การขยายขนาดไบโอรีแอคเตอร์สำหรับการผลิตเนื้อสัตว์เพาะเลี้ยงมีความซับซ้อน โดยเฉพาะเมื่อจัดการกับแรงเฉือนซึ่งเป็นแรงกลที่สามารถทำลายเซลล์สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมในระหว่างการขยายขนาด ไม่เหมือนกับเซลล์จุลินทรีย์ เซลล์สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมมีความเปราะบางและไวต่อแรงปั่นป่วนและการเติมอากาศ เมื่อแรงเฉือนเกิน3 Paเซลล์อาจแตก ทำให้ความมีชีวิตและประสิทธิภาพการผลิตลดลง
เพื่อแก้ไขปัญหาเหล่านี้ วิศวกรพึ่งพาการวิเคราะห์พลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณ (CFD)และ โมเดลขนาดย่อเพื่อทำนายและจัดการแรงเฉือนก่อนการผลิตเต็มรูปแบบ CFD วิเคราะห์รูปแบบการไหล โซนแรงเฉือน และประสิทธิภาพการผสมในไบโอรีแอคเตอร์ ในขณะที่โมเดลขนาดย่อยืนยันการทำนายเหล่านี้ในเชิงทดลอง เพื่อลดความเสี่ยงในระหว่างการขยายขนาด
ประเด็นสำคัญ:
- ขีดจำกัดของแรงเฉือน: เซลล์สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมทนได้ถึง3 Pa; การเกินกว่านี้จะทำลายเซลล์
- เครื่องมือ CFD: วิธีการขั้นสูงเช่น Large Eddy Simulations (LES) และ Lattice-Boltzmann simulations (LB-LES) ช่วยให้สามารถจำลองการไหลและความปั่นป่วนได้อย่างแม่นยำ
- แบบจำลองขนาดย่อ: สิ่งเหล่านี้จำลองสภาวะของเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพขนาดใหญ่ในรูปแบบขนาดเล็กเพื่อยืนยันการคาดการณ์ CFD
-
ข้อพิจารณาในการออกแบบ:
- ใช้ใบพัดแบบ pitched-blade เพื่อลดแรงเฉือน
- รักษาความยาว Kolmogorov eddy ให้อยู่เหนือ 20 μm เพื่อป้องกันความเสียหายของเซลล์
- รักษาความเร็วปลายใบพัดให้น้อยกว่า 1.5 m/s
โดยการรวมข้อมูลเชิงลึกจาก CFD กับการตรวจสอบเชิงทดลอง ทีมสามารถปรับปรุงการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพสำหรับการผลิตเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง เพื่อให้มั่นใจถึงการอยู่รอดของเซลล์และการขยายขนาดที่มีประสิทธิภาพ
CFD Compass | แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดสำหรับ CFD ในเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพ
การใช้ Computational Fluid Dynamics (CFD) เพื่อจำลองแรงเฉือน
วิธีการ CFD และพารามิเตอร์สำคัญสำหรับเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพประเภทต่างๆ ในการผลิตเนื้อสัตว์เพาะเลี้ยง
การจำลอง CFD ให้เครื่องมือวิศวกรในการทำแผนที่พลศาสตร์ของไหลและแรงเฉือนภายในเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพก่อนที่จะสร้างขึ้นจริง แทนที่จะพึ่งพาวิธีการลองผิดลองถูกในระดับการผลิต CFD ช่วยทำนายปัจจัยสำคัญเช่น โซนแรงเฉือนสูง กระแสน้ำวน และความมีชีวิตของเซลล์ในส่วนเฉพาะของภาชนะ ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งในการผลิตเนื้อสัตว์เพาะเลี้ยง ที่ขนาดของเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพอาจถึง 200,000 ลิตร ซึ่งใหญ่กว่าภาชนะชีวเภสัชกรรมแบบดั้งเดิมมาก [8] ข้อมูลเชิงลึกที่คาดการณ์เหล่านี้ช่วยแนะนำการทดลองลดขนาดและมีอิทธิพลต่อการเลือกอุปกรณ์
การพัฒนาของเทคนิคการคำนวณมีความโดดเด่นมาก ในขณะที่โมเดล Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) เช่น k-ε ยังคงถูกใช้อย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรม วิธีการขั้นสูงเช่น Large Eddy Simulations (LES) และการจำลอง Lattice-Boltzmann ที่ใช้พลังงานจาก GPU (LB-LES) กำลังผลักดันขอบเขตไปข้างหน้า ตามที่ศาสตราจารย์ Miroslav Soos จาก University of Chemistry and Technology Prague กล่าว การใช้ LB-LES ที่ใช้ GPU สามารถแก้ไขโมเดลได้ “เร็วกว่า 100 ถึง 1,000 เท่าเมื่อเทียบกับตัวแก้ปัญหาวิธีปริมาตรจำกัดที่ใช้กันทั่วไป” [2] ข้อได้เปรียบด้านความเร็วนี้ทำให้วิศวกรสามารถจำลองภาชนะขนาดใหญ่ด้วยความแม่นยำที่จำเป็นในการตรวจจับกระแสน้ำวนที่ทำลายเซลล์ได้
ตัวอย่างที่เป็นรูปธรรมของความสามารถของ CFD มาจากนักวิจัยที่ Regeneron Ireland DAC และ Thermo Fisher Scientific พวกเขาประสบความสำเร็จในการขยายกระบวนการเพาะเลี้ยงเซลล์จากเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพขนาด 2,000 ลิตรไปยังเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพแบบใช้ครั้งเดียวขนาด 5,000 ลิตรที่มีรูปทรงเรขาคณิตที่แตกต่างกันแทนที่จะพึ่งพาการคาดเดาเชิงประจักษ์ พวกเขาใช้ CFD ในการวิเคราะห์พารามิเตอร์เช่น อัตราการถ่ายโอนมวล, เวลาการผสม, และอัตราเฉือน วิธีการนี้ทำให้สามารถขยายขนาดได้สำเร็จในครั้งแรก หลีกเลี่ยงความล้มเหลวที่มีค่าใช้จ่ายสูงซึ่งมักเกี่ยวข้องกับการขยายขนาดตามอัตราส่วนพลังงานต่อปริมาตร [5].
การตั้งค่า CFD สำหรับเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพแบบถังที่มีการกวน
ในการตั้งค่า CFD สำหรับเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพแบบถังที่มีการกวน เริ่มต้นด้วยการกำหนดรูปทรงของภาชนะ - ซึ่งรวมถึงขนาดของถัง, การออกแบบใบพัด (e.g., Rushton หรือ pitched-blade), และตำแหน่งของแผ่นกั้น การเลือกแบบจำลองความปั่นป่วนที่เหมาะสมเป็นสิ่งสำคัญ: แบบจำลอง k-ε ที่สามารถทำงานได้ดีสำหรับระบบก๊าซ-ของเหลว ในขณะที่ LB-LES ให้ความละเอียดสูงกว่าในการระบุความเครียดสูงสุดที่อาจเป็นอันตรายต่อเซลล์ การศึกษาการบรรจบกันของตารางช่วยให้มั่นใจว่าผลลัพธ์ไม่ขึ้นอยู่กับขนาดของตาข่าย
เงื่อนไขขอบเขตต้องสะท้อนถึงพารามิเตอร์การทำงานในโลกจริง เช่น ความเร็วของใบพัด อัตราการพ่นก๊าซ ความหนาแน่นของของเหลว และความหนืด สำหรับการประยุกต์ใช้เนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง มักใช้โมเดลแรงต้านฟองอากาศแบบอนุรักษ์นิยมเพื่อประมาณการแรงเฉือน [8]. ระบบควรทำงานในสภาวะที่มีความปั่นป่วนเต็มที่ โดยมีตัวเลขเรย์โนลด์เกิน 10,000 เพื่อให้แน่ใจว่าตัวเลขพลังงานยังคงสม่ำเสมอไม่ว่าจะเป็นความเร็วของใบพัด [1].
การทำนาย CFD สำหรับการถ่ายโอนออกซิเจน เวลาผสม และความเครียดทางไฮโดรไดนามิกควรสอดคล้องกับข้อมูลการทดลองที่รวบรวมโดยใช้โพรบขนาดเล็กที่ไวต่อแรงเฉือนหรือการรวมตัวของอนุภาคนาโน [2]. ตัวอย่างเช่น โมเดลการถ่ายโอนมวลทางคณิตศาสตร์ได้แนะนำการขยายขนาดโดยตรงของกระบวนการเพาะเลี้ยงเซลล์ CHO จากหน่วยบนโต๊ะขนาด 2 ลิตรไปยังเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพอุตสาหกรรมขนาด 1,500 ลิตรที่ Sartorius. โดยการใช้ CFD เพื่อทำนายความต้องการออกซิเจนและการกำจัด CO₂ ทีมงานสามารถรักษาคุณภาพของผลิตภัณฑ์ให้คงที่ - เช่น N-glycans และตัวแปรประจุ - ในทุกขนาด [6].
CFD สำหรับประเภทของไบโอรีแอคเตอร์อื่นๆ
ในขณะที่ถังที่มีการกวนเป็นหลักในวัฒนธรรมเซลล์อุตสาหกรรม การออกแบบไบโอรีแอคเตอร์อื่นๆ ต้องการวิธีการ CFD ที่ปรับแต่งเฉพาะตัว ตัวอย่างเช่น ไบโอรีแอคเตอร์แบบโยกหรือแบบคลื่นใช้วิธี Volume of Fluid (VOF) เพื่อจำลองอินเตอร์เฟสระหว่างแก๊สและของเหลว เนื่องจากการเคลื่อนไหวของคลื่นทำให้เกิดความเครียดเฉือนในระบบเหล่านี้ การออกแบบเหล่านี้สร้างสภาพแวดล้อมที่มีความเครียดเฉือนที่อ่อนโยนมากขึ้น - ความเครียดสูงสุดประมาณ 0.01 Pa เมื่อเทียบกับถังที่มีการกวน - แต่ความสามารถในการขยายขนาดของพวกเขามีจำกัดสำหรับการผลิตเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยงในขนาดใหญ่ [4].
ในทางกลับกัน ไบโอรีแอคเตอร์แบบเส้นใยกลวงใช้โมเดลสื่อที่มีรูพรุนตามสมการ Brinkman เพื่อจำลองการแพร่กระจายของสารอาหารและความต้านทานการไหลผ่านเมมเบรนระบบเตียงฟลูอิไดซ์ต้องการโมเดล Euler-Lagrange เพื่อจับปฏิสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคกับของไหลและการขยายตัวของเตียง ในขณะที่เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพแบบยกอากาศใช้วิธี Euler-Euler เพื่อวิเคราะห์ความปั่นป่วนที่เกิดจากฟองและการกักเก็บก๊าซ [4] การออกแบบแต่ละแบบมาพร้อมกับความท้าทายเฉพาะ: เตียงฟลูอิไดซ์ต้องสมดุลการกระจายไมโครแคเรียร์กับการสัมผัสแรงเฉือน ในขณะที่ระบบยกอากาศต้องจัดการกับความเครียดที่เกิดจากฟองที่แตก ซึ่งเป็นสาเหตุหลักของการตายของเซลล์ในเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพที่มีการพ่นก๊าซ [1] [7] .
การทำความเข้าใจวิธีการ CFD เหล่านี้เป็นสิ่งสำคัญสำหรับการควบคุมแรงเฉือนในรูปแบบเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพต่างๆ ที่ใช้ในการผลิตเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง
| ประเภทเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพ | วิธีการ CFD | ข้อพิจารณาที่สำคัญ |
|---|---|---|
| ถังผสม | RANS (SST), LES, LB-LES | การกระจายพลังงานในโซนใบพัด (εMax) |
| คลื่น/การโยก | ปริมาตรของของไหล (VOF) | การติดตามพื้นผิวระหว่างแก๊ส-ของเหลว |
| เส้นใยกลวง | สื่อพรุน (Brinkman) | การไหลของสารอาหารและความต้านทานของเมมเบรน |
| เตียงฟลูอิไดซ์ | ออยเลอร์-ลากรองจ์ | การโต้ตอบระหว่างอนุภาคและของไหล, การขยายตัวของเตียง |
| แอร์ลิฟต์ | ออยเลอร์-ออยเลอร์ | ความปั่นป่วนจากฟองและการกักเก็บแก๊ส |
วิธี CFD ที่หลากหลายเหล่านี้เน้นย้ำถึงความจำเป็นในการใช้กลยุทธ์ที่ปรับแต่งเฉพาะ ซึ่งมีบทบาทสำคัญในการเลือกอุปกรณ์และการจัดการแรงเฉือน
โมเดลขนาดย่อและการตรวจสอบเชิงทดลอง
แม้ว่า Computational Fluid Dynamics (CFD) จะให้การคาดการณ์ที่มีคุณค่า แต่ก็ไม่สามารถทดแทนความจำเป็นในการทดสอบในโลกจริงเมื่อขยายกระบวนการได้ การตรวจสอบเชิงทดลองมีบทบาทสำคัญในการรับรองว่าโมเดลคอมพิวเตอร์แสดงถึงสภาวะความเค้นเฉือนในโลกจริงได้อย่างถูกต้อง นี่คือที่ที่โมเดลขนาดย่อเข้ามามีบทบาท โดยการเลียนแบบสภาพแวดล้อมไฮโดรไดนามิกของเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพขนาดใหญ่ในระบบที่มีขนาดเล็กและจัดการได้ง่ายขึ้น ด้วยวิธีนี้พวกเขาลดความเสี่ยงของข้อผิดพลาดที่มีค่าใช้จ่ายสูงเมื่อย้ายจากการดำเนินงานขนาดเล็กไปสู่ขนาดอุตสาหกรรม ขั้นตอนนี้ไม่เพียงแต่ยืนยันการคาดการณ์ของ CFD แต่ยังรับรองกระบวนการขยายขนาดที่น่าเชื่อถือและมีประสิทธิภาพมากขึ้นด้วย
การสร้างโมเดลขนาดย่อ
การออกแบบโมเดลขนาดย่อเริ่มต้นด้วยการรักษาความคล้ายคลึงทางเรขาคณิตสิ่งนี้หมายถึงการรักษาสัดส่วนที่เหมือนกันระหว่างส่วนประกอบหลัก เช่น ความสูงของภาชนะต่อเส้นผ่านศูนย์กลางและเส้นผ่านศูนย์กลางของใบพัดต่อเส้นผ่านศูนย์กลางของถัง [11] เมื่อเรขาคณิตถูกจัดให้ตรงกัน วิศวกรจะเลือกเกณฑ์การปรับขนาด ตัวเลือกทั่วไปได้แก่ กำลังต่อปริมาตร (P/V), ความเร็วปลายใบพัด, หรืออัตราการกระจายพลังงาน (EDR) อย่างไรก็ตาม การมุ่งเน้นไปที่ EDR ที่เฉพาะเจาะจงแทนที่จะเป็นค่าเฉลี่ย P/V ให้ความเข้าใจที่ดีกว่าเกี่ยวกับความไม่สม่ำเสมอของแรงเฉือน ซึ่งมีความสำคัญต่อการสร้างแบบจำลองที่แม่นยำ
วิธีการที่ก้าวหน้ากว่าคือการใช้ตัวจำลองหลายช่อง ตัวอย่างเช่น ในเดือนกุมภาพันธ์ 2021 Emmanuel Anane และทีมของเขาได้พัฒนาตัวจำลองการลดขนาดสองช่องที่รวมเครื่องปฏิกรณ์ถังคน (STR) และเครื่องปฏิกรณ์แบบไหลปลั๊ก (PFR) แบบจำลองนี้ถูกใช้เพื่อศึกษาว่าเซลล์ CHO ตอบสนองต่อความชันของออกซิเจนที่ละลายอย่างไร งานวิจัยของพวกเขาเผยให้เห็นเกณฑ์เวลาพำนักที่สำคัญที่ 90 วินาทีนอกเหนือจากจุดนี้ เซลล์ CHO แสดงการลดลงของความหนาแน่นของเซลล์ที่มีชีวิต 15% และการสะสมของแลคเตทที่เพิ่มขึ้น [10] การค้นพบนี้ให้เกณฑ์มาตรฐานที่ชัดเจนสำหรับการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพอุตสาหกรรมที่รักษาความมีชีวิตของเซลล์
เพื่อปกป้องการเจริญเติบโตของเซลล์ วิศวกรมักจะตั้งเป้าให้ความเร็วปลายใบพัดต่ำกว่า 1.5 ม./วินาที [1] นอกจากนี้ ความยาวของ Kolmogorov microeddy - ซึ่งเป็นมาตรวัดของความปั่นป่วน - ควรเกินขนาดของเซลล์ โดยทั่วไปคือ 20 μm หรือมากกว่าสำหรับเซลล์สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม เพื่อหลีกเลี่ยงความเสียหายจากไฮโดรไดนามิก [1][3] ตัวอย่างเช่น ที่พลังงานที่ใส่เข้าไป 0.1 W/kg ในการเพาะเลี้ยงเซลล์สัตว์ ขนาดของ eddies ที่เล็กที่สุดคือประมาณ 60 μm ซึ่งให้บัฟเฟอร์ที่ปลอดภัย [3]
การตรวจสอบความถูกต้องของการทำนาย CFD ผ่านการทดลอง
เมื่อมีการสร้างแบบจำลองขนาดเล็กลงแล้ว วิธีการทดลองเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการตรวจสอบพารามิเตอร์ที่ได้จาก CFD การวัดความเร็วของอนุภาคในของไหล (PIV) เป็นเทคนิคที่ใช้กันอย่างแพร่หลายเพื่อวัตถุประสงค์นี้ โดยการติดตามอนุภาคในของไหล PIV ช่วยยืนยันว่ารูปแบบการไหลและสนามความเร็วในแบบจำลองขนาดเล็กลงสอดคล้องกับการทำนายของ CFD หรือไม่ [12][4].
วิธีการฉีดสารติดตามและการลดสีลงก็ถูกใช้เพื่อยืนยันเวลาการผสม ในกระบวนการนี้ สารติดตามเช่น กรด เบส หรือสารละลายเกลือจะถูกนำเข้าใกล้ใบพัด และการกระจายตัวของพวกมันจะถูกตรวจสอบจนกว่าจะได้ความเป็นเนื้อเดียวกัน 95% [12][3]. สำหรับเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพเซลล์สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมขนาดใหญ่ (5,000 L ถึง 20,000 L) เวลาการผสมมักจะอยู่ในช่วง 80 ถึง 180 วินาที [10].
ในเดือนมีนาคม 2020 James Scully และทีมงานของเขาที่ Regeneron Ireland DAC ได้ประสบความสำเร็จในการขยายกระบวนการเพาะเลี้ยงเซลล์จากเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพขนาด 2,000 ลิตร ไปยังเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพแบบใช้ครั้งเดียวขนาด 5,000 ลิตรที่มีรูปทรงแตกต่างกัน พวกเขาใช้ CFD ในการทำนายพารามิเตอร์สำคัญ เช่น อัตราการถ่ายโอนมวล, เวลาผสม, และอัตราเฉือน การทำนายเหล่านี้ได้รับการตรวจสอบผ่านการทดลองแบบเฟสเดียวและหลายเฟส ทำให้สามารถขยายขนาดได้สำเร็จในครั้งแรกโดยไม่จำเป็นต้องมีการทดลองนำร่องขนาดใหญ่ [5].
"การจำลอง CFD ถูกนำมาใช้มากขึ้นเพื่อเสริมการตรวจสอบวิศวกรรมกระบวนการแบบคลาสสิกในห้องปฏิบัติการด้วยผลลัพธ์ที่มีการแก้ไขเชิงพื้นที่และเชิงเวลา หรือแม้กระทั่งแทนที่เมื่อการตรวจสอบในห้องปฏิบัติการไม่สามารถทำได้" - Stefan Seidel, School of Life Sciences, ZHAW [12]
เทคนิคการตรวจสอบเพิ่มเติมรวมถึงการวัดแรงบิดเพื่อยืนยันการป้อนพลังงานเฉพาะ (P/V) และตัวเลขพลังงานที่ไม่มีมิติที่ความเร็วของเครื่องกวนที่เฉพาะเจาะจง [12][3]. อัตราการถ่ายโอนออกซิเจนได้รับการตรวจสอบโดยใช้วิธีการเช่นการปล่อยก๊าซหรือเทคนิคซัลไฟต์ ซึ่งกำหนดค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายโอนมวลออกซิเจนเชิงปริมาตร (kLa) [12][7]. สำหรับระบบที่ใช้ไมโครแคร์ริเออร์ ใช้วิธีการลดแสงหรือวิธีการใช้กล้องเพื่อหาความเร็วขั้นต่ำที่จำเป็นในการระงับอนุภาคทั้งหมด เพื่อให้แน่ใจว่าการคาดการณ์ CFD ของการกระจายเฟสของแข็งมีความถูกต้อง [12][4].
sbb-itb-ffee270
ปัจจัยที่มีผลต่อแรงเฉือนในไบโอรีแอคเตอร์
เพื่อปกป้องความมีชีวิตของเซลล์ในระหว่างการขยายขนาด การเข้าใจปัจจัยทางกายภาพที่ทำให้เกิดแรงเฉือนเป็นสิ่งสำคัญ การทำนายด้วย Computational Fluid Dynamics (CFD) และการตรวจสอบในระดับย่อมเผยให้เห็นว่าอัตราการกระจายพลังงาน (EDR) มีบทบาทสำคัญ EDR วัดการเปลี่ยนพลังงานจลน์ของใบพัดเป็นความร้อน ซึ่งนำไปสู่การกระจายพลังงานที่ไม่สม่ำเสมอ ตัวอย่างเช่น ในใบพัดแบบ pitched-blade พลังงานมักจะกระจุกตัวรอบใบพัด สร้างโซนของแรงเฉือนสูงที่อาจทำลายเซลล์หากไม่ได้รับการจัดการอย่างเหมาะสม
การออกแบบใบพัดและการป้อนพลังงาน
ประเภทของใบพัดที่ใช้มีผลกระทบอย่างมากต่อรูปแบบการไหลและความเข้มของแรงเฉือน ตัวอย่างเช่น Rushton turbines สร้างการไหลแบบรัศมีและแรงเฉือนสูง ทำให้เหมาะสำหรับการหมักจุลินทรีย์แต่ไม่เหมาะสำหรับเซลล์สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมที่ไวต่อแรงเฉือนในทางกลับกัน ใบพัดแบบใบมีดเอียงสร้างการไหลตามแนวแกนด้วยแรงเฉือนที่ต่ำกว่าและประสิทธิภาพการสูบที่ดีกว่าที่กำลังไฟฟ้าเท่ากัน สิ่งนี้ทำให้เป็นตัวเลือกที่ต้องการสำหรับการใช้งานเช่นการผลิตเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง ซึ่งความมีชีวิตของเซลล์เป็นสิ่งสำคัญ
| ประเภทใบพัด | รูปแบบการไหล | ตัวเลขกำลัง (Nₚ) | ระดับแรงเฉือน | การใช้งานหลัก |
|---|---|---|---|---|
| กังหัน Rushton | แนวรัศมี | ~5.0 | สูง | การหมักจุลินทรีย์; การกระจายก๊าซ[3] |
| ใบมีดเอียง | แนวแกน | ~1.0 | ต่ำถึงปานกลาง | การเพาะเลี้ยงเซลล์สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม; การแขวนลอยของของแข็ง [3] |
กลยุทธ์การปรับขนาดมักพึ่งพาการรักษาการป้อนพลังงานต่อปริมาตร (P/V) อย่างคงที่ อย่างไรก็ตาม เมื่อขนาดของเครื่องปฏิกรณ์เพิ่มขึ้น อาจทำให้ความเร็วปลายใบพัดสูงขึ้นได้ สำหรับเซลล์สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม ความเร็วปลายควรอยู่ต่ำกว่า 1.5 m/s เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาการเจริญเติบโต [1] ในเครื่องปฏิกรณ์ขนาดใหญ่ การพ่นอากาศสามารถเพิ่มความเครียดทางไฮโดรไดนามิกได้มากกว่าใบพัด โดยเฉพาะในภาชนะที่มีขนาดเกิน 20 m³ [9] ปัจจัยเหล่านี้เชื่อมโยงอย่างใกล้ชิดกับความปั่นป่วน ซึ่งจะมีการสำรวจเพิ่มเติมในหัวข้อการอภิปรายเกี่ยวกับมาตราส่วน Kolmogorov
มาตราส่วน Kolmogorov และการสร้างแบบจำลองความปั่นป่วน
มาตราส่วน Kolmogorov (λ) กำหนดขนาดของกระแสน้ำวนที่เล็กที่สุดที่พลังงานสลายตัวเป็นความร้อนหากกระแสน้ำวนเหล่านี้มีขนาดเล็กกว่าขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของเซลล์ ความเสียหายทางกลจะกลายเป็นปัญหา สำหรับเซลล์สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมซึ่งมีขนาดโดยทั่วไป 15–20 μm ความยาวของกระแสน้ำวนต้องเกิน 20 μm เพื่อหลีกเลี่ยงความเสียหาย [1][3] ตัวอย่างเช่น ที่พลังงานที่ใส่เข้าไป 0.1 W/kg เส้นผ่านศูนย์กลางของกระแสน้ำวน Kolmogorov ประมาณ 60 μm ซึ่งให้ขอบเขตที่ปลอดภัย [3].
"หากสิ่งมีชีวิตทางชีวภาพ (e.g., เซลล์สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม) มีขนาดเล็กกว่า λ [มาตราส่วน Kolmogorov] ในเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพ ความเสียหายจากแรงเฉือนต่อสิ่งมีชีวิตดังกล่าวจะไม่เกิดขึ้น" - Muhammad Arshad Chaudhry [3]
ในเดือนสิงหาคม 2024 นักวิจัยจาก Boehringer Ingelheim Pharma และมหาวิทยาลัยเคมีและเทคโนโลยีปรากใช้การจำลอง Lattice-Boltzmann Large Eddy Simulations (LB-LES) เพื่อยืนยันการทำนาย CFD ในเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพอุตสาหกรรมขนาด 12,500 Lโดยใช้การรวมตัวของอนุภาคนาโนที่ไวต่อแรงเฉือน พวกเขาวัดความเครียดไฮโดรไดนามิกสูงสุดและแสดงให้เห็นว่า LB-LES สามารถแก้ไขมาตราส่วนความปั่นป่วนได้ เร็วกว่าวิธีการแบบดั้งเดิม 100–1,000 เท่า[2] การค้นพบเหล่านี้มีความสำคัญในการพัฒนากลยุทธ์เพื่อลดความเครียดจากแรงเฉือน
การลดความเครียดจากแรงเฉือนโดยใช้ข้อมูลการสร้างแบบจำลอง
การสร้างแบบจำลอง CFD ช่วยให้วิศวกรสามารถระบุโซนที่มีแรงเฉือนสูงและปรับสภาพการทำงานให้เหมาะสม หนึ่งในวิธีที่มีประสิทธิภาพคือการแนะนำสารตั้งต้น ฐาน pH หรือสารลดฟองใกล้กับโซนใบพัดแทนที่จะเป็นที่ผิวของเหลว วิธีนี้ช่วยให้การกระจายตัวรวดเร็วและลดความเข้มข้นที่ไม่สม่ำเสมอในท้องถิ่น [3] ในการผลิตเนื้อสัตว์เพาะเลี้ยง การเฉือนที่มากเกินไปอาจทำให้เซลล์หลุดออกจากไมโครแคเรียร์ ในขณะที่การกวนที่ไม่เพียงพอทำให้ไมโครแคเรียร์ตกตะกอนและเกิดความไม่สมดุลของสารอาหาร [9]
สารเติมแต่งป้องกันเช่น Pluronic F-68 (Poloxamer 188) มักใช้เพื่อปกป้องเซลล์จากแรงเฉือน โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่เกิดจากการระเบิดของฟองอากาศที่ผิวของเหลว ซึ่งเป็นสาเหตุหลักของการตายของเซลล์ในเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพ [1]. ด้วยสารลดแรงตึงผิวเหล่านี้ มีการรายงานการป้อนพลังงานสูงถึง 100,000 W/m³ โดยไม่มีผลกระทบที่เป็นอันตราย [1]. นอกจากนี้ การรักษาความเร็วในการเข้าสู่ก๊าซที่รูสปาร์เกอร์ให้น้อยกว่า 30 m/s ช่วยลดการสูญเสียผลผลิตและการตายของเซลล์ [1].
การค้นหาอุปกรณ์สำหรับการขยายขนาดเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพ
วิธีที่ Cellbase สนับสนุนการจัดหาเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพ
การขยายขนาดเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพสำหรับการผลิตเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยงมาพร้อมกับความท้าทายของตัวเอง นี่คือที่ที่
เมื่อใช้
การขยายขนาดของเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพที่ใช้ในอุตสาหกรรมชีวเภสัชกรรมอย่างประสบความสำเร็จมีบทบาทสำคัญในคุณภาพและระยะเวลาที่ผลิตภัณฑ์เหล่านี้จะเข้าสู่ตลาด [5].
โดยการใช้ข้อมูลที่สนับสนุนด้วย CFD ทีมงานสามารถปรับปรุงการเลือกอุปกรณ์และลดความจำเป็นในการทดลองซ้ำๆ [5]. ข้อมูลเชิงลึกเหล่านี้มีความสำคัญในการเลือกเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพที่ออกแบบมาเพื่อการจัดการแรงเฉือนที่เหมาะสมที่สุด
การเลือกอุปกรณ์สำหรับการควบคุมแรงเฉือน
เพื่อควบคุมแรงเฉือนได้อย่างมีประสิทธิภาพ ข้อกำหนดของอุปกรณ์บางอย่างมีความสำคัญเป็นพิเศษ รูปทรงใบพัด เป็นปัจจัยสำคัญ ตัวอย่างเช่น ใบพัดแบบ pitched-blade สร้างการไหลตามแนวแกนด้วยค่าพลังงาน (Np) ประมาณ 1.0 ในขณะที่ Rushton turbines มี Np สูงกว่ามากประมาณ 5.0สิ่งนี้หมายความว่าการออกแบบใบพัดแบบเอียงผลิตพลังงานได้น้อยลงอย่างมีนัยสำคัญและดังนั้นจึงมีแรงเฉือนน้อยลงที่ความเร็วรอบเดียวกัน [3] สำหรับการใช้งานที่เกี่ยวข้องกับเซลล์สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมที่ใช้ในเนื้อสัตว์เพาะเลี้ยง การรักษาความเร็วปลายใบพัดให้น้อยกว่า 1.5 ม./วินาทีเป็นสิ่งสำคัญเพื่อหลีกเลี่ยงความเสียหายต่อเซลล์ [1].
การกำหนดค่าของสปาร์เกอร์เป็นอีกหนึ่งข้อพิจารณาที่สำคัญ เพื่อป้องกันแรงเฉือนที่มากเกินไป อุปกรณ์ควรมั่นใจว่าความเร็วในการเข้าสู่ก๊าซที่ช่องเปิดของสปาร์เกอร์อยู่ต่ำกว่า 30 ม./วินาที และจำนวนเรย์โนลด์ของช่องเปิดอยู่ต่ำกว่า 2,000 การเกินเกณฑ์เหล่านี้อาจนำไปสู่ "โหมดเจ็ต" ซึ่งฟองอากาศกระจายตัวไม่สม่ำเสมอและสร้างโซนแรงเฉือนเฉพาะที่ [1] สปาร์เกอร์แบบเจาะรูหรือท่อเปิดเหมาะสมกว่าสำหรับเซลล์ที่ไวต่อแรงเฉือนเมื่อเทียบกับไมโครสปาร์เกอร์ นอกจากนี้ อุปกรณ์ควรรองรับความเข้ากันได้กับการลดขนาด ซัพพลายเออร์ที่เสนอรุ่นบนโต๊ะ (e.g., 3 L systems) ที่มีความคล้ายคลึงทางเรขาคณิตกับระบบขนาดใหญ่ (2,000 L หรือมากกว่า) ช่วยให้ทีมสามารถตรวจสอบความถูกต้องของการคาดการณ์ CFD ในขนาดที่เล็กลงก่อนที่จะย้ายไปสู่การผลิตเต็มรูปแบบ [1][2].
บทสรุป
การปรับขนาดเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพสำหรับการผลิตเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยงต้องการการเปลี่ยนแปลงจากวิธีการลองผิดลองถูกแบบดั้งเดิมไปสู่กลยุทธ์ที่ขับเคลื่อนด้วยแบบจำลองเพื่อแก้ไขความแตกต่างของแรงเฉือนในท้องถิ่น การไดนามิกของไหลเชิงคำนวณ (CFD) ได้กลายเป็นเครื่องมือสำคัญในกระบวนการนี้ ช่วยให้วิศวกรสามารถคาดการณ์สภาพแวดล้อมทางอุทกพลศาสตร์และมองเห็นโซนแรงเฉือนที่เกินอัตราส่วนพลังงานต่อปริมาตรอย่างง่าย [1]. โดยการยึดมั่นในพารามิเตอร์ที่สำคัญ - เช่น การรักษาความยาวของ Kolmogorov eddy ให้อยู่เหนือ 20 μm และความเร็วปลายใบพัดให้น้อยกว่า 1.5 m/s - วิศวกรสามารถปกป้องเซลล์สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมจากความเสียหายจากแรงเฉือนในขณะที่ยังคงการผสมและการถ่ายโอนออกซิเจนที่เหมาะสม [1].
วิธีการคำนวณขั้นสูง เช่น Large Eddy Simulation (LES) และเทคนิค Lattice-Boltzmann ได้แสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพในการขยายกระบวนการ ตัวอย่างเช่น ในเดือนมีนาคม 2020 Regeneron Ireland DAC ได้ขยายกระบวนการเพาะเลี้ยงเซลล์จากเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพขนาด 2,000 ลิตร ไปยังระบบใช้ครั้งเดียวขนาด 5,000 ลิตรที่มีรูปทรงเรขาคณิตที่แตกต่างกันได้สำเร็จในครั้งแรก สิ่งนี้สำเร็จได้โดยใช้การทำนาย CFD หลายพารามิเตอร์ ซึ่งช่วยลดความจำเป็นในการทดลองทางกายภาพที่กว้างขวาง [5] กลยุทธ์ "ครั้งแรกที่ถูกต้อง" นี้ไม่เพียงแต่ลดความเสี่ยงของการปนเปื้อน แต่ยังลดระยะเวลาในการเข้าสู่ตลาด ซึ่งมีความสำคัญต่อภาคเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง
วิธีการตรวจสอบเชิงทดลอง เช่น Particle Image Velocimetry (PIV) ยืนยันความถูกต้องของแบบจำลอง CFD เพิ่มเติม [2] แบบจำลองที่ได้รับการตรวจสอบเหล่านี้มีบทบาทสำคัญในการตัดสินใจจัดซื้อจัดจ้างในปัจจุบันบริษัทต่างๆ เช่น
คำถามที่พบบ่อย
การไดนามิกของไหลเชิงคำนวณ (CFD) สนับสนุนการขยายขนาดเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพสำหรับการผลิตเนื้อสัตว์เพาะเลี้ยงอย่างไร
การไดนามิกของไหลเชิงคำนวณ (CFD) เป็นตัวเปลี่ยนเกมเมื่อพูดถึงการขยายขนาดเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพสำหรับเนื้อสัตว์เพาะเลี้ยง มันให้ความเข้าใจอย่างลึกซึ้งเกี่ยวกับ พลศาสตร์การไหล , แรงเฉือน, ประสิทธิภาพการผสม, และ อัตราการถ่ายโอนมวล - ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญทั้งหมดในการสร้างสภาพแวดล้อมที่เหมาะสมสำหรับการเจริญเติบโตของเซลล์
ด้วย CFD วิศวกรสามารถปรับปรุงองค์ประกอบที่สำคัญ เช่น การออกแบบใบพัด ความเร็วในการกวน และการกระจายก๊าซ สิ่งนี้ทำให้มั่นใจได้ว่าเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพทำงานภายใต้สภาวะที่ดีที่สุด ปกป้องทั้งสุขภาพของเซลล์และประสิทธิภาพการผลิต
ยิ่งไปกว่านั้น CFD ทำให้สามารถย้ายจากการตั้งค่าห้องปฏิบัติการขนาดเล็กไปยังเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพขนาดใหญ่ในระดับอุตสาหกรรมได้โดยไม่ลดทอนประสิทธิภาพหรือความสม่ำเสมอ ซึ่งหมายความว่าการผลิตเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยงสามารถขยายขนาดได้อย่างราบรื่นในขณะที่รักษามาตรฐานสูงไว้
อะไรที่ทำให้การจำลอง Large Eddy Simulations (LES) ดีกว่าวิธีการแบบดั้งเดิมสำหรับการสร้างแบบจำลองเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพ
Large Eddy Simulations (LES) ให้มุมมองที่ลึกซึ้งและแม่นยำยิ่งขึ้นเกี่ยวกับการไหลปั่นป่วนภายในเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพเมื่อเทียบกับวิธีการแบบดั้งเดิม เช่น Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS)โดยการมุ่งเน้นไปที่กระแสน้ำวนขนาดใหญ่และการจำลองเฉพาะการเคลื่อนไหวที่เล็กที่สุดที่ทำให้เกิดการสลายตัว LES สามารถระบุจุดที่มีแรงเฉือนสูงที่สำคัญ เช่น โซนที่มีแรงเฉือนสูงที่เกิดจากกระแสน้ำวน ซึ่งอาจถูกมองข้ามไป รายละเอียดระดับนี้มีบทบาทสำคัญในการลดความเสียหายของเซลล์และรับประกันความน่าเชื่อถือที่มากขึ้นเมื่อขยายการผลิตเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง
ต่างจากวิธีการที่พึ่งพาความสัมพันธ์เชิงประจักษ์อย่างมาก LES มีความสามารถในการทำนายที่แข็งแกร่งกว่าเมื่อย้ายจากเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพขนาดห้องปฏิบัติการไปสู่ขนาดอุตสาหกรรม ความก้าวหน้าในเทคนิคการคำนวณยังทำให้ LES เข้าถึงได้มากขึ้น ช่วยให้สามารถจำลองรายละเอียดได้โดยไม่ต้องใช้ทรัพยากรการคำนวณที่สูงเกินไป สำหรับธุรกิจที่ต้องการผสานรวมการออกแบบที่ขับเคลื่อนด้วย LES
ทำไมการรักษาความยาว Kolmogorov eddy ให้อยู่เหนือ 20 µm จึงสำคัญต่อความมีชีวิตของเซลล์สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม?
การรักษาความยาว Kolmogorov eddy ให้อยู่เหนือประมาณ 20 µm เป็นสิ่งสำคัญในการปกป้องเซลล์สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมระหว่างการดำเนินงานของไบโอรีแอคเตอร์ เมื่อ eddy ที่มีความปั่นป่วนเหล่านี้หดตัวต่ำกว่าขนาดของเซลล์ พวกมันสามารถทำให้เซลล์เผชิญกับความเครียดจากแรงเฉือนที่มากเกินไป ซึ่งเสี่ยงต่อการทำลายเยื่อหุ้มเซลล์และลดความมีชีวิตของเซลล์
การรักษาโครงสร้างที่มีความปั่นป่วนขนาดเล็กที่สุดให้ใหญ่กว่าเซลล์ช่วยลดโอกาสการเกิดความเสียหายทางกลไก ซึ่งไม่เพียงแต่ส่งเสริมวัฒนธรรมเซลล์ที่มีสุขภาพดีขึ้น แต่ยังช่วยเพิ่มประสิทธิภาพโดยรวมของไบโอรีแอคเตอร์อีกด้วย ข้อนี้ยิ่งมีความสำคัญมากขึ้นในระหว่างการขยายขนาดของไบโอรีแอคเตอร์ ซึ่งการรักษาสภาพความเครียดจากแรงเฉือนให้คงที่นั้นยากขึ้นอย่างมาก
