Анализ влияния полых стенок на динамику жидкости в биореакторах с орбитальным встряхиванием

Oct 22, 2023

Том 12 научных докладов, номер статьи: 9596 (2022 г.) Цитировать эту статью

1024 доступа

Подробности о метриках

Биореакторы с орбитальным встряхиванием (OSR) в последнее время все чаще применяются в биофармацевтической промышленности, поскольку они могут обеспечить подходящую среду для роста клеток млекопитающих и экспрессии белков. Информация о гидродинамике имеет решающее значение для анализа или оптимизации различных типов биореакторов. Учитывая, что структура оказывает важное влияние на динамику жидкости в биореакторе, необходимо спроектировать или оптимизировать ее структуру с помощью подхода вычислительной гидродинамики (CFD). Целью данного исследования является оптимизация конструкции стенки полого цилиндра OSR, предложенной в нашей предыдущей работе. На основе предыдущих исследований влияние полой стенки ОСР на гидродинамику и объемный коэффициент массопередачи (\(k_{L}a\)) было проанализировано с помощью установленной CFD-модели. Результаты показали, что эффективность смешивания OSR можно улучшить за счет уменьшения высоты установки полой стены. Наиболее благоприятной для перемешивания оказалась высота установки 30 мм. Надежность модели CFD была проверена путем сравнения высоты волны жидкости и формы волны жидкости при моделировании и эксперименте. Напряжение сдвига в OSR с полым цилиндром оказалось щадящим при культивировании клеток млекопитающих.

Биореакторы — это важнейшее оборудование, используемое для культивирования клеток млекопитающих. В настоящее время биореакторы с мешалкой (STR) и биореакторы с орбитальным встряхиванием (OSR) являются распространенными типами биореакторов, широко используемых как в лабораторных, так и в пилотных масштабах культивирования клеток млекопитающих1,2,3. В последние годы OSR становятся все более популярными благодаря простому принципу перемешивания, низкой стоимости, простоте эксплуатации и пригодности для одноразовых экспериментов4,5. Более того, орбитальное встряхивающее движение OSR может предотвратить седиментацию и улучшить газообмен, избегая разрушительно высоких скоростей сдвига по сравнению с STR6. Поскольку OSR является важным одноразовым биореактором, необходимо улучшить эффективность смешивания. Исследования показали, что разные структуры OSR по-разному влияют на производительность смешивания7,8. Например, установка вертикальной перегородки на стене является эффективным способом улучшить характеристики турбулентности и производительность смешивания9. Было доказано, что спиральная дорожка позволяет увеличить плотность жизнеспособных клеток при культивировании в суспензии10. На нижней стенке был предложен сводчатый «выпуклость», и результат показал, что скорость массопереноса значительно увеличилась и можно избежать накопления клеток вблизи центра нижней стенки, что предпочтительно для суспензионного культивирования с высокой жизнеспособностью клеток. плотность11.

Вычислительное гидродинамическое моделирование (CFD) является надежной технологией численного анализа12,13. По сравнению с традиционными экспериментальными методами моделирование CFD может сэкономить капитал и рабочую силу и использоваться во многих различных ситуациях14,15. Учитывая, что CFD-моделирование может обеспечить более глубокое понимание гидродинамики биореактора и сократить количество моделей, оно рассматривается как ценный инструмент для анализа биореакторов, таких как STR и OSR16,17,18.

В предыдущем исследовании19 мы предложили новый тип ЛРН с полой цилиндрической стенкой. Для такого типа ЛРН ключевым конструктивным параметром является соотношение наружного диаметра цилиндра к межцилиндровому диаметру. В этом прототипном исследовании значение d\(_{i}\)/d было оптимизировано и было предложено подходящее значение 0,418. Однако в некоторых конкретных областях способность массообмена все еще была низкой, что убедительно свидетельствует о том, что структура полой цилиндрической стенки может быть дополнительно оптимизирована. Таким образом, целью данного исследования является продолжение рассмотрения ЛРН с полой цилиндрической стенкой и анализ влияния высоты установки полой конструкции на производительность перемешивания, объемный коэффициент массоотдачи (\(k_{L}a\) ) и касательное напряжение в ЛРН методом CFD.