Análise do efeito da parede oca na dinâmica dos fluidos em biorreatores orbitalmente agitados

Oct 22, 2023

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 9596 (2022) Citar este artigo

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Recentemente, os biorreatores de agitação orbital (OSRs) têm sido cada vez mais aplicados na indústria biofarmacêutica porque podem fornecer um ambiente adequado para o crescimento de células de mamíferos e a expressão de proteínas. As informações de dinâmica de fluidos são cruciais para analisar ou otimizar diferentes tipos de biorreatores. Considerando que a estrutura tem uma influência importante na dinâmica dos fluidos em um biorreator, é necessário projetar ou otimizar sua estrutura pela abordagem da dinâmica dos fluidos computacional (CFD). O objetivo deste estudo é otimizar a estrutura da parede de um OSR de cilindro oco proposto em nosso trabalho anterior. Com base em pesquisas anteriores, as influências da parede oca do OSR na dinâmica dos fluidos e no coeficiente volumétrico de transferência de massa (\(k_{L}a\)) foram analisadas pelo modelo CFD estabelecido. Os resultados mostraram que o desempenho de mistura do OSR pode ser melhorado diminuindo a altura de instalação da parede oca. Uma altura de instalação de 30 mm foi considerada mais favorável para a mistura. A confiabilidade do modelo CFD foi verificada comparando a altura da onda líquida e a forma da onda líquida entre a simulação e o experimento. A tensão de cisalhamento no cilindro oco OSR provou ser suave para o cultivo de células de mamíferos.

Biorreatores são equipamentos críticos usados ​​para cultura de células de mamíferos. Atualmente, os biorreatores de tanque agitado (STRs) e os biorreatores agitados orbitais (OSRs) são tipos comuns de biorreatores amplamente utilizados em cultivos de células de mamíferos em laboratório ou em escala piloto1,2,3. Nos últimos anos, os OSRs tornaram-se cada vez mais populares devido ao seu princípio de agitação simples, baixo custo, operação simples e adequação para experimentos descartáveis4,5. Além disso, o movimento de agitação orbital dos OSRs pode impedir a sedimentação e aumentar a troca gasosa, evitando as altas taxas de cisalhamento prejudiciais em relação aos STRs6. Como um importante biorreator descartável, é necessário melhorar o desempenho de mistura dos OSRs. A pesquisa mostrou que diferentes estruturas de OSRs têm efeitos diferentes no desempenho da mixagem7,8. Por exemplo, a introdução de um defletor vertical em uma parede é uma maneira eficaz de melhorar as características de turbulência e o desempenho da mistura9. Uma trilha helicoidal provou ser válida para aumentar a densidade de células viáveis ​​no cultivo em suspensão10. Uma "saliência" abobadada foi proposta na parede inferior, e o resultado mostrou que a taxa de transferência de massa foi significativamente aumentada e que o acúmulo de células perto do centro da parede inferior pode ser evitado, o que é preferível para cultivo em suspensão com células altamente viáveis. densidade11.

A simulação de dinâmica de fluidos computacional (CFD) é uma tecnologia de análise numérica confiável12,13. Comparada às técnicas experimentais tradicionais, a simulação CFD pode economizar capital e trabalho e ser usada em muitas situações diferentes14,15. Considerando que pode fornecer uma compreensão mais profunda da dinâmica de fluidos do biorreator e reduzir o número de modelos, a simulação CFD tem sido vista como uma ferramenta valiosa para a análise de biorreatores, como STRs e OSRs16,17,18.

Em um estudo anterior19, propusemos um novo tipo de OSR com parede cilíndrica oca. Para este tipo de OSR, a razão entre o diâmetro externo do cilindro e o diâmetro intercilindro é o parâmetro estrutural chave. Nesse estudo de protótipo, o valor d\(_{i}\)/d foi otimizado e um valor adequado de 0,4 foi sugerido18. No entanto, a capacidade de transferência de massa ainda era baixa em algumas regiões específicas, o que indicava fortemente que a estrutura da parede cilíndrica oca poderia ser ainda mais otimizada. Assim, o objetivo deste estudo é continuar focando no OSR com uma parede cilíndrica oca e analisando o efeito da altura de instalação da estrutura oca no desempenho da mistura, coeficiente volumétrico de transferência de massa (\(k_{L}a\) ) e tensão de cisalhamento no OSR pelo método CFD.