Análisis del efecto de pared hueca sobre la dinámica de fluidos en biorreactores agitados orbitalmente

Oct 22, 2023

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 9596 (2022) Citar este artículo

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Los biorreactores de agitación orbital (OSR) se han aplicado cada vez más en la industria biofarmacéutica porque pueden proporcionar un entorno adecuado para el crecimiento de células de mamíferos y la expresión de proteínas. La información de dinámica de fluidos es crucial para analizar u optimizar diferentes tipos de biorreactores. Teniendo en cuenta que la estructura tiene una influencia importante en la dinámica de fluidos en un biorreactor, es necesario diseñar u optimizar su estructura mediante el enfoque de dinámica de fluidos computacional (CFD). El objetivo de este estudio es optimizar la estructura de la pared de un cilindro hueco OSR propuesto en nuestro trabajo anterior. Con base en investigaciones previas, las influencias de la pared hueca del OSR en la dinámica de fluidos y el coeficiente de transferencia de masa volumétrica (\(k_{L}a\)) se analizaron mediante el modelo CFD establecido. Los resultados mostraron que el rendimiento de mezcla de OSR podría mejorarse al disminuir la altura de instalación de la pared hueca. Se encontró que una altura de instalación de 30 mm era la más favorable para mezclar. La confiabilidad del modelo CFD se verificó comparando la altura de la onda del líquido y la forma de la onda del líquido entre la simulación y el experimento. Se demostró que la tensión de cizallamiento en el cilindro hueco OSR es suave para el cultivo de células de mamíferos.

Los biorreactores son equipos críticos utilizados para el cultivo de células de mamíferos. Actualmente, los biorreactores de tanque agitado (STR) y los biorreactores agitados orbitales (OSR) son tipos comunes de biorreactores ampliamente utilizados en cultivos de células de mamíferos a escala piloto o de laboratorio1,2,3. En los últimos años, los OSR se han vuelto cada vez más populares debido a su principio de agitación simple, bajo costo, operación simple e idoneidad para experimentos desechables4,5. Además, el movimiento de agitación orbital de los OSR podría prevenir la sedimentación y mejorar el intercambio de gases, evitando las tasas de corte perjudicialmente altas en relación con los STR6. Como importante biorreactor desechable, es necesario mejorar el rendimiento de mezcla de los OSR. La investigación ha demostrado que diferentes estructuras de OSR tienen diferentes efectos en el rendimiento de la mezcla7,8. Por ejemplo, la instalación de un deflector vertical en una pared es una forma eficaz de mejorar las características de turbulencia y el rendimiento de la mezcla9. Se demostró que una pista helicoidal es válida para aumentar la densidad de células viables en el cultivo en suspensión10. Se propuso una "protuberancia" abovedada en la pared inferior, y el resultado mostró que la tasa de transferencia de masa mejoró significativamente y que se pudo evitar la acumulación de células cerca del centro de la pared inferior, lo cual es preferible para el cultivo en suspensión con una gran cantidad de células viables. densidad11.

La simulación de dinámica de fluidos computacional (CFD) es una tecnología de análisis numérico fiable12,13. En comparación con las técnicas experimentales tradicionales, la simulación CFD puede ahorrar capital y mano de obra y utilizarse en muchas situaciones diferentes14,15. Teniendo en cuenta que puede proporcionar una comprensión más profunda de la dinámica de fluidos del biorreactor y reducir la cantidad de modelos, la simulación CFD se ha visto como una herramienta valiosa para analizar biorreactores, como STR y OSR16,17,18.

En un estudio previo19, propusimos un nuevo tipo de OSR con una pared cilíndrica hueca. Para este tipo de OSR, la relación entre el diámetro exterior del cilindro y el diámetro entre cilindros es el parámetro estructural clave. En ese estudio de prototipo, se optimizó el valor d\(_{i}\)/d, y se sugirió un valor adecuado de 0,418. Sin embargo, la capacidad de transferencia de masa seguía siendo baja en algunas regiones específicas, lo que indicaba claramente que la estructura de la pared cilíndrica hueca podía optimizarse aún más. Por lo tanto, el objetivo de este estudio es continuar centrándose en la OSR con una pared cilíndrica hueca y analizar el efecto de la altura de instalación de la estructura hueca en el rendimiento de mezcla, coeficiente de transferencia de masa volumétrica (\(k_{L}a\) ) y esfuerzo cortante en el OSR por el método CFD.

El OSR con una pared cilíndrica hueca se agitó orbitalmente en un agitador ES-X (Kühner AG, Biersfelden, Suiza) con un diámetro de agitación de 50 mm. En este estudio, el volumen total de los OSR cilíndricos huecos fue de aproximadamente 24 L, la altura del recipiente fue de 0,35 m, el diámetro exterior (d) fue de 0,3 m y el diámetro interior (d\(_{i}\) ) fue de 0,12 m. Todos los experimentos y simulaciones de este documento se llevaron a cabo en condiciones de un volumen de llenado de 8 L y una velocidad de agitación de 100 rpm. La altura de instalación de la pared entre cilindros desde la parte inferior se representó por h\(_{\mathrm {L}}\) (ver Fig. 1).

La geometría (A) y la estructura de malla (B) del OSR hueco con d\(_{i}\)/d de 0,4. Esta geometría tenía varios parámetros geométricos importantes, d era el diámetro de la pared exterior del cilindro, d\(_{i}\) era el diámetro de la pared interior del cilindro y h\(_{\mathrm {L}}\) era la altura de instalación del cilindro interior desde abajo. El volumen geométrico era de unos 24 L y el volumen de trabajo máximo era de unos 10 L. El número de malla era \(\mathrm {3,4\times 10^{6}}\) para el OSR hueco.

La interfaz gas-líquido en movimiento fue capturada por una cámara de un teléfono móvil Apple (iPhone 12, Apple Inc., California, EE. UU.) en un modelo de cámara lenta con 240 fps. El teléfono se fijó en la plataforma vibratoria para mantenerlo relativamente estacionario con los OSR huecos. Para ver el líquido con mayor claridad, se añadió una cierta cantidad de Rojo de metilo (1 M/L) y ácido clorhídrico (1 M/L) antes de realizar el experimento de captura.

Las ecuaciones de conservación de la cantidad de movimiento y la masa media de Reynolds se utilizan para controlar el flujo de fluidos (ecuaciones (1), (2) y (3)):

donde \(\rho \) se refiere a la densidad del fluido (\(\mathrm {kg \, m^{-3}}\)), p se refiere a la presión (Pa), \(\tau \) se refiere al esfuerzo cortante (Pa), \(\rho \vec {g}\) y \(\vec {F}\) se refieren a la gravedad y la fuerza externa, respectivamente, y V representa el vector de velocidad lineal.

El esfuerzo cortante se puede obtener de la Ec. (4):

donde \(\tau _{xy} \), \(\tau _{yz}\), \(\tau _{xz}\) representan las tres direcciones del esfuerzo cortante.

Los tres componentes de cortante se determinan como sigue (Ecs. (5), (6) y (7)):

donde \(\mu \) es la viscosidad dinámica.

El coeficiente de transferencia de masa volumétrica (\(k_{L}a\)) es crucial para el biorreactor, que analiza el parámetro clave de la tasa de transferencia de oxígeno. El valor calculado de \(k_{L}a\) se obtuvo simulando el coeficiente de transferencia de masa ( \(k_{L}\)) y el área de interfaz específica (a) respectivamente.

El área de interfaz específica (a) se puede obtener de la ecuación. (8):

donde A es el área de interfaz (m2) que podría obtenerse mediante el modelo de volumen de fracción (VOF) (ver Tabla 1), y \(V_{L}\) es el volumen de llenado (L).

El coeficiente de transferencia de masa (\(k_{L}\)) se puede obtener de la ecuación. (9):

donde \(K=\) 0.4 es la constante del modelo, \(D_{L}\) es el coeficiente de difusión de oxígeno en el agua \(\left( \mathrm {m^{2} \, h^{-1 }}\right) \), \(\varepsilon \) es la tasa de disipación de energía \(\left( \mathrm {m^{2} \, s^{-1}}\right) \) y \(\ upsilon \) es la viscosidad cinemática del agua \(\left( \mathrm {m^{2} \, s^{-1}}\right) \).

El movimiento de agitación orbital induce naturalmente una fuerza centrífuga giratoria homogénea en el fluido20. Esta fuerza centrífuga se considera agregando el término fuente a las ecuaciones de Navier-Stokes en el modelo CFD. Las fuerzas centrífugas en las Ecs. (10) y (11) se dan como sigue:

donde \(F_{x}\) y \(F_{y}\) representan la fuerza centrífuga \(\left( \mathrm {m \, s^{-2}} \right) \) en x e y direcciones, respectivamente. \(R_{s}\) representa el radio de agitación (m), y \(\omega \) representa la velocidad angular de agitación \(\left( \mathrm {rad \, s^{-1}} \right ) \).

Todas las simulaciones en este documento se realizaron en ANSYS FLUENT 16.0 (ANSYS Inc., Canonsburg, PA, EE. UU.). En este artículo, se utilizó el modelo de volumen de fluido (VOF) para obtener la interfase gas-líquido. El modelo VOF se empleó para rastrear la interfaz gas-líquido en movimiento21. El modelo de turbulencia \(\mathrm {k-\omega -SST}\) se usó para encerrar las ecuaciones que gobiernan el movimiento del fluido22. Todas las condiciones de contorno se fijaron en la pared. Se utilizó el algoritmo PISO para resolver la velocidad y la presión. El tamaño del paso de tiempo fue de 0,0001 segundos. El número de corriente máximo fue de 0,25. La cuadrícula para este OSR hueco se generó utilizando Gambit 2.4.6 (ANSYS Inc., Canonsburg, PA, EE. UU.).

Para probar la influencia del número de malla en el resultado simulado, cuatro números de malla diferentes de \(\mathrm {2,2\times 10^{6}}\), \(\mathrm {3,4\times 10^{6}}\ ), \(\mathrm {5,1\times 10^{6}}\) y \(\mathrm {7,0\times 10^{6}}\) se usaron para calcular la altura del líquido para el OSR hueco con una h\ (\mathrm {_{L}}\) de 0 mm. Como muestran los resultados (Fig. 2), la curva de altura del líquido casi no cambia cuando el número de malla excede \(\mathrm {3.4\times 10^{6}}\), lo que indica que este número de malla (\(\ mathrm {3.4\times 10^{6}}\)) ya era suficiente para obtener resultados de simulación estables y confiables. Por lo tanto, se utilizó un número de malla de \(\mathrm {3,4\times 10^{6}}\) para todas las simulaciones de este artículo.

Se simuló la OSR hueca de h\(_{\mathrm {L}}\) = 0 mm con un volumen de llenado de 8 L y una velocidad de agitación de 100 rpm. La simulación del OSR hueco utilizó los números de malla de \(\mathrm {2,2\times 10^{6}}\), \(\mathrm {3,4\times 10^{6}}\), \(\mathrm { 5,1\times 10^{6}}\) y \(\mathrm {7,0\times 10^{6}}\) para verificar la independencia de los números de malla. Para obtener la agitación de la altura del líquido con el tiempo, la altura del líquido se guardó automáticamente cada 30 pasos de tiempo (0,0001 s) durante el proceso de simulación. La altura del líquido en la interfaz se midió en el punto de intersección con la línea vertical fija en la pared del recipiente.

Para validar el modelo CFD establecido, la altura de ola líquida calculada se comparó con sus valores medidos mediante un experimento de captura de ola. Como se muestra en la Fig. 3, las formas de onda del líquido simuladas y medidas fueron similares. Sin embargo, se encontró que la interfaz gas-líquido simulada era más suave que la observación experimental. Este inconveniente podría reducirse adoptando una turbulencia de orden superior pero con la penalización de un tiempo de simulación más largo. Al comparar las curvas de la onda líquida en los resultados simulados y medidos, se encontró que la diferencia de altura de la ola era inferior a 15\(\%\), lo que indicaba que el modelo CFD establecido era aceptable para usar en el análisis de la dinámica de fluidos de OSRs con estructuras huecas.

Se comparó el nivel de líquido de la simulación y el experimento. Se compararon los resultados experimentales y de simulación del OSR hueco con un volumen de llenado de 8 L y una velocidad de agitación de 100 rpm bajo h\(_{\mathrm {L}}\) = 0 mm. Para ver el líquido con mayor claridad, se añadió una cierta cantidad de Rojo de Metilo y ácido clorhídrico antes de realizar el experimento de captura. La línea negra continua y el punto verde representan la altura de la ola de líquido medida por simulación y experimento respectivamente. El ángulo circular (\(\alpha \)) representaba el ángulo de la pared de la OSR hueca en el sistema de coordenadas cilíndricas.

La velocidad del fluido es la información básica para el campo de flujo de un biorreactor y determina si otros parámetros derivados del fluido relevantes para el cultivo celular son correctos. Para comprender en general las características de este tipo de biorreactor, la distribución de velocidad del fluido del OSR cilíndrico con una pared interior hueca para la altura de instalación de 30 mm (h\(_{\mathrm {L}}\) = 30 mm) es se muestra en la Fig. 4. Se encontró que la velocidad máxima del fluido era de aproximadamente 1,6 \(\mathrm {m \, s^{-1}}\) en el frente de onda cerca de la pared del recipiente, que era ligeramente superior a su máximo teórico valor de 1,57 \(\mathrm {m \, s^{-1}}\) de la ecuación. (12)2, que puede ser causado por turbulencia local23.

donde \(V_{max}\) representa la velocidad máxima teórica del fluido, r representa el radio de los OSR cilíndricos huecos y N representa la velocidad de agitación.

La distribución de velocidad del campo de flujo en diferentes secciones del OSR cilíndrico hueco con h\(_{\mathrm {L}}\) = 30 mm. Los vectores de velocidad del fluido se calcularon en una interfaz vertical (A\(_{1}\)-A\(_{1}\)) y tres secciones horizontales diferentes (B\(_{1}\)-B\( _{1}\), B\(_{2}\)-B\(_{2}\) y B\(_{3}\)-B\(_{3}\)) respectivamente. La posición de la sección vertical era un plano de simetría del cilindro hueco. Las alturas de las tres secciones horizontales fueron 121 mm, 0.5h\(_{\mathrm {L}}\) (15 mm) y 10 mm respectivamente. La barra de color de la derecha mostraba la magnitud de la velocidad del fluido.

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. La velocidad máxima se ubicó en el lado de la pared del valle de la ola en lugar del lado de la cresta de la ola. La transferencia de masa entre los vórtices derecho e izquierdo también fue observada por el fluido en movimiento en el medio del fondo del biorreactor. Como muestra la Fig. 4A\(_{1}\)–A\(_{1}\), el porcentaje de volumen de fluido con diferentes velocidades de rango y orientaciones de movimiento del fluido son importantes para el proceso de intercambio de energía.

Para analizar las propiedades de mezcla en planos horizontales, se calcularon las distribuciones de velocidad del fluido en tres planos horizontales diferentes con alturas diferentes. Como se muestra en la Fig. 4B\(_{1}\)-B\(_{1}\), B\(_{2}\)-B\(_{2}\) y B\(_{ 3}\)-B\(_{3}\), solo había un gran vórtice en el plano horizontal, y el centro del vórtice era casi idéntico al centro del plano. La alta velocidad del fluido se encontró cerca de la pared del recipiente debido a la alta velocidad de la pared y la baja velocidad del fluido se ubicaron en el centro del vórtice. Cabe señalar que la máxima velocidad del fluido también se produjo en el frente de onda, como se mencionó anteriormente.

Para analizar el efecto de la pared del recipiente hueco en la dinámica de fluidos de los OSR, se realizaron simulaciones en varios OSR huecos cilíndricos con diferentes alturas de instalación con una velocidad de agitación de 100 rpm y un volumen de llenado de 8 L. En detalle, la pared del recipiente hueco se instaló en diferentes posiciones con h\(_{\mathrm {L}}\) = 0 mm (Fig. 5A), h\(_{\mathrm {L}}\) = 30 mm (Fig. 5B), h\( _{\mathrm {L}}\) = 60 mm (Fig. 5C), h\(_{\mathrm {L}}\) = 90 mm (Fig. 5D) y h\(_{\mathrm { L}}\) = 120 mm (Fig. 5E) del fondo del recipiente.

La distribución de la velocidad del fluido en la sección vertical de OSR de cilindro hueco con diferentes alturas de instalación. La posición de la sección vertical era un plano de simetría del cilindro hueco. La barra de color de la derecha mostraba la magnitud de la velocidad del fluido.

En la Fig. 5 se puede observar que hay tres vórtices en cada sección vertical. De manera similar, un vórtice se encuentra en el lado del canal de la onda (el lado izquierdo de la sección vertical), que aún no se ha formado completamente. Los otros dos vórtices se ubicaron en el lado de la cresta de la ola (el lado derecho de la sección vertical). La velocidad máxima se puede observar en la pared de la artesa para cada caso. Para todas las velocidades máximas, el valor máximo de 0,26 m/s se encontró en la OSR hueca con h\(_{\mathrm {L}}\) = 30 mm. De hecho, la magnitud de la velocidad del fluido a granel también fue mayor en la OSR hueca con h\(_{\mathrm {L}}\) = 30 mm (Fig. 5B) que en otros casos. Para la altura de instalación de h\(_{\mathrm {L}}\) = 120 mm (Fig. 5E), el campo de flujo no pareció cambiar en comparación con el OSR sin la estructura de pared hueca. La razón podría ser que solo había una pequeña parte del cilindro hueco en contacto con el fluido en movimiento en el OSR con h\(_{\mathrm {L}}\) = 120 mm, lo que indica que la estructura hueca casi no tiene influencia en movimiento de fluido con una velocidad de agitación de 100 rpm y un volumen de llenado de 8 L. Con la disminución de h\(_{\mathrm {L}}\), el área de contacto entre la estructura hueca y el fluido en movimiento aumentó y el campo fluido comenzó a cambiar. Cuando h\(_{\mathrm {L}}\) disminuyó de 120 mm (Fig. 5E) a 60 mm (Fig. 5C), la velocidad del fluido en el centro vertical disminuyó gradualmente, lo que fue causado por la supresión del fondo hueco. el movimiento fluido. Este tipo de efecto de resistencia podría inhibir el proceso de intercambio de energía del vórtice izquierdo al vórtice derecho y era desfavorable para la transferencia de masa a granel. Sin embargo, a medida que h\(_{\mathrm {L}}\) disminuyó de 60 mm (Fig. 5C) a 30 mm (Fig. 5B), la velocidad del fluido aumentó repentinamente en la parte central del biorreactor y la región funcionó como un "tubo de transferencia de masa" con alta velocidad, lo que fue útil para una mezcla uniforme en el OSR. Sin embargo, cuando el valor de h\(_{\mathrm {L}}\) disminuyó a cero, el intercambio de masa entre esos vórtices en dos lados se interrumpió por completo y se produjo una región de velocidad de fluido bastante baja cerca del fondo hueco. lo que probablemente significaba que el suministro de nutrientes sería insuficiente en la región local fácilmente. Para los vórtices en los dos lados, la magnitud de la velocidad del fluido aumentó constantemente a medida que h\(_{\mathrm {L}}\) disminuía de h\(_{\mathrm {L}}\) = 120 mm a h \(_{\mathrm {L}}\) = 30 mm, lo que podría deberse a que la estructura hueca disminuye empujando más fluido a un estado de alta velocidad. Sin embargo, el intercambio entre esos vórtices se interrumpió por completo cuando el valor de h\(_{\mathrm {L}}\) disminuyó a cero, lo que provocó la baja velocidad del fluido cerca de la estructura hueca. La Fig. 6 muestra que las distribuciones de velocidad del fluido fueron similares. Había un gran vórtice radial en cada sección, y la velocidad máxima estaba ubicada en la pared, pero la baja velocidad del fluido ocurría en la región media cerca del centro del vórtice.

La distribución de la velocidad del fluido en un plano horizontal fijo de OSR de cilindro hueco con diferentes alturas de instalación. La altura entre el plano horizontal fijo y la pared inferior de los OSR de cilindro hueco era de 10 mm. La barra de color de la derecha mostraba la magnitud de la velocidad del fluido.

El coeficiente de transferencia de masa volumétrica (\(k_{L}a\)) es un parámetro crucial para el cultivo de células con una alta densidad de células viables. Para comparar el \(k_{L}a\) en el biorreactor con diferentes alturas de instalación, se simularon el coeficiente de transferencia de masa (\(k_{L}\)) y el área de interfaz específica (a) a diferentes alturas de instalación. Como se muestra en la Fig. 7, los valores de \(k_{L}\) fueron casi una constante para todos los casos estudiados. Bajo las condiciones de cultivo celular a temperatura constante (37), \(k_{L}\) solo dependerá de la tasa de disipación turbulenta (\(\varepsilon \)). Aunque las diferentes alturas de instalación tuvieron diferentes efectos en el campo de flujo, el valor de \(\varepsilon \) cambió ligeramente a una velocidad de agitación fija (ver Tabla 1). Por lo tanto, los valores de \(k_{L}\) casi no cambiaron a diferentes alturas de instalación.

Los valores de la altura del líquido (\(\Delta h\)) se calcularon como se muestra en la Tabla 1. Los valores de \(\Delta h\) se mantuvieron casi constantes en aproximadamente 140 mm, que era ligeramente más alto que el OSR sin hueco. deflector, lo que sugiere que la altura del líquido dependía principalmente de la velocidad de agitación. Por lo tanto, se puede concluir que el deflector hueco tiene una influencia limitada en la altura del líquido e incluso en la pendiente de la forma de la ola. Debido al valor constante del volumen de llenado, el valor del área de interfaz específica solo depende del área de interfaz. Los valores de A se mantuvieron casi constantes en aproximadamente 0,07 \(\mathrm {m^{2}}\) para todas las alturas de instalación utilizadas (consulte la Tabla 1), lo que probablemente se debió a que el número de Froude era el mismo en la agitación fija. velocidad de 100 rpm. En detalle, hubo poca diferencia en A para diferentes alturas de instalación, y la razón de esto podría ser que la interacción entre la pared hueca y la onda líquida condujo a alguna pérdida de área de interfaz. Como se muestra en la Fig. 7, los valores de \(k_{L}a\) y a no fluctuaron mucho. En detalle, los valores de \(k_{L}a\) y a tuvieron una tendencia de cambio constante a diferentes alturas de instalación. Cuando el valor de h\(_{\mathrm {L}}\) aumentó de h\(_{\mathrm {L}}\) = 0 mm a h\(_{\mathrm {L}}\) = 30 mm, las magnitudes de \(k_{L}a\) y a disminuyeron ligeramente. Sin embargo, las magnitudes de \(k_{L}a\) y a aumentaron constantemente a medida que h\(_{\mathrm {L}}\) aumentó de h\(_{\mathrm {L}}\) = 30 mm a h\(_{\mathrm {L}}\) = 120 mm.

El efecto de diferentes alturas de instalación en \(k_{L}a\), A y \(k_{L}a\) en los OSR con un volumen de llenado de 8 L y una velocidad de agitación de 100 rpm. Los valores de \(k_{L}\) y a se calcularon en los OSR huecos con diferentes alturas de instalación como se indica, por separado. El valor de \(k_{L}a\) se determinó con base en el resultado de \(k_{L}\) y a. El círculo (\(\bigcirc \) ) representa el valor de \(k_{L}a\), el triángulo (\(\triangle \)) representa el valor de a, y el cuadrado (\(\square \) ) denota el valor de \(k_{L}\).

El daño celular es un problema muy importante en los biorreactores, pero normalmente es difícil de analizar26,27,28,29. El daño celular ocurre fácilmente en un ambiente fluido con grandes valores de esfuerzo cortante30. Se informó que una tensión de cizallamiento de 0,4 Pa era un valor crítico para que las células CHO sufrieran una fuerza de cizallamiento31. Para evaluar el entorno de esfuerzos hidrodinámicos en los OSR cilíndricos huecos, se calculó la distribución de esfuerzos cortantes a un volumen de llenado de 8 L y una velocidad de agitación de 100 rpm para el caso con h\(_{\mathrm {L}}\) = 30 mm (figura 8). La razón por la que se eligió el caso con un hL de 30 mm fue porque la magnitud de la velocidad del fluido fue mayor y el proceso de mezcla fue intenso, como se analizó anteriormente. Al observar las dos Secciones horizontales A\(_{1}\)-A\(_{1}\) y A\(_{2}\)-A\(_{2}\), el esfuerzo cortante máximo se ubicó en el borde más externo de la sección para ambos casos. Además, también se pudo ver que el esfuerzo cortante en la sección horizontal A\(_{2}\)-A\(_{2}\) era mayor que en la sección A\(_{1}\)- A\(_{1}\). Esto podría deberse a que la Sección A\(_{2}\)-A\(_{2}\) estaba más cerca del fondo del recipiente que la Sección A\(_{1}\)-A\(_{1}\) ), y las partículas de fluido se acelerarían más fácilmente cerca de la pared del fondo del recipiente. Mientras tanto, se encontró que la tensión de cizallamiento máxima era de aproximadamente 0,2 Pa en todo el recipiente, que era inferior al valor crítico de 0,4 Pa de las células CHO, y se localizaba una gran tensión de cizallamiento cerca de la pared del recipiente. Los resultados sugirieron que el entorno fluido de la OSR hueca seguía siendo suave para el cultivo de células de mamíferos.

Se estudió la distribución del esfuerzo cortante del OSR cilíndrico hueco con volumen de llenado de 8 L, velocidad de agitación de 100 rpm y h\(_{\mathrm {L}}\) = 30 mm. Para visualizar mejor la distribución del esfuerzo cortante, los esfuerzos cortantes locales de 0,5 h\(_{\mathrm {L}}\) (A\(_{1}\)-A\(_{1}\)) y 0.3h\(_{\mathrm {L}}\) (A\(_{2}\)-A\(_{2}\)) secciones fueron interceptadas. La magnitud del esfuerzo cortante se indicó con diferentes colores según las barras de color que se muestran en la figura.

Este estudio se basó en el modelo CFD tridimensional y la fiabilidad del modelo CFD se verificó mediante experimentos. En este estudio, analizamos la influencia de las paredes cilíndricas huecas en el campo de flujo a una velocidad de agitación de 100 rpm y un volumen de llenado de 8 L. Los resultados mostraron que la influencia de las paredes cilíndricas huecas a diferentes alturas de instalación en el \(k_ {L}a\) era leve. Sin embargo, los resultados mostraron que la influencia de las paredes cilíndricas huecas a diferentes alturas de instalación en el campo de flujo fue diferente. Cuando la altura de la instalación era de 30 mm, la zona de baja velocidad en la región media se podía reducir considerablemente y la mezcla del campo de flujo también se podía mejorar para promover el intercambio de materia y energía. Al mismo tiempo, también se concluyó que la tensión de cizallamiento de todo el campo de flujo estaba por debajo de 0,2 Pa, que era inferior al valor crítico de 0,4 Pa para las células CHO, lo que indica que el biorreactor hueco podría proporcionar un entorno de tensión de cizallamiento suave para cultivo de células de mamíferos.

Los conjuntos de datos que pertenecen al estudio actual pueden ponerse a disposición del autor correspondiente a pedido razonable.

Área de interfaz (\(\mathrm {m^{2}}\))

El área de interfaz específica (\(\mathrm {m^{-1}}\))

Dinámica de fluidos computacional

Diámetro exterior (m)

Diámetro interior (m)

La tasa de disipación de energía \(\left( \mathrm {m^{2} \, s^{-1}}\right) \)

Fuerza centrífuga en la dirección x (N)

Fuerza centrífuga en la dirección y (N)

Aceleración de la gravedad (\(\mathrm {m \, s^{-2}}\))

Altura del líquido (m)

Altura de instalación de la pared entre cilindros (m)

El coeficiente de transferencia de masa volumétrica (\(\mathrm {h^{-1}}\))

El coeficiente de transferencia de masa (\(\mathrm {m \, h^{-1}}\))

Longitud característica (m)

Velocidad de agitación (rpm)

Biorreactores de agitación orbital

Radio de los OSR cilíndricos huecos (m)

Radio de agitación (m)

Biorreactores de tanque agitado

Velocidad del fluido (\(\mathrm {m \, s^{-1}}\))

Velocidad máxima teórica del fluido (\(\mathrm {m \, s^{-1}}\))

El volumen de llenado (L)

Modelo de volumen de fluido

Velocidad angular de agitación (\(\mathrm{rad\,s^{-1}}\))

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Este estudio fue financiado por el proyecto de cooperación de investigación entre la universidad de Shenzhen y la Universidad Nacional de Tecnología de Taipei-000003020328, el Fondo Conjunto Regional de Investigación Básica y Aplicada de la Provincia de Guangdong-013376, y el Proyecto Abierto del Laboratorio Estatal Clave de Gestión y Control de Sistemas Complejos en el instituto de Automatización de la Academia de Ciencias de China (No.20200107), Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (Números de subvención 62003216), Fondo Conjunto Aeroespacial-Fundación Nacional de Ciencias Naturales (Números de subvención U2037205), Plan A de Apoyo a la Estabilidad de Shenzhen ( Subvención n.º 20200812104451001), Plan A de apoyo a la estabilidad de Shenzhen (Subvención n.º 20200814105908002) y Fondo de investigación básica y aplicada de la provincia de Guangdong (Subvención n.º 2019A1515111115).

Laboratorio clave de Shenzhen de fabricación no tradicional de alto rendimiento, Facultad de ingeniería de control y mecatrónica, Universidad de Shenzhen, Shenzhen, 518060, China

Likuan Zhu, Weiqing Chen y Chunyang Zhao

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LKZ diseñó los experimentos y escribió el manuscrito. WQC realizó la simulación y el experimento. CYZ analizó los datos simulados y experimentales.

Correspondencia a Chunyang Zhao.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Zhu, L., Chen, W. y Zhao, C. Análisis del efecto de pared hueca en la dinámica de fluidos en biorreactores agitados orbitalmente. Informe científico 12, 9596 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-13441-5

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Recibido: 26 febrero 2022

Aceptado: 24 de mayo de 2022

Publicado: 10 junio 2022

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

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