הגדלת ביוריאקטורים לייצור בשר מתורבת היא מורכבת, במיוחד כאשר מתמודדים עם מתח גזירה, כוח מכני שיכול לפגוע בתאי יונקים במהלך הגדלה. בניגוד לתאים מיקרוביאליים, תאי יונקים הם עדינים ורגישים לכוחות מערבול ואוורור. כאשר מתח הגזירה עולה על 3 Pa, תאים יכולים להיקרע, מה שמפחית את החיות והתפוקה.
כדי להתמודד עם אתגרים אלו, מהנדסים מסתמכים על דינמיקת נוזלים חישובית (CFD) ומודלים בקנה מידה קטן כדי לחזות ולנהל מתח גזירה לפני ייצור בקנה מידה מלא. CFD מנתח דפוסי זרימה, אזורי גזירה ויעילות ערבוב בביאוריאקטורים, בעוד שמודלים בקנה מידה קטן מאמתים תחזיות אלו באופן ניסיוני, וממזערים סיכונים במהלך הגדלה.
נקודות מפתח:
- גבולות מתח גזירה: תאי יונקים סובלים עד 3 Pa; חריגה מכך פוגעת בתאים.
- כלי CFD: שיטות מתקדמות כמו סימולציות Large Eddy (LES) וסימולציות Lattice-Boltzmann (LB-LES) מאפשרות דגמים מדויקים של זרימה וטורבולנציה.
- מודלים מוקטנים: אלו משחזרים תנאים של ביוריאקטורים גדולים בהתקנים קטנים יותר כדי לאמת תחזיות CFD.
-
שיקולי עיצוב:
- השתמשו במערבלים עם להבים בזווית נמוכה כדי להפחית גזירה.
- שמרו על אורכי מערבולת קולמוגורוב מעל 20 μm כדי למנוע נזק לתאים.
- שמרו על מהירויות קצה מערבל מתחת ל-1.5 m/s.
על ידי שילוב תובנות CFD עם אימות ניסיוני, צוותים יכולים לייעל עיצובים של ביוריאקטורים לייצור בשר מתורבת, להבטיח הישרדות תאים והגדלה יעילה.
מצפן CFD | שיטות עבודה מומלצות עבור CFD של ביוריאקטורים
שימוש בדינמיקת נוזלים חישובית (CFD) למידול מאמץ גזירה
גישות CFD ופרמטרים מרכזיים עבור סוגי ביוריאקטורים שונים בייצור בשר מתורבת
סימולציות CFD מספקות למהנדסים כלים למיפוי דינמיקת נוזלים וכוחות גזירה בתוך ביוריאקטורים לפני שהם נבנים פיזית. במקום להסתמך על שיטות ניסוי וטעייה בקנה מידה ייצור, CFD מסייע לחזות גורמים קריטיים כמו אזורי גזירה גבוהה, מערבולות טורבולנטיות וחיות תאים בחלקים ספציפיים של הכלי. זה חשוב במיוחד בייצור בשר מתורבת, שבו קנה המידה של הביוריאקטורים עשוי להגיע ל-200,000 ליטר - הרבה יותר גדול מכלי ביופרמצבטיקה מסורתיים [8]. תובנות חיזוי אלו מנחות ניסויים בקנה מידה קטן ומשפיעות על בחירת הציוד.
ההתפתחות של טכניקות חישוביות הייתה מרשימה. בעוד שמודלים של ריינולדס-ממוצע נאוויר-סטוקס (RANS), כמו k-ε, נשארים בשימוש נרחב בתעשייה, שיטות מתקדמות כמו סימולציות מערבולות גדולות (LES) וסימולציות לאטיס-בולצמן מונעות GPU (LB-LES) דוחפות את הגבולות. לפי פרופסור מירוסלב סוס מהאוניברסיטת הכימיה והטכנולוגיה פראג, LB-LES מבוסס GPU יכול לפתור מודלים "פי 100 עד 1,000 מהר יותר מאשר פותרי שיטת נפח סופי הנמצאים בשימוש נפוץ" [2]. יתרון המהירות הזה מאפשר למהנדסים לדמות כלי ענק בדיוק הנדרש כדי לזהות מערבולות המזיקות לתאים.
דוגמה מעשית ליכולות של CFD מגיעה מחוקרים בRegeneron Ireland DAC וThermo Fisher Scientific. הם הצליחו להגדיל תהליך תרבית תאים מביו-ריאקטור של 2,000 ליטר לביו-ריאקטור חד-פעמי של 5,000 ליטר עם גיאומטריה שונה.במקום להסתמך על היברידים אמפיריים, הם השתמשו ב-CFD כדי לנתח פרמטרים כמו שיעורי העברת מסה, זמני ערבוב ושיעורי גזירה. גישה זו אפשרה הגדלה מוצלחת בניסיון הראשון, תוך הימנעות מכישלונות יקרים הקשורים לעיתים קרובות להגדלה המבוססת על יחס כוח לנפח [5].
הגדרת CFD לביוראקטורים עם מיכל מעורבל
כדי להגדיר CFD לביוראקטורים עם מיכל מעורבל, התחילו בהגדרת גיאומטריית הכלי - זה כולל את ממדי המיכל, עיצוב המערבל (e.g., Rushton או להב משופע), ומיקום המחסומים. בחירת המודל הנכון של מערבולת היא קריטית: מודל k-ε הממומש עובד היטב עבור מערכות גז-נוזל, בעוד ש-LB-LES מציע רזולוציה גבוהה יותר לזיהוי לחצים שיא שיכולים להזיק לתאים. מחקר התכנסות רשת מבטיח שהתוצאות אינן תלויות בגודל הרשת.
תנאי הגבול חייבים לשקף פרמטרים תפעוליים בעולם האמיתי, כגון מהירות האימפלר, שיעורי הזרקת גז, צפיפות הנוזל וצמיגות. עבור יישומי בשר מתורבת, מודלים שמרניים של גרירת בועות משמשים לעיתים קרובות להערכת מאמץ הגזירה [8]. המערכת צריכה לפעול במשטר טורבולנטי מלא, עם מספרי ריינולדס העולים על 10,000 כדי להבטיח שמספר הכוח יישאר עקבי ללא קשר למהירות האימפלר [1].
תחזיות CFD להעברת חמצן, זמני ערבוב ולחץ הידרודינמי צריכות להתאים לנתונים ניסיוניים שנאספו באמצעות מיקרו-פרובים רגישים לגזירה או אגרגטים של ננו-חלקיקים [2]. לדוגמה, מודל מתמטי להעברת מסה הנחה את ההגדלה הישירה של תהליך תרבית תאי CHO מיחידת שולחן עבודה של 2 ליטר לביוראקטור תעשייתי של 1,500 ליטר ב-Sartorius.על ידי שימוש ב-CFD לחיזוי דרישת חמצן והסרת CO₂, הצוות שמר על תכונות איכות מוצר עקביות - כגון N-glycans וגרסאות מטען - בכל הסקאלות [6].
CFD עבור סוגי ביוריאקטורים אחרים
בעוד שמיכלים מעורבלים שולטים בתרבות תאים תעשייתית, עיצובים אחרים של ביוריאקטורים דורשים גישות CFD מותאמות. לדוגמה, ביוריאקטורים מתנדנדים או גלים מסתמכים על שיטת Volume of Fluid (VOF) כדי לדמות את הממשק גז-נוזל, שכן תנועת הגל מניעה מתח גזירה במערכות אלו. עיצובים אלו יוצרים סביבות גזירה עדינות בהרבה - המתח המרבי הוא כ-0.01 Pa בהשוואה למיכלים מעורבלים - אך יכולת ההרחבה שלהם מוגבלת לייצור בשר מתורבת בקנה מידה גדול [4].
ביוריאקטורים עם סיבים חלולים, לעומת זאת, משתמשים במודלים של מדיה נקבובית המבוססים על משוואות ברינקמן כדי לדמות דיפוזיית חומרים מזינים והתנגדות לזרימה דרך ממברנות.מערכות מיטות נוזליות דורשות מודלים של אולר-לגרנז' כדי ללכוד אינטראקציות בין חלקיקים לנוזל והתרחבות המיטה, בעוד שביו-ריאקטורים מסוג איירליפט משתמשים בשיטות אולר-אולר כדי לנתח מערבולת הנגרמת על ידי בועות והחזקת גז [4]. כל עיצוב מגיע עם אתגרים ייחודיים: מיטות נוזליות חייבות לאזן את הפצת המיקרונשאים כנגד חשיפה לגזירה, בעוד שמערכות איירליפט צריכות לנהל לחצים הנגרמים על ידי פיצוץ בועות, סיבה מובילה למוות תאי בביו-ריאקטורים עם הזרקת גז [1] [7].
הבנת גישות CFD אלו חיונית לשליטה בלחץ הגזירה בעיצובים שונים של ביו-ריאקטורים המשמשים בייצור בשר מתורבת.
| סוג ביוריאקטור | גישת CFD | שיקול מרכזי |
|---|---|---|
| מיכל מעורבל | RANS (SST), LES, LB-LES | פיזור אנרגיה באזור המדחף (εMax) |
| גל/נדנוד | נפח נוזל (VOF) | מעקב אחר ממשק גז-נוזל |
| סיב חלול | מדיה נקבובית (ברינקמן) | זרימת חומרים והתנגדות ממברנה |
| מיטה נוזלית | אילר-לגרנז' | אינטראקציה בין חלקיקים לנוזל, התפשטות המיטה |
| איירליפט | אילר-אילר | מערבולות מבועות והחזקת גז |
שיטות CFD מגוונות אלו מדגישות את הצורך באסטרטגיות מותאמות אישית, אשר משחקות תפקיד קריטי בבחירת ציוד וניהול מאמץ גזירה.
htmlמודלים מוקטנים ואימות ניסיוני
בעוד שדינמיקה חישובית של נוזלים (CFD) מספקת תחזיות חשובות, היא אינה יכולה להחליף את הצורך בבדיקות בעולם האמיתי כאשר מגדילים תהליכים. אימות ניסיוני משחק תפקיד מכריע בהבטחת שהמודלים החישוביים מייצגים במדויק את תנאי הלחץ הגזירה בעולם האמיתי. כאן נכנסים לתמונה המודלים המוקטנים, המדמים את הסביבה ההידרודינמית של ביוריאקטורים גדולים במערכות קטנות יותר וקלות לניהול. בכך הם מפחיתים את הסיכון לטעויות יקרות כאשר עוברים מהיקף קטן להיקף תעשייתי. שלב זה לא רק מאשר את תחזיות ה-CFD אלא גם מבטיח תהליך הגדלה אמין ויעיל יותר.
יצירת מודלים מוקטנים
תכנון מודל מוקטן מתחיל בשמירה על דמיון גיאומטרי.
זה אומר לשמור על אותם יחסי גובה בין רכיבים מרכזיים, כמו גובה הכלי לקוטר וקוטר המערבל לקוטר המיכל [11]. לאחר שהגיאומטריה מיושרת, מהנדסים בוחרים קריטריון סקיילינג. בחירות נפוצות כוללות כוח לנפח (P/V), מהירות קצה המערבל, או קצב פיזור אנרגיה (EDR). עם זאת, התמקדות ב-EDR מקומי במקום ב-P/V ממוצע מספקת הבנה טובה יותר של הטרוגניות הגזירה, שהיא קריטית למידול מדויק.
גישה מתקדמת יותר כוללת סימולטורים מרובי תאים. לדוגמה, בפברואר 2021, עמנואל אננה וצוותו פיתחו סימולטור סקייל-דאון דו-תאי המשלב ריאקטור טנק מעורבל (STR) וריאקטור זרימה תקעית (PFR). מודל זה שימש לחקר כיצד תאי CHO מגיבים למדרגות חמצן מומס. המחקר שלהם חשף סף זמן שהייה קריטי של 90 שניות.
מעבר לנקודה זו, תאי CHO הראו ירידה של 15% בצפיפות התאים החיוניים ועלייה בהצטברות הלקטט [10]. ממצא זה מציע נקודת ייחוס ברורה לתכנון ביוריאקטורים תעשייתיים השומרים על חיות התאים.כדי להגן על צמיחת התאים, מהנדסים שואפים לעיתים קרובות לשמור על מהירות קצה האימפלר מתחת ל-1.5 מ'/שנייה [1]. בנוסף, אורך המיקרו-אדי של קולמוגורוב - מדד לטורבולנציה - צריך לעלות על גודל התאים, בדרך כלל 20 מיקרומטר או יותר עבור תאים יונקים, כדי להימנע מנזק הידרודינמי [1][3]. לדוגמה, בהכנסת אנרגיה של 0.1 W/kg בתרביות תאים של בעלי חיים, האדים הקטנים ביותר הם בסביבות 60 מיקרומטר, מה שמספק חיץ בטוח [3].
אימות תחזיות CFD באמצעות ניסויים
לאחר שמודל מוקטן נמצא במקום, שיטות ניסוי חיוניות לאימות הפרמטרים שהופקו מ-CFD. Velocimetry תמונת חלקיקים (PIV) היא טכניקה נפוצה למטרה זו. על ידי מעקב אחר חלקיקים בנוזל, PIV עוזר לאשר האם דפוסי הזרימה ושדות המהירות במודל המוקטן תואמים את תחזיות ה-CFD [12][4].
שיטות הזרקת עקבות והפחתת צבע משמשות גם לאימות זמני ערבוב. בתהליך זה, עקבות כמו חומצות, בסיסים או תמיסות מלח מוחדרות ליד המניע, והפצתן מנוטרת עד להשגת הומוגניות של 95% [12][3]. עבור ביוריאקטורים של תאי יונקים בקנה מידה גדול (5,000 ליטר עד 20,000 ליטר), זמני הערבוב נעים בדרך כלל בין 80 ל-180 שניות [10].
במרץ 2020, ג'יימס סקאלי והצוות שלו ב-Regeneron Ireland DAC הצליחו להגדיל תהליך תרבית תאים מביו-ריאקטור של 2,000 ליטר לביו-ריאקטור חד-פעמי של 5,000 ליטר עם גיאומטריה שונה. הם הסתמכו על CFD כדי לחזות פרמטרים מרכזיים כמו שיעורי העברת מסה, זמני ערבוב ושיעורי גזירה. תחזיות אלו אושרו לאחר מכן באמצעות ניסויים חד-שלביים ורב-שלביים, מה שאיפשר ניסיון ראשון מוצלח להגדלה ללא צורך בהרצות פיילוט בקנה מידה גדול [5].
"סימולציות CFD משמשות יותר ויותר להשלמת חקירות הנדסת תהליכים קלאסיות במעבדה עם תוצאות מרחביות וזמניות, או אפילו להחליפן כאשר חקירות מעבדה אינן אפשריות." - Stefan Seidel, School of Life Sciences, ZHAW [12]
טכניקות אימות נוספות כוללות מדידת מומנט לאישור קלט כוח ספציפי (P/V) ומספרי כוח חסרי ממד במהירויות ערבוב ספציפיות [12][3]. שיעורי העברת חמצן מאומתים באמצעות שיטות כמו טכניקות גז-אאוט או סולפיט, הקובעות את מקדם העברת המסה של חמצן בנפח (kLa) [12][7]. עבור מערכות המשתמשות במיקרונשאים, נעשה שימוש בשיטות עמעום אור או מבוססות מצלמה כדי למצוא את המהירות המינימלית הנדרשת להשעיית כל החלקיקים, כדי להבטיח שהתחזיות של CFD לגבי התפלגות המוצקים מדויקות [12][4].
sbb-itb-ffee270
גורמים המשפיעים על מאמץ גזירה בביו-ריאקטורים
כדי להגן על חיות התאים במהלך הגדלה, הבנת הגורמים הפיזיים המניעים מאמץ גזירה היא קריטית. תחזיות דינמיקה חישובית של נוזלים (CFD) ואימותים בקנה מידה קטן מגלים כי קצב פיזור האנרגיה (EDR) משחק תפקיד מרכזי. EDR מודד כיצד אנרגיה קינטית של מערבל מומרת לחום, מה שמוביל לחלוקת אנרגיה לא אחידה. לדוגמה, במערבלים עם להבים בזווית, האנרגיה נוטה להתרכז סביב המערבל, ויוצרת אזורים של מאמץ גזירה גבוה שיכולים לפגוע בתאים אם לא מנוהלים כראוי.
עיצוב מערבל והכנסת כוח
סוג המערבל המשמש משפיע באופן משמעותי על דפוסי הזרימה ועוצמת הגזירה. טורבינות ראשטון, למשל, מייצרות זרימה רדיאלית ומאמץ גזירה גבוה, מה שהופך אותן לאידיאליות לתסיסה מיקרוביאלית אך פחות מתאימות לתאים יונקים רגישים לגזירה.מצד שני, מערבלים עם להבים בזווית יוצרים זרימה צירית עם גזירה נמוכה ויעילות שאיבה טובה יותר באותו קלט כוח. זה הופך אותם לבחירה המועדפת ליישומים כמו ייצור בשר מתורבת, שבו חיות התאים היא בעדיפות.
| סוג מערבל | תבנית זרימה | מספר כוח (Nₚ) | רמת גזירה | יישום ראשי |
|---|---|---|---|---|
| טורבינת ראשטון | רדיאלי | ~5.0 | גבוהה | תסיסה מיקרוביאלית; פיזור גזים[3] |
| להבים בזווית | צירי | ~1.0 | נמוך עד בינוני | תרבית תאים יונקים; השעיית מוצקים [3] |
אסטרטגיות הגדלה לעיתים קרובות מסתמכות על שמירה על קלט כוח קבוע לנפח (P/V). עם זאת, ככל שגודל הריאקטור גדל, זה יכול להוביל למהירויות קצה גבוהות יותר של מערבלים. עבור תאים יונקים, מהירויות קצה צריכות להישאר מתחת ל-1.5 m/s כדי להימנע מבעיות גדילה [1]. בריאקטורים בקנה מידה גדול, אוורור יכול להכניס אפילו יותר לחץ הידרודינמי מאשר מערבלים, במיוחד בכלים העולים על 20 מ"ק [9]. גורמים אלו קשורים קשר הדוק לטורבולנציה, הנחקרת בהמשך בדיון על סולם קולמוגורוב.
סולם קולמוגורוב ודוגמנות טורבולנציה
סולם קולמוגורוב (λ) מגדיר את גודל המערבולות הטורבולנטיות הקטנות ביותר שבהן האנרגיה מתפזרת כחום.אם מערבולות אלו קטנות מקוטר התא, נזק מכני הופך לדאגה. עבור תאים יונקים, אשר בדרך כלל בגודל של 15–20 μm, אורך המערבולת חייב לעלות על 20 μm כדי למנוע נזק [1][3]. לדוגמה, בהכנסת אנרגיה של 0.1 W/kg, קוטר מערבולת קולמוגורוב הוא כ-60 μm, מה שמספק מרווח בטוח [3].
"אם ישויות ביולוגיות (e.g., תאים יונקים) קטנות מ-λ [סולם קולמוגורוב] בביו-ריאקטור, אז נזק גזירה לישויות אלו לא יתרחש." - מוחמד ארשד צ'אודרי [3]
באוגוסט 2024, חוקרים מ-בוהרינגר אינגלהיים פארמה ואוניברסיטת הכימיה והטכנולוגיה בפראג השתמשו בסימולציות מערבולת גדולה של לאטיס-בולצמן (LB-LES) כדי לאמת תחזיות CFD בביו-ריאקטור תעשייתי של 12,500 ליטר.באמצעות אגרגטים של ננו-חלקיקים רגישים לגזירה, הם מדדו את המתח ההידרודינמי המרבי והדגימו כי LB-LES יכול לפתור סולמות טורבולנטיים 100–1,000 פעמים מהר יותר מאשר שיטות מסורתיות [2]. ממצאים אלו הם קריטיים בפיתוח אסטרטגיות למזעור מתח גזירה.
הפחתת מתח גזירה באמצעות נתוני מודלים
מודלים CFD מאפשרים למהנדסים לזהות אזורים בעלי גזירה גבוהה ולהתאים את תנאי ההפעלה בהתאם. גישה יעילה אחת היא להכניס מצעים, בסיסי pH או אנטיפומים ליד אזור האימפלר ולא על פני השטח של הנוזל. זה מבטיח הפצה מהירה ומזעור גרדיאנטים של ריכוז מקומי [3]. בייצור בשר מתורבת, גזירה מופרזת יכולה לנתק תאים ממיקרונשאים, בעוד שערבוב לא מספיק מוביל לשקיעת מיקרונשאים ולאי-איזון תזונתי [9].
תוספים מגנים כמו Pluronic F-68 (Poloxamer 188) משמשים בדרך כלל להגנה על תאים מכוחות גזירה, במיוחד אלו הנגרמים מפיצוץ בועות על פני השטח של הנוזל - גורם מרכזי למוות תאי בביו-ריאקטורים [1]. עם סורפקטנטים אלו, דווח על כניסות אנרגיה גבוהות עד 100,000 W/m³ ללא השפעות קטלניות [1]. בנוסף, שמירה על מהירות כניסת הגז בפתח הספארגר מתחת ל-30 m/s מסייעת להפחתת אובדן פרודוקטיביות ותמותת תאים [1].
מציאת ציוד להגדלת קנה מידה של ביו-ריאקטור
כיצד Cellbase תומך ברכישת ביו-ריאקטורים
הגדלת קנה מידה של ביו-ריאקטורים לייצור בשר מתורבת מגיעה עם סט אתגרים משלה. כאן
בעת השימוש ב-
ההצלחה בהגדלת הביוראקטורים המשמשים בתעשיית הביופרמצבטיקה משחקת תפקיד גדול באיכות ובזמן ההגעה לשוק של מוצרים אלו [5].
על ידי ניצול נתונים מגובים ב-CFD, צוותים יכולים לייעל את בחירת הציוד ולמזער את הצורך בהרצות ניסוי חוזרות [5]. תובנות אלו הן קריטיות לבחירת ביוראקטורים שתוכננו עם ניהול אופטימלי של מאמץ גזירה בראש.
בחירת ציוד לשליטה במאמץ גזירה
כדי לשלוט במאמץ גזירה בצורה יעילה, מפרטים מסוימים של הציוד הם חשובים במיוחד. גיאומטריית מערבל היא גורם מפתח. לדוגמה, מערבלים עם להבים בזווית יוצרים זרימה צירית עם מספר כוח (Np) של בערך 1.0, בעוד שלטורבינות רוסטן יש Np גבוה בהרבה של כ-5.0. משמעות הדבר היא שעיצובים עם להבים מוטים מייצרים פחות כוח באופן משמעותי, ולכן פחות גזירה באותה מהירות סיבוב [3]. עבור יישומים הכוללים תאי יונקים המשמשים בבשר מתורבת, שמירה על מהירות קצה המאיץ מתחת ל-1.5 מ'/שנייה היא חיונית כדי למנוע נזק לתאים [1].
תצורת מפזר היא שיקול קריטי נוסף. כדי למנוע גזירה מופרזת, הציוד צריך להבטיח שמהירות כניסת הגז בפתח המפזר תישאר מתחת ל-30 מ'/שנייה, ומספר ריינולדס של הפתח יישאר מתחת ל-2,000. חריגה מספים אלו עלולה להוביל ל"משטר סילון", שבו בועות מתפזרות באופן לא אחיד ויוצרות אזורי גזירה מקומיים [1]. מפזרים עם חורים קדוחים או צינורות פתוחים מתאימים יותר לתאים רגישים לגזירה בהשוואה למיקרומפזרים. בנוסף, הציוד צריך לתמוך בהתאמה להקטנה. ספקים המציעים דגמים לשולחן עבודה (e.g., מערכות של 3 ליטר) שהן דומות גיאומטרית למערכות בקנה מידה גדול (2,000 ליטר או יותר) מאפשרות לצוותים לאמת תחזיות CFD בקנה מידה קטן יותר לפני המעבר לייצור בקנה מידה מלא [1][2].
סיכום
הגדלת ביוריאקטורים לייצור בשר מתורבת דורשת מעבר משיטות ניסוי וטעייה מסורתיות ואימוץ אסטרטגיות מונחות מודל כדי להתמודד עם הבדלים מקומיים בגזירה. דינמיקת נוזלים חישובית (CFD) הפכה לכלי מפתח בתהליך זה, המאפשרת למהנדסים לחזות סביבות הידרודינמיות ולראות אזורי גזירה מעבר ליחסי כוח-לנפח פשוטים [1]. על ידי שמירה על פרמטרים קריטיים - כמו שמירה על אורכי מערבולת קולמוגורוב מעל 20 מיקרומטר ומהירויות קצה מערבל מתחת ל-1.5 מטר לשנייה - מהנדסים יכולים להגן על תאי יונקים מפני נזקי גזירה תוך הבטחת ערבוב והעברת חמצן נכונים [1].
שיטות חישוב מתקדמות, כגון סימולציה של מערבולת גדולה (LES) וטכניקות לאטיס-בולצמן, הוכיחו את יעילותן בהגדלת תהליכים. לדוגמה, במרץ 2020, Regeneron Ireland DAC הצליחה להגדיל תהליך תרבית תאים מביו-ריאקטור של 2,000 ליטר למערכת חד-פעמית של 5,000 ליטר בעלת גיאומטריה שונה בניסיון הראשון. זה הושג באמצעות תחזיות CFD מרובות פרמטרים, מה שהעלים את הצורך בניסויים פיזיים נרחבים [5]. אסטרטגיית "הצלחה מהפעם הראשונה" זו לא רק מפחיתה את הסיכונים לזיהום אלא גם מקצרת את הזמן לשוק - קריטי עבור מגזר הבשר המתורבת.
שיטות אימות ניסיוניות, כגון וולוצימטריית תמונת חלקיקים (PIV), מאשרות עוד את הדיוק של מודלים CFD [2]. מודלים מאומתים אלו משחקים כעת תפקיד מכריע בהחלטות רכש. חברות כמו
שאלות נפוצות
כיצד תומכת דינמיקת נוזלים חישובית (CFD) בהגדלת קנה המידה של ביוריאקטורים לייצור בשר מתורבת?
דינמיקת נוזלים חישובית (CFD) היא משנה משחק בכל הנוגע להגדלת קנה המידה של ביוריאקטורים לבשר מתורבת. היא מספקת הבנה מעמיקה של דינמיקת זרימה, מתח גזירה, יעילות ערבוב, ו-קצבי העברת מסה - כל אלה גורמים קריטיים ליצירת הסביבה האידיאלית לצמיחת תאים.
htmlעם CFD, מהנדסים יכולים לייעל אלמנטים חיוניים כמו עיצוב אימפלר, מהירות ערבוב, והזרקת גז. זה מבטיח שהביוריאקטורים פועלים בתנאים הטובים ביותר האפשריים, תוך שמירה על בריאות התאים ופרודוקטיביות.
יתרה מזאת, CFD מאפשר מעבר מהתקנות מעבדה קטנות לביוריאקטורים בקנה מידה תעשייתי גדול מבלי לפגוע ביעילות או בעקביות. זה אומר שייצור בשר מתורבת יכול להתרחב בצורה חלקה תוך שמירה על סטנדרטים גבוהים.
מה הופך את Large Eddy Simulations (LES) לטובים יותר משיטות מסורתיות למידול ביוריאקטורים?
Large Eddy Simulations (LES) מספקים מבט עמוק ומדויק יותר על זרימה טורבולנטית בתוך ביוריאקטורים בהשוואה לשיטות מסורתיות כמו Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS).על ידי התמקדות באדיז בקנה מידה גדול ודימוי רק של התנועות המפזרות הקטנות ביותר, LES יכול לזהות נקודות חמות קריטיות של מאמץ גזירה, כמו אזורים בעלי גזירה גבוהה הנגרמים על ידי מערבולות, שעלולים להיעלם מעיניהם. רמת פירוט זו משחקת תפקיד מרכזי בהפחתת נזק לתאים ובהבטחת אמינות גבוהה יותר בעת הגדלת ייצור בשר מתורבת.
בניגוד לשיטות התלויות במידה רבה בקורלציות אמפיריות, LES מציע יכולות חיזוי חזקות יותר כאשר עוברים מביו-ריאקטורים בקנה מידה מעבדתי לקנה מידה תעשייתי. התקדמות בטכניקות חישוביות הפכו גם את LES לנגיש יותר, ומאפשרות סימולציות מפורטות ללא צורך במשאבים חישוביים יקרים. עבור עסקים השואפים לשלב עיצובים מונעי LES,
מדוע חשוב לשמור על אורכי אדדי קולמוגורוב מעל 20 מיקרומטר לחיוניות תאי יונקים?
שמירה על אורכי אדדי קולמוגורוב מעל כ-20 מיקרומטר היא קריטית להגנה על תאי יונקים במהלך פעולות ביוריאקטור. כאשר אדדים טורבולנטיים אלו מתכווצים מתחת לגודל התאים, הם יכולים לחשוף את התאים ללחץ גזירה מופרז, מה שמסכן את קרום התאים ומפחית את חיוניותם.
שמירה על המבנים הטורבולנטיים הקטנים ביותר גדולים מהתאים עוזרת להפחית את הסיכויים לנזק מכני. זה לא רק מקדם תרביות תאים בריאות יותר אלא גם משפר את הביצועים הכוללים של הביוריאקטור. שיקול זה הופך לחשוב עוד יותר במהלך הגדלת קנה המידה של הביוריאקטור, כאשר הבטחת תנאי לחץ גזירה עקביים היא קשה במיוחד.
