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

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

Bioengineering

Laboratuvar ölçekte karıştırılmış Biyoreaktörler güç giriş ölçümlerde

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

Karıştırılmış Biyoreaktörler güç girişi Pervane mili üzerine döndürme sırasında davranır tork ile ölçülebilir. Bu el yazması bir hava taşıyan etkili mekanik mühürler gözlenen sürtünme kayıpları azaltmak ve küçük ölçekli damarlarının güç giriş ölçümlerin doğruluğu artırmak için nasıl kullanılabileceği açıklanmaktadır.

Abstract

Karıştırılmış Biyoreaktörler güç girişi önemli bir ölçek-up parametresidir ve çark şaft üzerinde döndürme sırasında davranır tork ile ölçülebilir. Ancak, güç girişi küçük ölçekli damarlarının deneysel belirlenmesi hala genellikle kullanılan burçlar, yatakları ve/veya şaft cıvataları ve ticari olarak kullanılabilir tork metre doğruluğunu içinde nispeten yüksek sürtünme kayıpları nedeniyle zordur. Böylece, yalnızca sınırlı veri için küçük ölçekli biyoreaktörler, özellikle tek kullanımlık sistemleri, farklı tek kullanımlık sistemleri ve geleneksel karşılıkları arasındaki karşılaştırmaları zorlaştırır literatürde mevcuttur.

Bu el yazması, boyutsuz Reynolds sayısı (Re) tarafından açıklanan türbülans koşullar geniş bir dizi üzerinden güç girişi benchtop ölçekli Biyoreaktörler ölçmek bir protokol sağlar. Söz konusu sürtünme kayıpları etkili bir hava taşıyan kullanılarak azaltılır. Kurmak, davranış ve tork tabanlı güç değerlendirmek hakkında yordam giriş ölçümü, hücre kültürü tipik ajitasyon koşullar düşük orta türbülans için özel odaklı (100 < Re < 2·10⁴), ayrıntılı olarak açıklanmıştır. Çeşitli çoklu kullanım ve tek kullanımlık Biyoreaktörler güç girişi olması P aralığı₀ ≈ 0,3 ve P₀ ≈ 4.5 maksimum Reynolds numaraları için belirlenen (Newton sayı, P₀olarak da bilinir) boyutsuz güç numarası tarafından sağlanan farklı Biyoreaktörler.

Introduction

Gaz-sıvı dağılımı² homojenizasyon¹^,²^,³gibi birçok birimi operasyonlara ilgilidir çünkü güç girişi bir anahtar mühendislik karakterizasyonu ve ölçek-up Biyoreaktörler parametredir ^, ⁴ ^, ⁵, ısı transferi⁶ ve katı süspansiyon⁷. Güç girişi kesme stres, özellikle etkiler büyüme ve makaslama hassas hücre kültürleri⁸^,⁹^,¹⁰^,¹¹ürün oluşumu ile de ilişkilidir.

Karıştırılmış Biyoreaktörler güç girişi ölçümü temel alır için elektrik gücüyle en yaygın teknikleri¹²^,¹³^,¹⁴, Kalorimetre¹²^,¹⁵ (yani sabit ısı çizmek dengesi veya ajitasyon aracılığıyla dinamik Isıtma) veya karıştırıcı üzerine tork. İkinci deneysel dinamometreler, tork metre veya Çalkalayıcı, tek veya çok aşamalı Rushton türbinleri¹^,¹⁶^,¹⁷ de dahil olmak üzere çeşitli için uygulanan gerilim ölçü aygıtları tarafından belirlenebilir ^, ¹⁸ ^, ¹⁹ ^, ²⁰ ^, ²¹ ^, ²² ^, ²³ ^, ²⁴ ^, ²⁵, tiz bıçak çarklar¹⁹^,²⁰^,²³^,²⁶^,²⁷, InterMig¹⁹^,²¹ ve Scaba çarklar²⁸ ^, ²⁹. ayrıntılı bir inceleme Ascanio vd (2004)³⁰tarafından sağlanır.

Tork (T), güç girişi (P) EQ karıştırıcı dönüş hızı N olan 1’den, tahmin edilebilir.

(1)

Ajitasyon (içinde yatakları, mühürler ve motor kendisi) içinde meydana gelen kayıplar için hesap için etkili tork (T_eff) boş beden (T_D) ve (T_{L sıvı ölçülen değeri arasındaki fark olarak tespit edilmelidir}). Son olarak, farklı kışkırtıcıları karşılaştırmak için EQ burada ρ_L sıvı yoğunluğu gösterir ve fan çapı d gösterir 2 tarafından tanımlanır, boyutsuz güç numarası (P₀, Newton numarası olarak da bilinir), kullanılabilir.

(2)

Güç numarası Reynolds sayısı (yani türbülans) bir işlevidir ve tam olarak çalkantılı koşullar altında sabit olur iyi bilinmektedir. Fan Reynolds sayısı EQ sıvı viskozitesi η_L nerede 3 tarafından tanımlanır.

(3)

Yine de, küçük ölçekli Biyoreaktörler güç giriş ölçümlerde hala nispeten yüksek sürtünme kayıpları fan boşluğunun mekanik yatakları ve en ticari olarak kullanılabilir tork metre sınırlı doğruluğu içinde nedeniyle zor olan. Sonuç olarak, yalnızca birkaç raporları gücü hakkında¹⁷^,¹⁸^,²²^,²⁴^,³¹^,³²benchtop ölçekli Biyoreaktörler olmuştur ölçümlerde Yayınlandı girdi. Preassembled, belgili tanımlık imalatçı tarafından sterilize edilmiş ve kullanıma hazır³³^,³⁴teslim tek kullanımlık Biyoreaktörler güç girişi hakkında veri eksikliği vardır. Yeniden kullanılabilir karşılıkları aksine çoğu tek kullanımlık Biyoreaktörler karşılaştırmaları zor yapmak özel olarak tasarlanmış fanlar tarafından heyecanlı.

Bu açığı kapatmak için güç giriş ölçümleri ile özel laboratuvar ölçekli karıştırıcı odaklanmak için güvenilir bir yöntem son zamanlarda³⁵geliştirilmiştir. Sürtünme kayıpları tarafından neden olduğu, boş kaplar içinde ölçülen tork değerleri etkili bir hava taşıyan kullanımı azaltıldı. Sonuç olarak, geniş bir çalışma koşullarda düşük orta türbülans için (100 < Re < 2·10⁴) soruşturma olması ve çeşitli çoklu kullanım ve tek kullanımlık Biyoreaktörler güç girişi sağlanmıştır.

Bu da çalışmanın ayrıntılı ölçüm iletişim kuralı daha önce gelişmiş yöntem sağlar ve ayarlamak, davranış ve güç tork tabanlı giriş ölçüm laboratuvar ölçekli Biyoreaktörler içinde değerlendirmek nasıl açıklar. Özel ticari olarak mevcut tek ve çoklu kullanabilirsiniz sistemleri üzerinde odaklanmıştır. Bir otomatik ölçüm yordam deneysel çaba azaltmak için kullanılır.

Protocol

1. hazırlanması Sükroz çözümleri Not: Sükroz çözümler ucuz, Newton’un modeli medya yüksek viskozite ve yoğunluğu ile (bkz. Tablo 1) azaltılmış türbülans koşulları için kullanılır. Duran cam şişe su ve farklı konsantrasyonları (20-60 %w/w) Sükroz ile doldurun. Sükroz tamamen çözülmüş kadar içeriği bir manyetik karıştırıcı ile karıştırın. 40 %w/w aşan Sükroz konsantrasyonlarının için zaman zaman Sükroz ekleyin ve cam şişe biraz ısı (~ 50 ° C). Oda sıcaklığında kullanmadan önce aşağı Sükroz çözüm soğumaya bırakın. 2. bir ölçüm tarifi ve veri günlüğü hazırlanması -Den sonra başlamak belgili tanımlık bilgisayar yazılımı, kontrol ünitesi ile iletişimi açılır menüden doğru seri COM bağlantı noktasını seçip Bağlan düğmesini tıklatarak başlatın.Not: Bağlantı düğmesine yeşil rengi değişecek ve kontrol ünitesi ile iletişimi başlatılan bir kez LED açılır menüsünün altında geçiş yapar. Operatör PC veri depolamak için veri dosyası yolu biyoreaktör kontrol ünitesi yazılımı içinde ayarlayın. Ayarlar sekmesi sayfa açık ve klasör simgesi konumu veri dosyası metin alanının yanındaki vurmak. Dosya iletişim penceresinde arzu klasöre göz atın, dosya adı metin alanına bir dosya adı yazın ve Tamam düğmesini tıklatın.Not: Veri günlük dosyası yolu ve adı metin kutusunda görüntülenir ve geçerli bir dosya yolu tanımlandıktan sonra DAQ Başlat düğmesi etkindir. Ölçüm işlemi otomatikleştirmek için bir rutin içinde biyoreaktör kontrol ünitesi yazılımı tarifi Müdürü ayarlayın. Tarifi sekme sayfasını açın ve istediğiniz giriş değerleri tarifi faz geçen süre (dk) ve karşılık gelen fan hızı (rpm) için metin alanı kutularına yazın. Profili otomatik olarak grafikte görüntülenir.Not: Örneğin, karıştırıcı hız stepwise 20 100 rpm 300 RPM rpm artırılır ve istikrarlı bir tork sağlamak için 4 dakika (aşağıdaki konuya bakın) sinyal için her değeri korunur. Minimum ve maksimum hızları yanı sıra artış miktarı farklı kışkırtıcıları ve gemiler için ayarlanabilir.Not: dikkatle tork sensör çözünürlüğü, nominal tork ve girdap oluşumu ile ilgili olarak hız aralığı seçin. İkinci kez unbaffled Biyoreaktörler yüksek hızlarda heyecanlı oluşur ve tork ölçer zarar verebilir. Kaydet düğmesini tıklatın, istenen dosya yoluna göz ve bir dosya adı metin kutusuna yazın. Dosyayı kaydetmek için Tamam düğmesine basın. 3. yükleme dönme anıları detektörler Not: Deneysel Kur şematik Resim 1′ de gösterilen. Sensör yerine düzeltmek için tork dönüştürücü kullanarak (bkz: şekil 1) taşıyan hava içerir özel olarak tasarlanmış bir tutucu vidalar yükleyin. Bu çalışmada kullanılan hava taşıyan gözenekli bir karbon malzeme 13 mm bir iç çapı ile burç vardır. Fırçasız servo karıştırıcı motor yuvasının üst üzerine monte. Tork dönüştürücü için dört vidayı kullanarak montaj dikey tutucu düzeltmek. Motor mili tork dönüştürücü kullanarak bir metal feryat bu kaplin boşluğunun küçük Aksiyel misalignments telafi etmek ve sıkın vidaları kullanarak kaplin tahrik mili için bağlayın. Karıştırıcı şaftı başka bir metal körük bağlantı kullanarak tork dönüştürücü ölçüm miline bağlamak.Not: Bu çalışmada, pervane şaftları 13 mm çapında tasarlanmış (tolerans:-0.0076 mm) ve 270 mm ve 520 mm arasındaki uzunlukları ile araştırıldı farklı gemiler için kullanılmıştır. Sensör tutucusu biyoreaktör baş plaka üzerine dağ ve çarklar karıştırıcı miline istenen alt kapalı giriş izni. Gerekli perdeler ve biyoreaktör içinde ek teçhizatları (örnekleme ve hasat tüpler, elektrokimyasal sensörler, vb) mount. İstenen biyoreaktör gemi sahibi (Biyoreaktörler #1, #10 #3) gerekirse veya baş plaka biyoreaktör tank (biyoreaktör #2) yerleştirin ve vida ile baş plaka sıkın. Cam Biyoreaktörler araştırmalar için yer tutucu biyoreaktör cam kap. Tek kullanımlık Biyoreaktörler araştırmalar için uygun kesme aletleri kullanarak en iyi monte edilmiş boru bağlantı noktaları ve çark şaft konut plastik kafa plakalar üzerinden sökmeye. Plastik taşıyıcıyı yuvasına yerleştirin. Sıcaklık sensörü biyoreaktör yerleştirin ve denetim birimine bağlayın. Basınçlı Hava boruları hava taşıyan gaz giriş portuna bağlayın ve bir kompresör tarafından sağlanan yaklaşık 5.5 bar basınç uygulayın. A/D dönüştürücü ve güç verici üzerinde tork dönüştürücü bağlayın. 4. veri toplama yazılımı yapılandırmalarda Tork sensörü sinyal veri toplama yazılımı açın ve ölçüm tercihleri yapılandırmak. DAQ kanalları penceredeki ilk iki kanal başlatıldı ve etkin olduğundan emin olun. Bu çalışmada, dönüş hızı sinyal Kanal 1 kuruldu ve tork sinyal Kanal 0 kuruldu. Geçerli ölçüm değerlerini görüntülemek için Live update düğmesini tıklatın. Mutlak tork sinyal dönüş olmadan mN·m sağ fare kullanarak tıklayın kanal listesi ve sıfır bakiye seçeneğini belirterek kanal öğesinde 0,1 büyükse tork kanal sinyal sıfır olarak ayarlayın. DAQ iş sekme sayfasına gidin ve aşağı açılır menü listesinden veri toplama hızı 2 Hz tanımlayın. Hemen işe başlamak ve süre aşağı açılan listelerinden başlatmak ve durdurmak , veri toplama, sırasıyla ayarlamak için kullanın. Ölçüm (örneğin, kullanım 1 h 0 m 30 s İkinci adımda tanımlanan bir saat tarifi için) bitirmek için gereken süreyi daha uzun örnek süresi bir zaman dilimi tanımlayın. Veri depolama ayarları sayfasına gidin ve dosyayı kaydedin dosya biçimi verileri ayarlamak için aşağı açılır listesinden ASCII + kanal bilgisi seçeneğini belirleyin. Üstünde PC sert götürmek ölçüm çıktı dosyasıiçin bir dosya yolu ayarla. 5. tork ölçüm yapmak Veri toplama için tork sinyal tork ölçer kontrol ve veri toplama yazılımı DAQ iş menü sayfasında Başlat düğmesini tıklatarak başlatın. Veri toplama için karıştırıcı hız ve sıcaklık biyoreaktör kontrol ünitesi yazılımı ayarları sekmesi sayfasında DAQ Başlat düğmesini tıklatarak başlatın. Karıştırıcı denetimi kontrol ünitesi yazılımı el ile ayar noktası veya önceden tanımlanmış tarifi düzeni ile başlatın. Eğer tek bir ölçüm yapılır, denetim kutusu girdisi biyoreaktör kontrol yazılımı ana sekme sayfasını kullanın. İstediğiniz ayar noktası metin kutusuna yazın ve ‘Karıştırıcı denetimi’ öğesini tıklatın. Bir reçete ile birden çok ölçümleri yapılmaktadır, aşamaları sekme sayfasına gidin ve Başlat düğmesini tıklatın.Not: Yazılım otomatik olarak tüm el ile giriş kutularını tarifi süresi için devre dışı bırakır ve işleminin sonuna onaylamak için otomatik olarak bir pencere açar. Veri toplama yazılımı otomatik olarak önceden tanımlanmış ölçüm süresi bittikten sonra bir pencere açılır. Her ölçüm için veri sabit diskinizde tercihen operatör PC, Şimdi veri Kaydet düğmesini tıklatarak kaydedin. Ölçüm her istenen karıştırıcı hız olmadan ve biyoreaktör gemi içinde sıvı için yineleyin. Su (veya sukroz çözüm) bir huni içinde biyoreaktör dökün.Not: dönme anıları detektörler zarar verebilecek istenmeyen eksenel kuvvetler (kısmen) maruz çarklar neden olabilir beri sıvı tamamen çarklar kapsadığından emin olun. 6. veri değerlendirme Not: Boş beden (ölü tork) elde edilen tork değerleri taşıyan kalan sürtünme kayıpları için karşılık gelen ve (bkz: EQ 1) etkili tork değerleri elde etmek için sıvı içinde belirlenen değerlerden çıkartılır. Ortalama yarı kararlı bir sinyal oldu sonra ölçülen her karıştırıcı hız için tork değerleri (aşağıdaki konuya bakın) elde etti. İdeal olarak, 240 veri noktaları 2 Hz ölçüm oranında karşılık gelen her koşul için en az 2 dk bir dönemde ortalama değerlerini hesaplamak. Matlab kod yazılım komut satırından kodu çalıştırarak veri işleme için kullanın.Not: Bu makale ek bölümünü indirmek için kodu sağlanır. Bu komut dosyası ham veri dosyası veri kaydından alır, hesaplar faz ortalama dönüş hızı, Reynolds numarası (EQ 3 kullanıcı girişi dayalı) ve her aşama için tork değerleri, sonuçları görüntüler ve sonuçları ikinci bir metin olarak depolar dosya, daha sonra daha fazla verileri işlemek için kullanılabilir. Bu etkili tork değerleri elde etmek için sıvı içinde ölçülen boş beden elde tork değerleri çıkarmak. Güç girişi ve saat ortalama tork değerlerine göre EQ 1 ve EQ 2 numaradan boyutsuz güç hesaplamak.

Representative Results

Çalışma birimleri arasında 1 L ve 10 L ile farklı çoklu kullanım ve tek kullanımlık Biyoreaktörler güç girişi belirlenmiştir. Geometrik detayları Tablo 2′ de özetlenmiştir. Tek kullanımlık kaplar, durumunda üst boru bağlantı noktaları monte ve çark şaft Yuvaları kafa plakaları gemilerin gemi sahibi sığabilmesi için kaldırılması gerekiyordu. Ayrıca, yerleşik plastik milleri ve hava yatak ile birlikte kullanılan paslanmaz çelik mil bağlı, ama başka hiçbir değişiklik gerekli idi. Tork için fan hızı ve 100 rpm ve 1.13 m·s-1 ve 1.54 m·s-1 en fazla ipucu hızları için karşılık gelen şaşkın damarlarının 700 rpm 100 rpm unbaffled damarları 300 d/d arasında ölçüldü (EQ 4 sırasıyla bakın). (4) Tanımlanmış karıştırıcı hızları daha düşük sonunda tork sensörü ölçüm hassasiyeti ve göreli standart sapması ± % 0,2 ve < %0,05 nominal tork tekrarlanabilirlik tarafından sırasıyla sınırlı (üretici36tarafından belirtilen). Ayrıca, en fazla karıştırıcı hızları nominal tork tarafından tanımlanmış olan (0,2 Nm), özellikle için soruşturma 10 L tank ve unbaffled damarlarının oluşumunda girdap. Sensör zarar görmesini önlemek için maksimum tork ölçüm sırasında nominal tork olarak tanımlanmıştır (0,12 Nm) ve girdap derinlik yaklaşık 20 mm görsel inceleme üzerine dayalı sınırlıydı. Kademeli artış dönme karıştırıcı hızları kullanarak, bir tipik tork profil Şekil 2′ de gösterilmiştir. Tork sinyal dönüş hızı, her adım artış ile EQ 1 den beklendiği gibi arttı. Tork sinyal en yüksek değerleri her sıvı ilk ivme ve PID kontrol karıştırıcı hız tarafından açıklanabilir fan hızı ayarından sonraki tespit edildi. Yarı kararlı ölçümleri dönüş hızı ve fan kullanılan bağlı olarak yaklaşık 1 dakika sonra elde edilmiştir. Zaman etrafında kalan dalgalanmaları genellikle çarklar ve ajitasyon hızları araştırıldı çoğu için ortalama değeri % 5 civarında olduğunu tek tek faz Tork değeri ortalama. En yüksek tork ise her hız ayarı göz ardı edildi sonra değerlendirme için daha fazla, ortalama faz tork değerleri, kullanıldı. 2 Hz ölçüm sıklığı temel alarak, ölçülen tork (TL) yeterince yüksek bir istatistiksel kesinlik sağlanan, en azından bir 240 veri Puan ortalamasını temsil ve bu ortalama değerlerden göreli standart sapmalar için % 3 daha düşük bulunmuştur istikrarlı ölçüm sinyalleri gösterir çoğunluğu ölçüm noktalarının. İlginçtir, standart sapmalar normal olarak ajitasyon hızları, bu gösterir yukarıda belirtilen dalgalanmaları göreli önemini giderek artan bir azalma ile daha yüksek ajitasyon azaltın. Önceki35, ölü tork gösterildiği Yani sürtünme kayıpları ve yatak, mühürler ve motor sürücü veya küçük virajlı bir sonucu veya (özellikle içinde pervane milinin dengesizlikler olabilir gemi içinde sıvı olmadan tork ölçülen Tek kullanımlık plastik milleri), önemli ölçüde azaltılmış hava taşıyan kullanımı ile. Genel olarak, paslanmaz çelik kışkırtıcıları ölü tork değerleri daha küçük plastik olanlar için. Bu dönüşü sırasında alt salınım sonucunda sertliği çelik boşluğunun daha yüksek düzeyde tarafından açıklanabilir. Çoğu kullanılan kışkırtıcıları için kalan ölü tork ile hava taşıyan gibi düşük olarak 0.5 mN·m ve sonuç olarak, aşağıda veya tork ölçer sensör çözünürlüğü yakın (0.4 mN·m) uygulanan. En yüksek kalıntı ölü tork bir çark şaft hizmetli kullanır gemi dibinde #6, biyoreaktör gözlendi. Döndürme sırasında çark şaft ek sürtünme sonucu Ayrıca ekimi deneyler sırasında gözlenen, o hizmetkar ile çarpıştı. (EQ 1 tabanlı) etkili tork ve onları Reynolds sayıları (EQ 3), bireysel profilleri bir fonksiyonu olarak komplo girişlerden her modeli medya için elde edilmiştir güç hesaplama test sonra şekil 3, görüldüğü gibi. Her bu eğrileri, güç girişi arttı Reynolds sayısı arttı ve yamaçları ilişki PL yakın olduğunu yeniden3. Bu ilişki sürekli güç numarası ve fan çapı varsayarak zaman EQ 2 ve EQ 3 elde edilebilir. Bu tüm kışkırtıcıları R ile test için bulundu2 > 0,99. Elde edilen deneysel tork verilerinden tüm kışkırtıcıları araştırıldı güç özellikleri sonunda göre EQ (bkz. şekil 4, şekil 5, şekil 6) 2 hesaplanır. Standart Rushton türbin edebiyat1,16,17,18,19,20iyi belgelenmiş güç numaraları ile bir referans olarak kullanılan, 21,22,23,24,25. Şekil 4agörüldüğü gibi küçük 2 L gemi (biyoreaktör #1) güç sayısında düşük Reynolds sayılarında azalma (100 < Re < ≈500) P0 = 6.3 P0 ≈ 3.3 için önce onu tekrar yukarıda ≈ 2000 arttı. Bir hemen hemen sabit güç sayı P0 = 4.17±0.14 (> 104) yeniden tam olarak çalkantılı koşullarda elde edilen. P0 karşılaştırılabilir değeri = 4.34±0.22 kararlı 10 L çalışma hacmi (biyoreaktör #2), daha büyük gemi için bazı sapmalar iki ölçek arasında geçiş aralığı için 600 ile bulundu, ancak < < 104 (bkz: şekil yeniden 4A). yine de, her iki ölçekler nitel eğilimler tam olarak nerede güç girişi 20 L1 ve 40 L19 çalışma birimleri içinde tek bir Rushton türbin olmuştur edebiyat veri1,19ile kabul etti kararlı, anılan sıraya göre. Bu çalkantılı aralığı için güç sayıları % 25’e kadar bu 4.719 ve P0 ≈ 5.5 P0 ≈ başvuru veri tarafından sağlanan daha düşük olduğunu belirtmek gerekir1. Ancak, karşılaştırma kez zor çap oranı (d/D), (zM/d) alt kapalı izni ve tank alt gibi geometrik parametreler sapmalar yanı sıra kullanılan farklı ölçüm teknikleri nedeniyle doğrudan ve geometri baffle. 17,18,21,243.6 için 5.9, karıştırıcı ve gemi geometrisi bağlı olarak güç numaraları bir aralıktaki şaşkın damarlarının Rushton türbinleri için kullanılan diğer araştırmacılar bulundu, 27,29,37,38. Böylece, geçerli sonuçlar tatmin edici olduğunu söylenebilir. Şekil 4b’, Biyoreaktörler #3 ve #4, 1 L ve 2 L çalışma birimleri ile güç sayıda sırasıyla, geniş aralığı Reynolds sayıları için karşılaştırılır. İki geometrik olarak benzer kışkırtıcıları P0 değerleri sürekli olarak geçiş aralığında azalmış ve sabit oldu (biyoreaktör #3: P0 3.67±0.06; = biyoreaktör #4: P0 4.46±0.05 =) > 10 Re ile tam olarak gelişmiş türbülans, 4, daha önce Rushton türbin ve diğer kışkırtıcıları38için bulunmuştur bir ölçüt. İlginçtir, iki ölçek arasında hemen hemen sabit bir uzaklık, gemi ve fan geometrilerin farklılıkları tarafından açıklanabilir gözlendi. İki gemi fan yapılandırmada benzer olmasına rağmen bütün geometrik parametreler sabit tutmak mümkün olmadı. Örneğin, 2 L gemi üç perdeler ile donatılmıştı ise 1 L gemi sadece iki yerleşik perdeler ile donatılmıştır. İyi güç numarası artar sayısı perdeler arttıkça, bir kritik takviye durumdur kadar38elde gibi bilinmektedir. Ayrıca, küçük gemi fan disk şeklinde dezavantajlari, güç girişi üzerinde bir etkiye sahip için değiştirilmesi gerekiyordu. Ayrıca küçük gemi ölçülen tork değerleri yalnızca 4.2 mN·m ve sadece % 6 kullanılan tork ölçer nominal tork karşılık gelen 12,8 mN·m arasında olduğunu belirtmek gerekir. Bu aralıkta ölçüm sinyalinde küçük sapmalar sonuçları üzerinde önemli bir etkisi olabilir. Başvuru ölçümleri hiçbir karşılaştırma verileri kullanılabilir olduğundan, bu çalışmada kullanılan en küçük ölçekte ölçüm güvenilirliği üzerinde nihai sonuçlara ulaşmak zor ve daha fazla araştırmalar gereklidir. Şekil 5 araştırıldı üç piyasada bulunan tek kullanımlık Biyoreaktörler güç özelliklerini gösterir. Şaşkın gemilerin aksine, tek kullanımlık kışkırtıcıları güç sayıda azalma sürekli araştırıldı Reynolds tam aralığı sayılar üzerinde (100 < Re < 3·104), ve hiçbir sabit değerleri nedeniyle ilerici girdap elde edilmiştir yüksek ajitasyon hesaplı unbaffled damarlarının oluşumu. P0 ≈ 6 ve P0 ≈ 1.8 arasında en yüksek güç numaralarını Radyal pompa bir bıçak fan ve eksenel pompa bir segment bıçak fan tarafından 45 ° meydan Bıçaklar ile heyecanlı #5, biyoreaktör için elde edilmiştir. Hangi tarafından iki segment bıçak çarklar 30 ° ile heyecanlı P0 ≈ 5.1 ve P0 ≈ 1.1 arasındaki numaraları biyoreaktör #7, elde edilmiştir beklenen, daha düşük güç olarak öncelikle eksenel akış içinde kaynaklanan bıçaklar perdeli. İyi eksenel akış fanlar daha küçük güç sayıda Radyal akışlı bıçak çarklar daha düşük akış Dirençleri nedeniyle daha tiz bıçaklar38var bilinmektedir. Bu daha önce bildirilen32 olmuştur deneysel veriler biyoreaktör #7 güç girişi üzerinde biraz daha yüksek olduğunu belirtmek gerekir (örneğin P0 1.9 = için yeniden = 1.4·104). Ancak, daha önce yayımlanmış veri gösterdi aynı ilişki P0 -0.336 da çalışmanın bulunan yeniden. Farklı ölçüm teknikleri farklı mutlak değerler için sorumlu olabilir. İncelenen tek kullanımlık Biyoreaktörler biyoreaktör #6, arasında olan bir alt yakınlarında deniz fan tarafından karışık, P aralığı0 ≈ 0.8 ve P0 ≈ (bkz şekil 5) 0,3 en düşük güç numaraları vardı. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (CFD) analizi oldukça baskın Radyal akışlı bileşen fan bıçakları39çevresinde gösterdi rağmen bu düşük güç girişi düşük fan saha tarafından açıklanabilir. Güncel sonuçlar ve CFD modelleri39 ve deneyler32 yayımlanan veri iyi anlaşma ifade edilebilir. Son olarak, ölçüm Kur fan çapı ve bıçak radyan cinsinden biyoreaktör #7 etkisini araştırmak için kullanıldı. Şekil 6′ dan görüldüğü gibi tüm güç eğrileri beklendiği gibi sürekli tam aralığı Reynolds sayılar üzerinde azaltın. Önemli farklılıklar nerede büyük bıçak açı vardı daha yüksek güç girişi iki bıçak arasındaki açıları (30 ° ile 45 °), elde (30°: 1,13 ile < P0 < 4,25 ve 45 °: 1.65 < P0 < 4,46) türbülans (yani Reynolds ne olursa olsun sayı). Bu da klasik eğimli bıçak çarklar40 için bilinir ve tekrar etrafında bıçakları daha güçlü pitch ile daha yüksek akış direnci ile açıklanabilir. İlginçtir, iki fan çapı arasındaki güç numaraları yok önemli farkları tespit edildi. Radyal akışlı bıçak çarklar güç sayıda genellikle40d/D oranı arttıkça düşüş eğilimi ise bu da tiz bıçak çarklar için bulunmuştur. Şekil 1: sınama kurulumunun şematik. Kur (1) karıştırma tankı, (2) gemi sahibi, (3) taşıyan kafes hava Burcu, (4) tork ölçer, motor sürücü (5), (6) A/D dönüştürücü, (7) kontrol ünitesi, (8) PC için veri toplama ve denetim ile oluşur. Basınçlı hava (5.5 bar) hava Burcu için üretici tarafından tavsiye edilen şekilde sağlandı. Karıştırma tankı ve karıştırıcı ana geometrik boyutları da belirtilir. Bu rakam35değiştirildi. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız. Şekil 2: tipik ölçüm profil karıştırıcı dönüş hızı kademeli bir artış ile (yani N1 < N2 < N3) 5 dk aralıklarla, dikey Kesikli çizgiyle gösterildiği gibi. Yatay kesikli çizgiler (yatay Düz çizgilerle gösterilir) karşılık gelen aşama için %5 güven aralığı saat ortalama tork değerleri temsil eder. En yüksek değerleri tarafından sıvı iç ivme ilk tanklar ve PID karıştırıcı hız kontrolü göre açıklanabilir her Aralık ilk dakikadan sırasında tespit edildi. Daha fazla değerlendirme, sadece tork sinyal yarı kararlı aşamasında kullanılan için nerede ortalama ölçüm sinyal dalgalanma %5 güven aralığı içinde değeri ortalama. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız. Şekil 3: Reynolds sayısı farklı model medya için bir fonksiyonu olarak hesaplanan biyoreaktör #1 güç girişi. Bireysel profilleri her test modeli medya için elde edilmiştir. Düz çizgiler P varsayarak modeli Öngörüler temsil yeniden3 ve deneysel veriler ile çok iyi anlaşma bulundu (R ile2 > 0.99). Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız. Şekil 4: şaşkın tankları Reynolds sayısının bir fonksiyonu olarak belirlenen güç numaraları. (a) (2 M ve 10 birim sırasıyla çalışma L ile) küçük ve büyük Tanklardaki Rushton türbinleri gelen veri karşılaştırma tamamen çalkantılı koşulları için boyutsuz güç numaraları arasında iki ölçek eşit olduğunu gösterir. Küçük sapmalar nerede Reynolds sayısı artan güç sayısı arttı < 104, yeniden ile aralığı geçiş için bulunamadı. (b) istikrarlı değerleri tam olarak çalkantılı koşullar altında elde edilir kadar güç numaraları Reynolds sayısı olarak niteliksel benzer bir azalma artış Biyoreaktörler #3 ve #4 gösterir veri karşılaştırma. Güç sayılar 1 L biyoreaktör için 2 L Özgününü kıyasla daha yüksek dalgalanmalar göstermektedir. 550 aralığında Reynolds sayıları için 1 L gemi için veri elde edildi < < 950 aynı modeli medya olduğu gibi 2 L gemi kullanırken yeniden. Nicel ofset ölçekler arasında gemi ve karıştırıcı geometrilerin farklılıkları açıklanabilir veya sensör hassasiyeti sonucu olabilir. Daha fazla araştırma gereklidir. Düz çizgiler polinom regresyon modelleri temsil eder. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız. Şekil 5: farklı tek kullanımlık Biyoreaktörler Reynolds sayısı bir fonksiyonu olarak belirlenen güç numaraları. Her gemi için güç numaraları artan Reynolds sayıları olarak azalmıştır. Şaşkın gemilerin aksine yüksek ajitasyon hesaplı unbaffled damarları ilerici girdap oluşumu nedeniyle istikrarlı güç sayı elde edilmiştir. Düz çizgiler polinom regresyon modelleri temsil eder. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız. Şekil 6: Reynolds sayısı biyoreaktör #7 farklı değişiklikler için bir fonksiyonu olarak belirlenen güç numaraları. İki farklı bıçak açı 45° ve 30° ama iki fan çapı oranları arasında önemli bir fark yoktur için elde edilen farklı profiller (d/D 0,43 ve d/D = 0,57 =) bulunamadı. Tüm yapılandırmalar sürekli gösterdi güç sayıda yüksek ajitasyon hesaplı unbaffled damarları ilerici girdap oluşumu nedeniyle soruşturma tam aralığı Reynolds sayıları düşüş. Düz çizgiler polinom regresyon modelleri temsil eder. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız. Son Sükroz konsantrasyonu Sıvı yoğunluğu ρL Sıvı viskozitesi ηL Reynolds sayısı yeniden (%w/w) (kg·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 28,3 534 60 1288.7 58.9 263 Tablo 1: Özet sıvı yoğunluğu ve viskoziteleri için seçili Sükroz çözümleri 20 ° C ve elde edilen boyutsuz Reynolds sayısı için bir fan çapı ve 60 mm ve 200 devir/dakika dönüş hızı ile sırasıyla. Reynolds sayısı EQ 3 kullanılarak hesaplanır. Tablo 2: Biyoreaktörler geometrik ayrıntılarını özetini soruşturma. Bu dosyayı indirmek için buraya tıklayınız.

Discussion

(Özel) güç girişi mühendislik karakterizasyonu için önemini ve ölçekleme-yukarı/aşağı biyoreaktörler, rağmen sadece bir kaç yayın benchtop ölçekli biyoreaktörler, deneysel araştırmalarda özellikle tek kullanımlık sistemlerinde Tek basamaklı litre hacim aralığı, literatürde bulunabilir. Veri bu olmaması için bir neden böyle küçük ölçeklerde doğru güç giriş ölçümlerin zorluklar görülebilir. Bazı bu zorlukların üstesinden gelmek için çalışmanın taşıyan sürtünme kayıpları en aza indirmek için bir hava taşıyan tarafından desteklenen göre tork güç giriş ölçümler için detaylı bir protokol sağlar. Yönteminin uygulanabilirliği üç piyasada bulunan tek kullanımlık Biyoreaktörler yanı sıra Multi-kullanma Biyoreaktörler ölçeklerde 1 L ve 10 L çalışma birimi arasında kullanarak gösterilmiştir.

Tork tabanlı ölçümleri ile bizim deneyime dayalı, adresine en kritik faktörler: 1) azaltılması ölü tork rulmanlar ve mühürler, içinde sürtünme kayıpları özellikle laboratuvarda en aza indirerek ölçekli Biyoreaktörler ve 2) seçimi bir İstenen biyoreaktör boyutu ve ajitasyon koşulları için uygun tork ölçer. Önceki³⁵gösterildiği ölü tork bir hava taşıyan kullanılarak önemli ölçüde azaltılabilir. Bu da çalışmanın, gözenekli karbon malzemeden yapılmış bir düşük maliyetli hava burç kullanıldı. Test boş kaplar içinde kalan tork ilâ 900 rpm fan ipucu hız-in ilâ 3 m·s^-1için karşılık gelen, ajitasyon oranları ile 0.5 mN·m altında genellikle vardı. Buna ek olarak, ile yapılı-içinde mekanik şaft rulman biyoreaktör #6 ölü tork, örneğin, 9,4 mN·m ve 20 mN·m arasında oldu ve yaklaşık 3 mN·m karşılaştırılabilir değerler için biyoreaktör #7³²de bildirilmistir. Bir büyüklük önerilen deneysel kurulumunda elde edilen değerler daha yüksek olmasıdır.

Hava taşıyan yanı sıra kullanılan tork metre en kritik bileşenidir. Statik ve dinamik tork, dönüş hızı ve döndürme açı ölçmek için tasarlanmış bir ticari olarak kullanılabilir tork metre bu çalışma için seçildi. Maksimum çalışma hacimleri 10 L ve karşılık gelen Çalkalayıcı ile faiz Biyoreaktörler göz önüne alındığında, 0,2 nominal bir tork N·m seçildi. Göreli standart sapma ile yüksek tekrarlanabilirlik < %5 çoğaltır ve güvenilir ölçümler için etkili tork düşük nominal tork sadece % 1 karşılık gelen 2 mN·m olarak elde edilebilir bulundu. Bu nedenle, mevcut çalışmada uygulanan sensör ölçüm aralığı önemli ölçüde yayınlanmış⁴¹karıştırma üzerinde Alman GVC-VDI çalışma grubu üyelerinin inter-laboratory bir çalışmaya dayanarak sonuca daha geniş oldu.

Yine de, karıştırıcı hız aralığı tork sensör çözünürlüğü, nominal tork ve girdap oluşumu açısından dikkatle seçilmelidir. İkinci kez unbaffled Biyoreaktörler yüksek hızlarda heyecanlı oluşur ve tork ölçer zarar verebilir. Minimum ve maksimum uygulanabilir karıştırıcı hızları faktörler bu çalışmada açıklanan yöntemin sınırlama. Ek olarak bizim önceki³⁵, bu çalışmada da dahil biyoreaktör #3, iki aşamalı impellers 42 mm fan çapı göre heyecanlı üretici tarafından sağlanan cam biyoreaktör ailesindeki en küçük üyesi iş. Buna benzer güç karakteristik geometrik olarak benzer biyoreaktör #4 içinde sunulan deneysel Kur ile elde edildi. Tork M ile ölçekler önemli olduğu bu d⁵ verilen sıvı yoğunluğu, fan geometri (yani güç sayı) ve dönüş hızı (bkz: EQ 1 ve EQ 2) için. Sonuç olarak, bir yaklaşık % 40 daha düşük fan tork sonuç % 10 daha küçük fan çapı, örneğin. Yine de, 1 L 2 L ölçekli ölçeğinde daha yüksek dönme hızları kullanılabilir tork ölçer ile üretilen tork gidermek için işlemi sırasında gerekli idi. Biyoreaktör #3 yerleşik perdeler, nedeniyle hiçbir girdap oluşumu gözlenmiştir, ancak bu unbaffled gemiler ile ilgili bir sorun olabilir. İki ölçek arasında bulunan güç rakamlarla ofset sürekli ölçüm yanlışlıklar (ek geometrik farklılıklar) sınırlı sensör çözünürlüğün neden olduğu düşük neden olabilir ki vurgulanmalıdır. Daha fazla soruşturma önerilen kurulum hala mümkün olan en küçük ölçek üzerinde nihai sonuçlara ulaşmak için gereklidir.

Yine de, aynı iletişim kuralını güç giriş ölçüm sonuçları 1 L ve bizim laboratuvar 10 L arasında çalışma hacimleri ile farklı üreticilerin çeşitli cam kaplar için kullanıldı. Bu farklı biyoreaktör sistemleri karakterizasyonu için kullanılan yöntemi Aktarılabilirliği vurgular. Kontrol ünitesi yazılımı tarafından sağlanan otomasyon sistemi ve evrensel Matlab dile göre otomatik bilgi işlem içinde tarifi Yönetimi’ni kullanarak otomatik ölçümler deneysel çaba azaltılabilir.

Sükroz kullanarak, ucuz Newton model ortamı, geniş aralığı Reynolds sayıları içeren, unutulmamalıdır Ayrıca, (100 < Re < 6·10⁴), karıştırıcı ve ölçek üzerinde bağlı olarak, kaplıydı. Ayrıca çok düşük fan hızlarını kullanıyor olsa bile türbülans aralığın alt sınırı genellikle hayvan hücre kültürleri ile su gibi kitle iletişim araçları için alakasız vurgulanmalıdır. Ancak, türbülans Sönüm ve hatta Newton davranışlar sonuç suyu viskozite önemli artışlar mantarlar – için tarif edilmistir ve hücre tabanlı kültürler bitki. Örneğin, belirgin viskozite ilâ 400-fold kültürleri bitki su için karşılaştırıldığında çok Reynolds sayıları daha düşük yol açan bildirilen⁴², olmuştur.

Son olarak, biyoreaktör #7 ilk vaka çalışması olarak kullanarak, bu önerilen deneysel Kur laboratuvar ölçekte güç girişi üzerinde tasarım değişiklikleri etkisini incelemek için kullanılabilir gösterilmiştir. Hızlı prototipleme teknikleri ile birlikte, bu gelecekte yapılacak çalışmalar bölümlerini oluşturacak fan tasarım çalışmaları için güçlü bir araç olabilir.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Yazarlar Dieter Häussler ve Beat Gautschi deneysel set sırasında onların yardım için yukarıya teşekkür etmek istiyorum. Ayrıca İngilizce kanıt okuma Caroline Hyde için sana şükrediyoruz.

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

References

Shiue, S. J., Wong, C. W. Studies on homogenization efficiency of various agitators in liquid blending. Can. J. Chem. Eng. 62, 602-609 (1984).
Zlokarnik, M. . Rührtechnik — Theorie und Praxis. , (1999).
Ghotli, A. R., Raman, A. A. A., Ibrahim, S., Baroutian, S. Liquid-liquid mixing in stirred vessels: a review. Chem. Eng. Commun. 200, 595-627 (2013).
Arjunwadkar, S. J., Sarvanan, K., Kulkarni, P. R., Pandit, A. B. Gas-liquid mass transfer in dual impeller bioreactor. Biochem. Eng. J. 1, 99-106 (1999).
Hari-Prajitno, D., Mishra, V. P., Takenaka, K., Bujalski, W., Nienow, A. W., McKemmie, J. Gas-liquid mixing studies with multiple up- and down-pumping hydrofoil impellers: power characteristics and mixing time. Can. J. Chemical Eng. 76, 1056-1068 (1998).
Wichterle, K. Heat transfer in agitated vessels. Chem. Eng. Sci. 49, 1480-1483 (1994).
Angst, R., Kraume, M. Experimental investigations of stirred solid/liquid systems in three different scales: particle distribution and power consumption. Chem. Eng. Sci. 61, 2864-2870 (2006).
Cherry, R., Papoutsakis, E. T. Hydrodynamic effects on cells in agitated tissue culture reactors. Bioprocess Eng. 1, 29-41 (1986).
Chalmers, J. J. Shear sensitivity of insect cells. Cytotechnology. 20, 163-171 (1996).
Ma, N., Mollet, M., Chalmers, J. J., Ozturk, S. S., Hu, W. -. S. Aeration, mixing and hydrodynamics in bioreactors. Cell Culture Technology for Pharmaceutical and Cell-Based Therapies. , 225-248 (2006).
Chisti, Y., Flickinger, M. C., Drew, S. W. Shear Sensitivity. Encyclopedia of Bioprocess Technology. , 1719-1762 (2002).
Oosterhuis, N. M. G., Kossen, N. W. F. Power input measurements in a production scale bioreactor. Biotechnol. Lett. 3, 645-650 (1981).
King, R. L., Hiller, R. A., Tatterson, G. B. Power consumption in a mixer. AIChE J. 34, 506-509 (1988).
Brown, D. E. The measurement of fermenter power input. Ind. Chem. 16, 684-688 (1997).
Bourne, J. R., Buerli, M., Regenass, W. Heat transfer and power measurements in stirred tanks using heat flow calorimetry. Chem. Eng. Sci. 36, 347-354 (1981).
Böhme, G., Stenger, M. Consistent scale-up procedure for the power consumption in agitated non-newtonian fluids. Chem. Eng. Technol. 11, 199-205 (1988).
Reséndiz, R., Martínez, A., Ascanio, G., Galindo, E. A new pneumatic bearing dynamometer for power input measurement in stirred tanks. Chem. Eng. Technol. 14, 105-108 (1991).
Distelhoff, M. F. W., Laker, J., Marquis, A. J., Nouri, J. M. The application of a strain gauge technique to the measurement of the power characteristics of five impellers. Exp. Fluids. 20, 56-58 (1995).
Ibrahim, S., Nienow, A. W. Power curves and flow patterns for a range of Impellers in Newtonian fluids: 40 < Re < 5×10^5. Chem. Eng. Res. Des. 73, 485-491 (1995).
Karcz, J., Major, M. An effect of a baffle length on the power consumption in an agitated vessel. Chem. Eng. Process. Process Intensif. 37, 249-256 (1998).
Houcine, I., Plasari, E., David, R. Effects of the stirred tank’s design on power consumption and mixing time in liquid phase. Chem. Eng. Technol. 23, 605-613 (2000).
Chen, Z. D., Chen, J. J. J., Gupta, B., Ibrahim, S. . A study of agitated gas-liquid reactors with concave blade impellers. , 43-56 (2000).
Chapple, D., Kresta, S. M., Wall, A., Afacan, A. The effect of impeller and tank geometry on power number for a pitched blade turbine. Chem. Eng. Res. Des. 80, 364-372 (2002).
Gill, N. K., Appleton, M., Baganz, F., Lye, G. J. Quantification of power consumption and oxygen transfer characteristics of a stirred miniature bioreactor for predictive fermentation scale-up. Biotechnol. Bioeng. 100, 1144-1155 (2008).
Cudak, M. Hydrodynamic characteristics of mechanically agitated air – aqueous sucrose solutions. Chem. Process Eng. 35, 97-107 (2014).
Kuboi, R., Nienow, A. W., Allsford, K. A multipurpose stirred tank facility for flow visualisation and dual impeller power measurement. Chem. Eng. Commun. 22, 29-39 (1983).
Wu, J., Zhu, Y., Pullum, L. Impeller geometry effect on velocity and solids suspension. Chem. Eng. Res. Des. 79, 989-997 (2001).
Amanullah, A., Serrano-Carreon, L., Castro, B., Galindo, E., Nienow, A. W. The influence of impeller type in pilot scale xanthan fermentations. Biotechnol. Bioeng. 57, 95-108 (1998).
Saito, F., Nienow, A. W., Chatwin, S., Moore, I. P. T. Power, gas dispersion and homogenisation Characteristics of SCABA SRGT and Rushton turbine impellers. J. Chem. Eng. Japan. 25, 281-287 (1992).
Ascanio, G., Castro, B., Galindo, E. Measurement of power consumption in stirred vessels – a review. Chem. Eng. Res. Des. 82, 1282-1290 (2004).
Vilaça, P. R., Badino, A. C., Facciotti, M. C. R., Schmidell, W. Determination of power consumption and volumetric oxygen transfer coefficient in bioreactors. Bioprocess Eng. 22, 261-265 (2000).
van Eikenhorst, G., Thomassen, Y. E., van der Pol, L. A., Bakker, W. M. Assessment of mass transfer and mixing in rigid lab-scale disposable bioreactors at low power input levels. Biotechnol. Prog. 30, 1269-1276 (2014).
Eibl, D., Peuker, T., Eibl, R., Eibl, R., Eibl, D. Single-use equipment in biopharmaceutical manufacture: A brief introduction. Single-Use Technology in Biopharmaceutical Manufacture. , 3-11 (2010).
Eibl, R., Kaiser, S., Lombriser, R., Eibl, D. Disposable bioreactors: the current state-of-the-art and recommended applications in biotechnology. Appl. Microbiol. Biotechnol. 86, 41-49 (2010).
Kaiser, S. C., Werner, S., Jossen, V., Kraume, M., Eibl, D. Development of a method for reliable power input measurements in conventional and single-use stirred bioreactors at laboratory scale. Eng. Life Sci. 17 (5), 500-511 (2016).
Nienow, A. W., Miles, D. Impeller power numbers in closed vessels. Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev. 10, 41-43 (1971).
Liepe, F., Sperling, R., Jembere, S. . Rührwerke – Theoretische Grundlagen, Auslegung und Bewertung. , (1998).
Kaiser, S. C., Werner, S., Eibl, D., Eibl, R., Eibl, D. CFD as tool to characterize single-use bioreactors. Single-Use Technology in Biopharmaceutical Manufacture. , 264-279 (2010).
Liepe, F. Verfahrenstechnische Berechnungsmethoden Teil 4: Stoffvereinigen in fluiden Phasen – Ausrüstungen und ihre Berechnung. VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie. , (1988).
Kraume, M., Zehner, P. Experience with experimental standards for measurements of various parameters in stirred tanks: a comparative test. Chem. Eng. Res. Des. 79, 811-818 (2001).
Werner, S., Greulich, J., Geipel, K., Steingroewer, J., Bley, T., Eibl, D. Mass propagation of Helianthus annuus suspension cells in orbitally shaken bioreactors: Improved growth rate in single-use bag bioreactors. Eng. Life Sci. 14, 676-684 (2014).

Play Video

PDF

DOI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite This Article

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).

Automatically Generated