軌道上で振動するバイオリアクターにおける流体力学に対する中空壁の効果の解析

Oct 22, 2023

Scientific Reports volume 12、記事番号: 9596 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

軌道振盪バイオリアクター (OSR) は、哺乳類細胞の増殖とタンパク質発現に適した環境を提供できるため、最近、バイオ医薬品産業での応用が増えています。 流体力学情報は、さまざまな種類のバイオリアクターの分析や最適化に不可欠です。 構造がバイオリアクター内の流体力学に重要な影響を与えることを考慮すると、数値流体力学 (CFD) アプローチによって構造を設計または最適化する必要があります。 この研究の目的は、以前の研究で提案された中空円筒 OSR の壁構造を最適化することです。 先行研究に基づいて、流体力学および体積物質移動係数 (\(k_{L}a\)) に対する OSR の中空壁の影響を、確立された CFD モデルによって分析しました。 その結果、中空壁の設置高さを低くすることでOSRの混合性能を向上できることがわかりました。 30 mm の設置高さが混合に最も適していることがわかりました。 CFDモデルの信頼性は、シミュレーションと実験の間で液体の波高と液体の波の形状を比較することによって検証されました。 中空シリンダー OSR のせん断応力は、哺乳類細胞の培養に優しいことが証明されました。

バイオリアクターは、哺乳動物の細胞培養に使用される重要な機器です。 現在、撹拌タンク バイオリアクター (STR) および軌道振盪バイオリアクター (OSR) は、実験室またはパイロット規模の哺乳動物細胞培養で広く使用されている一般的なタイプのバイオリアクターです 1、2、3。 近年、OSR は、撹拌原理が簡単、低コスト、操作が簡単、使い捨て実験に適しているため、ますます人気が高まっています 4,5。 さらに、OSR の軌道振動運動は、沈降を防ぎ、ガス交換を促進し、STR に比べて有害な高いせん断速度を回避する可能性があります6。 重要な使い捨てバイオリアクターとして、OSR の混合性能の向上が必要です。 研究により、OSR の構造が異なると混合性能に異なる影響を与えることが示されています 7,8。 例えば、壁に垂直バッフルを導入することは、乱流特性と混合性能を改善する効果的な方法です9。 らせん状トラックは、浮遊培養における生細胞密度の増加に有効であることが証明されています10。 底壁にアーチ状の「バンプ」を設けることが提案され、その結果、物質移動速度が大幅に向上し、底壁の中心付近での細胞の蓄積を回避できることが示されました。これは、生存細胞の多い懸濁培養に好ましいことです。密度11．

数値流体力学 (CFD) シミュレーションは、信頼性の高い数値解析テクノロジです12、13。 従来の実験手法と比較して、CFD シミュレーションは資本と労力を節約でき、さまざまな状況で使用できます 14,15。 CFD シミュレーションは、バイオリアクターの流体力学をより深く理解し、モデルの数を削減できることを考慮すると、STR や OSR などのバイオリアクターを分析するための貴重なツールとみなされています 16、17、18。

以前の研究 19 で、我々は中空円筒壁を備えた新しいタイプの OSR を提案しました。 この種の OSR では、シリンダー外径とシリンダー間直径の比が重要な構造パラメーターです。 そのプロトタイプの研究では、値 d\(_{i}\)/d が最適化され、適切な値 0.4 が提案されました 18。 ただし、物質移動能力は一部の特定領域では依然として低く、これは中空円筒壁の構造をさらに最適化できることを強く示していました。 したがって、本研究の目的は、引き続き中空円筒壁を備えた OSR に焦点を当て、中空構造の設置高さが混合性能、体積物質移動係数 (\(k_{L}a\) に及ぼす影響) を分析することです。 )とOSRのせん断応力をCFD法により測定した。

中空の円筒壁を備えた OSR を、振動直径 50 mm の ES-X シェーカー (Kühner AG、ビアスフェルデン、スイス) 上で軌道上で振動させました。 この研究では、中空円筒形 OSR の総容積は約 24 L、容器の高さは 0.35 m、外径 (d) は 0.3 m、内径 (d\(_{i}\) ）は0.12mでした。 この論文のすべての実験とシミュレーションは、充填量 8 L、振盪速度 100 rpm の条件下で実行されました。 底部からの気筒間壁の設置高さを h\(_{\mathrm {L}}\) で表した（図 1 参照）。

d\(_{i}\)/d が 0.4 である中空 OSR のジオメトリ (A) とメッシュ構造 (B)。 この幾何学形状にはいくつかの重要な幾何学的パラメータがありました。d は円筒の外壁の直径、d\(_{i}\) は円筒の内壁の直径、h\(_{\mathrm {L}}\) です。内筒の底面からの取り付け高さです。 幾何学的な体積は約 24 L、最大作業体積は約 10 L でした。中空 OSR のメッシュ番号は \(\mathrm {3.4\times 10^{6}}\) でした。

移動する気液界面は、Apple 携帯電話 (iPhone 12、Apple Inc.、米国カリフォルニア州) のカメラによって 240 fps のスローモーション モデルでキャプチャされました。 電話機は、中空の OSR で比較的静止した状態に保つために、振動台に固定されました。 液体をより鮮明に見るために、捕捉実験を行う前に一定量のメチルレッド (1 M/L) と塩酸 (1 M/L) を加えました。

レイノルズ平均質量および運動量保存方程式は、流体の流れを制御するために使用されます (方程式 (1)、(2)、および (3))。

ここで、 \(\rho \) は流体の密度 (\(\mathrm {kg \, m^{-3}}\)) を指し、p は圧力 (Pa) を指し、\(\tau \) は流体の密度を指します。せん断応力 (Pa) に対して、\(\rho \vec {g}\) と \(\vec {F}\) はそれぞれ重力と外力を表し、V は線速度ベクトルを表します。

せん断応力は式(1)から求めることができます。 (4):

ここで、 \(\tau _{xy} \)、 \(\tau _{yz}\)、 \(\tau _{xz}\) は 3 つの方向のせん断応力を表します。

3 つのせん断成分は次のように決定されます (式 (5)、(6)、および (7))。

ここで、 \(\mu \) は動粘度です。

体積物質移動係数 (\(k_{L}a\)) は、酸素移動速度の重要なパラメーターを分析するバイオリアクターにとって重要です。 \(k_{L}a\) の計算値は、物質移動係数 (\(k_{L}\)) と比界面面積 (a) をそれぞれシミュレートすることで得られます。

比界面面積 (a) は式 (1) から得られます。 (8):

ここで、A は体積分率 (VOF) モデル (表 1 を参照) によって取得できる界面面積 (m2)、\(V_{L}\) は充填体積 (L) です。

物質移動係数 (\(k_{L}\)) は式 (1) から求めることができます。 (9):

ここで、 \(K=\) 0.4 はモデル定数、 \(D_{L}\) は水中の酸素の拡散係数です \(\left( \mathrm {m^{2} \, h^{-1 }}\right) \)、\(\varepsilon \) はエネルギー散逸率 \(\left( \mathrm {m^{2} \, s^{-1}}\right) \) および \(\ upsilon \) は水の動粘度 \(\left( \mathrm {m^{2} \, s^{-1}}\right) \) です。

軌道振動運動は、流体に均一な回転遠心力を自然に誘発します20。 この遠心力は、CFD モデルのナビエ・ストークス方程式にソース項を追加することによって考慮されます。 式の遠心力は次のようになります。 (10) と (11) は次のように与えられます。

ここで、 \(F_{x}\) と \(F_{y}\) は、x と y における遠心力 \(\left( \mathrm {m \, s^{-2}} \right) \) を表します。それぞれ方向。 \(R_{s}\) は揺れの半径 (m) を表し、\(\omega \) は揺れの角速度を表します \(\left( \mathrm {rad \, s^{-1}} \right )\)。

このペーパーのすべてのシミュレーションは、ANSYS FLUENT 16.0 (ANSYS Inc.、キャノンズバーグ、ペンシルバニア州、米国) で実行されました。 この論文では、流体の体積 (VOF) モデルを使用して気液界面を取得しました。 VOF モデルは、移動する気液界面を追跡するために採用されました 21。 \(\mathrm {k-\omega -SST}\) 乱流モデルは、流体運動の支配方程式を囲むために使用されました 22。 すべての境界条件は壁に設定されました。 PISO アルゴリズムを使用して速度と圧力を解決しました。 時間ステップ サイズは 0.0001 秒でした。 最大クーラント数は０．２５であった。 この中空 OSR のグリッドは、Gambit 2.4.6 (ANSYS Inc.、キャノンズバーグ、ペンシルバニア州、米国) を使用して生成されました。

シミュレーション結果に対するメッシュ番号の影響をテストするには、\(\mathrm {2.2\times 10^{6}}\)、\(\mathrm {3.4\times 10^{6}}\ の 4 つの異なるメッシュ番号を使用します。 )、\(\mathrm {5.1\times 10^{6}}\) および \(\mathrm {7.0\times 10^{6}}\) を使用して、h\ を持つ中空 OSR の液体の高さを計算しました。 (\mathrm {_{L}}\) 0 mm。 結果が示すように (図 2)、メッシュ数が \(\mathrm {3.4\times 10^{6}}\) を超えると液高曲線はほとんど変化しません。これは、このメッシュ数 (\(\ mathrm {3.4\times 10^{6}}\)) は、安定した信頼できるシミュレーション結果を得るのにすでに十分でした。 したがって、この記事のすべてのシミュレーションには \(\mathrm {3.4\times 10^{6}}\) のメッシュ番号が使用されました。

充填量 8 L、振盪速度 100 rpm で h\(_{\mathrm {L}}\) = 0 mm の中空 OSR をシミュレーションしました。 中空 OSR のシミュレーションでは、\(\mathrm {2.2\times 10^{6}}\)、\(\mathrm {3.4\times 10^{6}}\)、\(\mathrm { 5.1\times 10^{6}}\) と \(\mathrm {7.0\times 10^{6}}\) を使用して、メッシュ番号の独立性を検証します。 時間の経過に伴う液体の高さの揺れを取得するために、シミュレーションプロセス中に液体の高さが 30 タイムステップ (0.0001 秒) ごとに自動的に保存されました。 界面における液体の高さは、容器壁上の固定垂直線との交点で測定されました。

確立された CFD モデルを検証するために、計算された液体の波高が波捕捉実験による測定値と比較されました。 図 3 に示すように、シミュレーションした液体の波形と測定した液体の波形は類似していました。 しかし、シミュレーションされた気液界面は実験観察よりも滑らかであることがわかりました。 この欠点は、高次の乱流を採用することで軽減される可能性がありますが、シミュレーション時間が長くなるというデメリットがあります。 シミュレーション結果と測定結果の液体波の曲線を比較すると、波高差は 15\(\%\) 未満であることがわかり、確立された CFD モデルが流体力学の解析に使用できることがわかりました。中空構造のOSR。

シミュレーションと実験の液面レベルを比較しました。 h\(_{\mathrm {L}}\) = 0 mmにおける充填量8 L、振盪速度100 rpmの中空OSRのシミュレーションと実験結果を比較しました。 液体をより鮮明に見るために、捕捉実験を行う前に一定量のメチルレッドと塩酸を加えました。 黒の実線と緑の点は、それぞれシミュレーションと実験によって測定された液体の波高を表します。 円角 (\(\alpha \)) は、円筒座標系における中空 OSR の壁の角度を表しました。

流体速度はバイオリアクターの流れ場の基本情報であり、細胞培養に関連する他の派生流体パラメータが正しいかどうかを決定します。 このタイプのバイオリアクターの特性を一般的に理解するには、設置高さ 30 mm (h\(_{\mathrm {L}}\) = 30 mm) の内部中空壁を備えた円筒形 OSR の流速分布は次のようになります。図4に示すように、最大​​流速は血管壁近くの波面で約1.6 \(\mathrm {m \, s^{-1}}\) であることがわかり、これは理論上の最大値よりわずかに高かった式 1.57 \(\mathrm {m \, s^{-1}}\) の値 (12)2、局所的な乱気流によって引き起こされる可能性があります23。

ここで、\(V_{max}\) は理論上の最大流体速度を表し、r は中空円筒 OSR の半径を表し、N は振動速度を表します。

h\(_{\mathrm {L}}\) = 30 mmの中空円筒OSRのさまざまなセクションにおける流れ場の速度分布。 流体速度ベクトルは、垂直境界面 (A\(_{1}\)-A\(_{1}\)) と 3 つの異なる水平セクション (B\(_{1}\)-B\(それぞれ _{1}\)、B\(_{2}\)-B\(_{2}\)、B\(_{3}\)-B\(_{3}\)) です。 垂直断面の位置は中空円筒の対称面であった。 3 つの水平セクションの高さは、それぞれ 121 mm、0.5h\(_{\mathrm {L}}\) (15 mm)、10 mm でした。 右側のカラーバーは流体の速度の大きさを示しています。

Three vortices could be observed from the vertical section (A\(_{1}\)-A\(_{1}\)) in Fig. 4. The bulk fluid would be driven from the bottom of the bioreactor to the top along those vortices. A vortex was located on the left side of the vertical section and was in an underdeveloped state. This might be because the amount of fluid was not sufficient on this side. There is another subtle reason for this phenomenon, which was that the wave front was located at the left side with the maximum fluid velocity to transfer the mixing energy to other fluid particles. Therefore, it is reasonable that only a limited amount of fluid particles can follow the wave front closely, which causes the fluid volume to be smaller near the wave front. Two vortices were located at the wave crest side (right side). The larger one could drive fluid flowing along a larger circle (bottom to top) and was crucial for global fluid mixing in OSRs. For the smaller vortex, it could increase the mixing intensity at the corner of the bioreactor where mixing is not good and even the "velocity dead zone" occurs easily. Therefore, the existence of a smaller vortex was favourable for increasing the local mixing efficiency, which might explain why the velocity at the side corner of the wave trough is lower than that at the side corner of the wave crest. It can be observed that the maximum velocity is near the wall of the hollow OSRs, and the fluid near the vessel wall has a high velocity because of the high Froude numbers (\(F_{r}=V^{2}/\left( gl_{0} \right) \), where V represents fluid velocity, g represents gravity acceleration, and \(l_{0}\) represents characteristic length)24. The Froude number is the key dimensionless driving parameter, which represents the driving capability3.0.CO;2-J (2000)." href="/articles/s41598-022-13441-5#ref-CR25" id="ref-link-section-d83937097e4967"> 25. 最大速度は波頭側ではなく波谷の壁側にありました。 右渦と左渦の間の物質移動は、バイオリアクター底部の中央の移動流体によっても観察されました。 図 4A\(_{1}\)–A\(_{1}\) が示すように、さまざまな範囲の速度と流体の移動方向を持つ流体の体積の割合がエネルギー交換プロセスにとって重要です。

水平面における混合特性を分析するために、高さの異なる 3 つの異なる水平面上で流体の速度分布が計算されました。 図 4B\(_{1}\)-B\(_{1}\)、B\(_{2}\)-B\(_{2}\) および B\(_{ 3}\)-B\(_{3}\) では、水平面上には大きな渦が 1 つだけあり、渦の中心は平面の中心とほぼ一致していました。容器壁付近では、高い流体速度が見られました。高い壁速度、低い流体速度は渦の中心に位置しました。前述したように、最大​​流体速度も波面で発生したことに注意してください。

OSR の流体力学に対する中空容器壁の影響を分析するために、振とう速度 100 rpm、充填量 8 L で設置高さが異なるいくつかの円筒形中空 OSR でシミュレーションを実行しました。詳細には、中空容器壁は次の位置に設置されました。 h\(_{\mathrm {L}}\) = 0 mm (図 5A)、h\(_{\mathrm {L}}\) = 30 mm (図 5B)、h\( _{\mathrm {L}}\) = 60 mm (図 5C)、h\(_{\mathrm {L}}\) = 90 mm (図 5D)、および h\(_{\mathrm { L}}\) = 容器底部から 120 mm (図 5E)。

設置高さを変えた中空円筒OSRの垂直断面における流速分布。 垂直断面の位置は中空円筒の対称面であった。 右側のカラーバーは流体の速度の大きさを示しています。

図 5 では、各垂直断面に 3 つの渦があることが観察できます。 同様に波の谷側（垂直断面の左側）にも渦があり、まだ完全に形成されていません。 他の 2 つの渦は波頭側 (垂直断面の右側) にありました。 各ケースのトラフの壁で最大速度が観察されます。 すべての最大速度について、h\(_{\mathrm {L}}\) = 30 mm の中空 OSR で最大値 0.26 m/s が見つかりました。 実際、バルク流体速度の大きさも、h\(_{\mathrm {L}}\) = 30 mmの中空OSRの方が他の場合よりも高かった(図5B)。 設置高さ h\(_{\mathrm {L}}\) = 120 mm (図 5E) の場合、中空壁構造のない OSR と比較して流れ場は変化していないようです。 その理由は、h\(_{\mathrm {L}}\) = 120 mm の OSR 内で移動流体と接触する中空円筒のごく一部しかなく、中空構造がほとんど影響を及ぼさないことを示しているためと考えられます。 100 rpm の振盪速度と 8 L の充填量で移動する液体について。 h\(_{\mathrm {L}}\) が減少すると、中空構造と移動流体の間の接触面積が増加し、流体場が変化し始めます。 h\(_{\mathrm {L}}\) が 120 mm (図 5E) から 60 mm (図 5C) に減少すると、垂直中央の流体速度は徐々に減少します。これは、中空底部の抑制によって引き起こされました。流れるような動き。 この種の抵抗効果は、左の渦から右の渦へのエネルギー交換プロセスを阻害する可能性があり、バルク物質移動には不利でした。 しかし、h\(_{\mathrm {L}}\) が 60 mm (図 5C) から 30 mm (図 5B) に減少すると、バイオリアクター中心部で流体速度が突然増加し、その領域が機能しました。高速の「物質移動チューブ」のようなもので、OSR 内での均一な混合に役立ちます。 しかし、h\(_{\mathrm {L}}\) の値がゼロに減少すると、両側の渦間の物質交換が完全に遮断され、中空の底部付近にかなり低い流速領域が発生します。ということは、現地では栄養供給が不足しやすいということだろう。 両側の渦については、h\(_{\mathrm {L}}\) = 120 mm から h に減少するにつれて、流体速度の大きさは着実に増加しました。 \(_{\mathrm {L}}\) = 30 mm。これは、中空構造が減少し、より多くの流体が高速状態に押し出されることが原因である可能性があります。 しかし、h\(_{\mathrm {L}}\) の値がゼロに減少すると、これらの渦間の交換は完全に遮断され、中空構造付近の流体速度が低下します。 図 6 は、流体の速度分布が類似していることを示しています。 各セクションには大きな放射状の渦があり、最大速度は壁に位置していましたが、低い流体速度は渦中心に近い中央領域で発生しました。

設置高さが異なる中空円筒OSRの固定水平面内での流速分布。 固定水平面から中空円筒OSRの底壁までの高さは10mmです。右側のカラーバーは流速の大きさを示しています。

体積物質移動係数 (\(k_{L}a\)) は、高い生細胞密度での細胞培養にとって重要なパラメーターです。 異なる設置高さのバイオリアクター内の \(k_{L}a\) を比較するために、物質移動係数 (\(k_{L}\)) と比界面面積 (a) を異なる設置高さでシミュレーションしました。 図 7 に示すように、\(k_{L}\) の値は、調査したすべてのケースでほぼ一定でした。 一定温度の細胞培養条件 (37) では、\(k_{L}\) は乱流散逸速度 (\(\varepsilon \)) にのみ依存します。 設置高さが異なると流れ場に与える影響は異なりますが、固定の振動速度では \(\varepsilon \) の値はわずかに変化しました (表 1 を参照)。 したがって、\(k_{L}\) の値は、設置高さが異なってもほとんど変化しません。

液高さ (\(\Delta h\)) の値は表 1 に示すように計算されました。 \(\Delta h\) の値は約 140 mm でほぼ一定であり、中空がない場合の OSR よりわずかに高かったです。これは、液体の高さが主に振盪速度に依存することを示唆しています。 したがって、中空バッフルは液体の高さ、さらには波形の傾きに限定的な影響を与えると結論付けることができました。 充填体積の値は一定であるため、特定の界面面積の値は界面面積にのみ依存します。 A の値は、使用したすべての設置高さに対して約 0.07 \(\mathrm {m^{2}}\) でほぼ一定のままでした (表 1 を参照)。これはおそらく固定振動でのフルード数が同じであることが原因でした。 100rpmの速度。 詳細には、設置高さの違いによる A の差はほとんどありませんでしたが、その理由としては、中空壁と液体の波の間の相互作用により、界面面積の損失が発生したことが考えられます。 図 7 に示すように、\(k_{L}a\) と a の値は大きく変動しませんでした。 詳細には、\(k_{L}a\) と a の値は、設置高さが異なっても一貫した変化傾向がありました。 h\(_{\mathrm {L}}\) の値が h\(_{\mathrm {L}}\) = 0 mm から h\(_{\mathrm {L}}\) に増加したとき= 30mm、\(k_{L}a\) と a の大きさはわずかに減少しました。 ただし、h\(_{\mathrm {L}}\) が h\(_{\mathrm {L}}\) = 30 から増加するにつれて、\(k_{L}a\) と a の大きさは着実に増加しました。 mm から h\(_{\mathrm {L}}\) = 120 mm。

充填量 8 L、振盪速度 100 rpm における OSR の \(k_{L}a\)、A および \(k_{L}a\) に対するさまざまな設置高さの影響。 \(k_{L}\) と a の値は、示されているように異なる設置高さの中空 OSR で個別に計算されました。 \(k_{L}a\) の値は、\(k_{L}\) と a の結果に基づいて決定されました。 円 (\(\bigcirc \) ) は \(k_{L}a\) の値を表し、三角形 (\(\triangle \)) は a の値を表し、正方形 (\(\square \) ) は \(k_{L}\) の値を示します。

細胞損傷はバイオリアクターにおいて非常に重要な問題ですが、通常は分析することが困難です26、27、28、29。 細胞の損傷は、せん断応力値が大きい流体環境で容易に発生します30。 CHO 細胞がせん断力を受けるには、0.4 Pa のせん断応力が臨界値であることが報告されています 31。 中空円筒 OSR の流体力学的応力環境を評価するために、h\(_{\mathrm {L}}\) = 30 の場合の充填量 8 L、振盪速度 100 rpm でせん断応力分布を計算しました。 mm（図8）。 hL が 30 mm のケースが選択された理由は、上で分析したように、流体の速度の大きさがより大きく、混合プロセスが激しいためです。 2 つの水平断面 A\(_{1}\)-A\(_{1}\) および A\(_{2}\)-A\(_{2}\) を観察することにより、最大せん断応力がどちらの場合も、セクションの最も外側の端に位置していました。 さらに、水平断面 A\(_{2}\)-A\(_{2}\) のせん断応力が断面 A\(_{1}\)- よりも大きいこともわかりました。 A\(_{1}\)。 これは、セクション A\(_{2}\)-A\(_{2}\) がセクション A\(_{1}\)-A\(_{1}\ よりも容器の底に近かったためである可能性があります) )、流体粒子は容器の底壁付近でより容易に加速されます。 一方、最大せん断応力は容器全体で約0.2 Paであり、CHO細胞の臨界値0.4 Paよりも低く、容器壁付近に大きなせん断応力が存在することがわかった。 この結果は、中空 OSR の流体環境が依然として哺乳類細胞の培養にとって穏やかであることを示唆しています。

充填量 8 L、振盪速度 100 rpm、h\(_{\mathrm {L}}\) = 30 mm の場合の中空円筒形 OSR のせん断応力分布を研究しました。 せん断応力分布をより適切に視覚化するために、局所せん断応力 0.5 h\(_{\mathrm {L}}\) (A\(_{1}\)-A\(_{1}\)) 0.3h\(_{\mathrm {L}}\) (A\(_{2}\)-A\(_{2}\)) セクションがインターセプトされました。 せん断応力の大きさは、図に示すカラーバーに基づいて異なる色で示されました。

この研究は 3 次元 CFD モデルに基づいており、CFD モデルの信頼性が実験によって検証されました。 本研究では、振とう速度 100 rpm、充填量 8 L における中空円筒壁の流れ場への影響を解析しました。その結果、設置高さの異なる中空円筒壁が \(k_ {L}a\) は軽度でした。 しかし,結果は,異なる設置高さにおける中空円筒壁が流れ場に及ぼす影響が異なることを示した。 設置高さを 30 mm にすると、中間領域の低速域が大幅に減少し、流れ場の混合も改善され、物質とエネルギーの交換が促進されます。 同時に、流れ場全体のせん断応力は 0.2 Pa 未満であり、CHO 細胞の臨界値である 0.4 Pa よりも低いと結論付けられました。これは、中空バイオリアクターが細胞に穏やかなせん断応力環境を提供できることを示しています。哺乳類の細胞培養。

現在の研究に関連するデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手可能です。

インターフェース領域 (\(\mathrm {m^{2}}\))

特定のインターフェイス領域 (\(\mathrm {m^{-1}}\))

数値流体力学

外径(m)

内径(m)

エネルギー散逸率 \(\left( \mathrm {m^{2} \, s^{-1}}\right) \)

x方向の遠心力(N)

y方向の遠心力(N)

重力加速度 (\(\mathrm {m \, s^{-2}}\))

液高さ(m)

シリンダ間壁取付高さ(m)

体積物質移動係数 (\(\mathrm {h^{-1}}\))

物質移動係数 (\(\mathrm {m \, h^{-1}}\))

代表長さ(m)

振盪速度(rpm)

軌道上で振動するバイオリアクター

中空円筒OSRの半径(m)

揺れの半径(m)

撹拌タンク型バイオリアクター

流体速度 (\(\mathrm {m \, s^{-1}}\))

理論上の最大流体速度 (\(\mathrm {m \, s^{-1}}\))

充填量(L)

流体モデルの体積

揺れの角速度 (\(\mathrm{rad\,s^{-1}}\))

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この研究は、深セン大学と国立台北理工大学間の研究協力プロジェクト-000003020328、広東省基礎・応用基礎研究基金地域共同基金-013376、および複雑系管理制御国家重点実験室オープンプロジェクトの資金提供を受けました。中国科学院オートメーション研究所（No.20200107）、中国国家自然科学財団（助成金番号62003216）、国家自然科学財団・航空宇宙共同基金（助成金番号U2037205）、深セン安定支援プランA（助成金番号 20200812104451001）、深セン安定支援計画 A（助成金番号 20200814105908002）、広東省基礎・応用基礎研究基金（助成金番号 2019A1515111115）。

深セン高性能非伝統的製造重点研究所、深セン大学メカトロニクス制御工学部、深セン、518060、中国

朱リクアン、チェン・ウェイチン、チャオ・チュンヤン

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LKZ は実験を設計し、原稿を書きました。 WQCはシミュレーションと実験を実施した。 CYZ はシミュレーション データと実験データを分析しました。

趙春陽への対応。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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転載と許可

Zhu, L.、Chen, W.、Zhao, C. 軌道上で振動するバイオリアクターにおける流体力学に対する中空壁の効果の分析。 Sci Rep 12、9596 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-13441-5

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受信日: 2022 年 2 月 26 日

受理日: 2022 年 5 月 24 日

公開日: 2022 年 6 月 10 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-13441-5

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