संवर्धित मांस उत्पादन के लिए बायोरिएक्टर का स्केलिंग जटिल है, विशेष रूप से शियर तनाव का प्रबंधन करते समय, एक यांत्रिक बल जो स्केल-अप के दौरान स्तनधारी कोशिकाओं को नुकसान पहुंचा सकता है। सूक्ष्मजीव कोशिकाओं के विपरीत, स्तनधारी कोशिकाएं नाजुक होती हैं और अशांति और वातन बलों के प्रति संवेदनशील होती हैं। जब शियर तनाव 3 Pa से अधिक हो जाता है, तो कोशिकाएं फट सकती हैं, जिससे जीवन शक्ति और उत्पादकता कम हो जाती है।
इन चुनौतियों का समाधान करने के लिए, इंजीनियर कम्प्यूटेशनल फ्लुइड डायनामिक्स (CFD) और स्केल-डाउन मॉडल पर निर्भर करते हैं ताकि पूर्ण पैमाने पर उत्पादन से पहले शियर तनाव की भविष्यवाणी और प्रबंधन किया जा सके। CFD बायोरिएक्टर में प्रवाह पैटर्न, शियर जोन और मिश्रण दक्षता का विश्लेषण करता है, जबकि स्केल-डाउन मॉडल इन भविष्यवाणियों को प्रयोगात्मक रूप से मान्य करते हैं, स्केल-अप के दौरान जोखिम को कम करते हैं।
मुख्य निष्कर्ष:
- शियर तनाव सीमाएँ: स्तनधारी कोशिकाएं 3 Pa तक सहन कर सकती हैं; इससे अधिक होने पर कोशिकाएं क्षतिग्रस्त हो जाती हैं।
- सीएफडी उपकरण: बड़े एड्डी सिमुलेशन (LES) और लैटिस-बोल्ट्ज़मैन सिमुलेशन (LB-LES) जैसी उन्नत विधियाँ प्रवाह और अशांति के सटीक मॉडलिंग को सक्षम बनाती हैं।
- स्केल-डाउन मॉडल: ये छोटे सेटअप में बड़े बायोरिएक्टर स्थितियों की नकल करते हैं ताकि सीएफडी भविष्यवाणियों को सत्यापित किया जा सके।
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डिज़ाइन विचार:
- कम शियर के लिए पिच्ड-ब्लेड इम्पेलर्स का उपयोग करें।
- कोल्मोगोरोव एड्डी लंबाई को 20 μm से ऊपर बनाए रखें ताकि कोशिका क्षति को रोका जा सके।
- इम्पेलर टिप गति को 1.5 m/s से नीचे रखें।
सीएफडी अंतर्दृष्टि को प्रायोगिक सत्यापन के साथ मिलाकर, टीमें बायोरिएक्टर डिज़ाइनों को अनुकूलित कर सकती हैं ताकि कोशिका जीवित रह सके और कुशल स्केलिंग सुनिश्चित हो सके।
सीएफडी कम्पास | बायोरिएक्टर सीएफडी के लिए सर्वोत्तम प्रथाएँ
शियर तनाव को मॉडल करने के लिए कम्प्यूटेशनल फ्लुइड डायनामिक्स (सीएफडी) का उपयोग
संवर्धित मांस उत्पादन में विभिन्न बायोरिएक्टर प्रकारों के लिए सीएफडी दृष्टिकोण और प्रमुख पैरामीटर
सीएफडी सिमुलेशन इंजीनियरों को बायोरिएक्टर के भीतर तरल गतिकी और शियर बलों को मैप करने के उपकरण प्रदान करते हैं, इससे पहले कि वे भौतिक रूप से निर्मित हों। उत्पादन पैमाने पर ट्रायल-एंड-एरर विधियों पर निर्भर रहने के बजाय, सीएफडी उच्च-शियर क्षेत्रों, अशांत भंवरों, और पोत के विशिष्ट भागों में कोशिका जीवन शक्ति जैसे महत्वपूर्ण कारकों की भविष्यवाणी करने में मदद करता है। यह विशेष रूप से संवर्धित मांस उत्पादन में महत्वपूर्ण है, जहां बायोरिएक्टर पैमाने अंततः 200,000 लीटर तक पहुंच सकते हैं - पारंपरिक जैव-फार्मास्युटिकल पोतों की तुलना में कहीं अधिक बड़े[8]। ये भविष्यवाणी अंतर्दृष्टि स्केल-डाउन प्रयोगों का मार्गदर्शन करती हैं और उपकरण चयन को प्रभावित करती हैं।
गणनात्मक तकनीकों का विकास उल्लेखनीय रहा है। जबकि रेनॉल्ड्स-एवरेज्ड नवियर-स्टोक्स (RANS) मॉडल, जैसे कि k-ε, उद्योग में व्यापक रूप से उपयोग किए जाते हैं, उन्नत विधियाँ जैसे कि लार्ज एडी सिमुलेशन (LES) और GPU-संचालित लैटिस-बोल्ट्जमैन सिमुलेशन (LB-LES) सीमाओं को आगे बढ़ा रहे हैं। यूनिवर्सिटी ऑफ केमिस्ट्री एंड टेक्नोलॉजी प्राग के प्रोफेसर मिरोस्लाव सूस के अनुसार, GPU-आधारित LB-LES मॉडल को "सामान्य रूप से उपयोग किए जाने वाले फाइनाइट वॉल्यूम मेथड सॉल्वर्स की तुलना में 100 से 1,000 गुना तेजी से हल कर सकते हैं" [2]। यह गति लाभ इंजीनियरों को बड़े पोतों का सटीकता के साथ अनुकरण करने की अनुमति देता है जो सेल-हानिकारक एडीज का पता लगाने के लिए आवश्यक है।
CFD की क्षमताओं का एक व्यावहारिक उदाहरण रेजेनेरॉन आयरलैंड DAC और थर्मो फिशर साइंटिफिक के शोधकर्ताओं से आता है। उन्होंने 2,000-लीटर बायोरिएक्टर से एक ज्यामितीय रूप से भिन्न 5,000-लीटर सिंगल-यूज़ बायोरिएक्टर में एक सेल कल्चर प्रक्रिया को सफलतापूर्वक स्केल किया। अनुभवजन्य अनुमानों पर निर्भर रहने के बजाय, उन्होंने द्रव गतिकी (CFD) का उपयोग करके द्रव्यमान स्थानांतरण दर, मिश्रण समय, और कतरनी दर जैसे मापदंडों का विश्लेषण किया। इस दृष्टिकोण ने पहली बार में ही सफल पैमाने पर वृद्धि को सक्षम किया, जिससे शक्ति-प्रति-आयतन अनुपात-आधारित स्केलिंग से अक्सर जुड़े महंगे विफलताओं से बचा जा सका [5].
हिलाए गए टैंक बायोरिएक्टर के लिए CFD सेट करना
हिलाए गए टैंक बायोरिएक्टर के लिए CFD सेट करने के लिए, पोत ज्यामिति को परिभाषित करके शुरू करें - इसमें टैंक के आयाम, इम्पेलर डिज़ाइन (e.g., रशटन या पिच-ब्लेड), और बाफल प्लेसमेंट शामिल हैं। सही अशांति मॉडल का चयन महत्वपूर्ण है: गैस-तरल प्रणालियों के लिए वास्तविक k-ε मॉडल अच्छा काम करता है, जबकि LB-LES उच्च रिज़ॉल्यूशन प्रदान करता है जो उन चरम तनावों की पहचान करने में मदद करता है जो कोशिकाओं को नुकसान पहुंचा सकते हैं। एक ग्रिड अभिसरण अध्ययन यह सुनिश्चित करता है कि परिणाम जाल आकार पर निर्भर नहीं हैं।
सीमा शर्तों को वास्तविक दुनिया के संचालन मापदंडों को प्रतिबिंबित करना चाहिए, जैसे कि इम्पेलर गति, गैस स्पार्जिंग दरें, तरल घनत्व, और चिपचिपाहट। संवर्धित मांस अनुप्रयोगों के लिए, कंजरवेटिव बबल ड्रैग मॉडल का अक्सर उपयोग किया जाता है ताकि शियर तनाव का अनुमान लगाया जा सके [8]। प्रणाली को पूरी तरह से अशांत शासन में संचालित होना चाहिए, जिसमें रेनॉल्ड्स संख्या 10,000 से अधिक हो ताकि पावर संख्या इम्पेलर गति के बावजूद स्थिर बनी रहे [1].
ऑक्सीजन ट्रांसफर, मिक्सिंग समय, और हाइड्रोडायनामिक तनाव के लिए CFD भविष्यवाणियों को शियर-संवेदनशील माइक्रो-प्रोब्स या नैनोपार्टिकल एग्रीगेट्स का उपयोग करके एकत्रित किए गए प्रायोगिक डेटा के साथ मेल खाना चाहिए [2]। उदाहरण के लिए, एक गणितीय मास-ट्रांसफर मॉडल ने Sartorius में 2-लीटर बेंच-टॉप यूनिट से 1,500-लीटर औद्योगिक बायोरिएक्टर तक एक CHO सेल कल्चर प्रक्रिया के प्रत्यक्ष स्केल-अप का मार्गदर्शन किया।CFD का उपयोग करके ऑक्सीजन की मांग और CO₂ हटाने की भविष्यवाणी करने के लिए, टीम ने उत्पाद की गुणवत्ता विशेषताओं - जैसे N-glycans और चार्ज वेरिएंट्स - को विभिन्न स्केल्स पर स्थिर बनाए रखा [6].
अन्य बायोरिएक्टर प्रकारों के लिए CFD
जबकि औद्योगिक सेल कल्चर में स्टिरड टैंक्स का प्रभुत्व है, अन्य बायोरिएक्टर डिज़ाइन को विशेष CFD दृष्टिकोण की आवश्यकता होती है। उदाहरण के लिए, रॉकिंग या वेव बायोरिएक्टर्स गैस-तरल इंटरफेस को सिमुलेट करने के लिए वॉल्यूम ऑफ फ्लुइड (VOF) विधि पर निर्भर करते हैं, क्योंकि वेव मोशन इन प्रणालियों में शियर स्ट्रेस को प्रेरित करता है। ये डिज़ाइन बहुत ही कोमल शियर वातावरण बनाते हैं - अधिकतम तनाव लगभग 0.01 Pa होता है, जबकि स्टिरड टैंक्स की तुलना में - लेकिन बड़े पैमाने पर कल्टीवेटेड मीट उत्पादन के लिए इनकी स्केलेबिलिटी सीमित है [4].
दूसरी ओर, होलो-फाइबर बायोरिएक्टर्स पोर्स मीडिया मॉडल का उपयोग करते हैं जो ब्रिंकमैन समीकरणों पर आधारित होते हैं, पोषक तत्वों के प्रसार और झिल्लियों के माध्यम से प्रवाह प्रतिरोध को सिमुलेट करने के लिए।Fluidised bed systems को कण-तरल इंटरैक्शन और बेड विस्तार को पकड़ने के लिए Euler-Lagrange मॉडल की आवश्यकता होती है, जबकि airlift bioreactors बुलबुला-प्रेरित अशांति और गैस होल्ड-अप का विश्लेषण करने के लिए Euler-Euler विधियों का उपयोग करते हैं [4]। प्रत्येक डिज़ाइन के साथ अद्वितीय चुनौतियाँ आती हैं: fluidised beds को shear exposure के खिलाफ microcarrier वितरण को संतुलित करना होता है, जबकि airlift systems को sparged bioreactors में कोशिका मृत्यु के प्रमुख कारण, फटने वाले बुलबुलों के कारण होने वाले तनावों को प्रबंधित करना होता है [1] [7].
इन CFD दृष्टिकोणों को समझना cultivated meat उत्पादन में उपयोग किए जाने वाले विभिन्न bioreactor डिज़ाइनों में shear stress को नियंत्रित करने के लिए आवश्यक है।
| बायोरिएक्टर प्रकार | सीएफडी दृष्टिकोण | मुख्य विचार |
|---|---|---|
| स्टिरर्ड टैंक | आरएएनएस (एसएसटी), एलईएस, एलबी-एलईएस | इम्पेलर क्षेत्र में ऊर्जा अपव्यय (εMax) |
| वेव/रॉकिंग | फ्लुइड का वॉल्यूम (वीओएफ) | गैस-तरल इंटरफेस का ट्रैकिंग |
| होलो फाइबर | पोरस मीडिया (ब्रिंकमैन) | पोषक तत्व प्रवाह और झिल्ली प्रतिरोध |
| फ्लुइडाइज्ड बेड | यूलर-लाग्रेंज | कणों और तरल के बीच इंटरैक्शन, बेड विस्तार |
| एयरलिफ्ट | यूलर-यूलर | बुलबुले से उत्पन्न अशांति और गैस होल्ड-अप |
ये विविध CFD विधियाँ अनुकूलित रणनीतियों की आवश्यकता को उजागर करती हैं, जो उपकरण चयन और कतरनी तनाव प्रबंधन में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती हैं।
स्केल-डाउन मॉडल और प्रायोगिक सत्यापन
हालांकि कम्प्यूटेशनल फ्लुइड डायनामिक्स (CFD) मूल्यवान भविष्यवाणियाँ प्रदान करता है, यह प्रक्रियाओं को स्केल अप करते समय वास्तविक दुनिया के परीक्षण की आवश्यकता को प्रतिस्थापित नहीं कर सकता। प्रायोगिक सत्यापन यह सुनिश्चित करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है कि कम्प्यूटेशनल मॉडल वास्तविक दुनिया के शियर स्ट्रेस स्थितियों का सटीक प्रतिनिधित्व करते हैं। यहीं पर स्केल-डाउन मॉडल काम में आते हैं, जो छोटे, प्रबंधनीय सिस्टम में बड़े उत्पादन बायोरिएक्टरों के हाइड्रोडायनामिक वातावरण की नकल करते हैं। ऐसा करके, वे छोटे पैमाने से औद्योगिक पैमाने पर संचालन में जाने पर महंगी त्रुटियों के जोखिम को कम करते हैं। यह कदम न केवल CFD भविष्यवाणियों की पुष्टि करता है बल्कि एक अधिक विश्वसनीय और प्रभावी स्केल-अप प्रक्रिया भी सुनिश्चित करता है।
स्केल-डाउन मॉडल बनाना
स्केल-डाउन मॉडल को डिज़ाइन करना ज्यामितीय समानता बनाए रखने के साथ शुरू होता है।इसका मतलब है कि प्रमुख घटकों के बीच समान अनुपात बनाए रखना, जैसे कि पोत की ऊँचाई से व्यास और इम्पेलर व्यास से टैंक व्यास [11]। एक बार जब ज्यामिति संरेखित हो जाती है, तो इंजीनियर एक स्केलिंग मानदंड का चयन करते हैं। सामान्य विकल्पों में प्रति मात्रा शक्ति (P/V), इम्पेलर टिप गति, या ऊर्जा अपव्यय दर (EDR) शामिल हैं। हालांकि, औसत P/V के बजाय स्थानीयकृत EDR पर ध्यान केंद्रित करने से कतरनी विषमता की बेहतर समझ मिलती है, जो सटीक मॉडलिंग के लिए महत्वपूर्ण है।
एक अधिक उन्नत दृष्टिकोण में बहु-डिब्बे सिमुलेटर शामिल होते हैं। उदाहरण के लिए, फरवरी 2021 में, इमैनुएल अनाने और उनकी टीम ने एक दो-डिब्बे स्केल-डाउन सिमुलेटर विकसित किया जिसमें एक हिलाया गया टैंक रिएक्टर (STR) और एक प्लग-फ्लो रिएक्टर (PFR) शामिल था। इस मॉडल का उपयोग यह अध्ययन करने के लिए किया गया था कि CHO कोशिकाएं घुले हुए ऑक्सीजन ग्रेडिएंट्स पर कैसे प्रतिक्रिया करती हैं। उनके शोध ने 90 सेकंड के एक महत्वपूर्ण निवास समय सीमा का खुलासा किया।इस बिंदु के बाद, CHO कोशिकाओं में जीवित कोशिका घनत्व में 15% की गिरावट और लैक्टेट संचय में वृद्धि देखी गई [10]। यह खोज औद्योगिक बायोरिएक्टरों को डिजाइन करने के लिए एक स्पष्ट मानक प्रदान करती है जो कोशिका की जीवंतता बनाए रखते हैं।
कोशिका वृद्धि की सुरक्षा के लिए, इंजीनियर अक्सर इम्पेलर टिप गति को 1.5 m/s से नीचे रखने का लक्ष्य रखते हैं [1]। इसके अतिरिक्त, कोल्मोगोरोव माइक्रोएड्डी लंबाई - जो अशांति का माप है - कोशिकाओं के आकार से अधिक होनी चाहिए, आमतौर पर स्तनधारी कोशिकाओं के लिए 20 μm या अधिक, ताकि हाइड्रोडायनामिक क्षति से बचा जा सके [1][3]। उदाहरण के लिए, पशु-कोशिका संस्कृतियों में 0.1 W/kg की ऊर्जा इनपुट पर, सबसे छोटी एड्डी लगभग 60 μm होती हैं, जो एक सुरक्षित बफर प्रदान करती हैं [3]।
प्रायोगिक तरीकों के माध्यम से CFD भविष्यवाणियों का सत्यापन
एक स्केल-डाउन मॉडल के स्थापित होने के बाद, CFD से प्राप्त मापदंडों को सत्यापित करने के लिए प्रायोगिक विधियाँ आवश्यक होती हैं। इस उद्देश्य के लिए पार्टिकल इमेज वेलोसिमेट्री (PIV) एक व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली तकनीक है। द्रव में कणों को ट्रैक करके, PIV यह पुष्टि करने में मदद करता है कि स्केल-डाउन मॉडल में प्रवाह पैटर्न और वेग क्षेत्र CFD भविष्यवाणियों के साथ मेल खाते हैं या नहीं [12][4].
मिक्सिंग समय को सत्यापित करने के लिए ट्रेसर इंजेक्शन और रंगहीनता विधियों का भी उपयोग किया जाता है। इस प्रक्रिया में, अम्ल, क्षार, या नमक के घोल जैसे ट्रेसर इम्पेलर के पास डाले जाते हैं, और उनकी वितरण को तब तक मॉनिटर किया जाता है जब तक 95% समरूपता प्राप्त नहीं हो जाती [12][3]। बड़े पैमाने के स्तनधारी कोशिका बायोरिएक्टर (5,000 L से 20,000 L) के लिए, मिक्सिंग समय आमतौर पर 80 से 180 सेकंड के बीच होता है [10]।
मार्च 2020 में, जेम्स स्कली और उनकी टीम ने Regeneron Ireland DAC में एक सेल कल्चर प्रक्रिया को 2,000 L बायोरिएक्टर से 5,000 L सिंगल-यूज़ बायोरिएक्टर में सफलतापूर्वक स्केल किया, जिसमें एक अलग ज्यामिति थी। उन्होंने द्रव गतिकी (CFD) पर निर्भर किया ताकि प्रमुख मापदंडों जैसे द्रव्यमान स्थानांतरण दर, मिश्रण समय, और कतरनी दर की भविष्यवाणी की जा सके। इन भविष्यवाणियों को फिर एकल-चरण और बहु-चरण प्रयोगों के माध्यम से सत्यापित किया गया, जिससे बड़े पैमाने पर पायलट रन की आवश्यकता के बिना स्केलिंग का सफल पहला प्रयास संभव हो सका [5].
"CFD सिमुलेशन का उपयोग प्रयोगशाला में पारंपरिक प्रक्रिया इंजीनियरिंग जांचों को स्थानिक और समयिक रूप से हल किए गए परिणामों के साथ पूरक करने के लिए बढ़ता जा रहा है, या यहां तक कि उन्हें बदलने के लिए जब प्रयोगशाला जांच संभव नहीं होती।" - Stefan Seidel, School of Life Sciences, ZHAW [12]
अतिरिक्त सत्यापन तकनीकों में विशिष्ट शक्ति इनपुट (P/V) और विशिष्ट स्टिरर गति पर विमाहीन शक्ति संख्याओं की पुष्टि के लिए टॉर्क माप शामिल है [12][3]। ऑक्सीजन स्थानांतरण दरों को गैसिंग-आउट या सल्फाइट तकनीकों जैसे तरीकों का उपयोग करके सत्यापित किया जाता है, जो वॉल्यूमेट्रिक ऑक्सीजन मास ट्रांसफर गुणांक (kLa) निर्धारित करते हैं [12][7]। माइक्रोकेरियर्स का उपयोग करने वाले सिस्टम के लिए, सभी कणों को निलंबित करने के लिए आवश्यक न्यूनतम गति खोजने के लिए प्रकाश क्षीणन या कैमरा-आधारित विधियों का उपयोग किया जाता है, यह सुनिश्चित करते हुए कि ठोस चरण वितरण की CFD भविष्यवाणियां सटीक हैं [12][4]।
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बायोरिएक्टर में शियर स्ट्रेस को प्रभावित करने वाले कारक
स्केल-अप के दौरान सेल की जीवन क्षमता की सुरक्षा के लिए, शियर स्ट्रेस को चलाने वाले भौतिक कारकों को समझना महत्वपूर्ण है। कम्प्यूटेशनल फ्लुइड डायनामिक्स (CFD) की भविष्यवाणियाँ और स्केल-डाउन मान्यताएँ प्रकट करती हैं कि ऊर्जा अपव्यय दर (EDR) एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है। EDR मापता है कि कैसे इम्पेलर की गतिज ऊर्जा गर्मी में परिवर्तित होती है, जिससे ऊर्जा का असमान वितरण होता है। उदाहरण के लिए, पिच्ड-ब्लेड इम्पेलर में, ऊर्जा इम्पेलर के आसपास केंद्रित होने की प्रवृत्ति होती है, जिससे उच्च शियर के क्षेत्र बनते हैं जो यदि सही ढंग से प्रबंधित नहीं किए गए तो कोशिकाओं को नुकसान पहुंचा सकते हैं।
इम्पेलर डिज़ाइन और पावर इनपुट
इम्पेलर के प्रकार का प्रवाह पैटर्न और शियर तीव्रता पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है। उदाहरण के लिए, रशटन टर्बाइन रेडियल प्रवाह और उच्च शियर उत्पन्न करते हैं, जो उन्हें माइक्रोबियल किण्वन के लिए आदर्श बनाते हैं लेकिन शियर-संवेदनशील स्तनधारी कोशिकाओं के लिए कम उपयुक्त बनाते हैं।दूसरी ओर, पिच्ड-ब्लेड इम्पेलर्स कम शियर और बेहतर पंपिंग दक्षता के साथ अक्षीय प्रवाह उत्पन्न करते हैं, जबकि पावर इनपुट समान रहता है। यह उन्हें ऐसे अनुप्रयोगों के लिए पसंदीदा विकल्प बनाता है जैसे कि संवर्धित मांस उत्पादन, जहां कोशिका की जीवन क्षमता प्राथमिकता होती है।
| इम्पेलर प्रकार | प्रवाह पैटर्न | पावर संख्या (Nₚ) | शियर स्तर | प्राथमिक अनुप्रयोग |
|---|---|---|---|---|
| रशटन टर्बाइन | रेडियल | ~5.0 | उच्च | सूक्ष्मजीव किण्वन; गैस प्रसार[3] |
| पिच्ड-ब्लेड | अक्षीय | ~1.0 | निम्न से मध्यम | स्तनधारी कोशिका संस्कृति; ठोस निलंबन [3] |
स्केलिंग रणनीतियाँ अक्सर प्रति मात्रा (P/V) एक स्थिर शक्ति इनपुट बनाए रखने पर निर्भर करती हैं। हालांकि, जैसे-जैसे रिएक्टर का आकार बढ़ता है, यह उच्च इम्पेलर टिप गति की ओर ले जा सकता है। स्तनधारी कोशिकाओं के लिए, वृद्धि समस्याओं से बचने के लिए टिप गति 1.5 m/s से नीचे रहनी चाहिए [1]। बड़े पैमाने के रिएक्टरों में, स्पार्जिंग इम्पेलर्स की तुलना में और भी अधिक हाइड्रोडायनामिक तनाव उत्पन्न कर सकता है, विशेष रूप से 20 m³ से अधिक के पोतों में [9]। ये कारक बारीकी से अशांति से जुड़े होते हैं, जिसे कोल्मोगोरोव स्केल चर्चा में और अधिक खोजा गया है।
कोल्मोगोरोव स्केल और अशांति मॉडलिंग
कोल्मोगोरोव स्केल (λ) सबसे छोटे अशांत भंवरों के आकार को परिभाषित करता है जहां ऊर्जा गर्मी के रूप में नष्ट होती है।यदि ये भंवर कोशिका के व्यास से छोटे हैं, तो यांत्रिक क्षति एक चिंता का विषय बन जाती है। स्तनधारी कोशिकाओं के लिए, जो आमतौर पर 15–20 μm आकार की होती हैं, क्षति से बचने के लिए भंवर की लंबाई 20 μm से अधिक होनी चाहिए [1][3]। उदाहरण के लिए, 0.1 W/kg की ऊर्जा इनपुट पर, कोल्मोगोरोव भंवर का व्यास लगभग 60 μm होता है, जो एक सुरक्षित बफर प्रदान करता है [3].
"यदि जैविक इकाइयाँ (e.g., स्तनधारी कोशिकाएँ) बायोरिएक्टर में λ [कोल्मोगोरोव स्केल] से छोटी हैं, तो ऐसी इकाइयों को कतरनी क्षति नहीं होगी।" - मुहम्मद अर्शद चौधरी [3]
अगस्त 2024 में, बोहरिंगर इंगेलहाइम फार्मा और यूनिवर्सिटी ऑफ केमिस्ट्री एंड टेक्नोलॉजी प्राग के शोधकर्ताओं ने 12,500 L औद्योगिक बायोरिएक्टर में CFD भविष्यवाणियों को मान्य करने के लिए लैटिस-बोल्ट्जमैन लार्ज एडी सिमुलेशंस (LB-LES) का उपयोग किया।शियर-संवेदनशील नैनोपार्टिकल एग्रीगेट्स का उपयोग करके, उन्होंने अधिकतम हाइड्रोडायनामिक तनाव मापा और यह प्रदर्शित किया कि LB-LES पारंपरिक विधियों की तुलना में 100–1,000 गुना तेजी से अशांत स्केल्स को हल कर सकता है[2]। ये निष्कर्ष शियर तनाव को कम करने की रणनीतियों के विकास में सहायक हैं।
मॉडलिंग डेटा का उपयोग करके शियर तनाव को कम करना
CFD मॉडलिंग इंजीनियरों को उच्च-शियर क्षेत्रों की पहचान करने और तदनुसार संचालन की स्थिति को समायोजित करने में सक्षम बनाता है। एक प्रभावी दृष्टिकोण यह है कि सब्सट्रेट्स, pH बेस, या एंटिफोम्स को इम्पेलर क्षेत्र के पास पेश किया जाए बजाय इसके कि तरल सतह पर। यह तेजी से वितरण सुनिश्चित करता है और स्थानीयकृत सांद्रता ग्रेडिएंट्स को कम करता है[3]। संवर्धित मांस उत्पादन में, अत्यधिक शियर माइक्रोकेरियर्स से कोशिकाओं को अलग कर सकता है, जबकि अपर्याप्त उत्तेजना माइक्रोकेरियर के जमने और पोषक असंतुलन की ओर ले जाती है[9]।
सुरक्षात्मक योजक जैसे प्लुरोनिक F-68 (पोलोक्सामर 188) का उपयोग आमतौर पर कोशिकाओं को कतरनी बलों से बचाने के लिए किया जाता है, विशेष रूप से उन बलों से जो तरल सतह पर बुलबुले के फटने के कारण होते हैं - बायोरिएक्टर में कोशिका मृत्यु के प्रमुख कारणों में से एक [1]। इन सर्फेक्टेंट्स के साथ, 100,000 W/m³ तक की ऊर्जा इनपुट्स की रिपोर्ट की गई है बिना घातक प्रभावों के [1]। इसके अतिरिक्त, स्पार्जर छिद्र पर गैस-प्रवेश वेग को 30 m/s से कम रखने से उत्पादकता हानि और कोशिका मृत्यु दर को कम करने में मदद मिलती है [1]।
बायोरिएक्टर स्केलिंग के लिए उपकरण ढूँढना
कैसे Cellbase बायोरिएक्टर खरीद में सहायता करता है
संस्कृत मांस उत्पादन के लिए बायोरिएक्टर को स्केल करना अपने आप में चुनौतियों के साथ आता है। यही वह जगह है जहाँ
बायोफार्मास्युटिकल उद्योग में उपयोग किए जाने वाले बायोरिएक्टरों का सफलतापूर्वक स्केलिंग इन उत्पादों की गुणवत्ता और बाजार में लाने के समय में एक बड़ा हिस्सा निभाता है [5].
CFD-समर्थित डेटा का लाभ उठाकर, टीमें उपकरण चयन को सुव्यवस्थित कर सकती हैं और बार-बार परीक्षण चलाने की आवश्यकता को कम कर सकती हैं [5]. ये अंतर्दृष्टियाँ उन बायोरिएक्टरों को चुनने के लिए महत्वपूर्ण हैं जो इष्टतम शियर स्ट्रेस प्रबंधन के साथ डिज़ाइन किए गए हैं।
शियर स्ट्रेस नियंत्रण के लिए उपकरण चुनना
शियर स्ट्रेस को प्रभावी ढंग से नियंत्रित करने के लिए, कुछ उपकरण विनिर्देश विशेष रूप से महत्वपूर्ण हैं। इम्पेलर ज्योमेट्री एक प्रमुख कारक है। उदाहरण के लिए, पिच्ड-ब्लेड इम्पेलर्स लगभग 1.0 के पावर नंबर (Np) के साथ अक्षीय प्रवाह उत्पन्न करते हैं, जबकि रशटन टर्बाइन का Np लगभग 5.0 होता है।इसका मतलब है कि पिच्ड-ब्लेड डिज़ाइन समान घूर्णन गति पर काफी कम शक्ति उत्पन्न करते हैं और इसलिए कम शियर उत्पन्न करते हैं [3]। संवर्धित मांस में उपयोग की जाने वाली स्तनधारी कोशिकाओं से संबंधित अनुप्रयोगों के लिए, कोशिका क्षति से बचने के लिए इम्पेलर-टिप वेग को 1.5 मी/सेकंड से नीचे रखना आवश्यक है [1].
स्पार्जर कॉन्फ़िगरेशन एक और महत्वपूर्ण विचार है। अत्यधिक शियर को रोकने के लिए, उपकरण को यह सुनिश्चित करना चाहिए कि स्पार्जर छिद्र पर गैस-प्रवेश वेग 30 मी/सेकंड से कम रहे, और छिद्र रेनॉल्ड्स संख्या 2,000 से नीचे रहे। इन सीमाओं को पार करने से "जेटिंग रेजीम" हो सकता है, जहां बुलबुले असमान रूप से फैलते हैं और स्थानीयकृत शियर ज़ोन बनाते हैं [1]। ड्रिल्ड-होल या ओपन-पाइप स्पार्जर माइक्रोस्पार्जर की तुलना में शियर-संवेदनशील कोशिकाओं के लिए बेहतर होते हैं। इसके अलावा, उपकरण को स्केल-डाउन संगतता का समर्थन करना चाहिए। आपूर्तिकर्ता बेंच-टॉप मॉडल (e.g।, 3 L सिस्टम) जो बड़े पैमाने के सिस्टम (2,000 L या अधिक) के साथ ज्यामितीय रूप से समान होते हैं, टीमों को पूर्ण पैमाने पर उत्पादन में जाने से पहले छोटे पैमाने पर CFD भविष्यवाणियों को मान्य करने की अनुमति देते हैं [1][2].
निष्कर्ष
संस्कृत मांस उत्पादन के लिए बायोरिएक्टर का स्केलिंग पारंपरिक परीक्षण-और-त्रुटि विधियों से दूर जाने और स्थानीयकृत शियर अंतर को संबोधित करने के लिए मॉडल-चालित रणनीतियों को अपनाने की आवश्यकता होती है। कम्प्यूटेशनल फ्लुइड डायनामिक्स (CFD) इस प्रक्रिया में एक प्रमुख उपकरण बन गया है, जिससे इंजीनियर हाइड्रोडायनामिक वातावरण की भविष्यवाणी कर सकते हैं और सरल पावर-प्रति-वॉल्यूम अनुपात से परे शियर जोन को देख सकते हैं [1]। महत्वपूर्ण मापदंडों का पालन करके - जैसे कि कोल्मोगोरोव एडी लंबाई को 20 μm से ऊपर रखना और इम्पेलर-टिप गति को 1.5 m/s से कम रखना - इंजीनियर स्तनधारी कोशिकाओं को शियर क्षति से बचा सकते हैं जबकि उचित मिश्रण और ऑक्सीजन स्थानांतरण सुनिश्चित कर सकते हैं [1]।
उन्नत कम्प्यूटेशनल विधियाँ, जैसे कि लार्ज एडी सिमुलेशन (LES) और लैटिस-बोल्ट्जमैन तकनीकें, प्रक्रियाओं को बढ़ाने में अपनी प्रभावशीलता दिखा चुकी हैं। उदाहरण के लिए, मार्च 2020 में, रेजेनरॉन आयरलैंड DAC ने सफलतापूर्वक एक सेल कल्चर प्रक्रिया को 2,000 L बायोरिएक्टर से एक ज्यामितीय रूप से भिन्न 5,000 L सिंगल-यूज़ सिस्टम में पहले प्रयास में ही बढ़ाया। यह बहुपरामीटर CFD पूर्वानुमानों का उपयोग करके प्राप्त किया गया, जिससे व्यापक भौतिक परीक्षणों की आवश्यकता समाप्त हो गई [5]। यह "पहली बार सही" रणनीति न केवल संदूषण के जोखिम को कम करती है बल्कि बाजार में समय को भी कम करती है - जो कि संवर्धित मांस क्षेत्र के लिए महत्वपूर्ण है।
प्रायोगिक सत्यापन विधियाँ, जैसे कि पार्टिकल इमेज वेलोसिमेट्री (PIV), आगे CFD मॉडलों की सटीकता की पुष्टि करती हैं [2]। ये सत्यापित मॉडल अब खरीद निर्णयों में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं।
FAQs
संवर्धित मांस उत्पादन के लिए बायोरिएक्टर स्केल-अप में कम्प्यूटेशनल फ्लुइड डायनेमिक्स (CFD) कैसे समर्थन करता है?
संवर्धित मांस के लिए बायोरिएक्टर स्केल-अप में कम्प्यूटेशनल फ्लुइड डायनेमिक्स (CFD) एक गेम-चेंजर है। यह प्रवाह गतिकी, शियर तनाव, मिश्रण दक्षता, और द्रव्यमान स्थानांतरण दर की गहरी समझ प्रदान करता है - सभी कोशिका वृद्धि के लिए आदर्श वातावरण बनाने के लिए महत्वपूर्ण कारक हैं।
सीएफडी के साथ, इंजीनियर आवश्यक तत्वों जैसे इम्पेलर डिज़ाइन, उत्तेजना गति, और गैस स्पार्जिंग को अनुकूलित कर सकते हैं। यह सुनिश्चित करता है कि बायोरिएक्टर सर्वोत्तम संभव परिस्थितियों में संचालित होते हैं, जिससे कोशिका स्वास्थ्य और उत्पादकता दोनों की सुरक्षा होती है।
इसके अलावा, सीएफडी छोटे प्रयोगशाला सेटअप से बड़े औद्योगिक-स्तरीय बायोरिएक्टरों में बिना दक्षता या स्थिरता से समझौता किए जाने की संभावना बनाता है। इसका मतलब है कि संवर्धित मांस उत्पादन उच्च मानकों को बनाए रखते हुए आसानी से बढ़ सकता है।
बायोरिएक्टर मॉडलिंग के लिए पारंपरिक विधियों की तुलना में बड़े एडी सिमुलेशन (LES) को बेहतर क्या बनाता है?
बड़े एडी सिमुलेशन (LES) पारंपरिक विधियों जैसे रेनॉल्ड्स-औसतित नवीयर-स्टोक्स (RANS) की तुलना में बायोरिएक्टरों के भीतर अशांत प्रवाह में गहराई और अधिक सटीक दृष्टिकोण प्रदान करते हैं।बड़े पैमाने पर एडीज पर ध्यान केंद्रित करके और केवल सबसे छोटे विसिपेटिव गतियों का मॉडलिंग करके, LES महत्वपूर्ण शियर-स्ट्रेस हॉटस्पॉट्स, जैसे कि वॉर्टेक्स-प्रेरित उच्च-शियर जोन, की पहचान कर सकता है, जिन्हें अन्यथा नजरअंदाज किया जा सकता है। इस स्तर का विवरण सेल क्षति को कम करने और संवर्धित मांस उत्पादन को बढ़ाने के दौरान अधिक विश्वसनीयता सुनिश्चित करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है।
उन तरीकों के विपरीत जो भारी रूप से अनुभवजन्य सहसंबंधों पर निर्भर करते हैं, LES प्रयोगशाला-स्तर से औद्योगिक-स्तर के बायोरिएक्टरों में जाने पर मजबूत पूर्वानुमान क्षमताएं प्रदान करता है। कम्प्यूटेशनल तकनीकों में प्रगति ने LES को अधिक सुलभ बना दिया है, जिससे विस्तृत सिमुलेशन की अनुमति मिलती है बिना निषेधात्मक कम्प्यूटेशनल संसाधनों की आवश्यकता के। उन व्यवसायों के लिए जो LES-चालित डिज़ाइनों को एकीकृत करने का लक्ष्य रखते हैं,
स्तनधारी कोशिका की जीवन क्षमता के लिए कोल्मोगोरोव एडी लंबाई को 20 माइक्रोमीटर से ऊपर बनाए रखना क्यों महत्वपूर्ण है?
बायोरिएक्टर संचालन के दौरान स्तनधारी कोशिकाओं की सुरक्षा के लिए कोल्मोगोरोव एडी लंबाई को लगभग 20 माइक्रोमीटर से ऊपर बनाए रखना महत्वपूर्ण है। जब ये अशांत एडी कोशिकाओं के आकार से छोटे हो जाते हैं, तो वे कोशिकाओं को अत्यधिक कतरनी तनाव के संपर्क में ला सकते हैं, जिससे उनकी झिल्लियों को नुकसान पहुंचने और कोशिका की जीवन क्षमता कम होने का खतरा होता है।
सबसे छोटे अशांत संरचनाओं को कोशिकाओं से बड़ा रखने से यांत्रिक क्षति की संभावना कम होती है। यह न केवल स्वस्थ कोशिका संस्कृतियों को बढ़ावा देता है बल्कि बायोरिएक्टर के समग्र प्रदर्शन को भी बढ़ाता है। यह विचार बायोरिएक्टर स्केल-अप के दौरान और भी महत्वपूर्ण हो जाता है, जहां लगातार कतरनी तनाव की स्थिति सुनिश्चित करना विशेष रूप से कठिन होता है।
