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궤도 진동 생물 반응기의 유체 역학에 대한 중공 벽 효과 분석
Oct 22, 2023Scientific Reports 12권, 기사 번호: 9596(2022) 이 기사 인용
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측정항목 세부정보
OSR(Orbitally Shaking Bioreactor)은 포유류 세포 성장과 단백질 발현에 적합한 환경을 제공할 수 있기 때문에 최근 바이오의약품 산업에서 점점 더 많이 적용되고 있습니다. 유체 역학 정보는 다양한 유형의 생물반응기를 분석하거나 최적화하는 데 중요합니다. 구조가 생물반응기의 유체역학에 중요한 영향을 미친다는 점을 고려하면 전산유체역학(CFD) 접근법을 통해 구조를 설계하거나 최적화하는 것이 필요합니다. 본 연구의 목적은 이전 연구에서 제안된 중공 실린더 OSR의 벽 구조를 최적화하는 것입니다. 이전 연구를 바탕으로 OSR의 중공 벽이 유체 역학에 미치는 영향과 체적 질량 전달 계수(\(k_{L}a\))를 확립된 CFD 모델을 통해 분석했습니다. 그 결과, 중공벽의 설치 높이를 낮추면 OSR의 혼합 성능이 향상될 수 있음을 보여주었다. 30mm의 설치 높이가 혼합에 가장 유리한 것으로 나타났습니다. 시뮬레이션과 실험 간 액체파고와 액체파형을 비교하여 CFD 모델의 신뢰성을 검증하였다. 중공 실린더 OSR의 전단 응력은 포유동물 세포 배양에 온화한 것으로 입증되었습니다.
생물반응기는 포유류 세포 배양에 사용되는 중요한 장비입니다. 현재 교반 탱크 생물반응기(STR)와 궤도 진탕 생물반응기(OSR)는 실험실 또는 파일럿 규모의 포유류 세포 배양에 널리 사용되는 일반적인 유형의 생물반응기입니다1,2,3. 최근 몇 년 동안 OSR은 간단한 교반 원리, 저렴한 비용, 간단한 작동 및 일회용 실험에 대한 적합성으로 인해 점점 인기를 얻고 있습니다4,5. 또한 OSR의 궤도 흔들림 동작은 침전을 방지하고 가스 교환을 향상시켜 STR6에 비해 손상을 줄 수 있는 높은 전단 속도를 피할 수 있습니다. 중요한 일회용 생물반응기로서 OSR의 혼합 성능을 향상시키는 것이 필요합니다. 연구에 따르면 다양한 OSR 구조는 혼합 성능에 다양한 영향을 미치는 것으로 나타났습니다7,8. 예를 들어, 벽에 수직 배플을 도입하는 것은 난류 특성과 혼합 성능을 향상시키는 효과적인 방법입니다9. 나선형 트랙은 현탁 배양10에서 생존 세포 밀도를 높이는 데 유효한 것으로 입증되었습니다. 바닥 벽에 아치형 "범프"가 제안되었으며 결과는 물질 전달 속도가 크게 향상되었으며 바닥 벽 중앙 근처의 세포 축적을 피할 수 있음을 보여주었습니다. 이는 생존 가능한 세포가 높은 현탁 배양에 바람직합니다. 밀도11.
전산유체역학(CFD) 시뮬레이션은 신뢰할 수 있는 수치해석 기술입니다12,13. 전통적인 실험 기법에 비해 CFD 시뮬레이션은 자본과 노동력을 절약하고 다양한 상황에서 사용할 수 있습니다14,15. CFD 시뮬레이션은 생물반응기 유체 역학에 대한 더 깊은 이해를 제공하고 모델 수를 줄일 수 있다는 점을 고려할 때 STR 및 OSR16,17,18과 같은 생물반응기를 분석하는 데 유용한 도구로 간주되었습니다.
이전 연구19에서 우리는 속이 빈 원통형 벽을 가진 새로운 유형의 OSR을 제안했습니다. 이러한 종류의 OSR의 경우 외부 실린더 직경과 실린더 간 직경의 비율이 핵심 구조 매개변수입니다. 해당 프로토타입 연구에서는 d\(_{i}\)/d 값이 최적화되었으며 0.4라는 적절한 값이 제안되었습니다18. 그러나 일부 특정 영역에서는 물질 전달 능력이 여전히 낮았으며 이는 중공 원통형 벽의 구조가 더욱 최적화될 수 있음을 강력하게 나타냅니다. 따라서 본 연구의 목적은 계속해서 속이 빈 원통형 벽을 갖는 OSR에 초점을 맞추고 중공 구조물의 설치 높이가 혼합 성능, 체적 물질 전달 계수(\(k_{L}a\))에 미치는 영향을 분석하는 것입니다. ) 및 CFD 방법에 의한 OSR의 전단 응력.
Three vortices could be observed from the vertical section (A\(_{1}\)-A\(_{1}\)) in Fig. 4. The bulk fluid would be driven from the bottom of the bioreactor to the top along those vortices. A vortex was located on the left side of the vertical section and was in an underdeveloped state. This might be because the amount of fluid was not sufficient on this side. There is another subtle reason for this phenomenon, which was that the wave front was located at the left side with the maximum fluid velocity to transfer the mixing energy to other fluid particles. Therefore, it is reasonable that only a limited amount of fluid particles can follow the wave front closely, which causes the fluid volume to be smaller near the wave front. Two vortices were located at the wave crest side (right side). The larger one could drive fluid flowing along a larger circle (bottom to top) and was crucial for global fluid mixing in OSRs. For the smaller vortex, it could increase the mixing intensity at the corner of the bioreactor where mixing is not good and even the "velocity dead zone" occurs easily. Therefore, the existence of a smaller vortex was favourable for increasing the local mixing efficiency, which might explain why the velocity at the side corner of the wave trough is lower than that at the side corner of the wave crest. It can be observed that the maximum velocity is near the wall of the hollow OSRs, and the fluid near the vessel wall has a high velocity because of the high Froude numbers (\(F_{r}=V^{2}/\left( gl_{0} \right) \), where V represents fluid velocity, g represents gravity acceleration, and \(l_{0}\) represents characteristic length)24. The Froude number is the key dimensionless driving parameter, which represents the driving capability3.0.CO;2-J (2000)." href="/articles/s41598-022-13441-5#ref-CR25" id="ref-link-section-d83937097e4967"25. The maximum velocity was located on the wall side of the wave trough rather than the wave crest side. The mass transfer between the right and left vortices was also observed by the moving fluid in the middle of the bioreactor bottom. As Fig. 4A\(_{1}\)–A\(_{1}\) shows, the percentage of fluid volume with different range velocities and fluid moving orientations are important for the energy exchange process./p> Buchs, J., Maier, U., Milbradt, C. & Zoels, B. Power consumption in shaking flasks on rotary shaking machines: I. Power consumption measurement in unbaffled flasks at low liquid viscosity. Biotechnol. Bioeng. 68, 589–593. 3.0.CO;2-J"https://doi.org/10.1002/(SICI)1097-0290(20000620)68:6<589::AID-BIT1>3.0.CO;2-J (2000)./p> 3.0.CO;2-J" data-track-action="article reference" href="https://doi.org/10.1002%2F%28SICI%291097-0290%2820000620%2968%3A6%3C589%3A%3AAID-BIT1%3E3.0.CO%3B2-J" aria-label="Article reference 25" data-doi="10.1002/(SICI)1097-0290(20000620)68:63.0.CO;2-J"Article CAS PubMed Google Scholar /p>