يُعتبر توسيع نطاق المفاعلات الحيوية لإنتاج اللحوم المستزرعة عملية معقدة، خاصة عند إدارة إجهاد القص، وهو قوة ميكانيكية يمكن أن تلحق الضرر بالخلايا الثديية أثناء التوسع. على عكس الخلايا الميكروبية، فإن الخلايا الثديية هشة وحساسة للاضطرابات وقوى التهوية. عندما يتجاوز إجهاد القص 3 باسكال، يمكن أن تتمزق الخلايا، مما يقلل من الحيوية والإنتاجية.
لمواجهة هذه التحديات، يعتمد المهندسون على ديناميكيات السوائل الحسابية (CFD) ونماذج تقليص النطاق للتنبؤ بإجهاد القص وإدارته قبل الإنتاج الكامل. تحلل CFD أنماط التدفق، مناطق القص، وكفاءة الخلط في المفاعلات الحيوية، بينما تقوم نماذج تقليص النطاق بالتحقق من صحة هذه التنبؤات تجريبياً، مما يقلل من المخاطر أثناء التوسع.
النقاط الرئيسية:
- حدود إجهاد القص: تتحمل الخلايا الثديية حتى 3 باسكال؛ تجاوز هذا يضر بالخلايا.
- أدوات CFD: تُمكّن الطرق المتقدمة مثل محاكاة الدوامات الكبيرة (LES) ومحاكاة لاتيس بولتزمان (LB-LES) من النمذجة الدقيقة للتدفق والاضطراب.
- نماذج مصغرة: تُحاكي هذه النماذج ظروف المفاعلات الحيوية الكبيرة في إعدادات أصغر للتحقق من صحة توقعات CFD.
-
اعتبارات التصميم:
- استخدم دافعات ذات شفرات مائلة لتقليل القص.
- حافظ على أطوال دوامات كولموغوروف فوق 20 ميكرومتر لمنع تلف الخلايا.
- حافظ على سرعات أطراف الدافعات أقل من 1.5 م/ث.
من خلال الجمع بين رؤى CFD والتحقق التجريبي، يمكن للفرق تحسين تصميمات المفاعلات الحيوية لإنتاج اللحوم المستزرعة، مما يضمن بقاء الخلايا وكفاءة التوسع.
بوصلة CFD | أفضل الممارسات لمحاكاة CFD في المفاعلات الحيوية
استخدام ديناميكيات السوائل الحسابية (CFD) لنمذجة إجهاد القص
نهج CFD والمعلمات الرئيسية لأنواع مختلفة من المفاعلات الحيوية في إنتاج اللحوم المزروعة
توفر محاكاة CFD للمهندسين الأدوات اللازمة لرسم خرائط ديناميكيات السوائل وقوى القص داخل المفاعلات الحيوية قبل بنائها فعليًا. بدلاً من الاعتماد على طرق التجربة والخطأ على نطاق الإنتاج، تساعد CFD في التنبؤ بالعوامل الحرجة مثل مناطق القص العالي، والدوامات المضطربة، وقابلية الخلايا للحياة في أجزاء محددة من الوعاء. هذا مهم بشكل خاص في إنتاج اللحوم المزروعة، حيث يمكن أن تصل أحجام المفاعلات الحيوية في النهاية إلى 200,000 لتر - أكبر بكثير من الأوعية البيوفارما التقليدية [8]. توفر هذه الرؤى التنبؤية توجيهًا للتجارب المصغرة وتؤثر على اختيار المعدات.
لقد كان تطور التقنيات الحسابية مذهلاً. بينما تظل نماذج رينولدز-أفيريد نافير-ستوكس (RANS)، مثل k-ε، مستخدمة على نطاق واسع في الصناعة، فإن الأساليب المتقدمة مثل محاكاة الدوامات الكبيرة (LES) والمحاكاة القائمة على معالج الرسوميات (GPU) لنموذج بولتزمان الشبكي (LB-LES) تدفع الحدود. وفقًا للبروفيسور ميروسلاف سوس من جامعة الكيمياء والتكنولوجيا في براغ، يمكن لنموذج LB-LES القائم على معالج الرسوميات حل النماذج "بسرعة تتراوح بين 100 إلى 1,000 مرة أسرع من الحلول الشائعة باستخدام طريقة الحجم المحدود" [2]. تتيح هذه الميزة في السرعة للمهندسين محاكاة أوعية ضخمة بالدقة اللازمة لاكتشاف الدوامات التي تضر الخلايا.
يأتي مثال عملي على قدرات CFD من الباحثين في Regeneron Ireland DAC وThermo Fisher Scientific. لقد نجحوا في توسيع عملية زراعة الخلايا من مفاعل حيوي بسعة 2,000 لتر إلى مفاعل حيوي مختلف هندسيًا بسعة 5,000 لتر للاستخدام الواحد.بدلاً من الاعتماد على الاستدلالات التجريبية، استخدموا CFD لتحليل معايير مثل معدلات نقل الكتلة، وأوقات الخلط، ومعدلات القص. مكن هذا النهج من التوسع الناجح في المحاولة الأولى، مما تجنب الفشل المكلف الذي غالباً ما يرتبط بالتوسع القائم على نسبة الطاقة إلى الحجم [5].
إعداد CFD لمفاعلات حيوية بخزانات محركة
لإعداد CFD لمفاعلات حيوية بخزانات محركة، ابدأ بتحديد هندسة الوعاء - وهذا يشمل أبعاد الخزان، تصميم المحرك (e.g، مثل Rushton أو الشفرات المائلة)، وموقع الحواجز. اختيار النموذج المناسب للاضطراب أمر حاسم: يعمل نموذج k-ε القابل للتحقيق بشكل جيد مع الأنظمة الغازية-السائلة، بينما يوفر LB-LES دقة أعلى لتحديد الضغوط القصوى التي قد تضر بالخلايا. تضمن دراسة تقارب الشبكة أن النتائج لا تعتمد على حجم الشبكة.
يجب أن تعكس شروط الحدود المعايير التشغيلية الواقعية، مثل سرعة الدفاعة، معدلات تدفق الغاز، كثافة السائل، واللزوجة. بالنسبة لتطبيقات اللحوم المزروعة، غالبًا ما تُستخدم نماذج سحب الفقاعات المحافظة لتقدير إجهاد القص [8]. يجب أن يعمل النظام في نظام مضطرب بالكامل، مع أرقام رينولدز تتجاوز 10,000 لضمان بقاء رقم الطاقة ثابتًا بغض النظر عن سرعة الدفاعة [1].
يجب أن تتماشى توقعات CFD لنقل الأكسجين، أوقات الخلط، والإجهاد الهيدروديناميكي مع البيانات التجريبية التي تم جمعها باستخدام مجسات دقيقة حساسة للقص أو تجمعات الجسيمات النانوية [2]. على سبيل المثال، وجه نموذج رياضي لنقل الكتلة التوسع المباشر لعملية زراعة خلايا CHO من وحدة سطح مكتب بسعة 2 لتر إلى مفاعل حيوي صناعي بسعة 1,500 لتر في Sartorius.من خلال استخدام CFD للتنبؤ بالطلب على الأكسجين وإزالة ثاني أكسيد الكربون، حافظ الفريق على سمات جودة المنتج المتسقة - مثل N-glycans والمتغيرات الشحنية - عبر المقاييس [6].
CFD لأنواع أخرى من المفاعلات الحيوية
بينما تهيمن الخزانات المقلوبة على زراعة الخلايا الصناعية، تتطلب تصميمات المفاعلات الحيوية الأخرى نهج CFD مخصص. على سبيل المثال، تعتمد المفاعلات الحيوية المتأرجحة أو الموجية على طريقة حجم السائل (VOF) لمحاكاة واجهة الغاز-السائل، حيث أن حركة الموجة تحرك إجهاد القص في هذه الأنظمة. تخلق هذه التصميمات بيئات إجهاد قص ألطف بكثير - الحد الأقصى للإجهاد حوالي 0.01 باسكال مقارنة بالخزانات المقلوبة - لكن قابليتها للتوسع محدودة لإنتاج اللحوم المزروعة على نطاق واسع [4].
من ناحية أخرى، تستخدم المفاعلات الحيوية ذات الألياف المجوفة نماذج الوسائط المسامية بناءً على معادلات برينكمان لمحاكاة انتشار المغذيات ومقاومة التدفق عبر الأغشية.تتطلب أنظمة الأسرّة المميعة نماذج أويلر-لاغرانج لالتقاط تفاعلات الجسيمات مع السوائل وتوسع السرير، بينما تستخدم المفاعلات الحيوية ذات الرفع الهوائي طرق أويلر-أويلر لتحليل الاضطراب الناتج عن الفقاعات واحتجاز الغاز [4]. يأتي كل تصميم مع تحديات فريدة: يجب على الأسرّة المميعة موازنة توزيع الحاملات الدقيقة ضد التعرض للقص، بينما تحتاج أنظمة الرفع الهوائي إلى إدارة الضغوط الناجمة عن انفجار الفقاعات، وهو سبب رئيسي لموت الخلايا في المفاعلات الحيوية المزودة بالفقاعات [1] [7].
فهم هذه الأساليب CFD ضروري للتحكم في إجهاد القص عبر تصميمات المفاعلات الحيوية المختلفة المستخدمة في إنتاج اللحوم المزروعة.
| نوع المفاعل الحيوي | نهج CFD | الاعتبار الرئيسي |
|---|---|---|
| خزان مقلوب | RANS (SST)، LES، LB-LES | تبدد الطاقة في منطقة المروحة (εMax) |
| موجة/تأرجح | حجم السائل (VOF) | تتبع واجهة الغاز-السائل |
| ألياف مجوفة | وسائط مسامية (Brinkman) | تدفق المغذيات ومقاومة الغشاء |
| سرير مميع | أويلر-لاغرانج | التفاعل بين الجسيمات والسائل، توسع السرير |
| رفع الهواء | أويلر-أويلر | الاضطراب من الفقاعات واحتجاز الغاز |
تسلط هذه الأساليب المختلفة لتحليل ديناميكيات السوائل الحسابية الضوء على الحاجة إلى استراتيجيات مخصصة، والتي تلعب دورًا حاسمًا في اختيار المعدات وإدارة إجهاد القص.
نماذج تقليص الحجم والتحقق التجريبي
بينما توفر ديناميكيات السوائل الحسابية (CFD) تنبؤات قيمة، لا يمكنها أن تحل محل الحاجة للاختبار الواقعي عند توسيع العمليات. يلعب التحقق التجريبي دورًا حاسمًا في ضمان أن النماذج الحسابية تمثل بدقة ظروف إجهاد القص في العالم الحقيقي. هنا تأتي نماذج تقليص الحجم، حيث تحاكي البيئة الهيدروديناميكية لمفاعلات الإنتاج الكبيرة في أنظمة أصغر وأسهل في الإدارة. من خلال القيام بذلك، تقلل من خطر الأخطاء المكلفة عند الانتقال من العمليات الصغيرة إلى العمليات الصناعية. هذه الخطوة لا تؤكد فقط تنبؤات CFD ولكنها تضمن أيضًا عملية توسيع أكثر موثوقية وفعالية.
إنشاء نماذج تقليص الحجم
يبدأ تصميم نموذج تقليص الحجم بالحفاظ على التشابه الهندسي.هذا يعني الحفاظ على نفس نسب الأبعاد بين المكونات الرئيسية، مثل نسبة ارتفاع الوعاء إلى القطر ونسبة قطر المحرك إلى قطر الخزان [11]. بمجرد محاذاة الهندسة، يختار المهندسون معيار التحجيم. تشمل الخيارات الشائعة الطاقة لكل حجم (P/V)، سرعة طرف المحرك، أو معدل تبديد الطاقة (EDR). ومع ذلك، فإن التركيز على EDR المحلي بدلاً من P/V المتوسط يوفر فهماً أفضل لتباين القص، وهو أمر حاسم للنمذجة الدقيقة.
يتضمن نهج أكثر تقدماً محاكيات متعددة المقصورات. على سبيل المثال، في فبراير 2021، طور إيمانويل أناني وفريقه محاكي تقليص ذو مقصورتين يجمع بين مفاعل خزان مقلوب (STR) ومفاعل تدفق سدادة (PFR). تم استخدام هذا النموذج لدراسة كيفية استجابة خلايا CHO لتدرجات الأكسجين المذاب. وكشفت أبحاثهم عن عتبة زمن إقامة حرجة تبلغ 90 ثانية.بعد هذه النقطة، أظهرت خلايا CHO انخفاضًا بنسبة 15% في كثافة الخلايا الحية وزيادة في تراكم اللاكتات [10]. يقدم هذا الاكتشاف معيارًا واضحًا لتصميم المفاعلات الحيوية الصناعية التي تحافظ على حيوية الخلايا.
لحماية نمو الخلايا، غالبًا ما يهدف المهندسون إلى الحفاظ على سرعات طرف المروحة أقل من 1.5 م/ث [1]. بالإضافة إلى ذلك، يجب أن يتجاوز طول الدوامة الدقيقة لكولموغوروف - وهو مقياس للاضطراب - حجم الخلايا، وعادة ما يكون 20 ميكرومتر أو أكثر للخلايا الثديية، لتجنب الضرر الهيدروديناميكي [1][3]. على سبيل المثال، عند إدخال طاقة بمقدار 0.1 واط/كجم في زراعة الخلايا الحيوانية، تكون أصغر الدوامات حوالي 60 ميكرومتر، مما يوفر حاجزًا آمنًا [3].
التحقق من صحة تنبؤات CFD من خلال التجارب
بمجرد وضع نموذج مصغر، تكون الأساليب التجريبية ضرورية للتحقق من صحة المعلمات المستمدة من CFD. تقنية تصوير الجسيمات بالسرعة (PIV) هي تقنية مستخدمة على نطاق واسع لهذا الغرض. من خلال تتبع الجسيمات في السائل، يساعد PIV في تأكيد ما إذا كانت أنماط التدفق وحقول السرعة في النموذج المصغر تتماشى مع تنبؤات CFD [12][4].
تُستخدم أيضًا طرق حقن المتتبع وإزالة اللون للتحقق من أوقات الخلط. في هذه العملية، يتم إدخال متتبعات مثل الأحماض أو القواعد أو محاليل الملح بالقرب من المروحة، ويتم مراقبة توزيعها حتى يتم تحقيق 95% من التجانس [12][3]. بالنسبة لمفاعلات الخلايا الثديية الكبيرة الحجم (5,000 لتر إلى 20,000 لتر)، تتراوح أوقات الخلط عادة من 80 إلى 180 ثانية [10].
في مارس 2020، نجح جيمس سكالي وفريقه في Regeneron Ireland DAC في توسيع عملية زراعة الخلايا من مفاعل حيوي بسعة 2,000 لتر إلى مفاعل حيوي للاستخدام الواحد بسعة 5,000 لتر وبهندسة مختلفة. اعتمدوا على CFD للتنبؤ بالمعايير الرئيسية مثل معدلات نقل الكتلة، وأوقات الخلط، ومعدلات القص. ثم تم التحقق من هذه التنبؤات من خلال تجارب أحادية الطور ومتعددة الأطوار، مما أتاح محاولة ناجحة للتوسع دون الحاجة إلى تجارب تجريبية واسعة النطاق [5].
"تُستخدم محاكاة CFD بشكل متزايد لتكملة التحقيقات الهندسية العملية الكلاسيكية في المختبر بنتائج محددة مكانياً وزمانياً، أو حتى استبدالها عندما لا تكون التحقيقات المختبرية ممكنة." - ستيفان سيدل، كلية علوم الحياة، ZHAW [12]
تشمل تقنيات التحقق الإضافية قياس العزم لتأكيد إدخال الطاقة المحدد (P/V) وأرقام الطاقة غير البعدية عند سرعات محرك التحريك المحددة [12][3]. يتم التحقق من معدلات نقل الأكسجين باستخدام طرق مثل تقنيات إزالة الغاز أو الكبريتات، والتي تحدد معامل نقل كتلة الأكسجين الحجمي (kLa) [12][7]. بالنسبة للأنظمة التي تستخدم الحاملات الدقيقة، يتم استخدام طرق التعتيم الضوئي أو الطرق القائمة على الكاميرا للعثور على السرعة الدنيا اللازمة لتعليق جميع الجسيمات، مما يضمن دقة توقعات CFD لتوزيع الطور الصلب [12][4].
sbb-itb-ffee270
العوامل التي تؤثر على إجهاد القص في المفاعلات الحيوية
لحماية حيوية الخلايا أثناء التوسع، من الضروري فهم العوامل الفيزيائية التي تقود إجهاد القص. تكشف التنبؤات باستخدام ديناميكيات السوائل الحسابية (CFD) والتحقق من صحة النماذج المصغرة أن معدل تبديد الطاقة (EDR) يلعب دورًا رئيسيًا. يقيس EDR كيفية تحويل الطاقة الحركية للمحرك إلى حرارة، مما يؤدي إلى توزيع غير متساوٍ للطاقة. على سبيل المثال، في المحركات ذات الشفرات المائلة، تميل الطاقة إلى التركيز حول المحرك، مما يخلق مناطق ذات إجهاد قص عالٍ يمكن أن تلحق الضرر بالخلايا إذا لم تتم إدارتها بشكل صحيح.
تصميم المحرك ومدخلات الطاقة
يؤثر نوع المحرك المستخدم بشكل كبير على أنماط التدفق وشدة القص. على سبيل المثال، تولد توربينات روشستون تدفقًا شعاعيًا وإجهاد قص عالٍ، مما يجعلها مثالية لتخمير الميكروبات ولكنها أقل ملاءمة للخلايا الثديية الحساسة للقص.من ناحية أخرى، تولد المراوح ذات الشفرات المائلة تدفقًا محوريًا مع قص أقل وكفاءة ضخ أفضل عند نفس مدخلات الطاقة. وهذا يجعلها الخيار المفضل للتطبيقات مثل إنتاج اللحوم المزروعة، حيث تكون صلاحية الخلايا أولوية.
| نوع المروحة | نمط التدفق | رقم الطاقة (Nₚ) | مستوى القص | التطبيق الأساسي |
|---|---|---|---|---|
| توربين روشون | شعاعي | ~5.0 | عالي | تخمير ميكروبي؛ تشتيت الغاز[3] |
| شفرات مائلة | محوري | ~1.0 | منخفض إلى معتدل | زراعة الخلايا الثديية؛ تعليق المواد الصلبة [3] |
غالبًا ما تعتمد استراتيجيات التدرج على الحفاظ على مدخل طاقة ثابت لكل وحدة حجم (P/V). ومع ذلك، مع زيادة حجم المفاعل، يمكن أن يؤدي ذلك إلى زيادة سرعات طرف المحرك. بالنسبة للخلايا الثديية، يجب أن تبقى سرعات الطرف أقل من 1.5 م/ث لتجنب مشاكل النمو [1]. في المفاعلات الكبيرة، يمكن أن يؤدي التهوية إلى إدخال إجهاد هيدروديناميكي أكبر من المحركات، خاصة في الأوعية التي تتجاوز 20 م³ [9]. ترتبط هذه العوامل ارتباطًا وثيقًا بالاضطراب، الذي يتم استكشافه بشكل أكبر في مناقشة مقياس كولموغوروف.
مقياس كولموغوروف ونمذجة الاضطراب
يحدد مقياس كولموغوروف (λ) حجم أصغر الدوامات المضطربة حيث تتبدد الطاقة كحرارة.إذا كانت هذه الدوامات أصغر من قطر الخلية، يصبح الضرر الميكانيكي مصدر قلق. بالنسبة للخلايا الثديية، التي يتراوح حجمها عادة بين 15-20 ميكرومتر، يجب أن يتجاوز طول الدوامة 20 ميكرومتر لتجنب الضرر [1][3]. على سبيل المثال، عند إدخال طاقة بمقدار 0.1 واط/كجم، يكون قطر دوامة كولموغوروف حوالي 60 ميكرومتر، مما يوفر هامش أمان [3].
"إذا كانت الكيانات البيولوجية (e.g، الخلايا الثديية) أصغر من λ [مقياس كولموغوروف] في مفاعل حيوي، فلن يحدث ضرر قص لهذه الكيانات." - محمد أرشد شودري [3]
في أغسطس 2024، استخدم باحثون من بوهرينجر إنجلهايم فارما وجامعة الكيمياء والتكنولوجيا في براغ محاكاة الدوامات الكبيرة باستخدام طريقة لاتيس-بولتزمان (LB-LES) للتحقق من صحة توقعات CFD في مفاعل حيوي صناعي بسعة 12,500 لتر.باستخدام تجمعات الجسيمات النانوية الحساسة للقص، قاموا بقياس أقصى إجهاد هيدروديناميكي وأظهروا أن LB-LES يمكن أن يحل المقاييس المضطربة 100–1,000 مرة أسرع من الطرق التقليدية [2]. هذه النتائج أساسية في تطوير استراتيجيات لتقليل إجهاد القص.
تقليل إجهاد القص باستخدام بيانات النمذجة
تمكن نمذجة CFD المهندسين من تحديد مناطق القص العالي وتعديل ظروف التشغيل وفقًا لذلك. إحدى الطرق الفعالة هي إدخال الركائز أو قواعد الأس الهيدروجيني أو مضادات الرغوة بالقرب من منطقة المروحة بدلاً من سطح السائل. يضمن ذلك التوزيع السريع ويقلل من تدرجات التركيز المحلية [3]. في إنتاج اللحوم المزروعة، يمكن أن يؤدي القص المفرط إلى فصل الخلايا عن الحاملات الدقيقة، بينما يؤدي التحريك غير الكافي إلى استقرار الحاملات الدقيقة واختلال التوازن الغذائي [9].
المضافات الواقية مثل Pluronic F-68 (Poloxamer 188) تُستخدم عادة لحماية الخلايا من قوى القص، خاصة تلك الناتجة عن انفجار الفقاعات على سطح السائل - وهو مساهم رئيسي في موت الخلايا في المفاعلات الحيوية [1]. مع هذه المواد الخافضة للتوتر السطحي، تم الإبلاغ عن مدخلات طاقة تصل إلى 100,000 واط/م³ دون تأثيرات قاتلة [1]. بالإضافة إلى ذلك، الحفاظ على سرعة دخول الغاز عند فتحة الموزع تحت 30 م/ث يساعد في تقليل خسائر الإنتاجية وموت الخلايا [1].
البحث عن معدات لتوسيع نطاق المفاعلات الحيوية
كيف Cellbase يدعم شراء المفاعلات الحيوية
يأتي توسيع نطاق المفاعلات الحيوية لإنتاج اللحوم المستزرعة مع مجموعة من التحديات الخاصة به. هنا يأتي دور
عند استخدام
يلعب التوسع الناجح للمفاعلات الحيوية المستخدمة في صناعة المستحضرات الصيدلانية الحيوية دورًا كبيرًا في جودة ووقت وصول هذه المنتجات إلى السوق [5].
من خلال الاستفادة من البيانات المدعومة بـ CFD، يمكن للفرق تبسيط اختيار المعدات وتقليل الحاجة إلى تكرار التجارب [5]. هذه الرؤى حاسمة لاختيار المفاعلات الحيوية المصممة مع مراعاة إدارة الإجهاد القصوى المثلى.
اختيار المعدات للتحكم في الإجهاد القصوى
للتحكم في الإجهاد القصوى بشكل فعال، فإن بعض مواصفات المعدات مهمة بشكل خاص. هندسة المروحة هي عامل رئيسي. على سبيل المثال، تولد المراوح ذات الشفرات المائلة تدفقًا محوريًا مع رقم قدرة (Np) يبلغ حوالي 1.0، بينما تمتلك توربينات روشون رقم قدرة أعلى بكثير يبلغ حوالي 5.0.هذا يعني أن تصميمات الشفرات المائلة تنتج طاقة أقل بشكل كبير، وبالتالي، قص أقل عند نفس السرعة الدورانية [3]. بالنسبة للتطبيقات التي تتضمن خلايا الثدييات المستخدمة في اللحوم المزروعة، من الضروري الحفاظ على سرعة طرف المروحة أقل من 1.5 م/ث لتجنب تلف الخلايا [1].
تكوين الموزع هو اعتبار حاسم آخر. لمنع القص المفرط، يجب أن يضمن الجهاز أن سرعة دخول الغاز عند فتحة الموزع تبقى تحت 30 م/ث، وأن يبقى رقم رينولدز للفتحة أقل من 2,000. تجاوز هذه الحدود يمكن أن يؤدي إلى "نظام النفث"، حيث تتشتت الفقاعات بشكل غير متساو وتخلق مناطق قص محلية [1]. الموزعات ذات الثقوب المثقوبة أو الأنابيب المفتوحة تكون أكثر ملاءمة للخلايا الحساسة للقص مقارنة بالموزعات الدقيقة. بالإضافة إلى ذلك، يجب أن يدعم الجهاز التوافق مع تقليل الحجم. الموردون الذين يقدمون نماذج سطح المكتب (e.g., أنظمة 3 لتر) التي تشبه هندسيًا الأنظمة الكبيرة (2000 لتر أو أكثر) تسمح للفرق بالتحقق من صحة توقعات CFD على نطاق أصغر قبل الانتقال إلى الإنتاج الكامل [1][2].
الخاتمة
يتطلب توسيع المفاعلات الحيوية لإنتاج اللحوم المستزرعة الابتعاد عن طرق التجربة والخطأ التقليدية واعتماد استراتيجيات تعتمد على النماذج لمعالجة الفروقات في القص الموضعي. أصبحت ديناميكيات السوائل الحسابية (CFD) أداة رئيسية في هذه العملية، مما يسمح للمهندسين بتوقع البيئات الهيدروديناميكية وتصور مناطق القص بما يتجاوز نسب الطاقة لكل حجم بسيطة [1]. من خلال الالتزام بالمعايير الحرجة - مثل الحفاظ على أطوال دوامات كولموغوروف فوق 20 ميكرومتر وسرعات طرف المحرك تحت 1.5 م/ث - يمكن للمهندسين حماية الخلايا الثديية من أضرار القص مع ضمان الخلط المناسب ونقل الأكسجين [1].
أظهرت الأساليب الحسابية المتقدمة، مثل محاكاة الدوامات الكبيرة (LES) وتقنيات لاتيس بولتزمان، فعاليتها في توسيع العمليات. على سبيل المثال، في مارس 2020، نجحت شركة Regeneron Ireland DAC في توسيع عملية زراعة الخلايا من مفاعل حيوي بسعة 2,000 لتر إلى نظام استخدام واحد بسعة 5,000 لتر ومختلف هندسيًا في المحاولة الأولى. تم تحقيق ذلك باستخدام توقعات CFD متعددة المعايير، مما ألغى الحاجة إلى تجارب مادية واسعة النطاق [5]. لا تقلل هذه الاستراتيجية "الصحيحة من المرة الأولى" من مخاطر التلوث فحسب، بل تقصر أيضًا الوقت اللازم للوصول إلى السوق - وهو أمر حاسم لقطاع اللحوم المزروعة.
تؤكد طرق التحقق التجريبية، مثل قياس سرعة الجسيمات بالصور (PIV)، دقة نماذج CFD [2]. تلعب هذه النماذج التي تم التحقق منها الآن دورًا حيويًا في قرارات الشراء.تستفيد شركات مثل
الأسئلة الشائعة
كيف تدعم ديناميكيات السوائل الحسابية (CFD) توسيع نطاق المفاعلات الحيوية لإنتاج اللحوم المزروعة؟
تعتبر ديناميكيات السوائل الحسابية (CFD) تغييرًا جذريًا عندما يتعلق الأمر بتوسيع نطاق المفاعلات الحيوية للحوم المزروعة. فهي توفر فهماً عميقاً لـ ديناميكيات التدفق، إجهاد القص، كفاءة الخلط، ومعدلات نقل الكتلة - جميعها عوامل حاسمة لخلق البيئة المثالية لنمو الخلايا.
باستخدام CFD، يمكن للمهندسين تحسين العناصر الأساسية مثل تصميم الدفاعة، سرعة التحريك، وتوزيع الغاز. يضمن ذلك أن تعمل المفاعلات الحيوية في أفضل الظروف الممكنة، مما يحمي صحة الخلايا والإنتاجية.
علاوة على ذلك، يجعل CFD من الممكن الانتقال من إعدادات المختبر الصغيرة إلى المفاعلات الحيوية الصناعية الكبيرة دون التضحية بالكفاءة أو التناسق. وهذا يعني أن إنتاج اللحوم المزروعة يمكن أن يتوسع بسلاسة مع الحفاظ على معايير عالية.
ما الذي يجعل محاكاة الدوامات الكبيرة (LES) أفضل من الطرق التقليدية لنمذجة المفاعلات الحيوية؟
توفر محاكاة الدوامات الكبيرة (LES) نظرة أعمق وأكثر دقة في تدفق الاضطراب داخل المفاعلات الحيوية مقارنة بالطرق التقليدية مثل متوسطات رينولدز-نافيير-ستوكس (RANS).من خلال التركيز على الدوامات الكبيرة ونمذجة الحركات التبديدية الصغيرة فقط، يمكن لـ LES تحديد النقاط الحرجة للإجهاد القصي، مثل المناطق ذات القص العالي الناتج عن الدوامات، التي قد يتم التغاضي عنها. يلعب هذا المستوى من التفاصيل دورًا رئيسيًا في تقليل تلف الخلايا وضمان موثوقية أكبر عند توسيع إنتاج اللحوم المزروعة.
على عكس الأساليب التي تعتمد بشكل كبير على الارتباطات التجريبية، تقدم LES قدرات تنبؤية أقوى عند الانتقال من المفاعلات الحيوية على نطاق المختبر إلى النطاق الصناعي. كما أن التقدم في التقنيات الحاسوبية جعل LES أكثر سهولة، مما يسمح بمحاكاة مفصلة دون الحاجة إلى موارد حاسوبية باهظة. بالنسبة للشركات التي تهدف إلى دمج التصاميم المدفوعة بـ LES،
لماذا من المهم الحفاظ على أطوال دوامات كولموغوروف فوق 20 ميكرومتر للحفاظ على حيوية الخلايا الثديية؟
الحفاظ على أطوال دوامات كولموغوروف فوق حوالي 20 ميكرومتر أمر بالغ الأهمية لحماية الخلايا الثديية أثناء عمليات المفاعل الحيوي. عندما تتقلص هذه الدوامات المضطربة إلى ما دون حجم الخلايا، يمكن أن تعرض الخلايا لإجهاد قص مفرط، مما يعرض أغشيتها للتلف ويقلل من حيوية الخلايا.
الحفاظ على أصغر الهياكل المضطربة أكبر من الخلايا يساعد في تقليل فرص التلف الميكانيكي. هذا لا يعزز فقط ثقافات الخلايا الأكثر صحة ولكنه يعزز أيضًا الأداء العام للمفاعل الحيوي. تصبح هذه الاعتبارات أكثر أهمية أثناء تكبير المفاعل الحيوي، حيث يصبح ضمان ظروف إجهاد القص المتسقة أكثر صعوبة بشكل ملحوظ.
