Kültive et üretimi için biyoreaktörlerin ölçeklendirilmesi karmaşıktır, özellikle ölçek büyütme sırasında memeli hücrelerine zarar verebilecek mekanik bir kuvvet olan kesme gerilimi yönetilirken. Mikrobiyal hücrelerin aksine, memeli hücreleri kırılgan ve türbülans ve havalandırma kuvvetlerine karşı hassastır. Kesme gerilimi 3 Pa'yı aştığında, hücreler yırtılabilir, bu da canlılığı ve verimliliği azaltır.
Bu zorlukların üstesinden gelmek için mühendisler, tam ölçekli üretimden önce kesme gerilimini tahmin etmek ve yönetmek için Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (CFD) ve ölçek küçültme modellerine güvenirler. CFD, biyoreaktörlerdeki akış desenlerini, kesme bölgelerini ve karıştırma verimliliğini analiz ederken, ölçek küçültme modelleri bu tahminleri deneysel olarak doğrular ve ölçek büyütme sırasında riskleri en aza indirir.
Ana Çıkarımlar:
- Kesme Gerilimi Sınırları: Memeli hücreleri 3 Pa'ya kadar tolere edebilir; bunu aşmak hücrelere zarar verir.
- CFD Araçları: Büyük Girdap Simülasyonları (LES) ve Lattice-Boltzmann simülasyonları (LB-LES) gibi ileri yöntemler, akış ve türbülansın hassas bir şekilde modellenmesini sağlar.
- Ölçek-Küçültme Modelleri: Bunlar, CFD tahminlerini doğrulamak için büyük biyoreaktör koşullarını daha küçük düzeneklerde taklit eder.
-
Tasarım Dikkatleri:
- Daha düşük kesme için eğik bıçaklı karıştırıcılar kullanın.
- Hücre hasarını önlemek için Kolmogorov girdap uzunluklarını 20 μm'nin üzerinde tutun.
- Karıştırıcı uç hızlarını 1.5 m/s'nin altında tutun.
CFD içgörülerini deneysel doğrulama ile birleştirerek, ekipler biyoreaktör tasarımlarını kültive edilmiş et üretimi için optimize edebilir, hücre hayatta kalmasını ve verimli ölçeklendirmeyi sağlayabilir.
CFD Pusulası | Biyoreaktör CFD için En İyi Uygulamalar
Kesme Gerilimini Modellemek için Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (CFD) Kullanımı
Kültive Edilmiş Et Üretiminde Farklı Biyoreaktör Türleri için CFD Yaklaşımları ve Anahtar Parametreler
CFD simülasyonları, mühendislerin biyoreaktörler içinde akışkan dinamiklerini ve kesme kuvvetlerini haritalandırmaları için araçlar sağlar, bunlar fiziksel olarak inşa edilmeden önce. Üretim ölçeğinde deneme-yanılma yöntemlerine güvenmek yerine, CFD yüksek kesme bölgeleri, türbülanslı girdaplar ve geminin belirli bölümlerindeki hücre canlılığı gibi kritik faktörleri tahmin etmeye yardımcı olur. Bu, biyoreaktör ölçeklerinin sonunda 200.000 litreye ulaşabileceği kültive edilmiş et üretiminde özellikle önemlidir - geleneksel biyofarmasötik kaplardan çok daha büyük [8]. Bu öngörücü bilgiler, ölçek küçültme deneylerini yönlendirir ve ekipman seçimini etkiler.
Hesaplama tekniklerinin evrimi dikkat çekicidir. k-ε gibi Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) modelleri endüstride yaygın olarak kullanılmaya devam ederken, Büyük Girdap Simülasyonları (LES) ve GPU destekli Lattice-Boltzmann simülasyonları (LB-LES) gibi ileri yöntemler sınırları zorluyor. Prag Kimya ve Teknoloji Üniversitesi'nden Profesör Miroslav Soos'a göre, GPU tabanlı LB-LES, modelleri “yaygın olarak kullanılan sonlu hacim yöntemi çözücülerinden 100 ila 1,000 kat daha hızlı” çözebilir [2]. Bu hız avantajı, mühendislerin hücreye zarar veren girdapları tespit etmek için gereken hassasiyetle büyük kapları simüle etmelerine olanak tanır.
CFD'nin yeteneklerine dair pratik bir örnek, Regeneron Ireland DAC ve Thermo Fisher Scientific'ten araştırmacılardan gelmektedir. 2,000 litrelik bir biyoreaktörden geometrik olarak farklı 5,000 litrelik tek kullanımlık bir biyoreaktöre hücre kültürü sürecini başarıyla ölçeklendirdiler.Empirik heüristiklere güvenmek yerine, kütle transfer oranları, karıştırma süreleri ve kesme oranları gibi parametreleri analiz etmek için CFD kullandılar. Bu yaklaşım, güç-hacim oranına dayalı ölçeklendirme ile sıklıkla ilişkilendirilen maliyetli başarısızlıklardan kaçınarak, ilk denemede başarılı bir ölçek büyütme sağladı [5].
Karıştırmalı Tank Biyoreaktörleri için CFD Kurulumu
Karıştırmalı tank biyoreaktörleri için CFD kurmak için, önce tank boyutları, çark tasarımı (e.g., Rushton veya eğik bıçaklı) ve baffle yerleşimi dahil olmak üzere kap geometrisini tanımlayarak başlayın. Doğru türbülans modelini seçmek çok önemlidir: gerçekleştirilebilir k-ε modeli gaz-sıvı sistemler için iyi çalışırken, LB-LES hücrelere zarar verebilecek tepe gerilimlerini tanımlamak için daha yüksek çözünürlük sunar. Bir ağ yakınsama çalışması, sonuçların ağ boyutuna bağlı olmadığını garanti eder.
Sınır koşulları, çark hızı, gaz püskürtme oranları, sıvı yoğunluğu ve viskozite gibi gerçek dünya işletim parametrelerini yansıtmalıdır. Kültür et uygulamaları için, genellikle kesme gerilimini tahmin etmek amacıyla muhafazakar kabarcık sürükleme modelleri kullanılır [8]. Sistem, çark hızından bağımsız olarak güç sayısının tutarlı kalmasını sağlamak için Reynolds sayılarının 10,000'i aştığı tamamen türbülanslı bir rejimde çalışmalıdır [1].
Oksijen transferi, karışım süreleri ve hidrodinamik stres için CFD tahminleri, kesme duyarlı mikro problar veya nanoparçacık agregatları kullanılarak toplanan deneysel verilerle uyumlu olmalıdır [2]. Örneğin, matematiksel bir kütle transfer modeli, Sartorius'ta 2 litrelik bir masa üstü üniteden 1,500 litrelik endüstriyel bir biyoreaktöre doğrudan ölçek büyütme işlemini yönlendirmiştir.CFD kullanarak oksijen talebini ve CO₂ giderimini tahmin eden ekip, ölçekler arasında N-glikanlar ve yük varyantları gibi tutarlı ürün kalite özelliklerini korudu [6].
Diğer Biyoreaktör Türleri için CFD
Karıştırmalı tanklar endüstriyel hücre kültürüne hakimken, diğer biyoreaktör tasarımları özel CFD yaklaşımları gerektirir. Örneğin, sallanan veya dalga biyoreaktörleri, dalga hareketinin bu sistemlerde kayma gerilimini yönlendirmesi nedeniyle gaz-sıvı arayüzünü simüle etmek için Akışkan Hacmi (VOF) yöntemine dayanır. Bu tasarımlar çok daha nazik kayma ortamları yaratır - maksimum gerilim karıştırmalı tanklara kıyasla yaklaşık 0.01 Pa'dır - ancak büyük ölçekli kültive edilmiş et üretimi için ölçeklenebilirlikleri sınırlıdır [4].
Öte yandan, boş lifli biyoreaktörler, besin difüzyonunu ve membranlar aracılığıyla akış direncini simüle etmek için Brinkman denklemlerine dayanan gözenekli ortam modelleri kullanır.Akışkan yatak sistemleri, parçacık-akışkan etkileşimlerini ve yatak genişlemesini yakalamak için Euler-Lagrange modellerine ihtiyaç duyarken, hava kaldırmalı biyoreaktörler, kabarcık kaynaklı türbülansı ve gaz tutulumunu analiz etmek için Euler-Euler yöntemlerini kullanır [4]. Her tasarım benzersiz zorluklarla gelir: akışkan yataklar, mikro taşıyıcı dağılımını kesme maruziyetine karşı dengelemelidir, hava kaldırma sistemleri ise sparged biyoreaktörlerde hücre ölümünün önde gelen nedeni olan patlayan kabarcıkların neden olduğu stresleri yönetmelidir [1] [7].
Bu CFD yaklaşımlarını anlamak, kültürlenmiş et üretiminde kullanılan farklı biyoreaktör tasarımlarında kesme gerilimini kontrol etmek için esastır.
| Biyoreaktör Türü | CFD Yaklaşımı | Ana Dikkat Edilecek Nokta |
|---|---|---|
| Karıştırmalı Tank | RANS (SST), LES, LB-LES | Pervane bölgesinde enerji dağılımı (εMax) |
| Dalga/Sallanma | Akışkan Hacmi (VOF) | Gaz-sıvı arayüzünün takibi |
| Boş Lif | Gözenekli Ortam (Brinkman) | Besin akışı ve membran direnci |
| Akışkan Yatak | Euler-Lagrange | Parçacıklar ve akışkan arasındaki etkileşim, yatak genişlemesi |
| Hava Kaldırma | Euler-Euler | Baloncuklardan kaynaklanan türbülans ve gaz tutma |
Bu çeşitli CFD yöntemleri, ekipman seçimi ve kayma gerilimi yönetiminde kritik bir rol oynayan özelleştirilmiş stratejilerin gerekliliğini vurgulamaktadır.
Ölçek Küçültme Modelleri ve Deneysel Doğrulama
Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (CFD) değerli tahminler sağlasa da, süreçleri ölçeklendirirken gerçek dünya testlerinin yerini alamaz. Deneysel doğrulama, hesaplamalı modellerin gerçek dünya kayma gerilimi koşullarını doğru bir şekilde temsil ettiğinden emin olmak için kritik bir rol oynar. İşte burada ölçek küçültme modelleri devreye girer, büyük üretim biyoreaktörlerinin hidrodinamik ortamını daha küçük, yönetimi daha kolay sistemlerde taklit eder. Bunu yaparak, küçük ölçekten endüstriyel ölçeğe geçerken maliyetli hataların riskini azaltırlar. Bu adım, sadece CFD tahminlerini doğrulamakla kalmaz, aynı zamanda daha güvenilir ve etkili bir ölçeklendirme süreci sağlar.
Ölçek Küçültme Modelleri Oluşturma
Bir ölçek küçültme modeli tasarlamak, geometrik benzerliği korumakla başlar.Bu, gemi yüksekliği ile çapı ve çark çapı ile tank çapı gibi ana bileşenler arasındaki aynı en-boy oranlarını korumak anlamına gelir [11]. Geometri hizalandıktan sonra, mühendisler bir ölçeklendirme kriteri seçerler. Yaygın seçimler arasında hacim başına güç (P/V), çark uç hızı veya enerji dağılım oranı (EDR) bulunur. Ancak, ortalama P/V yerine yerelleştirilmiş EDR'ye odaklanmak, doğru modelleme için kritik olan kesme heterojenliğini daha iyi anlamayı sağlar.
Daha gelişmiş bir yaklaşım, çok bölmeli simülatörleri içerir. Örneğin, Şubat 2021'de Emmanuel Anane ve ekibi, karıştırmalı tank reaktörü (STR) ve tıkaç akış reaktörünü (PFR) birleştiren iki bölmeli bir ölçek küçültme simülatörü geliştirdi. Bu model, CHO hücrelerinin çözünmüş oksijen gradyanlarına nasıl tepki verdiğini incelemek için kullanıldı. Araştırmaları, 90 saniyelik kritik bir ikamet süresi eşiğini ortaya çıkardı.Bu noktadan sonra, CHO hücrelerinde canlı hücre yoğunluğunda %15'lik bir düşüş ve laktat birikiminde bir artış gözlendi [10]. Bu bulgu, hücre canlılığını koruyan endüstriyel biyoreaktörlerin tasarımı için net bir kıyas noktası sunmaktadır.
Hücre büyümesini korumak için mühendisler genellikle pervane uç hızlarını 1.5 m/s'nin altında tutmayı hedefler [1]. Ayrıca, türbülansın bir ölçüsü olan Kolmogorov mikro girdap uzunluğu, hücrelerin boyutunu aşmalı, memeli hücreleri için genellikle 20 μm veya daha fazla olmalıdır, böylece hidrodinamik hasardan kaçınılır [1][3]. Örneğin, hayvan hücre kültürlerinde 0.1 W/kg enerji girişi olduğunda, en küçük girdaplar yaklaşık 60 μm'dir ve bu güvenli bir tampon sağlar [3].
CFD Tahminlerinin Deneylerle Doğrulanması
Bir ölçek küçültme modeli oluşturulduğunda, CFD'den türetilen parametrelerin doğrulanması için deneysel yöntemler gereklidir. Parçacık Görüntüleme Velosimetresi (PIV) bu amaç için yaygın olarak kullanılan bir tekniktir. Akışkan içindeki parçacıkları izleyerek, PIV, ölçek küçültme modelindeki akış desenleri ve hız alanlarının CFD tahminleriyle uyumlu olup olmadığını doğrulamaya yardımcı olur [12][4].
Karıştırma sürelerini doğrulamak için izleyici enjeksiyonu ve renk giderme yöntemleri de kullanılır. Bu süreçte, asitler, bazlar veya tuz çözeltileri gibi izleyiciler çarkın yakınına enjekte edilir ve %95 homojenlik sağlanana kadar dağılımları izlenir [12][3]. Büyük ölçekli memeli hücre biyoreaktörleri (5.000 L ila 20.000 L) için karıştırma süreleri genellikle 80 ila 180 saniye arasında değişir [10].
Mart 2020'de, James Scully ve Regeneron Ireland DAC'deki ekibi, 2.000 L biyoreaktörden farklı bir geometrisi olan 5.000 L tek kullanımlık biyoreaktöre bir hücre kültürü sürecini başarıyla ölçeklendirdi. Kütle transfer oranları, karışım süreleri ve kesme oranları gibi anahtar parametreleri tahmin etmek için CFD'ye güvendiler. Bu tahminler, tek fazlı ve çok fazlı deneylerle doğrulandı ve büyük ölçekli pilot çalışmalara gerek kalmadan başarılı bir ilk ölçeklendirme denemesi sağlandı [5].
"CFD simülasyonları, laboratuvarda klasik süreç mühendisliği araştırmalarını mekansal ve zamansal olarak çözülmüş sonuçlarla tamamlamak veya laboratuvar araştırmalarının mümkün olmadığı durumlarda bunların yerini almak için giderek daha fazla kullanılmaktadır." - Stefan Seidel, School of Life Sciences, ZHAW [12]
Ek doğrulama teknikleri, belirli karıştırıcı hızlarında belirli güç girişi (P/V) ve boyutsuz güç numaralarını doğrulamak için tork ölçümünü içerir [12][3]. Oksijen transfer oranları, hacimsel oksijen kütle transfer katsayısını (kLa) belirleyen gaz giderme veya sülfit teknikleri gibi yöntemlerle doğrulanır [12][7]. Mikrokapsül kullanan sistemler için, tüm partikülleri askıya almak için gereken minimum hızı bulmak amacıyla ışık zayıflaması veya kamera tabanlı yöntemler kullanılır, bu da katı faz dağılımının CFD tahminlerinin doğru olmasını sağlar [12][4].
sbb-itb-ffee270
Biyoreaktörlerde Kesme Gerilimini Etkileyen Faktörler
Ölçek büyütme sırasında hücre canlılığını korumak için, kesme gerilimini yönlendiren fiziksel faktörleri anlamak kritik öneme sahiptir. Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (CFD) tahminleri ve ölçek küçültme doğrulamaları, enerji dağılım oranının (EDR) önemli bir rol oynadığını ortaya koymaktadır. EDR, çarkın kinetik enerjisinin ısıya nasıl dönüştüğünü ölçer ve bu da düzensiz enerji dağılımına yol açar. Örneğin, eğik bıçaklı çarklarda enerji, çarkın etrafında yoğunlaşma eğilimindedir ve bu da uygun şekilde yönetilmezse hücrelere zarar verebilecek yüksek kesme bölgeleri oluşturur.
Çark Tasarımı ve Güç Girişi
Kullanılan çark türü, akış desenlerini ve kesme yoğunluğunu önemli ölçüde etkiler. Örneğin, Rushton türbinleri radyal akış ve yüksek kesme üretir, bu da onları mikrobiyal fermantasyon için ideal kılar ancak kesmeye duyarlı memeli hücreleri için daha az uygundur.Öte yandan, eğimli kanatlı çarklar, aynı güç girdisinde daha düşük kesme ve daha iyi pompalama verimliliği ile eksenel akış oluşturur. Bu, hücre canlılığının öncelikli olduğu kültive edilmiş et üretimi gibi uygulamalar için tercih edilen seçim haline getirir.
| Çark Tipi | Akış Deseni | Güç Sayısı (Nₚ) | Kesme Seviyesi | Birincil Uygulama |
|---|---|---|---|---|
| Rushton Türbini | Radyal | ~5.0 | Yüksek | Mikrobiyal fermantasyon; gaz dağılımı [3] |
| Eğimli Kanatlı | Eksenel | ~1.0 | Düşük ila Orta | Memeli hücre kültürü; katı süspansiyonu [3] |
Ölçeklendirme stratejileri genellikle birim hacim başına sabit güç girişi (P/V) sağlamaya dayanır. Ancak, reaktör boyutu arttıkça, bu daha yüksek çark uç hızlarına yol açabilir. Memeli hücreler için, büyüme sorunlarından kaçınmak amacıyla uç hızları 1.5 m/s'nin altında kalmalıdır [1]. Büyük ölçekli reaktörlerde, özellikle 20 m³'ü aşan kaplarda, hava kabarcığı verme, çarklardan daha fazla hidrodinamik stres yaratabilir [9]. Bu faktörler, Kolmogorov ölçeği tartışmasında daha ayrıntılı olarak ele alınan türbülansla yakından ilişkilidir.
Kolmogorov Ölçeği ve Türbülans Modelleme
Kolmogorov ölçeği (λ), enerjinin ısı olarak dağıldığı en küçük türbülanslı girdapların boyutunu tanımlar.Eğer bu girdaplar hücre çapından daha küçükse, mekanik hasar bir endişe haline gelir. Memeli hücreleri, tipik olarak 15–20 μm boyutunda olduğundan, hasarı önlemek için girdap uzunluğunun 20 μm'yi aşması gerekir [1][3]. Örneğin, 0.1 W/kg enerji girdisinde, Kolmogorov girdap çapı yaklaşık 60 μm olup güvenli bir tampon sağlar [3].
"Biyolojik varlıklar (e.g., memeli hücreleri) bir biyoreaktörde λ [Kolmogorov ölçeği] 'den daha küçükse, bu tür varlıklara kesme hasarı meydana gelmez." - Muhammad Arshad Chaudhry [3]
Ağustos 2024'te, Boehringer Ingelheim Pharma ve Prag Kimya ve Teknoloji Üniversitesi'nden araştırmacılar, 12,500 L'lik endüstriyel bir biyoreaktörde CFD tahminlerini doğrulamak için Lattice-Boltzmann Büyük Girdap Simülasyonları (LB-LES) kullandılar.Kesme duyarlı nanoparçacık agregatları kullanarak, maksimum hidrodinamik stresi ölçtüler ve LB-LES'in geleneksel yöntemlerden 100–1,000 kat daha hızlı türbülanslı ölçekleri çözebileceğini gösterdiler [2]. Bu bulgular, kesme stresini en aza indirmek için stratejiler geliştirmede önemli bir rol oynamaktadır.
Modelleme Verilerini Kullanarak Kesme Stresini Azaltma
CFD modellemesi, mühendislerin yüksek kesme bölgelerini belirlemesine ve işletme koşullarını buna göre ayarlamasına olanak tanır. Etkili bir yaklaşım, impeller bölgesine yakın yerlerde substratlar, pH bazları veya köpük önleyiciler eklemektir, bu da hızlı dağılımı sağlar ve lokalize konsantrasyon gradyanlarını en aza indirir [3]. Kültürlenmiş et üretiminde, aşırı kesme hücrelerin mikrokapsüllerden ayrılmasına neden olabilirken, yetersiz karıştırma mikrokapsül çökmesine ve besin dengesizliklerine yol açar [9].
Hücreleri, özellikle sıvı yüzeyinde kabarcık patlaması nedeniyle oluşan kesme kuvvetlerinden korumak için Pluronic F-68 (Poloxamer 188) gibi koruyucu katkı maddeleri yaygın olarak kullanılır - biyoreaktörlerde hücre ölümüne büyük katkıda bulunan bir faktör [1]. Bu yüzey aktif maddelerle, 100.000 W/m³ kadar yüksek enerji girdileri ölümcül etkiler olmadan rapor edilmiştir [1]. Ayrıca, gaz giriş hızını sparger deliğinde 30 m/s'nin altında tutmak, verimlilik kayıplarını ve hücre ölümünü azaltmaya yardımcı olur [1].
Biyoreaktör Ölçeklendirme için Ekipman Bulma
Biyoreaktör Tedarikini Cellbase Nasıl Destekler
Kültür et üretimi için biyoreaktörleri ölçeklendirmek kendi zorluklarını beraberinde getirir. İşte burada
Biyofarmasötik endüstrisinde kullanılan biyoreaktörlerin başarılı bir şekilde ölçeklendirilmesi, bu ürünlerin kalitesi ve pazara sunulma süresi üzerinde büyük bir rol oynar [5].
CFD destekli verilerden yararlanarak, ekipler ekipman seçimini kolaylaştırabilir ve tekrarlanan deneme çalışmaları ihtiyacını en aza indirebilir [5]. Bu içgörüler, optimal kesme gerilimi yönetimi düşünülerek tasarlanmış biyoreaktörlerin seçimi için çok önemlidir.
Kesme Gerilimi Kontrolü için Ekipman Seçimi
Kesme gerilimini etkili bir şekilde kontrol etmek için belirli ekipman özellikleri özellikle önemlidir. Pervane geometrisi önemli bir faktördür. Örneğin, eğik bıçaklı pervaneler yaklaşık 1.0'lık bir güç numarası (Np) ile eksenel akış üretirken, Rushton türbinleri yaklaşık 5.0'lık çok daha yüksek bir Np'ye sahiptir.Bu, eğimli kanat tasarımlarının önemli ölçüde daha az güç ürettiği ve dolayısıyla aynı dönme hızında daha az kesme kuvveti oluşturduğu anlamına gelir [3]. Yetiştirilen etlerde kullanılan memeli hücrelerini içeren uygulamalar için, çark ucu hızını 1.5 m/s'nin altında tutmak, hücre hasarını önlemek için esastır [1].
Sparger konfigürasyonu başka bir kritik husustur. Aşırı kesmeyi önlemek için, ekipman sparger deliğindeki gaz giriş hızının 30 m/s'nin altında kalmasını ve delik Reynolds sayısının 2,000'in altında kalmasını sağlamalıdır. Bu eşiklerin aşılması, kabarcıkların düzensiz dağıldığı ve lokalize kesme bölgeleri oluşturduğu "jet rejimi"ne yol açabilir [1]. Delikli veya açık borulu spargerler, mikrospargerlere kıyasla kesme hassasiyeti olan hücreler için daha uygundur. Ayrıca, ekipman ölçek küçültme uyumluluğunu desteklemelidir. Tedarikçiler, tezgah üstü modeller sunmalıdır (e.g., 3 L sistemleri) büyük ölçekli sistemlere (2.000 L veya daha fazla) geometrik olarak benzer olanlar, ekiplerin CFD tahminlerini tam ölçekli üretime geçmeden önce daha küçük ölçekte doğrulamalarına olanak tanır [1][2].
Sonuç
Kültür et üretimi için biyoreaktörlerin ölçeklendirilmesi, geleneksel deneme-yanılma yöntemlerinden uzaklaşmayı ve yerel kesme farklarını ele almak için model odaklı stratejileri benimsemeyi gerektirir. Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (CFD), mühendislerin hidrodinamik ortamları tahmin etmelerine ve basit güç-hacim oranlarının ötesinde kesme bölgelerini görselleştirmelerine olanak tanıyan bu süreçte önemli bir araç haline gelmiştir [1]. Kolmogorov girdap uzunluklarını 20 μm'nin üzerinde ve çark ucu hızlarını 1,5 m/s'nin altında tutmak gibi kritik parametrelere uyarak, mühendisler memeli hücrelerini kesme hasarından korurken uygun karışım ve oksijen transferini sağlayabilirler [1].
Gelişmiş hesaplama yöntemleri, Büyük Girdap Simülasyonu (LES) ve Lattice-Boltzmann teknikleri gibi, süreçlerin ölçeklendirilmesinde etkinliklerini göstermiştir. Örneğin, Mart 2020'de Regeneron Ireland DAC, bir hücre kültürü sürecini 2.000 L biyoreaktörden geometrik olarak farklı 5.000 L tek kullanımlık bir sisteme ilk denemede başarıyla ölçeklendirmiştir. Bu, çok parametreli CFD tahminleri kullanılarak gerçekleştirilmiş ve kapsamlı fiziksel denemelere olan ihtiyacı ortadan kaldırmıştır [5]. Bu "ilk seferde doğru" stratejisi, sadece kontaminasyon risklerini azaltmakla kalmaz, aynı zamanda pazara çıkış süresini de kısaltır - bu, kültive edilmiş et sektörü için kritiktir.
Parçacık Görüntü Hız Ölçümü (PIV) gibi deneysel doğrulama yöntemleri, CFD modellerinin doğruluğunu daha da teyit eder [2]. Bu doğrulanmış modeller artık tedarik kararlarında önemli bir rol oynamaktadır.Şirketler,
SSS
Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (CFD), kültive edilmiş et üretimi için biyoreaktör ölçek büyütmeyi nasıl destekler?
Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (CFD), kültive edilmiş et için biyoreaktörlerin ölçek büyütülmesinde devrim niteliğindedir. Akış dinamikleri, kesme gerilimi, karıştırma verimliliği ve kütle transfer oranları gibi hücre büyümesi için ideal ortamı yaratmak için kritik olan tüm faktörler hakkında derin bir anlayış sağlar.
CFD ile mühendisler, çark tasarımı, karıştırma hızı ve gaz püskürtme gibi temel unsurları optimize edebilir. Bu, biyoreaktörlerin en iyi koşullar altında çalışmasını sağlayarak hem hücre sağlığını hem de verimliliği korur.
Dahası, CFD, küçük laboratuvar kurulumlarından büyük endüstriyel ölçekli biyoreaktörlere verimlilik veya tutarlılıktan ödün vermeden geçiş yapmayı mümkün kılar. Bu, kültür et üretiminin yüksek standartları koruyarak sorunsuz bir şekilde ölçeklenebileceği anlamına gelir.
Büyük Girdap Simülasyonlarını (LES) biyoreaktör modellemesi için geleneksel yöntemlerden daha iyi yapan nedir?
Büyük Girdap Simülasyonları (LES), biyoreaktörlerdeki türbülanslı akışı, Reynolds ortalamalı Navier-Stokes (RANS) gibi geleneksel yöntemlere kıyasla daha derin ve daha hassas bir şekilde inceleme imkanı sunar.Büyük ölçekli girdaplara odaklanarak ve yalnızca en küçük dağıtıcı hareketleri modelleyerek, LES, aksi takdirde gözden kaçabilecek olan, girdap kaynaklı yüksek kayma bölgeleri gibi kritik kayma-gerilimi noktalarını belirleyebilir. Bu detay seviyesi, hücre hasarını azaltmada ve kültive edilmiş et üretimini ölçeklendirirken daha fazla güvenilirlik sağlamada önemli bir rol oynar.
Empirik korelasyonlara büyük ölçüde dayanan yöntemlerin aksine, LES, laboratuvar ölçeğinden endüstriyel ölçekli biyoreaktörlere geçerken daha güçlü öngörü yetenekleri sunar. Hesaplama tekniklerindeki ilerlemeler, LES'i daha erişilebilir hale getirmiş, yasaklayıcı hesaplama kaynaklarına ihtiyaç duymadan ayrıntılı simülasyonlar yapılmasına olanak tanımıştır. LES odaklı tasarımları entegre etmeyi hedefleyen işletmeler için,
Memeli hücrelerinin canlılığını korumak için Kolmogorov eddy uzunluklarını 20 µm'nin üzerinde tutmak neden önemlidir?
Kolmogorov eddy uzunluklarını yaklaşık 20 µm'nin üzerinde tutmak, biyoreaktör operasyonları sırasında memeli hücrelerini korumak için çok önemlidir. Bu türbülanslı eddiler hücrelerin boyutunun altına indiğinde, hücreleri aşırı kayma stresine maruz bırakabilir, bu da zarlarına zarar verme riski taşır ve hücre canlılığını düşürür.
En küçük türbülanslı yapıları hücrelerden daha büyük tutmak, mekanik hasar olasılığını azaltmaya yardımcı olur. Bu sadece daha sağlıklı hücre kültürlerini teşvik etmekle kalmaz, aynı zamanda biyoreaktörün genel performansını da artırır. Bu husus, biyoreaktör ölçeklendirmesi sırasında daha da önemli hale gelir, çünkü tutarlı kayma stresi koşullarını sağlamak özellikle daha zordur.
