Analyse des Hohlwandeffekts auf die Fluiddynamik in orbital geschüttelten Bioreaktoren

Oct 22, 2023

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 9596 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Orbital schüttelnde Bioreaktoren (OSRs) werden in letzter Zeit zunehmend in der biopharmazeutischen Industrie eingesetzt, da sie eine geeignete Umgebung für das Zellwachstum und die Proteinexpression von Säugetieren bieten können. Informationen zur Fluiddynamik sind für die Analyse oder Optimierung verschiedener Arten von Bioreaktoren von entscheidender Bedeutung. Da die Struktur einen wichtigen Einfluss auf die Fluiddynamik in einem Bioreaktor hat, ist es notwendig, seine Struktur mithilfe des Computational Fluid Dynamics (CFD)-Ansatzes zu entwerfen oder zu optimieren. Das Ziel dieser Studie ist die Optimierung der Wandstruktur eines Hohlzylinder-OSR, der in unserer vorherigen Arbeit vorgeschlagen wurde. Basierend auf früheren Untersuchungen wurden die Einflüsse der Hohlwand des OSR auf die Fluiddynamik und den volumetrischen Stoffübergangskoeffizienten (\(k_{L}a\)) mit dem etablierten CFD-Modell analysiert. Die Ergebnisse zeigten, dass die Mischleistung von OSR durch eine Verringerung der Einbauhöhe der Hohlwand verbessert werden konnte. Für die Durchmischung erwies sich eine Einbauhöhe von 30 mm als am günstigsten. Die Zuverlässigkeit des CFD-Modells wurde durch den Vergleich der Flüssigkeitswellenhöhe und Flüssigkeitswellenform zwischen Simulation und Experiment überprüft. Die Scherspannung im Hohlzylinder-OSR erwies sich als schonend für die Kultivierung von Säugetierzellen.

Bioreaktoren sind wichtige Geräte für die Zellkultur von Säugetieren. Derzeit sind Rührkessel-Bioreaktoren (STRs) und orbital geschüttelte Bioreaktoren (OSRs) gängige Arten von Bioreaktoren, die häufig in der Zellkultivierung von Säugetieren im Labor- oder Pilotmaßstab eingesetzt werden1,2,3. In den letzten Jahren erfreuen sich OSRs aufgrund ihres einfachen Rührprinzips, ihrer geringen Kosten, ihrer einfachen Bedienung und ihrer Eignung für Einwegexperimente immer größerer Beliebtheit4,5. Darüber hinaus könnte die orbitale Schüttelbewegung von OSRs die Sedimentation verhindern und den Gasaustausch verbessern, wodurch die schädlich hohen Scherraten im Vergleich zu STRs vermieden werden6. Als wichtiger Einweg-Bioreaktor ist eine Verbesserung der Mischleistung von OSRs erforderlich. Untersuchungen haben gezeigt, dass unterschiedliche Strukturen von OSRs unterschiedliche Auswirkungen auf die Mischleistung haben7,8. Beispielsweise ist die Anbringung einer vertikalen Leitwand an einer Wand eine wirksame Möglichkeit, die Turbulenzeigenschaften und die Mischleistung zu verbessern9. Eine spiralförmige Spur hat sich als wirksam erwiesen, um die Dichte lebensfähiger Zellen bei der Suspensionskultivierung zu erhöhen10. An der Bodenwand wurde eine gewölbte „Beule“ vorgeschlagen, und das Ergebnis zeigte, dass die Massentransferrate deutlich erhöht wurde und dass eine Zellansammlung in der Nähe der Mitte der Bodenwand vermieden werden konnte, was für die Suspensionskultivierung mit einer hochlebensfähigen Zelle vorzuziehen ist Dichte11.

Die Computational Fluid Dynamics (CFD)-Simulation ist eine zuverlässige numerische Analysetechnologie12,13. Im Vergleich zu herkömmlichen experimentellen Techniken kann die CFD-Simulation Kapital und Arbeit einsparen und in vielen verschiedenen Situationen eingesetzt werden14,15. Da sie ein tieferes Verständnis der Fluiddynamik von Bioreaktoren ermöglichen und die Anzahl der Modelle reduzieren kann, gilt die CFD-Simulation als wertvolles Werkzeug zur Analyse von Bioreaktoren wie STRs und OSRs16,17,18.

In einer früheren Studie19 haben wir einen neuen OSR-Typ mit einer hohlzylindrischen Wand vorgeschlagen. Bei dieser Art von OSR ist das Verhältnis des Zylinderaußendurchmessers zum Zylinderzwischendurchmesser der entscheidende Strukturparameter. In dieser Prototypstudie wurde der Wert d\(_{i}\)/d optimiert und ein geeigneter Wert von 0,4 vorgeschlagen18. Allerdings war die Stoffübertragungsfähigkeit in einigen spezifischen Bereichen immer noch gering, was stark darauf hindeutet, dass die Struktur der hohlzylindrischen Wand weiter optimiert werden könnte. Ziel dieser Studie ist es daher, sich weiterhin auf das OSR mit hohlzylindrischer Wand zu konzentrieren und den Einfluss der Einbauhöhe der Hohlstruktur auf die Mischleistung und den volumetrischen Stoffübergangskoeffizienten (\(k_{L}a\) zu analysieren. ) und Schubspannung im OSR durch die CFD-Methode.

Das OSR mit hohlzylindrischer Wandung wurde auf einem ES-X-Schüttler (Kühner AG, Biersfelden, Schweiz) mit einem Schütteldurchmesser von 50 mm orbital geschüttelt. In dieser Studie betrug das Gesamtvolumen der hohlzylindrischen OSRs etwa 24 l, die Höhe des Gefäßes betrug 0,35 m, der Außendurchmesser (d) betrug 0,3 m und der Innendurchmesser (d\(_{i}\) ) betrug 0,12 m. Alle Experimente und Simulationen in dieser Arbeit wurden unter den Bedingungen eines Füllvolumens von 8 l und einer Schüttelgeschwindigkeit von 100 U/min durchgeführt. Die Einbauhöhe der Zwischenzylinderwand vom Boden wurde durch h\(_{\mathrm {L}}\) dargestellt (siehe Abb. 1).

Die Geometrie (A) und Netzstruktur (B) des hohlen OSR mit d\(_{i}\)/d von 0,4. Diese Geometrie hatte mehrere wichtige geometrische Parameter: d war der Durchmesser der äußeren Zylinderwand, d\(_{i}\) war der Durchmesser der inneren Zylinderwand und h\(_{\mathrm {L}}\) war die Einbauhöhe des Innenzylinders von unten. Das geometrische Volumen betrug etwa 24 L und das maximale Arbeitsvolumen etwa 10 L. Die Maschenzahl betrug \(\mathrm{3,4\times 10^{6}}\) für das hohle OSR.

Die sich bewegende Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche wurde von einer Kamera eines Apple-Mobiltelefons (iPhone 12, Apple Inc., Kalifornien, USA) in einem Zeitlupenmodell mit 240 fps erfasst. Das Telefon wurde auf der Schüttelplattform befestigt, um es mit den hohlen OSRs relativ stationär zu halten. Um die Flüssigkeit klarer zu sehen, wurde vor der Durchführung des Einfangexperiments eine bestimmte Menge Methylrot (1 M/L) und Salzsäure (1 M/L) hinzugefügt.

Reynolds-Gleichungen zur Erhaltung der mittleren Masse und des Impulses werden zur Steuerung des Flüssigkeitsflusses verwendet (Gleichungen (1), (2) und (3)):

Dabei bezieht sich \(\rho \) auf die Dichte des Fluids (\(\mathrm {kg \, m^{-3}}\)), p auf den Druck (Pa), \(\tau \). auf die Scherspannung (Pa), \(\rho \vec {g}\) und \(\vec {F}\) beziehen sich auf die Schwerkraft bzw. die äußere Kraft, und V stellt den linearen Geschwindigkeitsvektor dar.

Die Schubspannung kann aus Gl. (4):

wobei \(\tau _{xy} \), \(\tau _{yz}\), \(\tau _{xz}\) die drei Richtungen der Scherspannung darstellen.

Die drei Scherkomponenten werden wie folgt bestimmt (Gl. (5), (6) und (7)):

wobei \(\mu \) die dynamische Viskosität ist.

Der volumetrische Stoffübergangskoeffizient (\(k_{L}a\)) ist entscheidend für den Bioreaktor, der den Schlüsselparameter der Sauerstoffübertragungsrate analysiert. Der berechnete Wert von \(k_{L}a\) wurde durch Simulation des Stoffübergangskoeffizienten ( \(k_{L}\)) bzw. der spezifischen Grenzflächenfläche (a) erhalten.

Die spezifische Grenzflächenfläche (a) kann aus Gl. (8):

Dabei ist A die Grenzflächenfläche (m2), die mit dem Volumenfraktionsmodell (VOF) ermittelt werden könnte (siehe Tabelle 1), und \(V_{L}\) ist das Füllvolumen (L).

Der Stoffübergangskoeffizient (\(k_{L}\)) kann aus Gl. (9):

wobei \(K=\) 0,4 die Modellkonstante ist, \(D_{L}\) der Diffusionskoeffizient von Sauerstoff im Wasser \(\left( \mathrm {m^{2} \, h^{-1 }}\right) \), \(\varepsilon \) ist die Energiedissipationsrate \(\left( \mathrm {m^{2} \, s^{-1}}\right) \) und \(\ upsilon \) ist die kinematische Viskosität von Wasser \(\left( \mathrm {m^{2} \, s^{-1}}\right) \).

Die orbitale Schüttelbewegung induziert auf natürliche Weise eine homogene, rotierende Zentrifugalkraft auf die Flüssigkeit20. Diese Zentrifugalkraft wird berücksichtigt, indem der Quellterm zu den Navier-Stokes-Gleichungen im CFD-Modell hinzugefügt wird. Die Zentrifugalkräfte in Gl. (10) und (11) lauten wie folgt:

wobei \(F_{x}\) und \(F_{y}\) die Zentrifugalkraft \(\left( \mathrm {m \, s^{-2}} \right) \) in x und y darstellen Richtungen bzw. \(R_{s}\) repräsentiert den Schüttelradius (m) und \(\omega \) repräsentiert die Winkelgeschwindigkeit des Schüttelns \(\left( \mathrm {rad \, s^{-1}} \right ) \).

Alle Simulationen in diesem Artikel wurden in ANSYS FLUENT 16.0 (ANSYS Inc., Canonsburg, PA, USA) durchgeführt. In dieser Arbeit wurde das Volumen-of-Fluid-Modell (VOF) verwendet, um die Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche zu ermitteln. Das VOF-Modell wurde verwendet, um die sich bewegende Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche zu verfolgen21. Das \(\mathrm {k-\omega -SST}\)-Turbulenzmodell wurde verwendet, um die maßgeblichen Gleichungen der Fluidbewegung einzuschließen22. Alle Randbedingungen wurden an der Wand festgelegt. Zur Lösung der Geschwindigkeit und des Drucks wurde der PISO-Algorithmus verwendet. Die Zeitschrittgröße betrug 0,0001 Sekunden. Die maximale Courantzahl betrug 0,25. Das Gitter für dieses hohle OSR wurde mit Gambit 2.4.6 (ANSYS Inc., Canonsburg, PA, USA) generiert.

Um den Einfluss der Maschenzahl auf das simulierte Ergebnis zu testen, wurden vier verschiedene Maschenzahlen von \(\mathrm {2,2\times 10^{6}}\), \(\mathrm {3,4\times 10^{6}}\ ), \(\mathrm {5.1\times 10^{6}}\) und \(\mathrm {7.0\times 10^{6}}\) wurden verwendet, um die Flüssigkeitshöhe für das hohle OSR mit einem h\ zu berechnen (\mathrm{_{L}}\) von 0 mm. Wie die Ergebnisse zeigen (Abb. 2), würde sich die Flüssigkeitshöhenkurve fast nicht ändern, wenn die Maschenzahl \(\mathrm {3,4\times 10^{6}}\) übersteigt, was darauf hindeutet, dass diese Maschenzahl (\(\ mathrm {3,4\times 10^{6}}\)) war bereits ausreichend, um stabile und vertrauenswürdige Simulationsergebnisse zu erhalten. Daher wurde für alle Simulationen in diesem Artikel eine Maschenzahl von \(\mathrm {3,4\times 10^{6}}\) verwendet.

Die hohlen OSRs des h\(_{\mathrm {L}}\) = 0 mm mit einem Füllvolumen von 8 L und einer Schüttelgeschwindigkeit von 100 U/min wurden simuliert. Die Simulation des hohlen OSR verwendete die Maschenzahlen von \(\mathrm {2,2\times 10^{6}}\), \(\mathrm {3,4\times 10^{6}}\), \(\mathrm { 5.1\times 10^{6}}\) und \(\mathrm {7.0\times 10^{6}}\), um die Unabhängigkeit der Maschenzahlen zu überprüfen. Um das Schütteln der Flüssigkeitshöhe über die Zeit zu erhalten, wurde die Flüssigkeitshöhe während des Simulationsprozesses automatisch alle 30 Zeitschritte (0,0001 s) gespeichert. Die Höhe der Flüssigkeit an der Grenzfläche wurde am Schnittpunkt mit der festen vertikalen Linie an der Gefäßwand gemessen.

Um das etablierte CFD-Modell zu validieren, wurde die berechnete Flüssigkeitswellenhöhe mit den gemessenen Werten durch ein Wellenerfassungsexperiment verglichen. Wie in Abb. 3 dargestellt, waren die simulierten und gemessenen Flüssigkeitswellenformen ähnlich. Allerdings erwies sich die simulierte Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche als glatter als die experimentelle Beobachtung. Dieser Nachteil könnte durch die Verwendung einer Turbulenz höherer Ordnung verringert werden, jedoch mit dem Nachteil einer längeren Simulationszeit. Durch den Vergleich der Kurven der Flüssigkeitswelle in den simulierten und gemessenen Ergebnissen wurde festgestellt, dass der Wellenhöhenunterschied weniger als 15\(\%\) betrug, was darauf hinweist, dass das etablierte CFD-Modell für die Analyse der Fluiddynamik geeignet war OSRs mit Hohlstrukturen.

Der Flüssigkeitsstand von Simulation und Experiment wurde verglichen. Die Simulations- und Versuchsergebnisse des hohlen OSR mit einem Füllvolumen von 8 L und einer Schüttelgeschwindigkeit von 100 U/min unter h\(_{\mathrm {L}}\) = 0 mm wurden verglichen. Um die Flüssigkeit klarer zu sehen, wurde vor der Durchführung des Einfangversuchs eine bestimmte Menge Methylrot und Salzsäure hinzugefügt. Die durchgezogene schwarze Linie und der grüne Punkt stellen die durch Simulation bzw. Experiment gemessene Flüssigkeitswellenhöhe dar. Der Kreiswinkel (\(\alpha \)) repräsentiert den Winkel der Wand des hohlen OSR im Zylinderkoordinatensystem.

Die Flüssigkeitsgeschwindigkeit ist die grundlegende Information für das Strömungsfeld eines Bioreaktors und bestimmt, ob andere abgeleitete Flüssigkeitsparameter, die für die Zellkultivierung relevant sind, korrekt sind. Um die Eigenschaften dieses Bioreaktortyps allgemein zu verstehen, ist die Fluidgeschwindigkeitsverteilung des zylindrischen OSR mit einer inneren Hohlwand für die Einbauhöhe von 30 mm (h\(_{\mathrm {L}}\) = 30 mm). Wie in Abb. 4 dargestellt. Die maximale Flüssigkeitsgeschwindigkeit betrug ungefähr 1,6 \(\mathrm {m \, s^{-1}}\) an der Wellenfront nahe der Gefäßwand, was etwas höher als ihr theoretisches Maximum war Wert von 1,57 \(\mathrm {m \, s^{-1}}\) aus Gl. (12)2, die durch lokale Turbulenzen verursacht werden können23.

wobei \(V_{max}\) die theoretische maximale Flüssigkeitsgeschwindigkeit darstellt, r den Radius der hohlzylindrischen OSRs darstellt und N die Schüttelgeschwindigkeit darstellt.

Die Geschwindigkeitsverteilung des Strömungsfeldes an verschiedenen Abschnitten des hohlzylindrischen OSR mit h\(_{\mathrm {L}}\) = 30 mm. Die Fluidgeschwindigkeitsvektoren wurden in einer vertikalen Grenzfläche (A\(_{1}\)-A\(_{1}\)) und drei verschiedenen horizontalen Abschnitten (B\(_{1}\)-B\( _{1}\), B\(_{2}\)-B\(_{2}\) bzw. B\(_{3}\)-B\(_{3}\)). Die Lage des Vertikalschnitts war eine Symmetrieebene des Hohlzylinders. Die Höhen der drei horizontalen Abschnitte betrugen 121 mm, 0,5h\(_{\mathrm {L}}\) (15 mm) bzw. 10 mm. Der Farbbalken rechts zeigte die Größe der Flüssigkeitsgeschwindigkeit.

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. Die maximale Geschwindigkeit lag auf der Wandseite des Wellentals und nicht auf der Wellenbergseite. Der Stoffaustausch zwischen den rechten und linken Wirbeln wurde auch durch die sich bewegende Flüssigkeit in der Mitte des Bioreaktorbodens beobachtet. Wie Abb. 4A\(_{1}\)–A\(_{1}\) zeigt, ist der Prozentsatz des Flüssigkeitsvolumens mit unterschiedlichen Geschwindigkeitsbereichen und Bewegungsrichtungen der Flüssigkeit wichtig für den Energieaustauschprozess.

Um die Mischungseigenschaften in horizontalen Ebenen zu analysieren, wurden die Fluidgeschwindigkeitsverteilungen auf drei verschiedenen horizontalen Ebenen mit unterschiedlichen Höhen berechnet. Wie in Abb. 4B\(_{1}\)-B\(_{1}\), B\(_{2}\)-B\(_{2}\) und B\(_{ 3}\)-B\(_{3}\), gab es nur einen großen Wirbel auf der horizontalen Ebene, und das Wirbelzentrum war fast identisch mit dem Ebenenzentrum. Die hohe Flüssigkeitsgeschwindigkeit wurde aufgrund von gefunden Die hohe Wandgeschwindigkeit und die niedrige Flüssigkeitsgeschwindigkeit befanden sich im Wirbelzentrum. Es ist zu beachten, dass die maximale Flüssigkeitsgeschwindigkeit, wie bereits erwähnt, auch an der Wellenfront auftrat.

Um den Einfluss der hohlen Gefäßwand auf die Fluiddynamik von OSRs zu analysieren, wurden Simulationen an mehreren zylindrischen hohlen OSRs mit unterschiedlichen Einbauhöhen mit einer Schüttelgeschwindigkeit von 100 U/min und einem Füllvolumen von 8 l durchgeführt. Im Detail wurde die hohle Gefäßwand bei installiert verschiedene Positionen mit h\(_{\mathrm {L}}\) = 0 mm (Abb. 5A), h\(_{\mathrm {L}}\) = 30 mm (Abb. 5B), h\( _{\mathrm {L}}\) = 60 mm (Abb. 5C), h\(_{\mathrm {L}}\) = 90 mm (Abb. 5D) und h\(_{\mathrm { L}}\) = 120 mm (Abb. 5E) vom Gefäßboden entfernt.

Die Flüssigkeitsgeschwindigkeitsverteilung im Vertikalschnitt von Hohlzylinder-OSRs mit unterschiedlichen Einbauhöhen. Die Lage des Vertikalschnitts war eine Symmetrieebene des Hohlzylinders. Der Farbbalken rechts zeigte die Größe der Flüssigkeitsgeschwindigkeit.

In Abb. 5 ist zu erkennen, dass in jedem vertikalen Abschnitt drei Wirbel vorhanden sind. Ebenso liegt auf der Seite des Wellentals (der linken Seite des Vertikalschnitts) ein Wirbel, der sich noch nicht vollständig gebildet hat. Die anderen beiden Wirbel befanden sich auf der Wellenkammseite (der rechten Seite des Vertikalschnitts). Die maximale Geschwindigkeit kann jeweils an der Trogwand beobachtet werden. Für alle Maximalgeschwindigkeiten wurde am Hohl-OSR mit h\(_{\mathrm {L}}\) = 30 mm der Maximalwert von 0,26 m/s gefunden. Tatsächlich war die Größe der Massenflüssigkeitsgeschwindigkeit im hohlen OSR mit h\(_{\mathrm {L}}\) = 30 mm (Abb. 5B) auch höher als in anderen Fällen. Bei der Einbauhöhe h\(_{\mathrm {L}}\) = 120 mm (Abb. 5E) schien sich das Strömungsfeld im Vergleich zum OSR ohne Hohlwandstruktur nicht zu verändern. Der Grund könnte darin liegen, dass nur ein kleiner Teil des Hohlzylinders mit h\(_{\mathrm {L}}\) = 120 mm mit der sich bewegenden Flüssigkeit im OSR in Kontakt kam, was darauf hindeutet, dass die Hohlstruktur nahezu keinen Einfluss hat an flüssiger Bewegung mit einer Schüttelgeschwindigkeit von 100 U/min und einem Füllvolumen von 8 l. Mit abnehmendem h\(_{\mathrm {L}}\) vergrößerte sich die Kontaktfläche zwischen der Hohlstruktur und der sich bewegenden Flüssigkeit und das Flüssigkeitsfeld begann sich zu verändern. Als h\(_{\mathrm {L}}\) von 120 mm (Abb. 5E) auf 60 mm (Abb. 5C) abnahm, nahm die Flüssigkeitsgeschwindigkeit in der vertikalen Mitte allmählich ab, was durch die Unterdrückung des Hohlbodens verursacht wurde die flüssige Bewegung. Diese Art von Widerstandseffekt könnte den Energieaustauschprozess vom linken Wirbel zum rechten Wirbel hemmen und war für den Massenstofftransport ungünstig. Als jedoch h\(_{\mathrm {L}}\) von 60 mm (Abb. 5C) auf 30 mm (Abb. 5B) abnahm, nahm die Flüssigkeitsgeschwindigkeit im Mittelteil des Bioreaktors plötzlich zu und der Bereich funktionierte wie ein „Stoffaustauschrohr“ mit hoher Geschwindigkeit, was für eine gleichmäßige Durchmischung im OSR hilfreich war. Als jedoch der Wert von h\(_{\mathrm {L}}\) auf Null abfiel, wurde der Massenaustausch zwischen diesen Wirbeln auf beiden Seiten vollständig unterbrochen, und in der Nähe des Hohlbodens trat ein Bereich mit ziemlich niedriger Flüssigkeitsgeschwindigkeit auf. was wahrscheinlich bedeutete, dass die Nährstoffversorgung in der Region leicht unzureichend sein würde. Für die Wirbel auf beiden Seiten nahm die Größe der Fluidgeschwindigkeit stetig zu, während h\(_{\mathrm {L}}\) von h\(_{\mathrm {L}}\) = 120 mm auf h abnahm \(_{\mathrm {L}}\) = 30 mm, was dadurch verursacht werden könnte, dass die Hohlstruktur abnimmt und mehr Flüssigkeit in einen Zustand hoher Geschwindigkeit drückt. Der Austausch zwischen diesen Wirbeln wurde jedoch vollständig unterbrochen, als der Wert von h\(_{\mathrm {L}}\) auf Null sank, was die niedrige Fluidgeschwindigkeit in der Nähe der Hohlstruktur verursachte. Abb. 6 zeigt, dass die Flüssigkeitsgeschwindigkeitsverteilungen ähnlich waren. In jedem Abschnitt gab es einen großen radialen Wirbel, und die maximale Geschwindigkeit lag an der Wand, die niedrige Flüssigkeitsgeschwindigkeit trat jedoch im mittleren Bereich in der Nähe des Wirbelzentrums auf.

Die Fluidgeschwindigkeitsverteilung in einer festen horizontalen Ebene von Hohlzylinder-OSRs mit unterschiedlichen Einbauhöhen. Die Höhe zwischen der festen horizontalen Ebene und der Bodenwand von Hohlzylinder-OSRs betrug 10 mm. Der Farbbalken rechts zeigte die Größe der Flüssigkeitsgeschwindigkeit.

Der volumetrische Stoffübergangskoeffizient (\(k_{L}a\)) ist ein entscheidender Parameter für die Zellkultivierung mit einer hohen Dichte lebensfähiger Zellen. Um die \(k_{L}\) im Bioreaktor bei unterschiedlichen Einbauhöhen zu vergleichen, wurden der Stoffübergangskoeffizient (\(k_{L}\)) und die spezifische Grenzflächenfläche (a) bei unterschiedlichen Einbauhöhen simuliert. Wie in Abb. 7 dargestellt, waren die Werte von \(k_{L}\) für alle untersuchten Fälle nahezu konstant. Unter den Zellkulturbedingungen mit konstanter Temperatur (37) hängt \(k_{L}\) nur von der turbulenten Dissipationsrate (\(\varepsilon \)) ab. Obwohl unterschiedliche Einbauhöhen unterschiedliche Auswirkungen auf das Strömungsfeld hatten, änderte sich der Wert von \(\varepsilon \) bei einer festen Schüttelgeschwindigkeit geringfügig (siehe Tabelle 1). Daher änderten sich die Werte von \(k_{L}\) bei unterschiedlichen Einbauhöhen nahezu nicht.

Die Werte der Flüssigkeitshöhe (\(\Delta h\)) wurden wie in Tabelle 1 gezeigt berechnet. Die Werte von \(\Delta h\) blieben nahezu konstant bei etwa 140 mm, was etwas höher war als beim OSR ohne Hohlraum Dies legt nahe, dass die Flüssigkeitshöhe hauptsächlich von der Schüttelgeschwindigkeit abhängt. Daraus konnte geschlossen werden, dass die Hohlwand einen begrenzten Einfluss auf die Flüssigkeitshöhe und sogar auf die Steigung der Wellenform hatte. Aufgrund des konstanten Werts des Füllvolumens hängt der Wert der spezifischen Grenzflächenfläche nur von der Grenzflächenfläche ab. Die Werte von A blieben für alle verwendeten Installationshöhen nahezu konstant bei etwa 0,07 \(\mathrm {m^{2}}\) (siehe Tabelle 1), was wahrscheinlich darauf zurückzuführen ist, dass die Froude-Zahl bei der festen Erschütterung gleich war Drehzahl von 100 U/min. Im Detail gab es kaum Unterschiede in A bei unterschiedlichen Installationshöhen, und der Grund dafür könnte darin liegen, dass die Wechselwirkung zwischen der Hohlwand und der Flüssigkeitswelle zu einem gewissen Verlust an Grenzflächenfläche führte. Wie in Abb. 7 gezeigt, schwankten die Werte von \(k_{L}a\) und a nicht stark. Im Detail zeigten die Werte von \(k_{L}a\) und a bei verschiedenen Installationshöhen einen konsistenten Änderungstrend. Wenn der Wert von h\(_{\mathrm {L}}\) von h\(_{\mathrm {L}}\) = 0 mm auf h\(_{\mathrm {L}}\) ansteigt = 30 mm, die Größen von \(k_{L}a\) und a nahmen leicht ab. Allerdings nahmen die Beträge von \(k_{L}a\) und a stetig zu, während h\(_{\mathrm {L}}\) von h\(_{\mathrm {L}}\) = 30 zunahm mm zu h\(_{\mathrm {L}}\) = 120 mm.

Die Auswirkung unterschiedlicher Einbauhöhen auf \(k_{L}a\), A und \(k_{L}a\) in den OSRs bei einem Füllvolumen von 8 L und einer Schüttelgeschwindigkeit von 100 U/min. Die Werte von \(k_{L}\) und a wurden in den hohlen OSRs mit unterschiedlichen Einbauhöhen wie angegeben separat berechnet. Der Wert von \(k_{L}a\) wurde basierend auf dem Ergebnis von \(k_{L}\) und a bestimmt. Der Kreis (\(\bigcirc \) ) repräsentiert den Wert von \(k_{L}a\), das Dreieck (\(\triangle \)) repräsentiert den Wert von a und das Quadrat (\(\square \) ) bezeichnet den Wert von \(k_{L}\).

Zellschäden sind ein sehr wichtiges Problem in Bioreaktoren, aber normalerweise schwer zu analysieren26,27,28,29. In einer flüssigen Umgebung mit hohen Scherspannungswerten kommt es leicht zu Zellschäden30. Es wurde berichtet, dass eine Scherspannung von 0,4 Pa ein kritischer Wert dafür war, dass CHO-Zellen einer Scherkraft ausgesetzt sind31. Um die hydrodynamische Spannungsumgebung in den hohlzylindrischen OSRs zu bewerten, wurde die Scherspannungsverteilung bei einem Füllvolumen von 8 L und einer Schüttelgeschwindigkeit von 100 U/min für den Fall mit h\(_{\mathrm {L}}\) = 30 berechnet mm (Abb. 8). Der Grund, warum der Fall mit einem hL von 30 mm gewählt wurde, war, dass die Geschwindigkeit der Flüssigkeit höher war und der Mischprozess intensiver war, wie oben analysiert. Durch Beobachtung der beiden horizontalen Abschnitte A\(_{1}\)-A\(_{1}\) und A\(_{2}\)-A\(_{2}\) ergibt sich die maximale Schubspannung befand sich in beiden Fällen am äußersten Rand des Abschnitts. Darüber hinaus konnte auch festgestellt werden, dass die Schubspannung im horizontalen Abschnitt A\(_{2}\)-A\(_{2}\) größer war als die im Abschnitt A\(_{1}\)- A\(_{1}\). Dies könnte daran liegen, dass Abschnitt A\(_{2}\)-A\(_{2}\) näher am Gefäßboden lag als Abschnitt A\(_{1}\)-A\(_{1}\ ) und die Flüssigkeitspartikel würden in der Nähe der Gefäßbodenwand leichter beschleunigt. Mittlerweile wurde festgestellt, dass die maximale Scherspannung im gesamten Gefäß etwa 0,2 Pa betrug, was unter dem kritischen Wert von 0,4 Pa der CHO-Zellen lag, und eine große Scherspannung war in der Nähe der Gefäßwand zu verzeichnen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die flüssige Umgebung des hohlen OSR für die Kultivierung von Säugetierzellen immer noch schonend ist.

Es wurde die Scherspannungsverteilung des hohlzylindrischen OSR mit einem Füllvolumen von 8 L, einer Schüttelgeschwindigkeit von 100 U/min und h\(_{\mathrm {L}}\) = 30 mm untersucht. Um die Schubspannungsverteilung besser zu veranschaulichen, sind die lokalen Schubspannungen von 0,5 h\(_{\mathrm {L}}\) (A\(_{1}\)-A\(_{1}\)) und 0,3h\(_{\mathrm {L}}\) (A\(_{2}\)-A\(_{2}\)) Abschnitte wurden abgefangen. Die Größe der Scherspannung wurde anhand der in der Abbildung dargestellten Farbbalken durch verschiedene Farben angezeigt.

Diese Studie basierte auf dem dreidimensionalen CFD-Modell und die Zuverlässigkeit des CFD-Modells wurde durch Experimente überprüft. In dieser Studie haben wir den Einfluss hohlzylindrischer Wände auf das Strömungsfeld bei einer Schüttelgeschwindigkeit von 100 U/min und einem Füllvolumen von 8 L analysiert. Die Ergebnisse zeigten, dass der Einfluss hohlzylindrischer Wände bei unterschiedlichen Einbauhöhen auf das \(k_ {L}a\) war gering. Die Ergebnisse zeigten jedoch, dass der Einfluss hohlzylindrischer Wände bei unterschiedlichen Einbauhöhen auf das Strömungsfeld unterschiedlich war. Bei einer Einbauhöhe von 30 mm konnte die Low-Speed-Zone im mittleren Bereich stark reduziert werden, zudem konnte die Durchmischung des Strömungsfeldes verbessert werden, um den Stoff- und Energieaustausch zu fördern. Gleichzeitig wurde auch der Schluss gezogen, dass die Scherspannung des gesamten Strömungsfelds unter 0,2 Pa lag, was unter dem kritischen Wert von 0,4 Pa für CHO-Zellen lag, was darauf hindeutet, dass der hohle Bioreaktor eine sanfte Scherspannungsumgebung bieten könnte Kultivierung von Säugetierzellen.

Die zur aktuellen Studie gehörenden Datensätze können auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor zur Verfügung gestellt werden.

Schnittstellenfläche (\(\mathrm {m^{2}}\))

Der spezifische Schnittstellenbereich (\(\mathrm {m^{-1}}\))

Computergestützte Fluiddynamik

Außendurchmesser (m)

Innendurchmesser (m)

Die Energiedissipationsrate \(\left( \mathrm {m^{2} \, s^{-1}}\right) \)

Zentrifugalkraft in x-Richtung (N)

Zentrifugalkraft in y-Richtung (N)

Erdbeschleunigung (\(\mathrm {m \, s^{-2}}\))

Flüssigkeitshöhe (m)

Einbauhöhe der Zylinderzwischenwand (m)

Der volumetrische Stoffübergangskoeffizient (\(\mathrm {h^{-1}}\))

Der Stoffübergangskoeffizient (\(\mathrm {m \, h^{-1}}\))

Charakteristische Länge (m)

Schüttelgeschwindigkeit (U/min)

Orbital schüttelnde Bioreaktoren

Radius der hohlzylindrischen OSRs (m)

Schüttelradius (m)

Rührkessel-Bioreaktoren

Flüssigkeitsgeschwindigkeit (\(\mathrm {m \, s^{-1}}\))

Theoretische maximale Flüssigkeitsgeschwindigkeit (\(\mathrm {m \, s^{-1}}\))

Das Füllvolumen (L)

Volumen des Flüssigkeitsmodells

Winkelgeschwindigkeit des Schüttelns (\(\mathrm{rad\,s^{-1}}\))

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Diese Studie wurde durch ein Forschungskooperationsprojekt zwischen der Universität Shenzhen und der National Taipei University of Technology (000003020328), dem Regional Joint Fund of Basic and Applied Basic Research Fund der Provinz Guangdong (013376) und dem Open Project des State Key Laboratory of Management and Control of Complex Systems finanziert am Institut für Automatisierung der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (Nr. 20200107), der National Natural Science Foundation of China (Grant-Nr. 62003216), dem National Natural Science Foundation-Aerospace Joint Fund (Grant-Nr. U2037205), dem Shenzhen Stability Support Plan A ( Grant-Nr. 20200812104451001), Shenzhen Stability Support Plan A (Grant-Nr. 20200814105908002) und Basic and Applied Basic Research Fund der Provinz Guangdong (Grant-Nr. 2019A1515111115).

Shenzhen Key Laboratory of High Performance Nontraditional Manufacturing, College of Mechatronics and Control Engineering, Shenzhen University, Shenzhen, 518060, China

Likuan Zhu, Weiqing Chen und Chunyang Zhao

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LKZ hat die Experimente entworfen und das Manuskript geschrieben. WQC führte die Simulation und das Experiment durch. CYZ analysierte die simulierten und experimentellen Daten.

Korrespondenz mit Chunyang Zhao.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Zhu, L., Chen, W. & Zhao, C. Analyse des Hohlwandeffekts auf die Fluiddynamik in orbital geschüttelten Bioreaktoren. Sci Rep 12, 9596 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-13441-5

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Eingegangen: 26. Februar 2022

Angenommen: 24. Mai 2022

Veröffentlicht: 10. Juni 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-13441-5

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