Analyse de l'effet de paroi creuse sur la dynamique des fluides dans les bioréacteurs secoués orbitalement

Oct 22, 2023

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 9596 (2022) Citer cet article

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Les bioréacteurs à agitation orbitale (OSR) ont récemment été de plus en plus appliqués dans l'industrie biopharmaceutique car ils peuvent fournir un environnement approprié pour la croissance cellulaire des mammifères et l'expression des protéines. Les informations sur la dynamique des fluides sont cruciales pour l'analyse ou l'optimisation de différents types de bioréacteurs. Considérant que la structure a une influence importante sur la dynamique des fluides dans un bioréacteur, il est nécessaire de concevoir ou d'optimiser sa structure par l'approche de la dynamique des fluides computationnelle (CFD). Le but de cette étude est d'optimiser la structure de paroi d'un cylindre creux OSR proposé dans nos travaux précédents. Sur la base de recherches antérieures, les influences de la paroi creuse de l'OSR sur la dynamique des fluides et le coefficient de transfert de masse volumétrique (\(k_{L}a\)) ont été analysés par le modèle CFD établi. Les résultats ont montré que les performances de mélange de l'OSR pouvaient être améliorées en diminuant la hauteur d'installation du mur creux. Une hauteur d'installation de 30 mm s'est avérée la plus favorable au mélange. La fiabilité du modèle CFD a été vérifiée en comparant la hauteur d'onde liquide et la forme d'onde liquide entre la simulation et l'expérience. La contrainte de cisaillement dans le cylindre creux OSR s'est avérée douce pour la culture de cellules de mammifères.

Les bioréacteurs sont des équipements essentiels utilisés pour la culture de cellules de mammifères. Actuellement, les bioréacteurs à cuve agitée (STR) et les bioréacteurs agités orbitaux (OSR) sont des types courants de bioréacteurs largement utilisés dans les cultures de cellules de mammifères en laboratoire ou à l'échelle pilote1,2,3. Ces dernières années, les OSR sont devenus de plus en plus populaires en raison de leur principe d'agitation simple, de leur faible coût, de leur fonctionnement simple et de leur aptitude aux expériences jetables4,5. De plus, le mouvement d'agitation orbitale des OSR pourrait empêcher la sédimentation et améliorer les échanges gazeux, en évitant les taux de cisaillement élevés dommageables par rapport aux STR6. En tant que bioréacteur jetable important, l'amélioration des performances de mélange des OSR est nécessaire. La recherche a montré que différentes structures d'OSR ont des effets différents sur les performances de mélange7,8. Par exemple, l'introduction d'un déflecteur vertical sur un mur est un moyen efficace d'améliorer les caractéristiques de turbulence et les performances de mélange9. Une piste hélicoïdale s'est avérée valide pour augmenter la densité de cellules viables dans la culture en suspension10. Une "bosse" voûtée a été proposée sur la paroi inférieure, et le résultat a montré que le taux de transfert de masse était considérablement amélioré et que l'accumulation de cellules près du centre de la paroi inférieure pouvait être évitée, ce qui est préférable pour la culture en suspension avec une cellule viable élevée. densité11.

La simulation numérique de la dynamique des fluides (CFD) est une technologie d'analyse numérique fiable12,13. Par rapport aux techniques expérimentales traditionnelles, la simulation CFD peut économiser du capital et du travail et être utilisée dans de nombreuses situations différentes14,15. Considérant qu'elle peut fournir une compréhension plus approfondie de la dynamique des fluides des bioréacteurs et réduire le nombre de modèles, la simulation CFD a été considérée comme un outil précieux pour l'analyse des bioréacteurs, tels que les STR et les OSR16,17,18.

Dans une précédente étude19, nous avons proposé un nouveau type d'OSR à paroi cylindrique creuse. Pour ce type d'OSR, le rapport entre le diamètre extérieur du cylindre et le diamètre intercylindre est le paramètre structurel clé. Dans cette étude prototype, la valeur d\(_{i}\)/d a été optimisée et une valeur appropriée de 0,4 a été suggérée18. Cependant, la capacité de transfert de masse était encore faible dans certaines régions spécifiques, ce qui indiquait fortement que la structure de la paroi cylindrique creuse pouvait être encore optimisée. Ainsi, l'objectif de cette étude est de continuer à se concentrer sur l'OSR avec une paroi cylindrique creuse et à analyser l'effet de la hauteur d'installation de la structure creuse sur les performances de mélange, le coefficient de transfert de masse volumétrique (\(k_{L}a\) ) et la contrainte de cisaillement dans l'OSR par la méthode CFD.

L'OSR à paroi cylindrique creuse a été secoué de manière orbitale sur un agitateur ES-X (Kühner AG, Biersfelden, Suisse) avec un diamètre d'agitation de 50 mm. Dans cette étude, le volume total des OSR cylindriques creux était d'environ 24 L, la hauteur du récipient était de 0,35 m, le diamètre extérieur (d) était de 0,3 m et le diamètre intérieur (d\(_{i}\) ) était de 0,12 m. Toutes les expériences et simulations de cet article ont été réalisées dans les conditions d'un volume de remplissage de 8 L et d'une vitesse d'agitation de 100 tr/min. La hauteur d'installation de la paroi intercylindre à partir du bas était représentée par h\(_{\mathrm {L}}\) (voir Fig. 1).

La géométrie (A) et la structure maillée (B) de l'OSR creux avec d\(_{i}\)/d de 0,4. Cette géométrie avait plusieurs paramètres géométriques importants, d était le diamètre de la paroi extérieure du cylindre, d\(_{i}\) était le diamètre de la paroi intérieure du cylindre et h\(_{\mathrm {L}}\) était la hauteur d'installation du cylindre intérieur à partir du bas. Le volume géométrique était d'environ 24 L et le volume de travail maximal était d'environ 10 L. Le nombre de mailles était \(\mathrm {3,4\fois 10^{6}}\) pour l'OSR creux.

L'interface gaz-liquide en mouvement a été capturée par une caméra d'un téléphone mobile Apple (iPhone 12, Apple Inc., Californie, États-Unis) sur un modèle au ralenti à 240 ips. Le téléphone a été fixé sur la plate-forme tremblante pour le maintenir relativement stationnaire avec les OSR creux. Pour voir le liquide plus clairement, une certaine quantité de rouge de méthyle (1 M/L) et d'acide chlorhydrique (1 M/L) a été ajoutée avant de réaliser l'expérience de capture.

Les équations de conservation de la masse moyenne et de la quantité de mouvement de Reynolds sont utilisées pour contrôler l'écoulement du fluide (équations (1), (2) et (3)) :

où \(\rho \) désigne la masse volumique du fluide (\(\mathrm {kg \, m^{-3}}\)), p désigne la pression (Pa), \(\tau \) désigne à la contrainte de cisaillement (Pa), \(\rho \vec {g}\) et \(\vec {F}\) font respectivement référence à la gravité et à la force externe, et V représente le vecteur vitesse linéaire.

La contrainte de cisaillement peut être obtenue à partir de l'équation. (4):

où \(\tau _{xy} \), \(\tau _{yz}\), \(\tau _{xz}\) représentent les trois directions de la contrainte de cisaillement.

Les trois composantes de cisaillement sont déterminées comme suit (Eqs. (5), (6) et (7)) :

où \(\mu \) est la viscosité dynamique.

Le coefficient de transfert de masse volumétrique (\(k_{L}a\)) est crucial pour le bioréacteur, qui analyse le paramètre clé du taux de transfert d'oxygène. La valeur calculée de \(k_{L}a\) a été obtenue en simulant respectivement le coefficient de transfert de masse (\(k_{L}\)) et la zone d'interface spécifique (a).

La zone d'interface spécifique (a) peut être obtenue à partir de l'Eq. (8):

où le A est la surface d'interface (m2) qui pourrait être obtenue par le modèle de volume de fraction (VOF) (voir tableau 1), et le \(V_{L}\) est le volume de remplissage (L).

Le coefficient de transfert de masse (\(k_{L}\)) peut être obtenu à partir de l'équation. (9):

où \(K=\) 0,4 est la constante du modèle, \(D_{L}\) est le coefficient de diffusion de l'oxygène dans l'eau \(\left( \mathrm {m^{2} \, h^{-1 }}\right) \), \(\varepsilon \) est le taux de dissipation d'énergie \(\left( \mathrm {m^{2} \, s^{-1}}\right) \) et \(\ upsilon \) est la viscosité cinématique de l'eau \(\left( \mathrm {m^{2} \, s^{-1}}\right) \).

Le mouvement d'agitation orbitale induit naturellement une force centrifuge rotative homogène sur le fluide20. Cette force centrifuge est prise en compte en ajoutant le terme source aux équations de Navier-Stokes dans le modèle CFD. Les forces centrifuges dans les équations. (10) et (11) sont donnés comme suit :

où \(F_{x}\) et \(F_{y}\) représentent la force centrifuge \(\left( \mathrm {m \, s^{-2}} \right) \) en x et y directions, respectivement. \(R_{s}\) représente le rayon d'agitation (m), et \(\omega \) représente la vitesse angulaire d'agitation \(\left( \mathrm {rad \, s^{-1}} \right ) \).

Toutes les simulations de cet article ont été réalisées dans ANSYS FLUENT 16.0 (ANSYS Inc., Canonsburg, PA, USA). Dans cet article, le modèle de volume de fluide (VOF) a été utilisé pour obtenir l'interface gaz-liquide. Le modèle VOF a été utilisé pour suivre l'interface gaz-liquide en mouvement21. Le modèle de turbulence \(\mathrm {k-\omega -SST}\) a été utilisé pour contenir les équations régissant le mouvement du fluide22. Toutes les conditions aux limites ont été fixées au mur. L'algorithme PISO a été utilisé pour résoudre la vitesse et la pression. La taille du pas de temps était de 0,0001 seconde. Le nombre de courant maximal était de 0,25. La grille de cet OSR creux a été générée à l'aide de Gambit 2.4.6 (ANSYS Inc., Canonsburg, PA, USA).

Pour tester l'influence du nombre de mailles sur le résultat simulé, quatre nombres de mailles différents de \(\mathrm {2.2\times 10^{6}}\), \(\mathrm {3.4\times 10^{6}}\ ), \(\mathrm {5.1\times 10^{6}}\) et \(\mathrm {7.0\times 10^{6}}\) ont été utilisés pour calculer la hauteur de liquide pour l'OSR creux avec un h\ (\mathrm {_{L}}\) de 0 mm. Comme le montrent les résultats (Fig. 2), la courbe de hauteur de liquide ne changerait presque pas lorsque le nombre de mailles dépassait \(\mathrm {3,4\fois 10^{6}}\), ce qui indiquait que ce nombre de mailles (\(\ mathrm {3.4\times 10^{6}}\)) était déjà suffisant pour obtenir des résultats de simulation stables et fiables. Ainsi, un nombre de mailles de \(\mathrm {3.4\times 10^{6}}\) a été utilisé pour toutes les simulations de cet article.

Les OSR creux du h\(_{\mathrm {L}}\) = 0 mm avec un volume de remplissage de 8 L et une vitesse d'agitation de 100 tr/min ont été simulés. La simulation de l'OSR creux a utilisé les numéros de maille de \(\mathrm {2.2\times 10^{6}}\), \(\mathrm {3.4\times 10^{6}}\), \(\mathrm { 5.1\times 10^{6}}\) et \(\mathrm {7.0\times 10^{6}}\) pour vérifier l'indépendance des numéros de maille. Afin d'obtenir l'agitation de la hauteur de liquide avec le temps, la hauteur de liquide a été automatiquement enregistrée tous les 30 pas de temps (0,0001 s) pendant le processus de simulation. La hauteur du liquide à l'interface a été mesurée au point d'intersection avec la ligne verticale fixe sur la paroi de la cuve.

Pour valider le modèle CFD établi, la hauteur de vague de liquide calculée a été comparée à ses valeurs mesurées par une expérience de capture de vague. Comme le montre la figure 3, les formes d'onde de liquide simulées et mesurées étaient similaires. Cependant, l'interface gaz-liquide simulée s'est avérée plus lisse que l'observation expérimentale. Cet inconvénient pourrait être atténué en adoptant une turbulence d'ordre supérieur mais au prix d'un temps de simulation plus long. En comparant les courbes de l'onde liquide dans les résultats simulés et mesurés, la différence de hauteur d'onde s'est avérée inférieure à 15\(\%\), ce qui indique que le modèle CFD établi était acceptable pour une utilisation dans l'analyse de la dynamique des fluides de OSR à structures creuses.

Le niveau de liquide de la simulation et de l'expérience a été comparé. La simulation et les résultats expérimentaux de l'OSR creux avec un volume de remplissage de 8 L et une vitesse d'agitation de 100 tr/min sous h\(_{\mathrm {L}}\) = 0 mm ont été comparés. Pour voir le liquide plus clairement, une certaine quantité de rouge de méthyle et d'acide chlorhydrique a été ajoutée avant de réaliser l'expérience de capture. La ligne noire continue et le point vert représentent la hauteur des vagues de liquide mesurée respectivement par simulation et expérience. L'angle circulaire (\(\alpha \)) représentait l'angle de la paroi de l'OSR creux dans le système de coordonnées cylindrique.

La vitesse du fluide est l'information de base pour le champ d'écoulement d'un bioréacteur, et elle détermine si d'autres paramètres de fluide dérivés pertinents pour la culture cellulaire sont corrects. Pour comprendre de manière générale les caractéristiques de ce type de bioréacteur, la distribution des vitesses de fluide de l'OSR cylindrique à paroi intérieure creuse pour la hauteur d'installation de 30 mm (h\(_{\mathrm {L}}\) = 30 mm) est illustré à la Fig. 4. La vitesse maximale du fluide s'est avérée être d'environ 1,6 \(\mathrm {m \, s^{-1}}\) au front d'onde près de la paroi du vaisseau, ce qui était légèrement supérieur à son maximum théorique valeur de 1,57 \(\mathrm {m \, s^{-1}}\) de l'équation. (12)2, qui peut être causée par des turbulences locales23.

où \(V_{max}\) représente la vitesse maximale théorique du fluide, r représente le rayon des OSR cylindriques creux et N représente la vitesse d'agitation.

La distribution de vitesse du champ d'écoulement à différentes sections de l'OSR cylindrique creux avec h\(_{\mathrm {L}}\) = 30 mm. Les vecteurs de vitesse de fluide ont été calculés dans une interface verticale (A\(_{1}\)-A\(_{1}\)) et trois sections horizontales différentes (B\(_{1}\)-B\( _{1}\), B\(_{2}\)-B\(_{2}\) et B\(_{3}\)-B\(_{3}\)) respectivement. La position de la section verticale était un plan de symétrie du cylindre creux. Les hauteurs des trois sections horizontales étaient respectivement de 121 mm, 0,5h\(_{\mathrm {L}}\) (15 mm) et 10 mm. La barre de couleur sur la droite montre l'amplitude de la vitesse du fluide.

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. La vitesse maximale était située du côté du mur du creux de la vague plutôt que du côté de la crête de la vague. Le transfert de masse entre les tourbillons droit et gauche a également été observé par le fluide en mouvement au milieu du fond du bioréacteur. Comme le montre la figure 4A\(_{1}\)–A\(_{1}\), le pourcentage de volume de fluide avec différentes vitesses de plage et orientations de déplacement du fluide est important pour le processus d'échange d'énergie.

Pour analyser les propriétés de mélange dans des plans horizontaux, les distributions de vitesse de fluide ont été calculées sur trois plans horizontaux différents avec des hauteurs différentes. Comme le montre la figure 4B\(_{1}\)-B\(_{1}\), B\(_{2}\)-B\(_{2}\) et B\(_{ 3}\)-B\(_{3}\), il n'y avait qu'un seul grand vortex sur le plan horizontal, et le centre du vortex était presque identique au centre du plan. La vitesse élevée du fluide a été trouvée près de la paroi du vaisseau en raison de la vitesse élevée de la paroi et la faible vitesse du fluide étaient situées au centre du vortex. Il convient de noter que la vitesse maximale du fluide s'est également produite au niveau du front d'onde, comme mentionné précédemment.

Pour analyser l'effet de la paroi creuse de la cuve sur la dynamique des fluides des OSR, des simulations ont été menées sur plusieurs OSR creux cylindriques avec différentes hauteurs d'installation avec une vitesse d'agitation de 100 tr/min et un volume de remplissage de 8 L. En détail, la paroi creuse de la cuve a été installée à différentes positions avec h\(_{\mathrm {L}}\) = 0 mm (Fig. 5A), h\(_{\mathrm {L}}\) = 30 mm (Fig. 5B), h\( _{\mathrm {L}}\) = 60 mm (Fig. 5C), h\(_{\mathrm {L}}\) = 90 mm (Fig. 5D) et h\(_{\mathrm { L}}\) = 120 mm (Fig. 5E) du fond de la cuve.

La distribution de la vitesse du fluide sur la section verticale des OSR à cylindre creux avec différentes hauteurs d'installation. La position de la section verticale était un plan de symétrie du cylindre creux. La barre de couleur sur la droite montre l'amplitude de la vitesse du fluide.

Sur la figure 5, on peut observer qu'il y a trois tourbillons dans chaque section verticale. De même, un vortex se trouve du côté du creux de la vague (le côté gauche de la section verticale), qui ne s'est pas encore complètement formé. Les deux autres tourbillons étaient situés du côté de la crête des vagues (côté droit de la section verticale). La vitesse maximale peut être observée à la paroi de l'auge pour chaque cas. Pour toutes les vitesses maximales, la valeur maximale de 0,26 m/s a été trouvée à l'OSR creux avec h\(_{\mathrm {L}}\) = 30 mm. En fait, l'amplitude de la vitesse du fluide en vrac était également plus élevée dans l'OSR creux avec h \ (_ {\ mathrm {L}} \) = 30 mm (Fig. 5B) que dans les autres cas. Pour la hauteur d'installation de h\(_{\mathrm {L}}\) = 120 mm (Fig. 5E), le champ d'écoulement ne semble pas changer par rapport à l'OSR sans la structure à paroi creuse. La raison pourrait être qu'il n'y avait qu'une petite partie du cylindre creux en contact avec le fluide en mouvement dans l'OSR avec h\(_{\mathrm {L}}\) = 120 mm, ce qui indique que la structure creuse n'a presque aucune influence sur le fluide en mouvement avec une vitesse d'agitation de 100 tr/min et un volume de remplissage de 8 L. Avec la diminution de h\(_{\mathrm {L}}\), la zone de contact entre la structure creuse et le fluide en mouvement a augmenté et le champ fluide a commencé à changer. Lorsque h\(_{\mathrm {L}}\) est passé de 120 mm (Fig. 5E) à 60 mm (Fig. 5C), la vitesse du fluide au centre vertical a diminué progressivement, ce qui a été causé par la suppression du fond creux le mouvement fluide. Ce type d'effet de résistance pouvait inhiber le processus d'échange d'énergie du vortex gauche vers le vortex droit et était défavorable au transfert de masse en vrac. Cependant, lorsque h\(_{\mathrm {L}}\) est passé de 60 mm (Fig. 5C) à 30 mm (Fig. 5B), la vitesse du fluide a soudainement augmenté au niveau de la partie centrale du bioréacteur et la région a travaillé comme un "tube de transfert de masse" à grande vitesse, ce qui était utile pour un mélange uniforme dans l'OSR. Cependant, lorsque la valeur de h \ (_ {\ mathrm {L}} \) est tombée à zéro, l'échange de masse entre ces tourbillons des deux côtés a été complètement interrompu et une région de vitesse de fluide assez faible s'est produite près du fond creux, ce qui signifiait probablement que l'approvisionnement en nutriments serait facilement insuffisant dans la région locale. Pour les tourbillons des deux côtés, l'amplitude de la vitesse du fluide augmentait régulièrement à mesure que h\(_{\mathrm {L}}\) diminuait de h\(_{\mathrm {L}}\) = 120 mm à h \(_{\mathrm {L}}\) = 30 mm, ce qui pourrait être causé par la diminution de la structure creuse poussant plus de fluide dans un état de vitesse élevée. Cependant, l'échange entre ces tourbillons a été complètement interrompu lorsque la valeur de h\(_{\mathrm {L}}\) est tombée à zéro, ce qui a provoqué la faible vitesse du fluide près de la structure creuse. La figure 6 montre que les distributions de vitesse de fluide étaient similaires. Il y avait un grand vortex radial sur chaque section et la vitesse maximale était située au niveau de la paroi, mais la faible vitesse du fluide se produisait dans la région médiane près du centre du vortex.

La distribution de la vitesse du fluide dans un plan horizontal fixe des OSR à cylindre creux avec différentes hauteurs d'installation. La hauteur entre le plan horizontal fixe et la paroi inférieure des OSR à cylindre creux était de 10 mm. La barre de couleur à droite montrait l'amplitude de la vitesse du fluide.

Le coefficient de transfert de masse volumétrique (\(k_{L}a\)) est un paramètre crucial pour la culture cellulaire avec une densité cellulaire viable élevée. Pour comparer le \(k_{L}a\) dans le bioréacteur avec différentes hauteurs d'installation, le coefficient de transfert de masse (\(k_{L}\)) et la zone d'interface spécifique (a) ont été simulés à différentes hauteurs d'installation. Comme le montre la figure 7, les valeurs de \(k_{L}\) étaient presque constantes pour tous les cas étudiés. Dans les conditions de culture cellulaire à température constante (37), \(k_{L}\) ne dépendra que du taux de dissipation turbulente (\(\varepsilon \)). Bien que différentes hauteurs d'installation aient eu des effets différents sur le champ d'écoulement, la valeur de \(\varepsilon \) a légèrement changé à une vitesse d'agitation fixe (voir tableau 1). Par conséquent, les valeurs de \(k_{L}\) n'ont presque pas changé à différentes hauteurs d'installation.

Les valeurs de hauteur de liquide (\(\Delta h\)) ont été calculées comme indiqué dans le tableau 1. Les valeurs de \(\Delta h\) sont restées presque constantes à environ 140 mm, ce qui était légèrement supérieur à l'OSR sans creux chicane, suggérant que la hauteur du liquide dépendait principalement de la vitesse d'agitation. Ainsi, on a pu conclure que le déflecteur creux avait une influence limitée sur la hauteur du liquide et même sur la pente de la forme de la vague. En raison de la valeur constante du volume de remplissage, la valeur de la surface d'interface spécifique ne dépend que de la surface d'interface. Les valeurs de A sont restées presque constantes à environ 0,07 \(\mathrm {m^{2}}\) pour toutes les hauteurs d'installation utilisées (voir le tableau 1), ce qui était probablement dû au fait que le nombre de Froude était le même à la secousse fixe. vitesse de 100 tr/min. Dans le détail, il y avait peu de différence dans A pour différentes hauteurs d'installation, et la raison en était peut-être que l'interaction entre la paroi creuse et l'onde liquide a entraîné une certaine perte de surface d'interface. Comme le montre la figure 7, les valeurs de \(k_{L}a\) et a n'ont pas beaucoup fluctué. En détail, les valeurs de \(k_{L}a\) et a avaient une tendance de changement cohérente à différentes hauteurs d'installation. Lorsque la valeur de h\(_{\mathrm {L}}\) est passée de h\(_{\mathrm {L}}\) = 0 mm à h\(_{\mathrm {L}}\) = 30 mm, les magnitudes de \(k_{L}a\) et de a ont légèrement diminué. Cependant, les magnitudes de \(k_{L}a\) et de a augmentaient régulièrement à mesure que h\(_{\mathrm {L}}\) augmentait de h\(_{\mathrm {L}}\) = 30 mm à h\(_{\mathrm {L}}\) = 120 mm.

L'effet de différentes hauteurs d'installation sur \(k_{L}a\), A et \(k_{L}a\) dans les OSR à un volume de remplissage de 8 L et à une vitesse d'agitation de 100 tr/min. Les valeurs de \(k_{L}\) et a ont été calculées dans les OSR creux avec différentes hauteurs d'installation comme indiqué, séparément. La valeur de \(k_{L}a\) a été déterminée en fonction du résultat de \(k_{L}\) et a. Le cercle (\(\bigcirc \) ) représente la valeur de \(k_{L}a\), le triangle (\(\triangle \)) représente la valeur de a et le carré (\(\square \) ) désigne la valeur de \(k_{L}\).

Les dommages cellulaires sont un problème très important dans les bioréacteurs, mais il est normalement difficile à analyser26,27,28,29. Les dommages cellulaires se produisent facilement dans un environnement fluide avec de grandes valeurs de contrainte de cisaillement30. Il a été rapporté qu'une contrainte de cisaillement de 0,4 Pa était une valeur critique pour que les cellules CHO subissent une force de cisaillement31. Pour évaluer l'environnement de contraintes hydrodynamiques dans les OSR cylindriques creux, la distribution des contraintes de cisaillement a été calculée à un volume de remplissage de 8 L et à une vitesse d'agitation de 100 tr/min pour le cas avec h\(_{\mathrm {L}}\) = 30 mm (fig. 8). La raison pour laquelle le cas avec un hL de 30 mm a été choisi était que l'amplitude de la vitesse du fluide était plus élevée et que le processus de mélange était intense, comme analysé ci-dessus. En observant les deux sections horizontales A\(_{1}\)-A\(_{1}\) et A\(_{2}\)-A\(_{2}\), la contrainte de cisaillement maximale était situé au bord le plus extérieur de la section dans les deux cas. De plus, on pouvait également voir que la contrainte de cisaillement dans la section horizontale A\(_{2}\)-A\(_{2}\) était supérieure à celle de la section A\(_{1}\)- A\(_{1}\). Cela peut être dû au fait que la section A\(_{2}\)-A\(_{2}\) était plus proche du fond du navire que la section A\(_{1}\)-A\(_{1}\ ), et les particules de fluide seraient accélérées plus facilement près de la paroi de fond de la cuve. Pendant ce temps, la contrainte de cisaillement maximale s'est avérée être d'environ 0, 2 Pa dans l'ensemble du vaisseau, ce qui était inférieur à la valeur critique de 0, 4 Pa ​​des cellules CHO, et une grande contrainte de cisaillement était située près de la paroi du vaisseau. Les résultats suggèrent que l'environnement fluide de l'OSR creux était encore doux pour la culture de cellules de mammifères.

La distribution des contraintes de cisaillement de l'OSR cylindrique creux avec un volume de remplissage de 8 L, une vitesse d'agitation de 100 tr/min et h\(_{\mathrm {L}}\) = 30 mm a été étudiée. Afin de mieux visualiser la répartition des contraintes de cisaillement, les contraintes de cisaillement locales de 0,5 h\(_{\mathrm {L}}\) (A\(_{1}\)-A\(_{1}\)) et 0,3h\(_{\mathrm {L}}\) (A\(_{2}\)-A\(_{2}\)) sections ont été interceptées. L'amplitude de la contrainte de cisaillement a été indiquée par différentes couleurs basées sur les barres de couleur représentées sur la figure.

Cette étude était basée sur le modèle CFD tridimensionnel, et la fiabilité du modèle CFD a été vérifiée par des expériences. Dans cette étude, nous avons analysé l'influence des parois cylindriques creuses sur le champ d'écoulement à une vitesse d'agitation de 100 rpm et un volume de remplissage de 8 L. Les résultats ont montré que l'influence des parois cylindriques creuses à différentes hauteurs d'installation sur le \(k_ {L}a\) était léger. Cependant, les résultats ont montré que l'influence des parois cylindriques creuses à différentes hauteurs d'installation sur le champ d'écoulement était différente. Lorsque la hauteur d'installation était de 30 mm, la zone à faible vitesse dans la région médiane pouvait être considérablement réduite et le mélange du champ d'écoulement pouvait également être amélioré pour favoriser l'échange de matière et d'énergie. Dans le même temps, il a également été conclu que la contrainte de cisaillement de l'ensemble du champ d'écoulement était inférieure à 0,2 Pa, ce qui était inférieur à la valeur critique de 0,4 Pa pour les cellules CHO, indiquant que le bioréacteur creux pouvait fournir un environnement de contrainte de cisaillement doux pour culture de cellules de mammifères.

Les ensembles de données qui se rapportent à l'étude en cours peuvent être mis à disposition auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

Zone d'interface (\(\mathrm {m^{2}}\))

La zone d'interface spécifique (\(\mathrm {m^{-1}}\))

Dynamique des fluides computationnelle

Diamètre extérieur (m)

Diamètre intérieur (m)

Le taux de dissipation d'énergie \(\left( \mathrm {m^{2} \, s^{-1}}\right) \)

Force centrifuge dans la direction x (N)

Force centrifuge dans la direction y (N)

Accélération de la gravité (\(\mathrm {m \, s^{-2}}\))

Hauteur liquide (m)

Hauteur d'installation de la paroi inter-cylindres (m)

Le coefficient de transfert de masse volumétrique (\(\mathrm {h^{-1}}\))

Le coefficient de transfert de masse (\(\mathrm {m \, h^{-1}}\))

Longueur caractéristique (m)

Vitesse d'agitation (tr/min)

Bioréacteurs à agitation orbitale

Rayon des OSR cylindriques creux (m)

Rayon d'agitation (m)

Bioréacteurs à cuve agitée

Vitesse du fluide (\(\mathrm {m \, s^{-1}}\))

Vitesse maximale théorique du fluide (\(\mathrm {m \, s^{-1}}\))

Le volume de remplissage (L)

Modèle de volume de fluide

Vitesse angulaire de secousse (\(\mathrm{rad\,s^{-1}}\))

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Cette étude a été financée par le projet de coopération de recherche entre l'université de Shenzhen et l'université nationale de technologie de Taipei-000003020328, le fonds commun régional de recherche fondamentale et appliquée de la province du Guangdong-013376 et le projet ouvert du laboratoire clé d'État de gestion et de contrôle des systèmes complexes. à l'institut d'automatisation de l'Académie chinoise des sciences (n° 20200107), Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (subventions n° 62003216), National Natural Science Foundation-Aerospace Joint Fund (subvention n° U2037205), Shenzhen Stability Support Plan A ( Subvention n° 20200812104451001), Shenzhen Stability Support Plan A (subvention n° 20200814105908002) et Fonds de recherche fondamentale et appliquée de la province du Guangdong (subvention n° 2019A1515111115).

Shenzhen Key Laboratory of High Performance Nontraditional Manufacturing, College of Mechatronics and Control Engineering, Shenzhen University, Shenzhen, 518060, Chine

Likuan Zhu, Weiqing Chen et Chunyang Zhao

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LKZ a conçu les expériences et rédigé le manuscrit. WQC a mené la simulation et l'expérience. CYZ a analysé les données simulées et expérimentales.

Correspondance à Chunyang Zhao.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Zhu, L., Chen, W. & Zhao, C. Analyse de l'effet de paroi creuse sur la dynamique des fluides dans les bioréacteurs secoués en orbite. Sci Rep 12, 9596 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-13441-5

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Reçu : 26 février 2022

Accepté : 24 mai 2022

Publié: 10 juin 2022

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

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