma ve darbeli akışı ⁷ neden yüksek lokal kesme kuvvetleri ile sonuçlanır.

Bu sakıncaları, manyetik olarak kaldırılan pompalar (Maglev santrifüj pompalar) üstesinden gelmek için umut verici bir alternatif oluşturmaktadır. Motor manyetik pervane ve pompa gövdesi (Şekil 1) arasındaki dar boşlukları önlemek için sürülür. Bir önceki çalışmada Maglev santrifüj araştırdıkpompa ve peristaltik ve 4-pistonlu diyafram ⁵ pompalar ile karşılaştırıldığında, Çin Hamsteri Yumurtalık (CHO) hücreleri içinde düşük bir mekanik stres göstermiştir. Buna ek olarak, hemoliz analizleri bu pompaları ^8-11 kullanarak çalışma koşulları aralığında anlamlı kan travma ve trombüs oluşumu olduğu görüldü. bulgular, bu özel olarak tasarlanmış pompaların kullanımının peristaltik ve diyafram pompaları ile karşılaştırıldığında biyolojik sistemlerde daha az mekanik stres uygular göstermektedir. Sınırlı deney masrafla mekanik stresi araştırmak için, bir yağ-su emülsiyonu model sistemi nedeniyle maliyet-(yaklaşık% 99.8) ve biyolojik hücre kültür sistemlerine kıyasla zaman indirgenmiş (yaklaşık% 99.5), bir uygulama için tavsiye edilir.

Yağ-su emülsiyonu sistemi damla dağılmasından mekanik stres bir fonksiyonu olduğu için, boyutları kesme gerilmesi araştırmaların deneysel zaman içinde sayılmalıdır bırakın. Damla boyutlandırma için birçok teknik w mevcutturhich ses, lazer ve verilmedi göre tekniklerin ¹² ayrılabilir. Özellikle, foto-optik prob inline endoskopi kullanımı manuel ve otomatik tespitleri için hemen hemen aynı damla boyutları (% 10'un altında standart sapma) gösterir ve dakikada ¹³ 250 damla bir algılama sağlar. Doğruluğu ve güvenilirliği, endoskop tekniği sıvı / sıvı dispersiyonlar düşüş boyutu dağıtımları için etkili bir standart ölçüm tekniği olduğu gösterilmiştir Çünkü yaygın olarak kullanılan diğer sondalar (örn fiber optik ileri-geri-oranı (FBR) sensörü ile karşılaştırıldığında odaklanmış ışını yansıtma yöntemi (FBRM) ve iki boyutlu optik yansıtma ölçüm tekniği (2D-orm)) ^12,14. Ayrıca, karıştırılan kap içinde, damla boyutları ölçmek için satır içi endoskopi uygunluğu daha önceki araştırmalarda ^15-18 birkaç kez kanıtlanmıştır.

Bir önceki çalışmada ⁶ dayanarak, bu protokol açıklardamla boyutlarını belirlemek için satır içi endoskopi kullanımı pompalarda bir yağ-su emülsiyonu sistemi (Sauter ortalama çapı). Sauter çapına çoklu kullanım (MU) Maglev santrifüj pompalar, bir peristaltik ve tek kullanımlık (SU), 4-pistonlu diyafram pompa mekanik stresi tahmin etmek amacıyla bir karşılaştırma kriter olarak kullanılmıştır anlamına gelir.

Şekil 1. Manyetik santrifüj pompa sistemini levitated. (A) YATAKSIZ motor ve (B) PuraLev 200mu ilkesi örnek olarak gösterilmektedir. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Protocol

araştırmalar 2 bar yapılacak basınç kadar düşer min -1 ve 60 L kadar akış hızlarında mekanik stres deneyleri sağlayan borulu pompa kurulum (Figu 2 re) kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Şekil l'de gösterildiği gibi, U 2 deney düzeneği depolama haznesinin, pompa devresi, ve satır içi endoskopi tekniği donanımları oluşan, yeniden. Depolama kabının pervane, sadece yüzey aktif madde karışımı için kullanılmıştır. Periferik elemanlar farklı pompa ayarlarında akış hızı v ve basınç düşüşü s izlemek için kapalı döngü içine entegre edildi. araştırmalar el çarkı vanası kullanılarak değiştirildi. 1. Deney Düzeneği Biyoreaktör (D = 0.15 m, H / D = 2.2) yüzeyaktif maddeler feshine bir pervane ile donatılmış olduğundan emin olunnt ve giriş borusu gaz girişini önlemek için sıvı içine dips emin olun. Bir şırınga portu, incelenen pompa, bir kelepçeli debimetre, tek kullanımlık basınç sensörü ve bir el çarkı valfli pompa döngü donatın. Depolama kabına pompa döngü bağlantısından sonra, motora pompa kafasını bağlamak ve endoskop probu hazırlar. Prob ucunda, değişken yansıma düzlemi, bu durumda bir rodyum ayna monte ve 150 mikron ayna ve mercek arasındaki mesafeyi ayarlamak. Objektif netliğini odaklanmak 100 um vidayı ayarlayın. Fiber optik kablo ve bir Ethernet kablosu ile bilgisayara endoskop kamera ile stroboscope prob bağlayın. Sonra, bir tetikleyici kutusu kablosu ile birlikte kamera ve stroboskop bağlayın. Bilgisayarı başlatın ve bir görüntü elde etme ve tanıma yazılımı, yanı sıra sonuç analizörü yazılımı içerir üretici tarafından sağlanan yazılım, açın. Ana menüde görüntü elde etme yazılımı seçin. Düğmesinin kamerayı tespit etmek için ekranın sol üst köşesindeki "cihazı Algılama" düğmesine tıklayın. "Dizin Ayarları" altında görüntüleri kaydetmek için bilgisayarda konumunu seçin ve komut "tetik alt klasörler oluşturma" etkinleştirin. Bölümünde proses parametrelerini girin "Tetik modu: Hazır". Frame rate: 7.5 Hz Tetik başına Çerçeveler: 50 Tetikleyiciler sayısı: 60 Tetik aralığı: 60 saniye Tüm hazırlık çalışmalarının tamamlanmasından sonra, depolama kabına 5 L deiyonize su dökün ve pompa ve pompa döngü doldurmak için pompa açın. Pompayı kapatın ve yüzey 0.9 ml (c yüzey = 0.18 ml L -1, ρ yüzey, 20 ° C = 1,070 kg m -3, kritik misel konsantrasyonu (CMC) ekleyin: ω cmc0; ≈ 0.018 ml L -1, ω yüzey ≈ 10 · karıştırılarak 10 ml pipet) ile CMC ω. 10 dakika sonra, yüzey aktif madde, tamamen çözülür. Çarkı kapatın ve pompa açın. Lens giriş borusu altında yer almaktadır böylece endoskop probu yerleştirin. 3.4 L dak akış hızı 1 ve pervane hızı ve el çarkı valf değiştirilerek 0.03, 0.3 veya 0.61 bar basınç düşüşü ayarlayın. Doğrudan şırınga (β yağ = 1.26 g L -1, ρ yağ, 20 ° C = 989,5 kg m -3) yağ 6.3 gr tartılır. Görüntü elde etme yazılımını başlatın ve şırınga port üzerinden yağ ekleyin. çalışan pompa emülsiyon damla dağıtır. 1 saat sonra, kayma gerilmesi soruşturma bitirmek ve biyoreaktör yanı sıra satır içi endoskop temizlemeEntegre pompa döngü ile. Daha sonra, bir sonraki pompalama işlemi için deney düzeneği hazırlayabilme. 2. Ölçme ve Görüntü Analizi Ana menüde otomatik görüntü tanıma yazılımını açın. "Toplu kök Directory" altında dosyalarını kaydetmek için bilgisayardaki konumunu seçin (tüm * .csv). Sütun "Resim Serisi Yolu" seçin ve düğmesine tıklayın görüntü serisi yüklemek için ekranın sol alt köşesinde bulunan "Resim Serisi Alt Klasörleri Ekle". Üretici tarafından sağlanan proses parametrelerini yükleyin. Sütun "Arama Ayarları (* PSS veya auftrag _ *. Mat)" seçin ve açılan tanıma belirtmek amacıyla proses parametrelerini yüklemek için ekranın alt ortasında renkli "Set Arama Ayarları" seçeneğine tıklayın. Sütunu seçin "Desen (* .psp veya F _ *. Mat) Arama ve düğmesine tıklayın" Set Arama Desen "Ekranın sağ alt köşesindeki açılan analizini belirlemek amacıyla proses parametrelerini yüklemek için. Düğmesi "Başlat Toplu" butonuna tıklayarak görüntü tanıma başlayın. Görüntü tanıma tamamlanmasından sonra, Sauter tarafından tespit edilen damla boyutları çap (D 32), ortalama eksprese eden veya herhangi bir başka temsili bir sonuç analiz yazılımı kullanılarak bir değer ya da tercih edilen dağılımı anlamına gelir. Ana menüde sonuç analizörü yazılımını açın. Komutu "Tüm * .csv 1 Klasör" etkinleştirin ve düğme "Load Klasör (ler)" üzerine tıklayın, ekranın sol üst köşesinde önceden kaydedilmiş tüm * .csv dosyasını yüklemek için. Sonuçları görselleştirmek için ekranın üst ortasında açılan listeden (örneğin, Sauter ortalama çapı) ilgili değer seçin. Çapının hesaplanması için üretici tarafından sağlanan sağda, 0,6591 mikron piksel -1 ölçekleme girmek. Şekil 2. Deneysel kurulum ölçüm tekniği olarak satır içi endoskopi kullanılarak borulu pompa kurulumu Pompa devresi:. (5) akış sensörü (1) depolama kabı, (2) şırınga portu, (3) pompa, (4) basınç sensörü, ( 6) stroboscope, üretici tarafından sağlanan yazılım ile (7) Bilgisayar ve (8) endoskop probu. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Representative Results

Optik değerlendirme U 3 re Şekil 1 saat bir pompalama süre sonra partikül tanıma görüntüleri gösterir. Üst dört görüntü tanıma önce damla ve alt dört görüntüleri tanıma yazılımı ile işaretlenmiş damla show. tespit edilen damla yeşil kenarı ile vurgulanır. Üst ve alt görüntüleri karşılaştırarak damla kenarları tam görüntü tanıma yazılımları tarafından tespit olduğunu göstermektedir. Soldaki resim Maglev santrifüj için açılan dağıtım PuraLev 200mu ve PuraLev 600MU pompaları göstermek ve sağdaki o 4 pistonlu diyafram ve peristaltik pompa göstermektedir. Optik değerlendirme modeli emülsiyon sisteminde mekanik stresin başlangıç sınıflandırma izin verdi. Bu daha büyük damla boyutları ve alt damla sayımı 4 pistonlu diaphr ile karşılaştırıldığında Maglev santrifüj pompalar tarafından üretilen olduğunu göstermiştiragm ve peristaltik pompa. Sonuç olarak, Maglev santrifüj pompaları özellikle PuraLev 200mu, düşük mekanik gerilimleri göstermektedir indirgenmiş damla kırılma görüldü. Inline endoskopi Şekil 3. Görüntüler. Emülsiyon (A, B, C, D) ve sonra (E, F, G, H) partikül tanıma (A, E) PuraLev 200mu kullanılarak pompalama 1 saat sonra daha önce düşer, ( B, F) PuraLev 600MU, (C, G) 4 pistonlu diyafram pompa ve (D, H) aynı çalışma koşulları altında peristaltik pompa (3.4 L dk -1 ve 0.03 bar). Bir görmek için buraya tıklayınız Bu rakamın büyük bir sürümü. Beni SauterBir çap İleri incelemelerde d 32 ± 0.4 mikron altında standart sapma ortaya çıktı ve inline endoskopi 19 kullanırken tekrarlanabilir sonuçlar garanti. Bu nedenle, birden araştırmalar ayrıca deneysel gideri azalır bu yaklaşımın, gerekli değil. Damla boyutu olarak ifade etmek için, Sauter bu yaklaşım için yağ-su emülsiyonu içinde damla temsili çapı olarak kullanıldı (Denk. 1 e bakınız) çapında D 32 anlamına gelir. Genel olarak, Sauter çapı kararlı duruma 12 ulaşana kadar tüm pompa tipleri ve pompa ayarları için zamanla azalma anlamına gelir. Bu çalışmada soruşturmalar Sauter ortalama çapı ilerlemesini (Şek u D 4A yeniden) doğruladı, PuraLev 200mu (Şekil eğrileri u yeniden &# 160; 4A) ve peristaltik pompa (Şekil u 4D re) örnek olarak bu protokol tartışılan. PuraLev 200mu aksine, Sauter çapları aynı işlem koşullarında peristaltik pompa için daha küçük bir% 40 (, basınç düşmesi, = 0.03 bar akış hızı = 1 dak 3.4 L) 'ye kadar olan anlamına gelir. Bunun bir sonucu olarak, daha yüksek bir mekanik gerilimler artan bir damla dağılmasından sonuçlandı ve bu nedenle daha küçük damla boyları. Ayrıca, Sauter ortalama çap basınç düşüşü üzerine damla boyutunun bağımlılığını belirtilen PuraLev 200mu artan basınç düşümü (Şek u 4A yeniden) ile azalmıştır. Bunun aksine, peristaltik pompa, bir Sauter (bütün işlem parametreleri için deneyin sonunda Şek D 32,60min = 10 um ortalama çapa gösterdiu) 4D yeniden. Bu nedenle, Sauter çapına basınç düşüşü bağımsız olduğu bulunmuştur anlamına gelir. Ancak sonuçlar damla dağılmasından fiziksel anlayışını yansıtmaktadır: yüksek mekanik stres ile daha küçük Sauter ortalama çapları (u 5 re de bkz) belirlenmiştir. Her bir ölçüm noktası için, en az 300 damla istatistiksel kesinlik garanti etmek için belirlenmiştir. maksimum standart sapma pompalama işleminin sonunda 21 yaklaşık D 32 ± 0.5 um ± d 32,6min den 42 um ± ve PuraLev 600MU d 32,4min gelen PuraLev 200mu azalmıştır. kararlı durum elde edilene dek düşmüştür standart sapma artış homojen damla boyutu dağılımına kaynaklanmıştır. Karşılaştırma tMaglev santrifüj pompalar o peristaltik ve 4 piston diyafram pompalar d 32 ± 10 mikron altında standart sapmalar ortaya çıkardı. (1) Sauter Şekil 4. tipik profilleri çapları zamanla 32 d ve ölçülen Sauter ortalama çaplarının belirlenmesi, m 32 d anlamına gelir. Sauter ortalama çap karşılaştırması peristaltik pompa yerine 4-pistonlu diyafram pompası, ve (D) için PuraLev 600MU, (C) PuraLev 200mu, (B), 32 (A) d. Sauter ortalama çapları 32 dakika -1 3.4 L bir akış hızında saptanmıştır d ve basınç 0.03 ila 0.61 bar kadar düşer.ölçülen Sauter ortalama çapı d 32, m, son 10 dakika boyunca (sınır) için hesaplanmıştır. Sauter ortalama çap sonuçlanan standart sapması 32 (N ≥ 300) gösterilmektedir d. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız. Bir karşılaştırma sistemi olarak ölçülen Sauter ortalama çap Yukarıda açıklandığı gibi, Sauter damla boyutları kararlı duruma ulaşana kadar çapı zamanla azaldı demek. Deney zamanında son 10 dakika içinde, Sauter ortalama değeri çapı bir karşılaştırma kriter olarak kullanılmıştır çapı, ortalama ölçülen Sauter belirlemek için hesaplanmıştır (ortalama u 4A-D yeniden Şekil sınırını bakınız). ölçülen Sauter ortalama çapı 32 D, m 3.4 L bir akış hızı için gösterilmiştir ve# 160; 0.03 Şekil 0.61 bar -1 ve bir basınç düşüşü aralığı min u 5 yeniden. Büyük ölçülen Sauter ortalama çapları, her iki Maglev santrifüj pompalar (200mu ve 600MU) ve daha düşük olan basınç düşüşleri ve pervane hızlarında 4 pistonlu diyafram pompası için belirlenmiştir. peristaltik pompa Sauter tüm proses parametreleri için d 32 m = 10 mikron çapları ortalama ölçülmüş saptandı. Daha önce belirtildiği gibi, kesme kuvvetlerinin peristaltik pompanın basınç düşüşü bağımsız olmuştur. PuraLev 200mu ve PuraLev 600MU için D 32, m = 34 um için D 32, m = 36 um arasında en büyük ölçüm Sauter ortalama çapı 0.03 bar'lık bir basınç düşüşü elde edilmiştir. Muadilleri ile karşılaştırıldığında, dizi santrifüj pompa Maglev Sauter çapları ortalama ölçülen% 59 daha büyük kadar elde etti. Bu sonuç,s bir damla dağılmasından alt oranı ve santrifüj pompaların kullanımından kaynaklanan böylece düşük mekanik stres gösterdi. kararlı durum dolayısıyla açılan boyutları için güvenilir ve doğru değerler teyit% 15 altında kaldı sırasında ölçülen Sauter standart sapma çapları anlamına gelir. Ölçülen Sauter ortalama çapları Şekil 5. Karşılaştırılması, m 32 d. 3.4 L 0.03, 0.30 ve 0.61 bar min -1 ve basınç düşümleri de Maglev santrifüj pompalar ve muadilleri için Sauter ortalama çapları ölçülür. ölçülen Sauter ortalama çap sonuçlanan standart sapmaları kararlı duruma sırasında m gösterilir, 32 d. Kısaltmalar Please bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için buraya tıklayınız. 2D-orm iki boyutlu optik yansıtma ölçümü CCD Şarj akuplaj düzenli CHO Çin hamsteri yumurtalık cmc Kritik misel konsantrasyonu FBR ileri-geri-oran FBRM odaklanmış ışın yansıma yöntemi MU çoklu kullanım SU tek kullanımlık Terminoloji [M 3 sn -1] akış hızı c [M 3 m -3] konsantrasyon d 32 [M] Sauter ortalama çapı d 32 m [M] ölçülen Sauter ortalama çapı d s [M] Yüzey çapı d v [M] hacim çapı f [Hz] frekans n [Sn -1] pervane hızı N [-] damla sayısı p Baba basınç düşmesi t saniye zaman β [Kg m -3] kütle yoğunluğu ρ [Kg m -3] yoğunluk 69; [M 3 m -3] kütle fraksiyonu Kısaltmalar ve terminoloji Tablo 1. Tablo.

Discussion

Bu protokolün amacı, pompalama süreçlerinde damla boyutu ölçümleri için satır içi endoskopi tekniği uygunluğunu göstermektir. Bu amaçla, tespit edilmiştir, bir yağ-su emülsiyonu sisteminin boyutlarını açılan ve ölçülü bir Sauter ortalama çapı Maglev santrifüj mekanik stres, meslektaşları, peristaltik ve 4-pistonlu diyafram pompası gibi pompalar karakterize etmek için hesaplandı. Sonuçlar ölçülen Sauter düşük varyasyon güvenilir ve doğru ölçülmüş olması damla boyutları belirten% 15'in altında standart sapmaları ile ölçüldü çapları, ortalama gösterdi. Bunun bir sonucu olarak, ölçülebilir Sauter ortalama çap başarılı bir şekilde araştırılmıştır pompa mekanik stresi değerlendirmek için bir karşılaştırma kriter olarak kullanılabilir. Maglev santrifüj pompalar peristaltik ve 4 pistonlu diyafram pompaları ile karşılaştırıldığında emülsiyon damla alt mekanik stresleri belirten geniş ölçülen Sauter ortalama çapları saptandı. Stud'daBugüne kadar ler, inline endoskopi de bu çalışma ile teyit edildi güvenilir damla boyutu ölçümü ^{1,6,12-14,20-21} için sağlam ve basit bir teknik olduğu gösterilmiştir. Bu gibi fiber optik FBR sensörü gibi alternatif ölçüm teknikleri, karşılaştırıldığında, FBRM ve 2D-orm tekniği, endoskop tekniği, sıvı / sıvı uygulamalar ^12,14 kesin veriler elde etmek için standart bir yöntem olarak kullanılabilir.

inline endoskopi ve biyolojik olmayan yağ-su emülsiyonu sisteminin basit üretiminin kolay kullanım protokolü metnine göre damla boyutu algılamaları için basit bir prosedür (yukarıya bakınız) sağlar. Bununla birlikte, bu endoskop sondanın pozisyonu depolama haznesi sıvı akışına bağlı olduğu belirtilmelidir. Prob lens en az 5 L kadar düşük akış oranları için giriş borusu hemen altındadır gerektiğini ileri araştırmalar (veriler gösterilmemiştir) ortaya koymuştur ^-1sırayla tek damla ¹⁹ çoklu yakalanmamak için. ^-1 Dakika 5 L üzerinde akış hızlarında keskin görüntüler için, en az 10 cm uzakta giriş tüpünden probu konumlandırmak için tavsiye edilir. Işlem parametrelerinin bağımsız olarak, satır içi endoskopi tutucu da bulanık bir görüntüye yol açabilir prob, bir vites değiştirme önlemek için kararlı olmalıdır.

Ayrıca, özellikle de tespit edilen damla boyutu minimum bulgulanabilir damla çapı 6.5 um olan uygulanan foto-optik sistem, alt saptama sınırı yakın olduğunu belirtmek gerekir. Üretici tarafından sağlanan yazılım geliştirilmiştir gibi, inline endoskopi teknikleri güvenilir 1 mikron minimum damla boyutu algılayabilir. Ayrıca, görüntü işleme daha endüstriyel uygulamalar online izleyebilmek için geliştirilecektir.

Bu çalışmada en fazla 3.4 L nispeten düşük akış oranları odaklanırken 60; ^-1 dk, gelecekteki çalışmalarda çalışma şartlarından daha geniş düşünmelisiniz. İlk araştırmalar (veriler gösterilmemiştir) min ^-1 20 L kadar akış hızlarında gerçekleştirilmiştir. Ancak, 1: yağ-su emülsiyonu sistemi 2 seyreltme (c _yüzey = 0.09 ml L ^-1, c _yağ = 0.64 ml ^L-1), min ^{-1 19} 10 L üzerinde akış hızlarında tavsiye edilir artan bırakma dağılmasından olarak Aksi takdirde etkileyen algılama bırakın ve tespit edilen damla sayısını azaltacağını yüksek mekanik stres nedeniyle. Testler, 1 ile gerçekleştirilmiştir: 2 seyreltme ve seyreltilmemiş yağ-su emülsiyonu sistemi sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Her iki yaklaşımda da, Sauter çapları güvenilir (% 5'in altında standart sapma) ölçülmüştür anlamına gelir. Bu nedenle, düşük hacim fraksiyonu (1: 2 seyreltme) ölçülen Sauter çapları ortalama etkilemek vermedi ve böylece bir damla damla dağılmasından önemsiz oldu.

nt "> Bu güçlü deneysel yaklaşımlar endoskopi tekniği iyileştirilmesi yanı sıra ilgili görüntü elde etme, tanıma ve sonuç analiz yazılımı için iyi bir zemin sağlamaktadır. Ayrıca, endoskopi tekniği uygunluğu pompa türleri ve dizi sınıflandırmak mekanik göre Stres başarıyla gösterilmiştir. Elde edilen sonuçlar pompa tasarımı geliştirme ve hücre hasarını azaltmak için pompaların optimizasyonu için önemlidir.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Yazarlar mali destek (No 13.236,1 PFFLI-LS) Teknoloji ve Yenilik (CTI, İsviçre) için Komisyonu'na teşekkür etmek istiyorum.

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