Analisi dell'effetto della parete cava sulla dinamica dei fluidi nei bioreattori orbitalmente agitati

Oct 22, 2023

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 9596 (2022) Citare questo articolo

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I bioreattori con scuotimento orbitale (OSR) sono stati recentemente applicati sempre più nell'industria biofarmaceutica perché possono fornire un ambiente adatto per la crescita delle cellule di mammifero e l'espressione delle proteine. Le informazioni sulla fluidodinamica sono fondamentali per l'analisi o l'ottimizzazione di diversi tipi di bioreattori. Considerando che la struttura ha un'influenza importante sulla dinamica dei fluidi in un bioreattore, è necessario progettare o ottimizzare la sua struttura mediante l'approccio della fluidodinamica computazionale (CFD). Lo scopo di questo studio è ottimizzare la struttura della parete di un OSR a cilindro cavo proposto nel nostro lavoro precedente. Sulla base di ricerche precedenti, le influenze della parete cava dell'OSR sulla dinamica dei fluidi e il coefficiente di trasferimento di massa volumetrico (\(k_{L}a\)) sono stati analizzati mediante il modello CFD stabilito. I risultati hanno mostrato che le prestazioni di miscelazione dell'OSR potrebbero essere migliorate diminuendo l'altezza di installazione della parete cava. Un'altezza di installazione di 30 mm è risultata più favorevole per la miscelazione. L'affidabilità del modello CFD è stata verificata confrontando l'altezza dell'onda del liquido e la forma d'onda del liquido tra la simulazione e l'esperimento. Lo stress di taglio nell'OSR a cilindro cavo si è dimostrato delicato per la coltivazione di cellule di mammifero.

I bioreattori sono apparecchiature critiche utilizzate per la coltura cellulare di mammiferi. Attualmente, i bioreattori a serbatoio agitato (STR) e i bioreattori agitati orbitali (OSR) sono tipi comuni di bioreattori ampiamente utilizzati nelle coltivazioni di cellule di mammifero su scala pilota o di laboratorio1,2,3. Negli ultimi anni, gli OSR sono diventati sempre più popolari grazie al loro semplice principio di agitazione, al basso costo, al funzionamento semplice e all'idoneità per esperimenti usa e getta4,5. Inoltre, il movimento di scuotimento orbitale degli OSR potrebbe prevenire la sedimentazione e migliorare lo scambio di gas, evitando velocità di taglio dannosamente elevate rispetto agli STR6. Essendo un importante bioreattore usa e getta, è necessario migliorare le prestazioni di miscelazione degli OSR. La ricerca ha dimostrato che diverse strutture di OSR hanno effetti diversi sulle prestazioni di missaggio7,8. Ad esempio, l'introduzione di un deflettore verticale su una parete è un modo efficace per migliorare le caratteristiche di turbolenza e le prestazioni di miscelazione9. Una traccia elicoidale si è dimostrata valida per aumentare la densità delle cellule vitali nella coltivazione in sospensione10. È stata proposta una "protuberanza" a volta sulla parete di fondo e il risultato ha mostrato che la velocità di trasferimento di massa era aumentata in modo significativo e che si poteva evitare l'accumulo di cellule vicino al centro della parete di fondo, il che è preferibile per la coltura in sospensione con un elevato numero di cellule vitali densità11.

La simulazione fluidodinamica computazionale (CFD) è una tecnologia di analisi numerica affidabile12,13. Rispetto alle tecniche sperimentali tradizionali, la simulazione CFD può far risparmiare capitale e lavoro ed essere utilizzata in molte situazioni diverse14,15. Considerando che può fornire una comprensione più approfondita della dinamica dei fluidi dei bioreattori e ridurre il numero di modelli, la simulazione CFD è stata vista come uno strumento prezioso per analizzare i bioreattori, come STR e OSR16,17,18.

In uno studio precedente19, abbiamo proposto un nuovo tipo di OSR con una parete cilindrica cava. Per questo tipo di OSR, il rapporto tra il diametro esterno del cilindro e il diametro intercilindrico è il parametro strutturale chiave. In quello studio sul prototipo, il valore d\(_{i}\)/d è stato ottimizzato ed è stato suggerito un valore adeguato di 0,418. Tuttavia, la capacità di trasferimento di massa era ancora bassa in alcune regioni specifiche, il che indicava fortemente che la struttura della parete cilindrica cava poteva essere ulteriormente ottimizzata. Pertanto, lo scopo di questo studio è quello di continuare a concentrarsi sull'OSR con una parete cilindrica cava e analizzare l'effetto dell'altezza di installazione della struttura cava sulle prestazioni di miscelazione, coefficiente di trasferimento di massa volumetrico (\(k_{L}a\) ) e sforzo di taglio nell'OSR mediante il metodo CFD.