Power Input Measurements in Stirred Bioreactors at Laboratory Scale

Stephan C. Kaiser; S&#246;ren Werner; Valentin Jossen; Katharina Blaschczok; Dieter Eibl

doi:10.3791/56078

JoVE Journal > Bioengineering

Bioengineering

Entrada de poder de medições em biorreatores mexidas em escala de laboratório

Published: May 16, 2018

doi:

10.3791/56078

Stephan C. Kaiser¹, Sören Werner², Valentin Jossen², Katharina Blaschczok², Dieter Eibl²

¹Finesse,Thermo Fisher Scientific, ²Institute of Chemistry and Biotechnology,Zurich University of Applied Sciences, School of Life Sciences and Facility Management

Summary

A entrada do poder em biorreatores mexidas pode ser medida através do torque que age no eixo do rotor durante a rotação. Este manuscrito descreve como um rolamento de ar pode ser usado para efetivamente reduzir as perdas de atrito observadas em selos mecânicos e melhorar a precisão das medições entrada de energia em pequenos vasos.

Abstract

A entrada do poder em biorreatores mexidas é um parâmetro importante de expansão e pode ser medida através do torque que age no eixo do rotor durante a rotação. No entanto, a determinação experimental da entrada de energia em pequenos vasos é ainda um desafio devido a perdas relativamente alta fricção dentro normalmente usadas buchas, mancais e/ou vedações do eixo e a precisão dos medidores de binário disponível comercialmente. Assim, apenas dados limitados para biorreatores, sistemas de uso único em particular, estão disponíveis na literatura, dificultando as comparações entre diferentes sistemas de uso único e suas contrapartes convencionais.

Este manuscrito fornece um protocolo sobre como medir as entradas de energia em biorreatores de escala de bancada em uma ampla gama de condições de turbulência, que pode ser descrito pelo número adimensional de Reynolds (Re). As perdas de atrito acima mencionados são efetivamente reduzidas pelo uso de um rolamento de ar. O procedimento sobre como definir, conduzir e avaliar uma alimentação baseada em binário de entrada medição, com foco especial em condições de agitação típica de cultura de células com baixa a moderada turbulência (100 < Re < 2,10⁴), é descrito em detalhes. A entrada de energia de vários biorreatores multi-uso e uso único é fornecida pelo poder adimensional número (também chamado de número de Newton, P₀), que é determinado para ser no intervalo de P₀ ≈ 0,3 e P₀ ≈ 4.5 para os números de Reynolds máximos em biorreatores os diferentes.

Introduction

Entrada de energia é um parâmetro de engenharia chave para a caracterização e o dimensionamento do biorreatores porque se relaciona com muitas operações unitárias, tais como homogeneização¹^,²^,³, dispersão de gás-líquido² ^, ⁴ ^, ⁵, de transferência de calor⁶ e suspensão sólido⁷. Entrada de energia é também associada a tensão de cisalhamento, o que pode particularmente afeta crescimento e formação de produto em cisalhamento células sensíveis culturas⁸^,⁹^,¹⁰^,¹¹.

As técnicas mais comuns para a medição da potência entrada em biorreatores mexidas baseiam-se na energia elétrica desenhar¹²^,¹³^,¹⁴, Calorimetria¹²^,¹⁵ (ou seja, estacionária calor equilíbrio ou aquecimento dinâmico através da agitação) ou o torque sobre o agitador. Este último pode experimentalmente determinado pelo dinamômetros, medidores de torque ou extensómetros, que tem sido aplicados para uma variedade de agitadores, incluindo simples ou multi-estágio Rushton turbinas¹^,¹⁶^,¹⁷ ^, ¹⁸ ^, ¹⁹ ^, ²⁰ ^, ²¹ ^, ²² ^, ²³ ^, ²⁴ ^, ²⁵, lâmina arremessada impulsores¹⁹^,²⁰^,²³^,²⁶^,²⁷, InterMig¹⁹^,²¹ e Scaba impulsores²⁸ ^, ²⁹. uma revisão detalhada é fornecida por Ascanio et al (2004)³⁰.

Do torque (T), a entrada de poder (P) pode ser estimada da EQ. 1, onde N é a velocidade de rotação do agitador.

(1)

Para dar conta perdas ocorrendo na agitação (em rolamentos, vedações e o motor em si), o torque eficaz (T_FEP) deve ser determinado como a diferença entre o valor medido no recipiente vazio (T_D) e no líquido (T_L). Finalmente, o número adimensional poder (P₀, também conhecido como número de Newton), que é definido pela EQ. 2 onde ρ_L denota a densidade líquida e d representa o diâmetro do rotor, pode ser usado para comparar diferentes agitadores.

(2)

É sabido que o número de potência é uma função do número de Reynolds (ou seja, a turbulência) e torna-se constante em condições totalmente turbulentas. O número de Reynolds do impulsor é definido pela EQ. 3, onde η_L é a viscosidade do líquido.

(3)

Não obstante, as medições de entrada de energia em biorreatores de pequena escala são ainda um desafio devido às perdas relativamente alta fricção dentro mecânicos rolamentos dos eixos do rotor e a precisão limitada de medidores de binário mais comercialmente disponível. Consequentemente, apenas alguns relatos sobre o poder de entrada medições na escala de bancada biorreatores foram publicados¹⁷^,¹⁸^,²²^,²⁴^,³¹^,³². Há também uma falta de dados sobre a entrada de energia em biorreatores de uso único, que são entregues pelos fabricantes preassembled, esterilizado e pronto para usar³³^,³⁴. Ao contrário de suas contrapartes reutilizáveis, a maioria dos biorreatores de uso único são agitados por turbinas especialmente projetadas, dificultando as comparações.

A fim de colmatar esta lacuna, um método confiável para medições de entrada de energia com foco especial em agitadores de escala de laboratório foi desenvolvido recentemente³⁵. Os valores de torque medidos nos vasos vazios, causados pelas perdas de fricção, efetivamente foram reduzidos pelo uso de um rolamento de ar. Por conseguinte, uma ampla gama de condições operacionais com baixa a moderada turbulência (100 < Re < 2,10⁴) poderia ser investigado e a entrada de energia de vários biorreatores multi-uso e uso único foi fornecida.

O presente estudo fornece um protocolo de medição detalhada do método previamente desenvolvido e descreve como definir, conduzir e avaliar uma medição de entrada de energia baseado em binário em biorreatores de escala de laboratório. Foco especial é comercialmente disponíveis sistemas de reutilização de single e multi. Um procedimento de medição automatizado é usado para reduzir o esforço experimental.

Protocol

1. preparação de soluções de sacarose Nota: As soluções de sacarose são usadas como mídia modelo Newtoniano, barato, com elevada viscosidade e densidade, para condições de turbulência reduzida (ver tabela 1). Encha a garrafa de vidro de Duran com água e sacarose de diferentes concentrações (20-60 %w/w). Misture o conteúdo com um agitador magnético até dissolver completamente a sacarose. Para concentrações de sacarose superiores a 40 %w/w, adicionar a sacarose intermitentemente e aquecer o frasco de vidro ligeiramente (~ 50 ° C). Deixe-o arrefecer de solução de sacarose até à temperatura ambiente antes do uso. 2. preparação de uma receita de medição e o registro de dados Depois de iniciar o software, inicie a comunicação com a unidade de controle, selecionando a correta porta serial COM do menu suspenso e clique no botão Connect .Nota: O botão Connect irá mudar a cor para verde e o LED abaixo do menu dropdown irá acender, uma vez iniciada a comunicação com a unidade de controle. Configurar o caminho do arquivo de dados dentro do software de unidade de controle de biorreator para armazenar os dados sobre o operador de PC. Abra a página do guia de configurações e bateu o símbolo de pasta ao lado do campo de texto local do arquivo de dados . Na janela de diálogo de arquivo, navegue até a pasta do desejo, digite um nome de arquivo no campo de texto nome do arquivo e clique no botão Okey .Nota: O caminho de arquivo de log de dados e o nome são exibidos na caixa de texto e botão Iniciar DAQ está habilitado, uma vez que um caminho de arquivo válido é definido. Configurar uma rotina dentro do gerente da receita do software biorreator controle unidade a fim de automatizar o processo de medição. Abra a página da guia de receita e digite os valores de entrada desejados para o fase de receita decorrido tempo (min) e a correspondente velocidade do rotor (rpm) nas caixas de campo de texto. O perfil é automaticamente exibido no gráfico.Nota: por exemplo, a velocidade do agitador é stepwise aumentou 20 rpm de 100 rpm a 300 rpm, e cada valor é mantido por sinal de 4 minutos para garantir um torque estável (ver discussão abaixo). As velocidades mínimas e máximos, bem como o montante do aumento pode ser ajustado para embarcações e agitadores diferentes.Nota: Selecione a faixa de velocidade com cuidado no que diz respeito a resolução do sensor de torque, o torque nominal e a formação do vórtice. Este último muitas vezes ocorre em biorreatores unbaffled agitados em velocidades mais altas e pode causar danos para o torquímetro. Clique no botão salvar , navegue até o caminho do arquivo desejado e digite um nome de arquivo no campo de texto. Aperte o botão Okey para salvar o arquivo. 3. instalação do sensor de torque Nota: A montagem experimental está representada esquematicamente na Figura 1. Instalação do transdutor de torque em um suporte especialmente concebido que incorpora o ar rolamento (ver Figura 1) usando os parafusos para fixar o sensor no lugar. O rolamento de ar utilizado neste estudo tem um carbono poroso bucha de material com um diâmetro interno de 13 mm. Monte o motor do agitador servo sem escova na parte superior do suporte. Corrigi o transdutor de torque para o titular vertical usando quatro parafusos de montagem. Conectar-se o eixo do motor para o eixo da movimentação do transdutor de torque usando um metal abaixo acoplamento que pode compensar pequenos desalinhamentos axiais dos eixos e aperte o acoplamento com parafusos. Conectar-se o eixo do agitador no eixo de medição do transdutor binário usando outro acoplamento de fole metálico.Nota: Neste estudo, especificamente projetado eixos impulsor com diâmetro de 13 mm (tolerância:-0,0076 mm) e com comprimentos de entre 270 e 520 mm foram usadas para os diferentes vasos investigados. Montar o titular do sensor na placa cabeça de biorreator e instalar os impulsores do eixo agitador com o afastamento de fora inferior a desejada. Monte os defletores e instalações adicionais (por exemplo, tubos de amostragem e de colheita, sensores eletroquímicos, etc) dentro do biorreator se necessário. Instalar o biorreator desejado no suporte do navio, se necessário (biorreatores #1, #3 e #10) ou coloque o prato principal do tanque do biorreator (biorreator #2) e aperte a placa com parafusos de cabeça. Para investigações de biorreatores de vidro, coloque o recipiente de vidro de biorreator no suporte. Para investigações de biorreatores de uso único, desmonte a tubulação montada superior portos e carcaça de eixo impulsor as chapas de cabeça plástica usando ferramentas de corte adequada. Coloque o recipiente de plástico no suporte. Coloque um sensor de temperatura dentro do biorreator e conectá-lo à unidade de controle. Conecte o tubo de ar pressurizado para a porta de entrada de gás do rolamento ar e aplicar uma pressão de cerca de 5,5 bar fornecido por um compressor. Conecte o transdutor de torque para o conversor A/D e a potência do transmissor. 4. configurações do software de aquisição de dados Abra o software para a aquisição de dados do sinal do sensor de torque e configurar as preferências de medição. Certifique-se de que os dois primeiros canais na janela de canais DAQ são inicializadas e ativo. Neste estudo, o sinal binário era sintonizado no canal 0 e o sinal de velocidade de rotação era sintonizado no canal 1. Clique no botão Live update para exibir os atual valores de medição. Defina o sinal do canal binário a zero se o sinal binário absoluto sem rotação é maior do que 0,1 mN·m usando o direito do mouse clique sobre o item de canal na lista de canais e selecionar a opção saldo Zero . Navegue até a página de guia do emprego DAQ e definir uma taxa de aquisição de dados de 2 Hz da lista do menu dropdown. Use as opções imediatamente no trabalho começar e duração das listas dropdown para definir o Iniciar e parar a aquisição de dados, respectivamente. Defina um intervalo de tempo para a duração da amostra que é maior do que o tempo necessário para terminar a medição (por exemplo, uso 1 h 0 m 30 s para uma receita de uma hora definida na segunda etapa). Navegue até a página de configurações de armazenamento de dados e selecione a opção ASCII + canal de informação para definir o formato de arquivo para os dados, salve o arquivo na lista suspensa. Defina um caminho de arquivo do disco rígido de PC para a medição de arquivo de saída. 5. Realize a medição de torque Inicie a aquisição de dados para o sinal binário no software de aquisição de dados e controle para o torquímetro clicando no botão Iniciar na página de menu de trabalho DAQ . Inicie a aquisição de dados para a temperatura e a velocidade do agitador no software da unidade de controle do biorreator clicando no botão DAQ começar na página de configurações do guia. Inicie o controle de agitador no software da unidade de controle com um ponto de ajuste manual ou o esquema de receita previamente definido. Se uma única medição é conduzida, use a entrada de caixa de controle na página da guia principal do software de controle biorreator. Digite o set-point desejado na caixa de texto e clique no item ‘Controle de agitador na’. Se são realizadas várias medições com uma receita, navegue até a página do guia de fases e clique no botão Iniciar .Nota: O software irá automaticamente desativar todas as caixas de entrada manual para a duração da receita e automaticamente abre uma janela para confirmar o fim do processo. Do software de aquisição de dados, uma janela abre-se automaticamente após a duração da medição pré-definidos. Salve os dados para cada medição no operador PC, de preferência no disco rígido, clicando no botão salvar dados agora . Repita a medição para cada velocidade do agitador desejado sem e com líquido dentro do vaso de biorreator. Despeje água (ou a solução de sacarose) através de um funil o biorreator.Nota: Certifique-se de que o líquido cubra completamente os impulsores desde impulsores (parcialmente) expostos podem resultar em indesejáveis forças axiais que podem danificar o sensor de torque. 6. avaliação de dados Nota: Os valores de torque obtidos no recipiente vazio (binário morto) correspondem às perdas residuais de fricção do rolamento e devem ser subtraídos os valores determinados no líquido, a fim de obter os valores de torque eficaz (ver EQ. 1). Média, os valores de binário para cada velocidade do agitador medido após um sinal quase estável foi alcançado (ver discussão abaixo). Idealmente, calcule o valor médio por um período de pelo menos 2 min para cada condição, correspondentes aos pontos de 240 dados a uma taxa de medição de 2 Hz. Use um código de Matlab para o processamento de dados, executando o código de linha de comando de software.Nota: O código é fornecido para download na seção de suplemento deste manuscrito. Esse script importa o arquivo de dados brutos da gravação de dados, calcula a velocidade rotacional média de fase, o número de Reynolds (de EQ. 3 com base em entradas do usuário) e valores de torque para cada uma das fases, visualiza os resultados e armazena os resultados em um segundo texto arquivo, que pode ser usado para processar mais dados. Subtrai os valores de torque obtidos no vaso vazio daqueles medidos no líquido para obter os valores de torque efetivo. Calcule a potência de entrada e número adimensional poder partir dos valores de torque a média de tempo de acordo com a EQ. 1 e EQ. 2.

Representative Results

Determinaram-se as entradas de energia em diferentes biorreatores multi-uso e descartáveis, com volumes de trabalho entre 1 L e 10 L. Os detalhes geométricos estão resumidos na tabela 2. No caso dos vasos de uso único, topo montado portos de tubulação e caixas de eixo impulsor tinham que ser retirado as placas de cabeça para montar os vasos no suporte do navio. Além disso, as built-in hastes plásticas foram anexadas ao eixo do aço inoxidável que foi usado em conjunto com o rolamento de ar, mas sem modificações adicionais foram necessárias. O torque foi medido para rotor velocidades entre 100 rpm e 300 rpm nos vasos unbaffled e entre 100 rpm e 700 rpm nos vasos perplexos, correspondente às velocidades de ponta máxima de 1,13 s-1 e 1,54 s-1 (ver EQ. 4) respectivamente. (4) As velocidades de agitador definidos na extremidade inferior estavam restritos a precisão de medição de sensor binário e desvio-padrão relativo da reprodutibilidade de ± 0,2% e < 0.05% do torque nominal respectivamente (especificado pelo fabricante36). Além disso, definiram-se as velocidades máxima agitador pelo torque nominal (0.2 Nm), em particular para o tanque de 10 L investigado e formação de vórtice nos vasos unbaffled. Para evitar que o sensor seja danificado, o torque máximo durante a medição foi definido em 60% do torque nominal (0.12 Nm) e a profundidade de vórtice limitou-se a aproximadamente 20 mm, com base na inspeção visual. Usando o aumento gradual das velocidades de rotação do agitador, um perfil de binário típico é mostrado na Figura 2. O sinal binário aumentado com cada passo de aumento da velocidade de rotação, conforme o esperado da EQ. 1. Valores de pico do sinal binário foram observados após cada ajuste da velocidade do rotor, o que pode ser explicada pela aceleração inicial do líquido e o controle de PID da velocidade do agitador. Quase estáveis medidas foram obtidas depois de cerca de 1 min, dependendo da velocidade de rotação e impulsor usado. As flutuações residuais na época média valor de torque da fase individual geralmente giravam em torno de 5% do valor médio para a maioria dos impulsores e velocidades de agitação investigadas. Para futura avaliação, foram utilizados os valores de torque de fase em média, Considerando que o pico de torque após cada ajuste de velocidade foi ignorado. Com base na frequência de medição de 2 Hz, o torque medido (TL) representada a média de um menos 240 dados pontos, que previa uma certeza estatística suficientemente elevada, e os desvios-padrão relativos desses valores médios foram inferiores a 3% para a maioria dos pontos de medição, que indica sinais de medição estável. Curiosamente, os desvios-padrão tipicamente diminuídos com o aumento da velocidade de agitação, que indica que a importância relativa das flutuações acima mencionadas diminuir com maior agitação. Como tem sido mostrado anterior35, o torque morto, ou seja, o torque medido sem líquido dentro do vaso, que pode ser um resultado de perdas de atrito no rolamento, selos e motorização ou pequenas curvas em ou desequilíbrios do eixo do rotor (particularmente em os uso único hastes plásticas), podem ser substancialmente reduzidos pelo uso do rolamento ar. Em geral, os valores de torque morto dos agitadores de aço inoxidável foram menores do que para aqueles feitos de plástico. Isto pode ser explicado pelo elevado nível de rigidez dos eixos do aço, o que resulta em menor oscilação durante a rotação. Para a maioria dos agitadores usadas, o torque residual morto com o rolamento de ar eram tão baixo como 0.5 mN·m e, consequentemente, abaixo, ou perto de resolução do sensor do medidor de torque aplicado (0,4 mN·m). O mais alto torque morto residual foi observado em bioreator #6, que usa um retentor do eixo impulsor na parte inferior do vaso. Durante a rotação, o eixo do rotor colidiu com o retentor, que também pode ser observado durante as experiências de cultivo, resultando em atrito adicional. Como pode ser visto da Figura 3, depois de calcular o poder de entradas dos torques eficaz (com base na EQ. 1) e plotá-los como uma função dos números de Reynolds (EQ. 3), perfis individuais foram obtidas para cada um dos meios de comunicação modelo testado. Em cada uma destas curvas, a entrada de energia aumentou conforme aumentou o número de Reynolds e encostas aproximaram-se a relação PL Re3. Esta correlação pode ser obtida da EQ. 2 e EQ. 3 quando assumindo um diâmetro de número e impulsor de poder constante. Isto foi encontrado para todos os agitadores testados com R2 > 0,99. A partir dos dados obtidos torque experimental, as características do poder de todos os agitadores investigados finalmente foram calculadas com base na EQ. 2 (ver Figura 4, Figura 5, Figura 6). A turbina Rushton padrão foi usada como uma referência com números de potência bem documentados na literatura1,16,17,18,19,20, 21,22,23,24,25. Como pode ser visto da figura 4a, o número de potência na embarcação menor 2L (biorreator #1) diminuiu em baixos números de Reynolds (100 < Re < ≈500) de P0 = 6.3 para P0 ≈ 3.3 antes de que aumentou novamente acima Re ≈ 2000. Um número de poder quase constante de P0 = 4.17±0.14 foi obtido em condições totalmente turbulentas (Re > 10,4). Um valor comparável de P0 = 4.34±0.22 determinou-se para o maior navio com volume de trabalho de 10 L (biorreator #2), Considerando que alguns desvios entre as duas escalas foram encontrados para a faixa de transição com 600 < Re < 104 (veja a figura de 4a). no entanto, as tendências qualitativas em ambas as escalas concordaram plenamente com literatura dados1,19, onde a entrada de energia de uma única turbina Rushton em 20 L1 e L 4019 trabalho volumes tem sido determinado, respectivamente. Note-se que os números de potência para o intervalo turbulento são até 25% mais baixos do que aqueles fornecidos por dados de referência de P0 ≈ 4,719 e P0 ≈ 5.51. No entanto, direcionar a comparação é muitas vezes difícil devido as técnicas de medição diferentes usadas bem como desvios nos parâmetros geométricos, incluindo a relação do diâmetro (d/D), o afastamento do fora-de-fundo (zM/d) e o fundo do tanque e defletor de geometria. Outros investigadores encontraram números de potência para Rushton turbinas em vasos perplexos em uma escala de 3.6 para 5.9, dependendo do agitador e geometria do navio usado17,18,21,24, 27,29,37,38. Assim, pode-se argumentar que os resultados atuais foram satisfatórias. Na figura 4b, os números de potência dos biorreatores #3 e #4, com volumes de trabalho de 1L e 2L, respectivamente, são comparados para números uma ampla gama de Reynolds. Os valores0 P os dois agitadores geometricamente semelhantes diminuiu continuamente na faixa de transição e tornou-se constante (biorreator #3: P0 = 3.67±0.06; biorreator #4: P0 = 4.46±0.05) em turbulência totalmente desenvolvida com Re > 10 4, um critério que anteriormente foi encontrado para a turbina Rushton e outros agitadores38. Curiosamente, um deslocamento quase constante entre as duas escalas foi observado, o que pode ser explicado por diferenças nas geometrias a embarcação e o impulsor. Mesmo que a configuração do rotor nos dois vasos é semelhante, não foi possível manter todos os parâmetros geométricos constante. Por exemplo, o recipiente de 1 L é equipado com apenas dois defletores internos, Considerando que o recipiente de 2 L foi equipado com três defletores. É sabido que o número de potência aumenta à medida que o número de chicanas aumenta, até que uma condição de reforço crítico é alcançado38. Além disso, a forma do disco impulsor na embarcação menor teve que ser modificado para industrialização, o que poderia ter uma influência sobre a entrada de energia. Também note que os valores de torque medido na nave menor eram apenas entre mN·m 4.2 e 12,8 mN·m, que corresponde a apenas até 6% do torque nominal do contador binário usado. Neste intervalo, pequenos desvios no sinal de medição podem ter um impacto significativo sobre os resultados. Uma vez que não há dados de comparação das medições de referência estão disponíveis, é difícil tirar conclusões definitivas sobre a confiabilidade da medição em escala menor, utilizada neste estudo e investigações são necessárias. A Figura 5 mostra as características de poder das biorreatores de uso único disponíveis comercialmente três investigados. Em contraste com os vasos perplexos, os números de potência dos agitadores de uso único diminuíram continuamente sobre os números de escala completa de Reynolds investigados (100 < Re < 3·104), e não valores constantes foram obtidos devido a progressiva vórtice formação em taxas de alta agitação nos vasos unbaffled. Maiores potência entre os números de P0 ≈ 6 e P0 ≈ 1.8 foram obtidos para o biorreator #5, que é agitado por um rotor radialmente bombeamento de lâmina e um rotor de lâmina de segmento axialmente bombeamento com lâminas de 45 ° campal. Como o poder esperado, menor números de entre P0 ≈ 5.1 e P0 ≈ 1.1 foram obtidos para o biorreator #7, que é agitado por duas turbinas de lâmina de segmento com 30 ° campal lâminas resultando em um fluxo axial principalmente. É sabido que os impulsores de fluxo axial têm menores números de potência do que impulsores de fluxo radial lâmina devido as resistências de fluxo inferiores da campal lâminas38. Note-se que os dados experimentais sobre a entrada de poder em bioreator #7 que foram anteriormente relatados32 são um pouco maiores (por exemplo, P0 = 1.9 para Re = 1.4·104). No entanto, os dados publicados anteriormente mostram a mesma relação de P0 Re-0.336 , como os encontrados no presente estudo. As técnicas de medição diferentes podem ser responsáveis por diferentes valores absolutos. Entre os investigados biorreatores de uso único, o biorreator #6, que é mixado por um fundo-perto marinho impulsor, tinha os piores números de potência no intervalo de P0 ≈ 0,8 e P0 ≈ 0,3 (ver Figura 5). Esta entrada de baixa potência pode ser explicada pela campo impulsor baixa, apesar da análise dinâmica de fluidos computacional (CFD) mostrou um componente de fluxo radial bastante dominante em torno do rotor lâminas39. Bom acordo de resultados atuais e dados publicados de CFD modelos39 e experimentos32 pode ser indicado. Finalmente, a instalação de medição foi utilizada para investigar a influência do ângulo de diâmetro e lâmina de rotor em bioreator #7. Como pode ser visto da Figura 6, todas as curvas de poder diminuem a continuamente sobre os números de escala completa de Reynolds, como esperado. Obtiveram-se diferenças significativas entre os ângulos de duas lâminas (30° e 45°), onde o maior ângulo de lâmina tinha entradas de energia mais elevadas (com 30°: 1.13 < P0 < 4,25 e 45 °: 1,65 < P0 < 4.46) independentemente da turbulência (ou seja, Reynolds número). Isso também é conhecido por clássica lâmina arremessada impulsores40 e novamente pode ser explicado pela maior resistência fluxo ao redor das lâminas com Tom mais forte. Curiosamente, sem diferenças significativas entre os dois diâmetros de rotor nos números de potência foram detectadas. Isto também foi encontrado para turbinas de lâmina arremessada, Considerando que os números de potência de turbinas de fluxo radial lâmina normalmente tendem a diminuir à medida que aumenta a relação d/D40. Figura 1: esquema da instalação do teste. A instalação consiste do tanque (1) misturando, titular de navio (2), (3) rolamento gaiola com bucha de ar (4) torquímetro, movimentação do motor (5), (6) conversor, unidade de controle (7), PC (8) para a aquisição de dados e controle. O ar pressurizado (5,5 bar) foi fornecido para a bucha de ar, conforme recomendado pelo fabricante. As principais dimensões geométricas do tanque de mistura e o agitador também são indicadas. Esta figura foi modificada de35. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 2: perfil de medição típico com um aumento gradual da velocidade de rotação do agitador (ou seja, N1 < N2 < N3) em intervalos de 5 min, conforme indicado pelas linhas tracejadas verticais. As linhas tracejadas horizontais representam um intervalo de confiança de 5% em torno dos valores de torque a média de tempo para as fases correspondentes (indicadas por linhas horizontais sólidas). Valores de pico foram observados durante o primeiro minuto de cada intervalo, que pode ser explicado pela aceleração inicial do líquido dentro dos tanques e o PID com base em controle de velocidade do agitador. Para ainda mais a avaliação, apenas o sinal de torque durante a fase estável quase foi usada, onde o sinal de medição oscilou em torno da média média de valor dentro do intervalo de confiança de 5%. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 3: calculado de entrada de energia em bioreator #1 em função do número de Reynolds para mídia de modelo diferente. Perfis individuais foram obtidos para cada um dos meios de comunicação modelo testados. As linhas sólidas representam as previsões do modelo assumindo P Re3 e muito bom de acordo com os dados experimentais foi encontrado (com R2 > 0,99). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 4: determinado números de potência em função do número de Reynolds em tanques perplexos. (a) a comparação dos dados de Rushton turbinas nos tanques pequenos e grandes (com 2 L e 10 L trabalhando volume respectivamente) mostra que os números adimensionais de poder para condições totalmente turbulentos são iguais entre as duas escalas. Pequenos desvios foram encontrados para a faixa de transição com Re < 104, onde aumentou o número de poder aumentado conforme o número de Reynolds. (b) a comparação dos dados da mostra de biorreatores #3 e #4 qualitativamente semelhante redução dos números de potência, como o número de Reynolds aumentou até valores estáveis são obtidos em condições totalmente turbulentas. Os números de potência para o biorreator de 1L mostram flutuações mais elevadas em comparação com a contrapartida de 2 L. Não há dados para o recipiente de 1 L foram obtidos para números de Reynolds na faixa de 550 < Re < 950 quando usando a mesma mídia de modelo como o recipiente de 2 L. O deslocamento quantitativo entre as escalas pode ser explicado pelas diferenças nas geometrias de navio e agitador ou poderia ser um resultado da sensibilidade do sensor. Investigações são necessárias. As linhas sólidas representam modelos de regressão polinomial. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 5: determinado números de potência em função do número de Reynolds para diferentes uso único biorreatores. Os números de potência para cada um dos vasos diminuíram como o número de Reynolds aumentado. Em contraste com os vasos perplexos, sem poder estável números foram obtidos devido à formação de vórtice progressivo a taxas de alta agitação nos vasos unbaffled. As linhas sólidas representam modelos de regressão polinomial. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 6: determinado números de potência em função do número de Reynolds para diferentes modificações do bioreator #7. Perfis distintos foram obtidos para os dois ângulos diferentes lâminas de 30° e 45°, mas não houve diferença significativa entre os dois rácios de diâmetro de rotor (d/D = 0,43 e d/D = 0,57) foram encontrados. Os números de potência de todas as configurações que mostrou uma contínua diminuição sobre os números de escala completa de Reynolds investigados devido à formação de vórtice progressivo a taxas de alta agitação nos vasos unbaffled. As linhas sólidas representam modelos de regressão polinomial. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Concentração de sacarose final Líquido de densidade ρL Líquidos de viscosidade ηL Número de Reynolds Re (%w/w) (1N-3) (MPa · s) (-) 0 998.2 1 11954 20 1081 2 6486 30 1127 3.2 4226 40 1176.4 6.2 2277 50 1231.7 15.5 954 55 1259.8 28,3 13° 60 1288.7 58,9 263 Tabela 1: Resumo das densidades de líquido e viscosidades para selecionado soluções de sacarose a 20 ° C e número de Reynolds adimensional resultante para um rotor com diâmetro e velocidade rotacional de 60mm e 200 rpm, respectivamente. O número de Reynolds é calculado usando a EQ. 3. Tabela 2: Resumo dos detalhes geométricos de biorreatores a investigado. Clique aqui para baixar este arquivo.

Discussion

Apesar da importância da entrada de energia (específico) para a caracterização de engenharia e dimensionamento-up/down de biorreatores, apenas algumas publicações sobre investigações experimentais em biorreatores de escala de bancada, particularmente uso único sistemas na faixa de volume de litros de um dígito, podem ser encontrados na literatura. Uma das razões para esta falta de dados pode ser vista nas dificuldades de entrada medições precisas poder tais escalas pequenas. Para superar algumas destas dificuldades, o presente estudo fornece um protocolo detalhado para binário com base poder entrada as medições que é suportados por um rolamento de ar para minimizar as perdas de atrito no rolamento. A aplicabilidade do método foi demonstrada usando três biorreatores de uso único comercialmente disponíveis, bem como biorreatores de multi-uso em escalas entre 1 L e o volume de trabalho de 10 L.

Baseado em nossa experiência com as medições de torque com base, são os fatores mais críticos para o endereço: 1) reduzindo o torque morto, minimizando as perdas de fricção dentro os rolamentos e vedações, em particular no laboratório escala biorreatores e 2) a seleção de um Torquímetro apropriado para as condições de tamanho e agitação de biorreator desejado. Como foi demonstrado anteriormente³⁵, o torque morto pode ser drasticamente reduzido pelo uso de um rolamento de ar. No presente estudo, utilizou-se uma bucha de ar de baixo custo, feita de material poroso de carbono. O torque residual nos vasos vazios testados eram tipicamente abaixo de 0.5 mN·m com taxas de agitação de até 900 rpm, correspondente às velocidades de ponta de rotor de até 3 s^-1. Em contraste, o torque morto de bioreator #6 com o rolamento do eixo mecânico interno foi, por exemplo, entre mN·m 9.4 e 20 mN·m, e valores comparáveis de cerca de 3 mN·m também foram relatados para o biorreator #7³². Isto é sobre uma ordem de magnitude maior do que os valores obtidos na configuração experimental da proposta.

Além do rolamento de ar, o torquímetro utilizado é o componente mais importante. Um medidor de binário comercialmente disponível que é projetado para medir o torque de estática e dinâmica, velocidade de rotação e ângulo de rotação foi selecionado para este estudo. Considerando os biorreatores de interesse, com volumes de trabalho máximo de 10 L e os agitadores correspondentes, um torque nominal de 0,2 nm foi escolhido. Verificou-se que grande reprodutibilidade com desvio-padrão relativo de Replica < 5% e medições fiáveis podem ser obtidas para tão baixo quanto mN·m 2, correspondendo a apenas 1% do torque nominal eficaz torques. Portanto, a faixa de medição do sensor aplicado no presente estudo foi significativamente maior do que os resultados que foram publicados com base em um estudo interlaboratorial dos membros do grupo alemão GVC-VDI na mistura de⁴¹.

No entanto, a escala da velocidade do agitador deve ser cuidadosamente selecionada em relação a resolução do sensor de torque, o torque nominal e formação de vórtice. Este último muitas vezes ocorre em biorreatores unbaffled agitados em velocidades mais altas e pode causar danos para o torquímetro. Ambas as velocidades mínima e máxima viável agitador podem estar limitando fatores do método descrito neste estudo. Além de nossa anterior trabalho³⁵, este estudo envolveu também o biorreator #3, o menor membro da família de biorreator de vidro fornecido pelo fabricante, que é agitado por rotores de dois estágios com 42 mm de diâmetro. Uma característica de poder comparável àquele em bioreator geometricamente semelhante #4 foi obtida com a instalação experimental apresentada. Isto é notável, desde que o torque pode ser dimensionado com M d⁵ para uma determinada densidade líquida, geometria de rotor (ou seja, número de poder) e velocidade de rotação (ver EQ. 1 e EQ. 2). Por conseguinte, um aproximadamente 40% mais baixo torque rotor resulta de um diâmetro de rotor 10% menor, por exemplo. No entanto, as velocidades de rotação mais elevadas na escala de 1 L, do que na escala de 2 L foram necessárias durante a operação para resolver o torque produzido com o torquímetro disponível. Devido as chicanas internas de bioreator #3, observou-se sem formação de vórtice, mas isso pode se tornar um problema com os navios unbaffled. Deve-se ressaltar que a constante deslocamento nos números de potência que foi encontrados entre as duas escalas poderia resultar de imprecisões de medição causadas por resolução do sensor limitada (para além das diferenças geométricas). Investigações são necessárias para tirar conclusões finais na escala mínima em que a instalação proposta é ainda viável.

No entanto, o mesmo protocolo foi usado para as medições de entrada de energia em vários vasos de vidro de diferentes fabricantes, com volumes de trabalho de entre 1 L e 10 L em nosso laboratório. Isto ressalta a possibilidade de transferência do método utilizado para a caracterização de sistemas diferentes do biorreator. O esforço experimental poderia ser reduzido por medições automatizadas usando o gerenciamento de receita, dentro do sistema de automação fornecidos pelo software da unidade de controle e o tratamento automatizado de dados baseada na linguagem universal do Matlab.

Além disso, note-se que, usando-se a sacarose que contém, mídia barato modelo Newtoniano, números uma ampla gama de Reynolds (100 < Re < 6·10⁴), dependendo do agitador e escala, estava coberto. Também ressalta-se que o limite inferior do intervalo de turbulência é geralmente irrelevante para culturas de células animais com água-como a mídia, mesmo se impulsor muito baixas velocidades são usadas. No entanto, aumentos significativos na viscosidade caldo, que resulta em comportamento de amortecimento e até mesmo não-newtonianos turbulência foram descritos para fungos – e plantar culturas baseada em célula. Por exemplo, Viscosidade aparente nas culturas de plantas de até 400-fold comparado a água ter sido relatado⁴², que leva a muito menor números de Reynolds.

Finalmente, usando o biorreator #7 como um primeiro estudo de caso, foi demonstrado que a instalação experimental proposta pode ser usada para estudar o efeito de modificações de projeto sobre a entrada de energia em escala de laboratório. Em combinação com técnicas de prototipagem rápida, esta pode ser uma poderosa ferramenta para estudos de desenho do impulsor, que formará partes do trabalho futuro.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Os autores gostaria agradecer Häussler Dieter e Gautschi bater sua assistência durante o conjunto experimental acima. Agradecemos também a Caroline Hyde inglês prova lendo.

Materials

T20WN torque meter	HBM Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH	Nominal torque 0.2 Nm
Spider-8	HBM Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH	HBM Spider8 is no longer available for sale. QuantumX DAQ system (especially the QuantumX modules MX840A and MX440A) are recommended.
Catman easy software	HBM Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH	Version 4.2.2
Air bearing	IBS precision engineering	13 mm air bushing
Stainless steel impeller shaft	Bioengineering AG	Shaft tolerance -0.0076 mm
Brushless motor AKM2	Kollmorgen
Metal bellow coupling	Uiker AG
Finesse RDPDmini control unit	Finesse, a part of Thermo Fisher Scientific	No longer supported (the replacement product G3Lab universal controller can be used)
Sucrose	Migros Schweiz AG	Food grade
Matlab software	Mathworks	Version R2017a
Finesse μTruBio PC software	Finesse, a part of Thermo Fisher Scientific	Version 3.1 (no longer supported)
SmartGlass 1L	Finesse, a part of Thermo Fisher Scientific	referred to as Bioreactor 1L in Table 2
SmartGlass 3L	Finesse, a part of Thermo Fisher Scientific	referred to as Bioreactor 3L in Table 2
SmartVessel 3L	Finesse, a part of Thermo Fisher Scientific	referred to as Single-Use 3L Bioreactor in Table 2
Mobius CellReady 3L	Merck Millipore	referred to as Cell Ready Single-Use 3L Bioreactor in Table 2
UniVessel SU 2L	Sartorius Stedim Biotech	referred to as Single-Use 2L Bioreactor in Table 2

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Kaiser, S. C., Werner, S., Jossen, V., Blaschczok, K., Eibl, D. Power Input Measurements in Stirred Bioreactors at Laboratory Scale. J. Vis. Exp. (135), e56078, doi:10.3791/56078 (2018).

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