Menskalakan bioreaktor untuk pengeluaran daging yang diternak adalah kompleks, terutamanya apabila menguruskan tekanan ricih, satu daya mekanikal yang boleh merosakkan sel mamalia semasa peningkatan skala. Tidak seperti sel mikroba, sel mamalia adalah rapuh dan sensitif terhadap daya pergolakan dan pengudaraan. Apabila tekanan ricih melebihi 3 Pa, sel boleh pecah, mengurangkan daya tahan dan produktiviti.
Untuk menangani cabaran ini, jurutera bergantung pada Dinamik Bendalir Komputasi (CFD) dan model skala-bawah untuk meramalkan dan menguruskan tekanan ricih sebelum pengeluaran skala penuh. CFD menganalisis corak aliran, zon ricih, dan kecekapan pencampuran dalam bioreaktor, manakala model skala-bawah mengesahkan ramalan ini secara eksperimen, meminimumkan risiko semasa peningkatan skala.
Pengajaran Utama:
- Had Tekanan Ricih: Sel mamalia boleh bertahan sehingga 3 Pa; melebihi ini merosakkan sel.
- Alat CFD: Kaedah lanjutan seperti Simulasi Eddy Besar (LES) dan simulasi Lattice-Boltzmann (LB-LES) membolehkan pemodelan aliran dan pergolakan yang tepat.
- Model Skala-Kecil: Ini meniru keadaan bioreaktor besar dalam susunan yang lebih kecil untuk mengesahkan ramalan CFD.
-
Pertimbangan Reka Bentuk:
- Gunakan impeler bilah condong untuk ricih yang lebih rendah.
- Pastikan panjang eddy Kolmogorov melebihi 20 μm untuk mengelakkan kerosakan sel.
- Pastikan kelajuan hujung impeler di bawah 1.5 m/s.
Dengan menggabungkan pandangan CFD dengan pengesahan eksperimen, pasukan boleh mengoptimumkan reka bentuk bioreaktor untuk pengeluaran daging yang ditanam, memastikan kelangsungan hidup sel dan penskalaan yang cekap.
CFD Compass | Amalan Terbaik untuk CFD Bioreaktor
Menggunakan Dinamik Bendalir Komputasi (CFD) untuk Memodelkan Tekanan Ricih
Pendekatan CFD dan Parameter Utama untuk Jenis Bioreaktor Berbeza dalam Pengeluaran Daging Ternakan
Simulasi CFD memberikan jurutera alat untuk memetakan dinamik bendalir dan daya ricih dalam bioreaktor sebelum ia dibina secara fizikal. Daripada bergantung pada kaedah cuba-jaya pada skala pengeluaran, CFD membantu meramalkan faktor kritikal seperti zon ricih tinggi, pusaran bergelora, dan daya tahan sel di bahagian tertentu kapal. Ini amat penting dalam pengeluaran daging ternakan, di mana skala bioreaktor akhirnya boleh mencapai 200,000 liter - jauh lebih besar daripada kapal biofarmaseutikal tradisional [8]. Wawasan ramalan ini membimbing eksperimen skala turun dan mempengaruhi pemilihan peralatan.
Perkembangan teknik pengiraan telah menjadi luar biasa. Walaupun model Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS), seperti k-ε, masih digunakan secara meluas dalam industri, kaedah maju seperti Simulasi Eddy Besar (LES) dan simulasi Lattice-Boltzmann berkuasa GPU (LB-LES) sedang meneroka batasan. Menurut Profesor Miroslav Soos dari University of Chemistry and Technology Prague, LB-LES berasaskan GPU boleh menyelesaikan model “100 hingga 1,000 kali lebih cepat daripada penyelesai kaedah volum terhingga yang biasa digunakan” [2]. Kelebihan kelajuan ini membolehkan jurutera mensimulasikan kapal besar dengan ketepatan yang diperlukan untuk mengesan pusaran yang merosakkan sel.
Satu contoh praktikal keupayaan CFD datang daripada penyelidik di Regeneron Ireland DAC dan Thermo Fisher Scientific. Mereka berjaya meningkatkan proses kultur sel daripada bioreaktor 2,000 liter kepada bioreaktor guna tunggal 5,000 liter yang berbeza secara geometri.Sebaliknya bergantung pada heuristik empirik, mereka menggunakan CFD untuk menganalisis parameter seperti kadar pemindahan jisim, masa pencampuran, dan kadar ricih. Pendekatan ini membolehkan peningkatan skala yang berjaya pada percubaan pertama, mengelakkan kegagalan yang mahal yang sering dikaitkan dengan penskalaan berdasarkan nisbah kuasa-per-isi padu [5].
Menyediakan CFD untuk Bioreaktor Tangki Kacau
Untuk menyediakan CFD bagi bioreaktor tangki kacau, mulakan dengan mentakrifkan geometri bekas - ini termasuk dimensi tangki, reka bentuk pengaduk (e.g., Rushton atau bilah condong), dan penempatan baffle. Memilih model pergolakan yang betul adalah penting: model k-ε yang boleh direalisasikan berfungsi dengan baik untuk sistem gas-cecair, manakala LB-LES menawarkan resolusi lebih tinggi untuk mengenal pasti tekanan puncak yang boleh merosakkan sel. Kajian penumpuan grid memastikan bahawa hasil tidak bergantung pada saiz mesh.
Syarat sempadan mesti mencerminkan parameter operasi dunia sebenar, seperti kelajuan impeller, kadar gas sparging, ketumpatan cecair, dan kelikatan. Untuk aplikasi daging yang ditanam, model seretan gelembung konservatif sering digunakan untuk menganggarkan tekanan ricih [8]. Sistem harus beroperasi dalam rejim yang sepenuhnya bergelora, dengan nombor Reynolds melebihi 10,000 untuk memastikan bahawa nombor kuasa kekal konsisten tanpa mengira kelajuan impeller [1].
Ramalan CFD untuk pemindahan oksigen, masa pencampuran, dan tekanan hidrodinamik harus selaras dengan data eksperimen yang dikumpul menggunakan mikro-probe sensitif ricih atau agregat nanopartikel [2]. Sebagai contoh, model pemindahan jisim matematik membimbing peningkatan skala langsung proses kultur sel CHO dari unit meja 2 liter ke bioreaktor industri 1,500 liter di Sartorius.Dengan menggunakan CFD untuk meramalkan permintaan oksigen dan penyingkiran CO₂, pasukan mengekalkan atribut kualiti produk yang konsisten - seperti N-glycans dan varian cas - merentasi skala [6].
CFD untuk Jenis Bioreaktor Lain
Walaupun tangki berpengaduk mendominasi kultur sel industri, reka bentuk bioreaktor lain memerlukan pendekatan CFD yang disesuaikan. Sebagai contoh, bioreaktor bergoyang atau berombak bergantung pada kaedah Volume of Fluid (VOF) untuk mensimulasikan antara muka gas-cecair, kerana pergerakan ombak memacu tekanan ricih dalam sistem ini. Reka bentuk ini mewujudkan persekitaran ricih yang lebih lembut - tekanan maksimum adalah kira-kira 0.01 Pa berbanding tangki berpengaduk - tetapi kebolehskalaan mereka adalah terhad untuk pengeluaran daging yang ditanam berskala besar [4].
Bioreaktor gentian berongga, sebaliknya, menggunakan model media berliang berdasarkan persamaan Brinkman untuk mensimulasikan penyebaran nutrien dan rintangan aliran melalui membran.Sistem katil terfluidisasi memerlukan model Euler-Lagrange untuk menangkap interaksi zarah-cecair dan pengembangan katil, manakala bioreaktor airlift menggunakan kaedah Euler-Euler untuk menganalisis pergolakan yang disebabkan oleh gelembung dan penahanan gas [4]. Setiap reka bentuk mempunyai cabaran unik: katil terfluidisasi mesti mengimbangi pengedaran mikropembawa terhadap pendedahan ricih, manakala sistem airlift perlu menguruskan tekanan yang disebabkan oleh gelembung pecah, penyebab utama kematian sel dalam bioreaktor yang disembur [1] [7].
Memahami pendekatan CFD ini adalah penting untuk mengawal tekanan ricih merentasi reka bentuk bioreaktor yang berbeza digunakan dalam pengeluaran daging yang ditanam.
| Jenis Bioreaktor | Pendekatan CFD | Pertimbangan Utama |
|---|---|---|
| Stirred Tank | RANS (SST), LES, LB-LES | Penyebaran tenaga di zon impeller (εMax) |
| Gelombang/Bergoyang | Volume of Fluid (VOF) | Mengesan antara muka gas-cecair |
| Serat Berongga | Media Berliang (Brinkman) | Aliran nutrien dan rintangan membran |
| Katil Cecair | Euler-Lagrange | Interaksi antara zarah dan cecair, pengembangan katil |
| Airlift | Euler-Euler | Turbelensi dari gelembung dan penahanan gas |
Kaedah CFD yang pelbagai ini menekankan keperluan untuk strategi yang disesuaikan, yang memainkan peranan penting dalam pemilihan peralatan dan pengurusan tegasan ricih.
Model Skala-Kecil dan Pengesahan Eksperimen
Walaupun Dinamik Bendalir Komputasi (CFD) memberikan ramalan yang berharga, ia tidak dapat menggantikan keperluan untuk ujian dunia sebenar apabila meningkatkan skala proses. Pengesahan eksperimen memainkan peranan penting dalam memastikan bahawa model komputasi mewakili keadaan tegasan ricih dunia sebenar dengan tepat. Di sinilah model skala-kecil memainkan peranan, meniru persekitaran hidrodinamik bioreaktor pengeluaran besar dalam sistem yang lebih kecil dan lebih mudah diurus. Dengan berbuat demikian, mereka mengurangkan risiko kesilapan yang mahal apabila beralih dari operasi skala kecil ke skala industri. Langkah ini bukan sahaja mengesahkan ramalan CFD tetapi juga memastikan proses peningkatan skala yang lebih boleh dipercayai dan berkesan.
Mencipta Model Skala-Kecil
Mereka bentuk model skala-kecil bermula dengan mengekalkan kesamaan geometri.Ini bermaksud mengekalkan nisbah aspek yang sama antara komponen utama, seperti ketinggian kapal kepada diameter dan diameter impeller kepada diameter tangki [11]. Setelah geometri diselaraskan, jurutera memilih kriteria penskalaan. Pilihan biasa termasuk kuasa per isipadu (P/V), kelajuan hujung impeller, atau kadar penyebaran tenaga (EDR). Walau bagaimanapun, memberi tumpuan kepada EDR yang dilokalisasikan daripada P/V purata memberikan pemahaman yang lebih baik tentang heterogeniti ricih, yang penting untuk pemodelan yang tepat.
Pendekatan yang lebih maju melibatkan simulator berbilang petak. Sebagai contoh, pada Februari 2021, Emmanuel Anane dan pasukannya membangunkan simulator penskalaan dua petak yang menggabungkan reaktor tangki berpengaduk (STR) dan reaktor aliran palam (PFR). Model ini digunakan untuk mengkaji bagaimana sel CHO bertindak balas terhadap kecerunan oksigen terlarut. Penyelidikan mereka mendedahkan ambang masa kediaman kritikal selama 90 saat.Selepas titik ini, sel CHO menunjukkan penurunan 15% dalam ketumpatan sel yang boleh hidup dan peningkatan dalam pengumpulan laktat [10]. Penemuan ini menawarkan penanda aras yang jelas untuk mereka bentuk bioreaktor industri yang mengekalkan daya hidup sel.
Untuk melindungi pertumbuhan sel, jurutera sering berusaha untuk memastikan kelajuan hujung impeller di bawah 1.5 m/s [1]. Selain itu, panjang mikroeddy Kolmogorov - ukuran pergolakan - harus melebihi saiz sel, biasanya 20 μm atau lebih untuk sel mamalia, untuk mengelakkan kerosakan hidrodinamik [1][3]. Sebagai contoh, pada input tenaga 0.1 W/kg dalam kultur sel haiwan, eddy terkecil adalah sekitar 60 μm, menyediakan penampan yang selamat [3].
Mengesahkan Ramalan CFD Melalui Eksperimen
Sebaik sahaja model berskala kecil disediakan, kaedah eksperimen adalah penting untuk mengesahkan parameter yang diperoleh daripada CFD. Particle Image Velocimetry (PIV) adalah teknik yang digunakan secara meluas untuk tujuan ini. Dengan menjejak zarah dalam cecair, PIV membantu mengesahkan sama ada corak aliran dan medan kelajuan dalam model berskala kecil sejajar dengan ramalan CFD [12][4].
Kaedah suntikan penjejak dan penyahwarnaan juga digunakan untuk mengesahkan masa pencampuran. Dalam proses ini, penjejak seperti asid, bes, atau larutan garam diperkenalkan berhampiran pengaduk, dan pengedarannya dipantau sehingga 95% homogeniti dicapai [12][3]. Untuk bioreaktor sel mamalia berskala besar (5,000 L hingga 20,000 L), masa pencampuran biasanya berkisar antara 80 hingga 180 saat [10].
Pada bulan Mac 2020, James Scully dan pasukannya di Regeneron Ireland DAC berjaya meningkatkan proses kultur sel dari bioreaktor 2,000 L kepada bioreaktor guna tunggal 5,000 L dengan geometri yang berbeza. Mereka bergantung pada CFD untuk meramalkan parameter utama seperti kadar pemindahan jisim, masa pencampuran, dan kadar ricih. Ramalan ini kemudian disahkan melalui eksperimen fasa tunggal dan pelbagai fasa, membolehkan percubaan pertama yang berjaya untuk meningkatkan skala tanpa memerlukan percubaan perintis berskala besar [5].
"Simulasi CFD semakin digunakan untuk melengkapkan penyiasatan kejuruteraan proses klasik di makmal dengan hasil yang diselesaikan secara spatial dan temporal, atau bahkan menggantikannya apabila penyiasatan makmal tidak dapat dilakukan." - Stefan Seidel, School of Life Sciences, ZHAW [12]
Teknik pengesahan tambahan termasuk pengukuran tork untuk mengesahkan input kuasa spesifik (P/V) dan nombor kuasa tanpa dimensi pada kelajuan pengaduk tertentu [12][3]. Kadar pemindahan oksigen disahkan menggunakan kaedah seperti teknik gassing-out atau sulfit, yang menentukan pekali pemindahan jisim oksigen volumetrik (kLa) [12][7]. Untuk sistem yang menggunakan mikropembawa, kaedah pelemahan cahaya atau berasaskan kamera digunakan untuk mencari kelajuan minimum yang diperlukan untuk menggantung semua zarah, memastikan bahawa ramalan CFD mengenai pengedaran fasa pepejal adalah tepat [12][4].
sbb-itb-ffee270
Faktor Yang Mempengaruhi Tekanan Ricih dalam Bioreaktor
Untuk melindungi daya tahan sel semasa peningkatan skala, memahami faktor fizikal yang mendorong tekanan ricih adalah kritikal. Ramalan Dinamik Bendalir Komputasi (CFD) dan pengesahan skala-bawah mendedahkan bahawa kadar penyebaran tenaga (EDR) memainkan peranan penting. EDR mengukur bagaimana tenaga kinetik pengaduk ditukar kepada haba, yang membawa kepada pengagihan tenaga yang tidak sekata. Sebagai contoh, dalam pengaduk bilah condong, tenaga cenderung untuk tertumpu di sekitar pengaduk, mewujudkan zon ricih tinggi yang boleh merosakkan sel jika tidak diuruskan dengan betul.
Reka Bentuk Pengaduk dan Input Kuasa
Jenis pengaduk yang digunakan secara signifikan mempengaruhi corak aliran dan intensiti ricih. Turbin Rushton, sebagai contoh, menjana aliran radial dan ricih tinggi, menjadikannya ideal untuk penapaian mikrob tetapi kurang sesuai untuk sel mamalia yang sensitif terhadap ricih.Sebaliknya, pendesak bilah condong menghasilkan aliran paksi dengan ricih yang lebih rendah dan kecekapan pengepaman yang lebih baik pada input kuasa yang sama. Ini menjadikannya pilihan yang lebih disukai untuk aplikasi seperti pengeluaran daging yang ditanam, di mana daya tahan sel adalah keutamaan.
| Jenis Pendesak | Corak Aliran | Nombor Kuasa (Nₚ) | Tahap Ricih | Aplikasi Utama |
|---|---|---|---|---|
| Turbin Rushton | Radial | ~5.0 | Tinggi | Penapaian mikrob; penyebaran gas [3] |
| Bilah Condong | Paksi | ~1.0 | Rendah ke Sederhana | Kultur sel mamalia; penggantungan pepejal [3] |
Strategi penskalaan sering bergantung pada mengekalkan input kuasa per isipadu (P/V) yang tetap. Walau bagaimanapun, apabila saiz reaktor meningkat, ini boleh menyebabkan kelajuan hujung pengaduk yang lebih tinggi. Untuk sel mamalia, kelajuan hujung harus kekal di bawah 1.5 m/s untuk mengelakkan masalah pertumbuhan [1]. Dalam reaktor berskala besar, sparging boleh memperkenalkan tekanan hidrodinamik yang lebih tinggi daripada pengaduk, terutamanya dalam bekas melebihi 20 m³ [9]. Faktor-faktor ini berkait rapat dengan pergolakan, yang diterokai lebih lanjut dalam perbincangan skala Kolmogorov.
Skala Kolmogorov dan Pemodelan Pergolakan
Skala Kolmogorov (λ) mentakrifkan saiz eddy bergelora terkecil di mana tenaga hilang sebagai haba.Jika pusaran ini lebih kecil daripada diameter sel, kerosakan mekanikal menjadi kebimbangan. Untuk sel mamalia, yang biasanya berukuran 15–20 μm, panjang pusaran mesti melebihi 20 μm untuk mengelakkan kerosakan [1][3]. Sebagai contoh, pada input tenaga 0.1 W/kg, diameter pusaran Kolmogorov adalah kira-kira 60 μm, menyediakan penampan yang selamat [3].
"Jika entiti biologi (e.g., sel mamalia) lebih kecil daripada λ [skala Kolmogorov] dalam bioreaktor, maka kerosakan ricih kepada entiti tersebut tidak akan berlaku." - Muhammad Arshad Chaudhry [3]
Pada Ogos 2024, penyelidik dari Boehringer Ingelheim Pharma dan University of Chemistry and Technology Prague menggunakan Simulasi Eddy Besar Lattice-Boltzmann (LB-LES) untuk mengesahkan ramalan CFD dalam bioreaktor industri 12,500 L.Dengan menggunakan agregat nanopartikel yang sensitif terhadap ricih, mereka mengukur tekanan hidrodinamik maksimum dan menunjukkan bahawa LB-LES dapat menyelesaikan skala turbulen 100–1,000 kali lebih cepat daripada kaedah tradisional [2]. Penemuan ini penting dalam membangunkan strategi untuk meminimumkan tekanan ricih.
Mengurangkan Tekanan Ricih Menggunakan Data Pemodelan
Pemodelan CFD membolehkan jurutera mengenal pasti zon ricih tinggi dan menyesuaikan keadaan operasi dengan sewajarnya. Satu pendekatan yang berkesan adalah dengan memperkenalkan substrat, asas pH, atau antifoam berhampiran zon impeller dan bukannya di permukaan cecair. Ini memastikan pengedaran yang cepat dan meminimumkan kecerunan kepekatan setempat [3]. Dalam pengeluaran daging yang dikultur, ricih yang berlebihan boleh melepaskan sel dari mikropembawa, manakala pengadukan yang tidak mencukupi membawa kepada pemendapan mikropembawa dan ketidakseimbangan nutrien [9].
Aditif pelindung seperti Pluronic F-68 (Poloxamer 188) biasanya digunakan untuk melindungi sel daripada daya ricih, terutamanya yang disebabkan oleh letupan gelembung di permukaan cecair - penyumbang utama kepada kematian sel dalam bioreaktor [1]. Dengan surfaktan ini, input tenaga setinggi 100,000 W/m³ telah dilaporkan tanpa kesan maut [1]. Selain itu, mengekalkan halaju kemasukan gas di orifis sparger di bawah 30 m/s membantu mengurangkan kerugian produktiviti dan kematian sel [1].
Mencari Peralatan untuk Penskalaan Bioreaktor
Bagaimana Cellbase Menyokong Perolehan Bioreaktor
Penskalaan bioreaktor untuk pengeluaran daging yang ditanam datang dengan set cabarannya sendiri. Di sinilah
Apabila menggunakan
Penskalaan berjaya bioreaktor yang digunakan dalam industri biofarmaseutikal memainkan peranan besar dalam kualiti dan masa ke pasaran produk ini [5].
Dengan memanfaatkan data yang disokong CFD, pasukan boleh menyelaraskan pemilihan peralatan dan meminimumkan keperluan untuk percubaan berulang [5]. Wawasan ini adalah penting untuk memilih bioreaktor yang direka dengan pengurusan tekanan ricih yang optimum dalam fikiran.
Memilih Peralatan untuk Kawalan Tekanan Ricih
Untuk mengawal tekanan ricih dengan berkesan, spesifikasi peralatan tertentu adalah sangat penting. Geometri impeller adalah faktor utama. Sebagai contoh, impeller bilah condong menjana aliran paksi dengan nombor kuasa (Np) kira-kira 1.0, manakala turbin Rushton mempunyai Np yang jauh lebih tinggi sekitar 5.0.Ini bermakna reka bentuk bilah condong menghasilkan kuasa yang jauh lebih rendah dan, oleh itu, kurang ricih pada kelajuan putaran yang sama [3]. Untuk aplikasi yang melibatkan sel mamalia yang digunakan dalam daging yang ditanam, mengekalkan kelajuan hujung pendesak di bawah 1.5 m/s adalah penting untuk mengelakkan kerosakan sel [1].
Konfigurasi sparger adalah pertimbangan kritikal lain. Untuk mengelakkan ricih berlebihan, peralatan harus memastikan bahawa kelajuan kemasukan gas pada orifis sparger kekal di bawah 30 m/s, dan nombor Reynolds orifis kekal di bawah 2,000. Melebihi ambang ini boleh membawa kepada "rejim jetting", di mana gelembung tersebar tidak sekata dan mewujudkan zon ricih setempat [1]. Sparger lubang gerudi atau paip terbuka lebih sesuai untuk sel sensitif ricih berbanding dengan mikrosparger. Selain itu, peralatan harus menyokong keserasian skala turun. Pembekal yang menawarkan model meja (e.g., 3 L sistem) yang serupa secara geometri dengan sistem berskala besar (2,000 L atau lebih) membolehkan pasukan untuk mengesahkan ramalan CFD pada skala yang lebih kecil sebelum beralih kepada pengeluaran berskala penuh [1][2].
Kesimpulan
Menskalakan bioreaktor untuk pengeluaran daging yang diternak memerlukan peralihan dari kaedah cuba-jaya tradisional dan menerima strategi berasaskan model untuk menangani perbezaan ricih setempat. Dinamik Bendalir Komputasi (CFD) telah menjadi alat utama dalam proses ini, membolehkan jurutera meramalkan persekitaran hidrodinamik dan menggambarkan zon ricih melebihi nisbah kuasa-per-isi padu yang mudah [1]. Dengan mematuhi parameter kritikal - seperti memastikan panjang eddy Kolmogorov melebihi 20 μm dan kelajuan hujung pengaduk di bawah 1.5 m/s - jurutera dapat melindungi sel mamalia daripada kerosakan ricih sambil memastikan pencampuran dan pemindahan oksigen yang betul [1].
Kaedah pengiraan lanjutan, seperti Simulasi Eddy Besar (LES) dan teknik Lattice-Boltzmann, telah menunjukkan keberkesanannya dalam meningkatkan skala proses. Sebagai contoh, pada Mac 2020, Regeneron Ireland DAC berjaya meningkatkan proses kultur sel daripada bioreaktor 2,000 L kepada sistem guna tunggal 5,000 L yang berbeza secara geometri pada percubaan pertama. Ini dicapai menggunakan ramalan CFD berbilang parameter, menghapuskan keperluan untuk percubaan fizikal yang meluas [5]. Strategi "pertama-kali-betul" ini bukan sahaja mengurangkan risiko pencemaran tetapi juga memendekkan masa ke pasaran - kritikal untuk sektor daging yang diternak.
Kaedah pengesahan eksperimen, seperti Velosimetri Imej Zarah (PIV), selanjutnya mengesahkan ketepatan model CFD [2]. Model yang telah disahkan ini kini memainkan peranan penting dalam keputusan perolehan.Syarikat seperti
Soalan Lazim
Bagaimana Dinamik Bendalir Komputasi (CFD) menyokong peningkatan skala bioreaktor untuk pengeluaran daging yang ditanam?
Dinamik Bendalir Komputasi (CFD) adalah pengubah permainan apabila ia berkaitan dengan peningkatan skala bioreaktor untuk daging yang ditanam. Ia memberikan pemahaman mendalam tentang dinamik aliran, tekanan ricih, kecekapan pencampuran, dan kadar pemindahan jisim - semua faktor kritikal untuk mewujudkan persekitaran yang ideal untuk pertumbuhan sel.
Dengan CFD, jurutera boleh mengoptimumkan elemen penting seperti reka bentuk impeller, kelajuan pengadukan, dan penyemburan gas. Ini memastikan bahawa bioreaktor beroperasi dalam keadaan terbaik, melindungi kesihatan sel dan produktiviti.
Tambahan pula, CFD memungkinkan peralihan dari persediaan makmal kecil ke bioreaktor berskala industri besar tanpa menjejaskan kecekapan atau konsistensi. Ini bermakna pengeluaran daging yang diternak boleh ditingkatkan dengan lancar sambil mengekalkan piawaian tinggi.
Apa yang menjadikan Simulasi Eddy Besar (LES) lebih baik daripada kaedah tradisional untuk pemodelan bioreaktor?
Simulasi Eddy Besar (LES) memberikan pandangan yang lebih mendalam dan tepat ke dalam aliran turbulen dalam bioreaktor berbanding kaedah tradisional seperti Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS).Dengan menumpukan pada eddies berskala besar dan memodelkan hanya gerakan disipasif yang paling kecil, LES dapat mengenal pasti titik panas tegasan ricih kritikal, seperti zon ricih tinggi yang disebabkan oleh pusaran, yang mungkin terlepas pandang. Tahap perincian ini memainkan peranan penting dalam mengurangkan kerosakan sel dan memastikan kebolehpercayaan yang lebih tinggi apabila meningkatkan pengeluaran daging yang diternak.
Tidak seperti kaedah yang bergantung banyak pada korelasi empirik, LES menawarkan keupayaan ramalan yang lebih kuat apabila bergerak dari bioreaktor skala makmal ke skala industri. Kemajuan dalam teknik pengkomputeran juga telah menjadikan LES lebih mudah diakses, membolehkan simulasi terperinci tanpa memerlukan sumber pengkomputeran yang mahal. Bagi perniagaan yang bertujuan untuk mengintegrasikan reka bentuk yang didorong oleh LES,
Mengapa penting untuk mengekalkan panjang eddy Kolmogorov melebihi 20 µm untuk daya tahan sel mamalia?
Mengekalkan panjang eddy Kolmogorov melebihi kira-kira 20 µm adalah penting untuk melindungi sel mamalia semasa operasi bioreaktor. Apabila eddy bergelora ini mengecil di bawah saiz sel, ia boleh mendedahkan sel kepada tekanan ricih yang berlebihan, yang berisiko merosakkan membran mereka dan mengurangkan daya tahan sel.
Menjaga struktur bergelora yang paling kecil lebih besar daripada sel membantu mengurangkan kemungkinan kerosakan mekanikal. Ini bukan sahaja mempromosikan kultur sel yang lebih sihat tetapi juga meningkatkan prestasi keseluruhan bioreaktor. Pertimbangan ini menjadi lebih penting semasa pembesaran bioreaktor, di mana memastikan keadaan tekanan ricih yang konsisten adalah lebih sukar.
