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

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Bioengineering

Medidas de entrada de potencia en biorreactores agitados a escala de laboratorio

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

La entrada de energía en biorreactores agitados puede medirse a través del esfuerzo de torsión que actúa sobre el eje impulsor durante la rotación. Este manuscrito describe cómo se puede utilizar un cojinete de aire efectivamente reducir las pérdidas por fricción en sellos mecánicos y mejorar la precisión de las mediciones de entrada potencia en vasos pequeños.

Abstract

La entrada de energía en biorreactores agitados es un importante parámetro de escalado y puede medirse a través del esfuerzo de torsión que actúa sobre el eje impulsor durante la rotación. Sin embargo, la determinación experimental de la entrada de energía en los vasos pequeños es todavía un reto debido a las pérdidas por fricción relativamente alta interior típicamente usadas bujes, rodamientos o sellos del eje y la exactitud de los metros de par motor disponible en el mercado. Por lo tanto, solamente datos limitados para Biorreactores en pequeña escala, en particular de un solo uso sistemas, están disponibles en la literatura, haciendo difícil las comparaciones entre distintos sistemas de un solo uso y sus contrapartes convencionales.

Este manuscrito ofrece un protocolo sobre cómo medir entradas de alimentación en biorreactores de escala consiste en un amplio rango de condiciones de turbulencia, que puede ser descrito por el sin dimensiones número de Reynolds (Re). Las pérdidas por fricción mencionados se reducen con eficacia por el uso de un cojinete de aire. El procedimiento sobre cómo establecer, realizar y evaluar un poder basado en el esfuerzo de torsión de entrada medida, con especial énfasis en las condiciones de agitación típica de cultivo celular con bajo a moderado turbulencia (100 < Re < 2·10⁴), se describe en detalle. El número adimensional de la potencia (también llamado número de Newton, P₀), que se determina que en la gama de P₀ ≈ 0,3 y P₀ ≈ 4.5 para los números de Reynolds máximo proporciona la entrada de varios biorreactores de uso múltiple y de un solo uso en diferentes biorreactores.

Introduction

Potencia de entrada es un parámetro clave de la ingeniería para la caracterización y escalamiento de biorreactores porque se relaciona con muchas operaciones de la unidad, tales como homogeneización¹^,²^,³, dispersión gas-líquido² ^, ⁴ ^, ⁵, de transferencia de calor⁶ y suspensión sólidos⁷. Entrada de energía se asocia también con la tensión de esquileo, que particularmente afectan crecimiento y formación de producto en corte célula sensible culturas⁸^,⁹^,¹⁰^,¹¹.

Las técnicas más comunes para la medición de la corriente en biorreactores agitados se basan en energía eléctrica drenaje¹²^,¹³^,¹⁴, calorimetría¹²^,¹⁵ (es decir estacionaria calor equilibrio o calefacción dinámica a través de la agitación) o el par de apriete sobre el agitador. Este último puede ser determinado experimentalmente por dinamómetros, torquímetros o galgas, que se han aplicado para una variedad de mezcladores, incluyendo una o varias etapas Rushton turbinas¹^,¹⁶^,¹⁷ ^, ¹⁸ ^, ¹⁹ ^, ²⁰ ^, ²¹ ^, ²² ^, ²³ ^, ²⁴ ^, ²⁵, dos aguas hoja impulsores¹⁹^,²⁰^,²³^,²⁶^,²⁷, InterMig¹⁹^,²¹ y Scaba impulsores²⁸ ^, ²⁹. se proporciona una revisión detallada por Ascanio et al., (2004)³⁰.

Desde el par (T), la entrada de potencia (P) puede estimarse de la ecuación 1, donde N es el número de revoluciones del agitador.

(1)

Para explicar las pérdidas que ocurren en la agitación (en cojinetes, sellos y el motor sí mismo), el par efectivo (T_eff) debe determinarse como la diferencia entre el valor medido en el recipiente vacío (T_D) y en el líquido (T_L). Por último, el número adimensional de la potencia (P₀, también conocido como número de Newton), que se define por la ecuación 2 donde ρ_L denota la densidad del líquido y d representa el diámetro del impulsor, se puede utilizar para comparar diferentes agitadores.

(2)

Es bien sabido que el número de potencia es una función del número de Reynolds (es decir, la turbulencia) y se vuelve constante bajo condiciones totalmente turbulentas. El número de Reynolds del impulsor está definido por la ecuación 3, donde η_L es la viscosidad del líquido.

(3)

Sin embargo, medidas de entrada de potencia en biorreactores de pequeña escala son todavía un reto debido a las pérdidas por fricción relativamente alta dentro de cojinetes mecánicos del eje impulsor y la exactitud limitada de torquímetros más comercialmente disponibles. En consecuencia, solamente algunos informes sobre la energía de entrada medidas en escala de banco Biorreactores han sido publicaron¹⁷^,¹⁸^,²²^,²⁴^,³¹^,³². También hay una falta de datos sobre la entrada de energía en un solo uso de biorreactores, que son entregados por los fabricantes montados, esterilizado y listo para su uso³³^,³⁴. En contraste con sus contrapartes reutilizables, más de un solo uso Biorreactores se agitan por hélices especialmente diseñadas, dificultando las comparaciones.

Para cerrar esta brecha, un método fiable para medir entrada energía con especial énfasis en agitadores de la escala de laboratorio se ha desarrollado recientemente³⁵. Los valores de par medidos en los vasos vacíos, que fueron causados por las pérdidas por fricción, efectivamente fueron reducidos por el uso de un cojinete de aire. En consecuencia, una amplia gama de condiciones de operación con baja a moderada turbulencia (100 < Re < 2·10⁴) podría ser investigado y se ha previsto la entrada de varios biorreactores de uso múltiple y de un solo uso.

El presente estudio proporciona un protocolo de medición detallada del método previamente desarrollado y describe cómo establecer, realizar y evaluar una medida de entrada de energía par en biorreactores de escala de laboratorio. Especial atención es en sistemas comercialmente disponibles a solo y multi uso. Un procedimiento de medición automatizada se utiliza para reducir el esfuerzo experimental.

Protocol

1. preparación de soluciones de sacarosa Nota: Las soluciones de sacarosa se utilizan como medios baratos modelo newtoniano con elevada viscosidad y densidad para condiciones de turbulencia reducida (véase tabla 1). Llene una botella de vidrio Duran con agua y sacarosa de diferentes concentraciones (20-60 %w/w). Mezclar el contenido con un agitador magnético hasta que la sacarosa se disuelva completamente. Para las concentraciones de sacarosa superior a 40 %w/w, agregar la sacarosa intermitentemente y calentar la botella de vidrio ligeramente (~ 50 ° C). Que la sacarosa solución se enfríe a temperatura ambiente antes de usar. 2. preparación de una receta de la medición y el registro de datos Después de iniciar el software, inicie la comunicación con la unidad de control seleccionando el puerto COM serial correcto en el menú desplegable y haga clic en el botón conectar .Nota: El botón de conexión cambia el color a verde y se enciende el LED debajo del menú desplegable, una vez iniciada la comunicación con la unidad de control. Configurar la ruta del archivo de datos dentro del software de unidad de control de biorreactores con el fin de almacenar los datos en el operador de PC. Abra la ficha ajustes y pulsa el símbolo de carpeta junto al campo de texto de Ubicación de archivo de datos . En la ventana de diálogo de archivo, busque la carpeta que deseo, escriba un nombre de archivo en el campo de texto nombre de archivo y haga clic en el botón OK .Nota: El nombre y ruta de archivo de registro de datos se muestran en el cuadro de texto y el botón Inicio de DAQ es activado, una vez que se define una ruta de archivo válido. Establezca una rutina en el administrador de la receta del biorreactor de la unidad de software de mando con el fin de automatizar el procedimiento de medida. Abra la ficha de receta y escriba los valores de entrada deseados para la duración de la fase receta (min) y la correspondiente velocidad del impulsor (rpm) en las cajas de campo de texto. El perfil se muestra automáticamente en la tabla.Nota: por ejemplo, la velocidad del agitador se incrementa paso a paso de 20 rpm 100 RPM a 300 rpm, y cada valor se mantiene por 4 minutos con el fin de garantizar un esfuerzo de torsión estable de la señal (ver discusión más abajo). Las velocidades máximas y mínimas así como la cantidad de aumento puede ajustarse para vasos y agitadores diferentes.Nota: Seleccione el rango de velocidad cuidadosamente con respecto a la resolución del sensor de par, el par nominal y formación de vórtice. Este último con frecuencia ocurre en unbaffled Biorreactores agitados a altas velocidades y puede causar daños al medidor de esfuerzo de torsión. Haga clic en el botón Guardar , busque la ruta del archivo deseado y escriba un nombre de archivo en el campo de texto. Presione el botón OK para guardar el archivo. 3. instalación del sensor de par Nota: La configuración experimental se muestra esquemáticamente en la figura 1. Instalar el transductor de par de torsión en un soporte especialmente diseñado que incorpora el aire (ver figura 1) utilizando los tornillos para fijar el sensor en su lugar. El cojinete de aire utilizado en este estudio tiene un carbón poroso material con un diámetro interno de 13 mm del buje. Monte el motor de servo sin cepillo agitador en la parte superior del soporte. Fijar el transductor de par motor en el soporte vertical con cuatro tornillos de montaje. Conectar el eje del motor con el eje de la par transductor usando un metal fuelle de acoplamiento que puede compensar pequeños desalineamientos axiales de los ejes y apriete el acoplamiento con tornillos. Conectar el eje del agitador en el eje de medición del transductor de par con acoplamiento de fuelle metálico otro.Nota: En este estudio, específicamente los ejes de rodete con un diámetro de 13 mm (tolerancia:-0,0076 mm) y con longitudes de entre 270 y 520 mm fueron utilizados para los diferentes vasos investigados. Monte el soporte del sensor en la placa principal del biorreactor e instale los impulsores en el eje del agitador con el espacio de fondo deseado. Montaje bafles e instalaciones adicionales (p. ej. tubos de muestreo y de cosecha, sensores electroquímicos, etc.) en el biorreactor si es necesario. Instale el biorreactor deseado en el soporte de vaso si es necesario (Biorreactores #1, #3 al #10) o coloque la placa en el tanque reactor biológico (biorreactor #2) y apriete la placa principal con tornillos. Para las investigaciones de biorreactores de vidrio, coloque el recipiente de vidrio de biorreactor en el soporte. Para las investigaciones de un solo uso de biorreactores, desmontar la tubería montada superior puertos y carcasa del eje de impulsor de las placas plásticas de la cabeza mediante el uso de herramientas de corte adecuadas. Coloque el recipiente de plástico en el soporte. Coloque un sensor de temperatura dentro del biorreactor y conéctelo a la unidad de control. Conectar la tubería para el aire a presión a la entrada de gas del cojinete de aire y aplique una presión de alrededor 5.5 bar suministrado por un compresor. Conectar el transductor de par al convertidor A/D y la energía en el transmisor. 4. configuraciones en el software de adquisición de datos Abra el software para la adquisición de datos de señal del sensor de par y configurar las preferencias de medición. Asegúrese de que los dos primeros canales en la ventana de canales DAQ son inicializados y activo. En este estudio, la señal del esfuerzo de torsión fue fijada en el canal 0 y la señal de velocidad se estableció en el canal 1. Haga clic en el botón Live update para mostrar los valores de medición actuales. Ponga la señal del canal par a cero si la señal de torsión absoluto sin rotación es mayor que 0.1 mN·m utilizando el botón derecho del ratón haga clic en el elemento de la canal en la lista de canales y seleccionar la opción de balance cero . Desplácese hasta la ficha de trabajo DAQ y definir una velocidad de adquisición de datos de 2 Hz en la lista del menú desplegable. Utilice las opciones iniciar inmediatamente en el trabajo y la duración de las listas desplegables para configurar el arranque y parada de la adquisición de datos, respectivamente. Definir un lapso de tiempo para la duración de la muestra que es más largo que el tiempo requerido para terminar la medición (por ejemplo, uso 1 h 0 m 30 s para una receta de una hora en el segundo paso). Navegar a la página de configuración de almacenamiento de datos y seleccione la opción ASCII + canal de información de la lista desplegable para ajustar el formato de archivo de datos de guardar el archivo. Definir una ruta de archivo en el disco duro del PC para la medición, el archivo de salida. 5. realizar la medición de par Iniciar la adquisición de datos para la señal del esfuerzo de torsión en el software de adquisición de datos y control para el medidor de par haciendo clic en el botón Inicio en la página de menú de trabajo DAQ . Iniciar la adquisición de datos para la velocidad del agitador y la temperatura en el software de la unidad del biorreactor control haciendo clic en el botón de Inicio de DAQ en la página de la pestaña de configuración . Iniciar el control de agitador en el software de la unidad de control con un punto de ajuste manual o el esquema de la receta previamente definidos. Si se realiza una sola medición, utilice la entrada de la caja de control en la página principal del software de control de biorreactor. Escriba el punto deseado en el cuadro de texto y haga clic en el elemento de «Control de mezclador en». Si se realizan varias mediciones con una receta, vaya a la ficha fases y haga clic en el botón Inicio .Nota: El software automáticamente desactiva todas las casillas de entrada manual para la duración de la receta y abre automáticamente una ventana para confirmar el final del proceso. En el software de adquisición de datos, una ventana se abre automáticamente después de la duración de medición previamente definidos. Guardar los datos para cada medición el operador PC, preferiblemente en el disco duro, haciendo clic en el botón guardar datos ahora . Repita la medición para cada velocidad agitador deseado sin y con líquido dentro de la nave del biorreactor. Vierta la solución de sacarosa (o agua) a través de un embudo en el biorreactor.Nota: Asegúrese de que el liquido cubra completamente los impulsores ya que los impulsores (parcialmente) expuestos pueden resultar en fuerzas axiales no deseadas que podrían dañar el sensor de par. 6. evaluación de datos Nota: Los valores de par obtenida en el recipiente vacío (muerto par) corresponden a las pérdidas por fricción residual del cojinete y deben restarse de los valores determinados en el líquido con el fin de obtener los valores de par efectivo (ver ecuación 1). Promedio los valores de esfuerzo de torsión para cada velocidad agitador medido después de una señal cuasi-estable ha sido alcanzado (ver discusión más abajo). Lo ideal sería calcular el valor medio durante un período de al menos 2 minutos para cada condición, correspondientes a los puntos de 240 datos a una velocidad de medición de 2 Hz. Use un código de Matlab para el procesamiento de datos ejecutando el código desde la línea de comandos de software.Nota: El código se proporciona para su descarga en la sección de suplemento de este manuscrito. Este script importa el archivo de datos de la grabación de datos, calcula la velocidad de rotación promedio de fase, número de Reynolds (de EQ 3 basado en entradas del usuario) y valores de torsión para cada una de las fases, visualiza los resultados y almacena los resultados en un segundo texto archivo, que luego puede utilizarse para procesar aún más los datos. Restar los valores de torque obtenidos en la vasija vacía de los medidos en el líquido para obtener los valores de par efectivo. Calcule la potencia de entrada y el número adimensional de la potencia de los valores de par de un promedio de tiempo según la ecuación 1 y ecuación 2.

Representative Results

Se determinaron las entradas de energía en diferentes biorreactores para usos múltiples y de un solo uso con volúmenes de trabajo entre 1 L y 10 L. Los datos geométricos se resumen en la tabla 2. En el caso de los vasos de un solo uso, montado en la parte superior puertos de tubería y soportes de eje impulsor tuvieron que ser quitado de las placas de cabeza para montar los vasos en el soporte de vaso. Además, los ejes de plástico incorporados fueron unidos al eje de acero inoxidable que se utiliza en conjunción con el cojinete de aire, pero no otras modificaciones fueron requeridas. El esfuerzo de torsión se midió para velocidades del impulsor entre 100 rpm y 300 rpm en los vasos unbaffled y entre 100 rpm y 700 rpm en los vasos desconcertados, correspondiente a la velocidad punta máxima de 1,13 m·s-1 y 1,54 m·s-1 (ver EC. 4) respectivamente. (4) Las velocidades del agitador definida en el extremo inferior fueron restringidas por la precisión de medición del sensor de par y la desviación estándar relativa de reproducibilidad de ± 0,2% y < 0.05% del par nominal respectivamente (especificada por el fabricante36). Además, las velocidades del agitador máximo fueron definidas por el par nominal (0,2 Nm), en particular para el tanque de 10 L investigado y formación de vórtice en los vasos unbaffled. Para evitar que el sensor está dañado, el par máximo durante la medición se definió en el 60% del par nominal (0.12 Nm) y la profundidad del vórtice se limitó a unos 20 mm, basado en la inspección visual. Mediante el aumento gradual en la velocidad de rotación del agitador, un perfil de torsión típico se muestra en la figura 2. La señal del esfuerzo de torsión aumenta con cada paso incremento en la velocidad de rotación, como se esperaba de la ecuación 1. Se observaron valores máximos en la señal de par después de cada ajuste de la velocidad del impulsor, que puede explicarse por la aceleración inicial del líquido y el control del PID de la velocidad del agitador. Cuasialeatorios estables medidas fueron obtenidas después de aproximadamente 1 minuto, dependiendo de la velocidad de rotación y el impulsor utilizado. Las fluctuaciones residual alrededor del tiempo promediaron valor de esfuerzo de torsión de la fase individual eran generalmente alrededor 5% del valor promedio para la mayoría de los impulsores y velocidades de agitación investigados. Para la evaluación adicional, fueron utilizados los valores de par de fase promediado, mientras que el pico del esfuerzo de torsión después de cada ajuste de la velocidad fue ignorado. Basado en la frecuencia de medición de 2 Hz, los pares de medida (TL) representaron la media de una por lo menos 240 puntos, que proporciona una certeza estadística suficientemente alta, y las desviaciones estándar relativas de estos valores promedios fueron inferiores a 3% para la mayoría de los puntos de medición, que indica las señales de medición estable. Curiosamente, las desviaciones de estándar típicamente disminuidas con el aumento velocidades de agitación, que indica que la importancia relativa de las fluctuaciones mencionadas disminuyen con mayor agitación. Como se ha visto anterior35, el par de muertos, es decir, el esfuerzo de torsión medido sin líquido dentro de la nave, que puede ser el resultado de las pérdidas por fricción en el cojinete, sellos y la impulsión del motor o pequeñas curvas o desequilibrios del eje impulsor (particularmente en los desechables plástico ejes), puede reducir sustancialmente el uso del cojinete de aire. En general, los valores de par muertos de los agitadores de acero inoxidable eran más pequeños que para los de plástico. Esto puede explicarse por el alto nivel de rigidez de los ejes de acero, que se traduce en la menor oscilación durante el giro. Para la mayoría de los agitadores utilizados, los pares muertos residual con el cojinete de aire fueron tan bajos como 0,5 mN·m y, en consecuencia, por debajo o cerca de la resolución del sensor del medidor de esfuerzo de torsión aplicado (0,4 mN·m). El par muerto residual más alto se observó en el biorreactor #6, que utiliza un retenedor de eje impulsor en el fondo de la vasija. Durante la rotación, el eje de la hélice chocó con ese retén, que también puede ser observado durante los experimentos de cultivo, dando por resultado la fricción adicional. Como puede verse en la figura 3, después de calcular la potencia se obtuvieron insumos de los eficaces esfuerzos de torsión (basada en ecuación 1) y trazado en función de los números de Reynolds (EQ. 3), perfiles individuales para cada uno de los medios de comunicación modelo probado. En cada una de estas curvas, la entrada de energía aumentado a medida que aumentó el número de Reynolds y las laderas estaban cerca de la relación PL Re3. Esta correlación puede obtenerse de la ecuación 2 y ecuación 3 al asumir un potencia constante número e impulsor de diámetro. Esto fue encontrada para los agitadores con R2 > 0,99. De los datos obtenidos par experimental, las características de potencia agitadores investigados fueron finalmente calculadas en EQ. 2 (ver figura 4, figura 5, figura 6). La turbina Rushton estándar se utilizó como referencia con los números de potencia bien documentado en la literatura1,16,17,18,19,20, 21,22,23,24,25. Como puede verse en la figura 4a, disminución de la cantidad de energía en el recipiente de 2 L más pequeño (biorreactor #1) en los números de Reynolds bajos (100 < Re < ≈500) de P0 = 6.3 a P0 ≈ 3.3 antes de que aumentó otra vez por encima de Re ≈ 2000. Un número de potencia casi constante de P0 = 4.17±0.14 fue obtenida bajo condiciones completamente turbulentas (Re > 104). Valor comparable P0 = 4.34±0.22 se determinó para el recipiente más grande con el volumen de trabajo de 10 L (biorreactor #2), mientras que se encontraron algunas desviaciones entre las dos escalas para la gama de transición con 600 < Re < 104 (ver figura 4a). sin embargo, las tendencias cualitativas de ambas escalas plenamente de acuerdo con literatura datos1,19, donde ha sido la entrada de energía de una turbina Rushton en volúmenes de trabajo de 20 L1 y L 4019 determinada, respectivamente. Cabe señalar que los números de potencia para la gama turbulento son hasta un 25% más bajo que ésos proporcionados por los datos de referencia de P0 ≈ 4,719 y P0 ≈ 5,51. Sin embargo, en directa comparación es a menudo difícil debido a las técnicas de medición diferentes utilizadas así como las desviaciones en los parámetros geométricos, como el cociente del diámetro (d/D), la separación no de fondo (z /D deM) y el fondo del tanque y deflector de geometría. Otros investigadores encontraron números de potencia para las turbinas Rushton en vasos desconcertados en un rango de 3.6 a 5.9, dependiendo del agitador y la geometría de buque utilizan17,18,21,24, 27,29,37,38. Por lo tanto, puede afirmarse que los resultados actuales fueron satisfactorios. En la Figura 4b, la cantidad de energía de los Biorreactores #3 y #4, con volúmenes de trabajo de 1 L y 2 L respectivamente, se comparan con un número de gran rango de Reynolds. Los valores de0 de P de los dos agitadores geométricamente similares disminuido continuamente en la gama de la transición y se convirtió en constante (biorreactor #3: P0 = 3.67±0.06; biorreactor #4: P0 = 4.46±0.05) en turbulencia completamente desarrollada con Re > 10 4, un criterio que se ha encontrado previamente para la turbina Rushton y otros agitadores38. Curiosamente, se observó un desplazamiento casi constante entre las dos escalas, que puede explicarse por diferencias en la geometría de buque y el impulsor. A pesar de que la configuración del impulsor en los dos vasos es similar, no fue posible mantener constantes todos los parámetros geométricos. Por ejemplo, el recipiente de 1 L está equipado con dos bafles incorporados, mientras que el recipiente de 2 L fue equipado con tres pantallas. Es bien sabido que la cantidad de energía aumenta a medida que el número de deflectores aumenta, hasta que una condición de refuerzo crítico es había alcanzado38. Además, la forma del disco impulsor en el vaso más pequeño tuvo que ser modificado para fabricación, que podría tener una influencia en la entrada de energía. Cabe también señalar que los valores de par medidos en el vaso más pequeño eran sólo entre mN·m 4.2 y 12.8 mN·m, que corresponde sólo hasta el 6% del esfuerzo de torsión nominal del medidor de par utilizado. En esta gama, desviaciones pequeñas en la señal de medición pueden tener un impacto significativo en los resultados. Puesto que no hay datos de comparación de medidas de referencia están disponibles, es difícil establecer conclusiones definitivas sobre la fiabilidad de la medición en la escala más pequeña utilizada en este estudio y las posteriores investigaciones son necesarias. La figura 5 muestra las características de la energía de los tres Biorreactores solo uso disponibles en el mercado investigados. En contraste con los vasos desconcertados, los números de la potencia de los agitadores de un solo uso disminución continuamente en los números de la gama completa de Reynolds investigados (100 < Re < 3·104), y no valores constante se obtuvieron debido a la vorágine progresista formación de las tasas de alta agitación en los vasos unbaffled. El mayor número de energía de entre P0 ≈ 6 y P0 ≈ 1,8 se obtuvieron para el biorreactor #5, que es agitado por una hélice radialmente bombeo de lámina y un impulsor de cuchilla segmento axial bombeo con cuchillas de 45 ° inclinado. Como esperado, menor poder números de entre P0 ≈ 5.1 y P0 ≈ 1.1 se obtuvieron para el biorreactor #7, que es agitado por dos impulsores de la lámina del segmento con 30 ° lanzó hojas dando por resultado un flujo sobre todo axial. Es bien sabido que los impulsores de flujo axial tienen números más pequeños de la energía que impulsores de flujo radial hoja Debido a las resistencias de flujo más bajos de la echada de las láminas38. Cabe señalar que los datos experimentales en la entrada de energía en el biorreactor #7 que han sido previamente reportados32 son algo mayores (por ejemplo, P0 = 1.9 para Re = 1.4·104). Sin embargo, los datos previamente publicados mostraron la misma relación de P0 Re-0.336 que se encuentran en el presente estudio. Las técnicas de medición diferentes pueden ser responsables de los diferentes valores absolutos. Entre los investigados solo uso Biorreactores, el biorreactor #6, que es mezclado por un cerca de fondo impulsor marino, tenía los números más bajo de energía en el rango de P0 ≈ 0.8 y P0 ≈ 0.3 (ver figura 5). Esta entrada de la energía baja puede explicarse por el tono bajo del impulsor, aunque análisis de dinámica de fluidos computacional (CFD) demostraron un componente de flujo radial bastante dominante alrededor de la hélice palas39. Buena concordancia de los resultados actuales y datos de CFD modelos39 y experimentos32 puede ser indicado. Por último, la configuración de medida se utilizó para investigar la influencia del ángulo impulsor, diámetro y lámina en el biorreactor #7. Como puede verse en la figura 6, todas las curvas de energía disminuyan continuamente sobre los números de la gama completa de Reynolds, como se esperaba. Se obtuvieron diferencias significativas entre los ángulos de la dos lámina (30° y 45°), donde el ángulo de la hoja más grande tenía más entradas de alimentación (con 30°: 1.13 < P0 < 4,25 y 45 °: 1.65 < P0 < 4.46) independientemente de la turbulencia (es decir, Reynolds número). Esto también es conocido por la clásica hoja lanzada impulsores40 y otra vez puede explicarse por la mayor resistencia del flujo alrededor de las cuchillas con tono más fuerte. Curiosamente, no hubo diferencias significativas en el número de potencia entre los dos diámetros de rodete fueron detectados. Esto también se ha encontrado para hélices de dos aguas hoja, mientras que los números de poder de impulsores de flujo radial lámina típicamente tienden a disminuir como la d proporcion aumenta40. Figura 1: esquema de la configuración de prueba. La configuración consiste en el tanque (1) mezclado, titular de la embarcación (2), jaula (3) rodamiento con buje de aire, medidor de par (4), impulsión del motor (5), (6) convertidor A/d, unidad de control (7), PC (8) para la adquisición de datos y control. Aire a presión (5,5 bar) fue proveído para el manguito de aire, según lo recomendado por el fabricante. También se indican las dimensiones geométricas del tanque de mezcla y el agitador. Esta figura ha sido modificada desde35. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 2: Perfil de la típica medida con un aumento gradual en la velocidad de giro del agitador (es decir N1 < N2 < N3) en intervalos de 5 min, según lo indicado por las líneas punteadas verticales. Las líneas punteadas horizontales representan un intervalo de confianza del 5% alrededor de los valores de par de un promedio de tiempo de las fases correspondientes (indicadas por las líneas sólidas). Se observaron valores máximos durante el primer minuto de cada intervalo, que puede explicarse por la aceleración inicial del líquido interior los tanques y el PID basado en control de velocidad del agitador. Para más evaluación, sólo la señal del esfuerzo de torsión durante la fase estable casi fue utilizada, donde la señal de medición fluctuó alrededor de la media promedio fue de valor dentro del intervalo de confianza de 5%. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 3: calcula potencia de entrada en el biorreactor #1 como una función del número de Reynolds para los medios de diferentes modelo. Se obtuvieron perfiles individuales para cada uno de los medios de comunicación modelo probado. Las líneas sólidas representan las predicciones modelo suponiendo que P Re3 y muy buen acuerdo con los datos experimentales se encontró (r2 > 0.99). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 4: determinado números de potencia en función del número de Reynolds en tanques desconcertados. (a) la comparación de los datos de turbinas Rushton en los tanques pequeños y grandes (con 2 L y 10 L volumen de trabajo respectivamente) muestra que los números de potencia adimensional para condiciones completamente turbulentos son iguales entre las dos escalas. Pequeñas desviaciones encontradas para el rango de transición con Re < 104, donde aumentó el número de potencia aumentado como el número de Reynolds. (b) la comparación de los datos de la muestra de #3 y #4 de biorreactores una disminución cualitativamente similar de los números de potencia como el número de Reynolds aumenta hasta que se obtienen valores estables bajo condiciones totalmente turbulentas. Los números de potencia para el biorreactor 1 L muestran fluctuaciones mayores en comparación con las contrapartes de 2 L. No hay datos para el recipiente de 1 L se obtuvieron para números de Reynolds en la gama 550 < Re < 950 al utilizar los mismos medios de modelo como en el recipiente de 2 L. El desplazamiento cuantitativo entre las escalas puede ser explicado por diferencias en la geometría del vaso y agitador o podría ser el resultado de la sensibilidad del detector. Las posteriores investigaciones son necesarias. Las líneas sólidas representan modelos de regresión polinomial. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 5: determinado números de potencia en función del número de Reynolds para diferentes biorreactores para un solo uso. Los números de potencia para cada uno de los buques disminuyeron el número de Reynolds aumentando. En contraste con los vasos desconcertados, no números de energía estable se obtuvieron debido a la formación de vórtice progresivo en las tasas de alta agitación en los vasos unbaffled. Las líneas sólidas representan modelos de regresión polinomial. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 6: determinado números de potencia en función del número de Reynolds para diferentes modificaciones del biorreactor #7. Se obtuvieron perfiles distintos para los dos ángulos diferentes de la hoja de 30° y 45°, pero no hubo diferencias significativas entre las dos relaciones de diámetro de impulsor (d/D = 0.43 y d/D = 0.57) fueron encontrados. Los números de potencia de todas las configuraciones mostró una continua disminución sobre los números de la gama completa de Reynolds investigados debido a la formación de vórtice progresivo en las tasas de alta agitación en los vasos unbaffled. Las líneas sólidas representan modelos de regresión polinomial. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Concentración de sacarosa final Líquido densidad ρL Líquido Viscosidad ηL Número de Reynolds Re (%w/w) (kilogramos·m-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 Tabla 1: Resumen de densidades de líquidos y viscosidades para selecciona soluciones de sacarosa a 20 ° C y que resulta adimensional número de Reynolds para un impulsor con diámetro y velocidad de giro de 60 mm y 200 rpm, respectivamente. El número de Reynolds se calcula mediante la ecuación 3. Tabla 2: Resumen de los datos geométricos de los Biorreactores investigado. Haga clic aquí para descargar este archivo.

Discussion

A pesar de la importancia de la alimentación (específica) para la caracterización de la ingeniería y scaling-up/down de biorreactores, sólo algunas publicaciones sobre investigaciones experimentales en biorreactores escala de banco, sobre todo de un solo uso sistemas en el rango de volumen de litros de un dígito, puede encontrarse en la literatura. Una de las razones para esta falta de datos puede verse en la dificultad de las mediciones de entrada exactos de la energía en tan pequeña escala. Con el fin de superar algunas de estas dificultades, el presente estudio proporciona un protocolo detallado para medidas entrada de par base de potencia que están soportadas por un cojinete de aire para reducir al mínimo las pérdidas por fricción en el cojinete. La aplicabilidad del método fue demostrada utilizando tres biorreactores de uso individual disponibles comercialmente como biorreactores de uso múltiple en escalas entre 1 L y el volumen de trabajo de 10 L.

Basándonos en nuestra experiencia con las mediciones de par base, son los factores más importantes a la dirección: 1) reducir el par de muertos reduciendo al mínimo las pérdidas por fricción en los cojinetes y de sellos, en particular en laboratorio escala biorreactores y 2) la selección de un medidor de par adecuado para las condiciones de agitación y tamaño deseado del biorreactor. Como ha sido demostrado anterior³⁵, el par de muertos puede reducirse dramáticamente por el uso de un cojinete de aire. En el presente estudio, se utilizó un buje de aire de bajo costo de material de carbón poroso. El esfuerzo de torsión residual en los vasos vacíos probado fueron típicamente por debajo de 0,5 mN·m con índices de agitación de hasta 900 rpm, correspondientes a las velocidades de punta de impulsor de 3 m·s^-1. En cambio, el par de muertos del biorreactor #6 con el rodamiento de eje mecánico incorporado fue, por ejemplo, entre mN·m 9,4 y 20 mN·m, y valores comparables de alrededor de 3 mN·m se han reportado también para el biorreactor #7³². Se trata de un orden de magnitud superior a los valores obtenidos en la configuración experimental propuesta.

Además el cojinete de aire, el medidor de esfuerzo de torsión utilizado es el componente más crítico. Un medidor de par motor disponible en el mercado que está diseñado para medir esfuerzo de torsión estático y dinámico, velocidad de rotación y ángulo de la rotación fue seleccionado para este estudio. Teniendo en cuenta los Biorreactores de interés con volúmenes de trabajo máximos de 10 L y los agitadores correspondientes, fue elegido un par nominal de 0.2 N·m. Se encontró que alta reproducibilidad con la desviación estándar relativa de replica < 5% y se pueden obtener mediciones fiables para pares eficaces como mN·m 2, correspondiente a sólo el 1% del esfuerzo de torsión nominal. Por lo tanto, el rango de medición del sensor aplicado en el presente estudio fue significativamente mayor que los resultados que se han publicado basados en un estudio interlaboratorio de los miembros del grupo de trabajo alemán GVC-VDI en mezcla⁴¹.

Sin embargo, la gama de la velocidad del agitador debe seleccionarse cuidadosamente con respecto a la resolución del sensor de par, el par nominal y formación de vórtice. Este último con frecuencia ocurre en unbaffled Biorreactores agitados a altas velocidades y puede causar daños al medidor de esfuerzo de torsión. Tanto las velocidades de mínimo y máximo agitador factibles pueden ser limitantes del método descrito en este estudio. Además de nuestro anterior trabajo³⁵, este estudio también participan el biorreactor #3, el miembro más pequeño en la familia de biorreactor de vidrio suministrado por el fabricante, que es agitado por dos etapas hélices con un diámetro de 42 mm. Una característica de potencia comparable a en el biorreactor geométricamente similar #4 se obtuvo con la configuración experimental presentada. Esto es notable puesto que el par de escalas con M d⁵ densidad líquida dada, geometría del impulsor (es decir número de energía) y velocidad de rotación (ver ecuación 1 y ecuación 2). En consecuencia, un aproximadamente 40% menor par de impulsor resulta de un diámetro de impulsor más pequeño de 10%, por ejemplo. Sin embargo, velocidades de rotación más alto en la escala de 1 L que en la escala de 2 L se requiere durante la operación para resolver el par producido con el medidor de par disponible. Por los deflectores incorporados del biorreactor #3, no se observó ninguna formación de vortex, pero esto puede convertirse en un problema con los vasos unbaffled. Hay que destacar que la constante en las cifras de potencia que se encontraron entre las dos escalas puede causar errores de medición causados por la resolución del sensor limitado (además de las diferencias geométricas). Otras investigaciones están obligadas a sacar conclusiones finales sobre la escala mínima a la que la configuración propuesta es todavía factible.

Sin embargo, el mismo protocolo fue utilizado para la medición de entrada de potencia en varios vasos de vidrio de distintos fabricantes con volúmenes de trabajo de entre 1 L y 10 L en nuestro laboratorio. Esto pone de relieve la transferabilidad del método utilizado para la caracterización de los sistemas del biorreactor diferentes. El esfuerzo experimental podría reducirse de mediciones automatizadas mediante la gestión de la receta dentro de la automatización proporcionada por el software de la unidad de control y el tratamiento automatizado de datos basado en el universal lenguaje de Matlab.

Además, debe señalarse que, mediante el uso de la sacarosa que contiene, medios económicos modelo newtoniano, un número de gran rango de Reynolds (100 < Re < 6·10⁴), dependiendo de la escala y agitador, fue cubierto. Hay que destacar también que el límite inferior de la gama de turbulencia es generalmente irrelevante para cultivos de células animales con agua-como los medios de comunicación, incluso si se utilizan velocidades de rotor muy bajo. Sin embargo, aumentos significativos en la viscosidad del caldo, que se traduce en el comportamiento de amortiguación e incluso no-newtonianos de turbulencia se han descrito para hongos – y culturas basadas en células de la planta. Por ejemplo, viscosidad aparente en las culturas de la planta de hasta 400-fold en comparación con el agua ha sido reportado⁴², que conduce a mucho más bajos números de Reynolds.

Por último, utilizando el biorreactor #7 como un primer estudio de caso, se ha demostrado que puede utilizarse la configuración experimental propuesta para estudiar el efecto de modificaciones de diseño en la entrada de energía a escala de laboratorio. En combinación con técnicas de prototipado rápido, esto puede ser una poderosa herramienta para estudios de diseño de impulsor, que se forman parte de la labor futura.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Los autores desean agradecer a Dieter Häussler y Gautschi Beat por su ayuda durante el juego experimental para arriba. Agradecemos también a Caroline Hyde inglés prueba de lectura.

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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