使用质量流量控制解决生物反应器鼓泡的结垢挑战

本文最初于 2021 年 6 月 29 日发表在 Fluid Handling Pro 上。 请在此处阅读原文

显示使用质量流量控制器将气体喷射到生物反应器中的图表

生物反应器喷射系统旨在向细胞培养物引入氧气,同时去除二氧化碳以防止毒性积聚。各种生物反应器的功能和组件对于优化这些过程至关重要。分布器、叶轮、挡板和生物反应器形状都会影响传质。

在这里,我们重点关注分布器在生物反应器中的使用,并讨论微型和宏观分布器的技术挑战,以及作为解决方案的脉冲调制分布器。

背景:调节生物反应器中的氧气和二氧化碳水平

较小的生物反应器可以有效地分配氧气并去除二氧化碳,而无需喷雾器。然而,这些措施对于较大的生物反应器来说是不够的,在较大的生物反应器中,较低的表面积与体积比会导致二氧化碳积聚并阻止氧气渗透。因此需要喷射器来引入氧气并去除二氧化碳。

通常,具有微型和大型分布器的系统很有用,因为它们能够满足不同的工艺需求。例如,由大分布器产生的较大气泡可以有效地从溶液中去除溶解的CO 2,​​然而,大气泡需要强烈搅拌才能将它们打碎并释放氧气。

虽然这对于耐寒的细胞系来说可能没问题,但搅动可能会导致更脆弱的哺乳动物细胞受损。在这些情况下,可以首先使用较低功率的宏观分布器去除CO 2  ,​​然后使用串联微型分布器产生较小的气泡,从而更有效地输送氧气。

挑战:气泡特征决定 O 2 传质和 CO 2汽提率

气泡的形成和大小显着影响氧气在整个生物反应器中的扩散方式。气泡的特征受孔径和分布、分布器材料、流速、液体和气体性质以及压力等因素的显着影响。例如,微型喷射器往往会产生较小的球形气泡,而大型喷射器往往会产生稍大且形状不均匀的气泡。

微型喷射器产生的气泡为微米级且呈球形,表面张力是气泡穿过生物反应器时的主导力。因此,它们在反应器中的停留时间很长,这改善了氧气传质,但使它们不适合从培养物中去除二氧化碳。

大型喷射器产生平均直径为 1-4 毫米的气泡,肉汤中的表面张力和浮力共同影响气泡的形状和运动。这些气泡的停留时间较短,但比较小的气泡更不易溶解。然而,宏观分布器也可能产生较大的、不对称的气泡,并且惯性力主导其行为。这些气泡很容易在不溶解或剥离二氧化碳的情况下破裂。

气泡的形状和大小决定了细胞将经历的剪切应力的大小、从系统中剥离CO 2的有效性以及向细胞的总体氧传质速率。因此,优化生物反应器分布器以确保氧气气泡大小和分布均匀,并且不会损坏细胞非常重要。

解决方案:使用质量流量控制器进行脉冲调制喷射

脉冲调制喷射是一种喷射方法,工程师可以通过该方法最好地调节气泡尺寸和释放到生物反应器中的速度。低流量质量流量控制器将氧气缓慢引入多孔分布器盘中。圆盘不会立即释放气体。相反,当气泡轻轻释放到生物反应器中时,压力会逐渐增大,直到达到临界点。

使用这种喷射方法,可以调节氧气质量流量以控制气泡释放到生物反应器中的速率。分布盘上的孔足够小,可以预见气泡的形成。因此,这种生物反应器喷射技术可根据容器尺寸进行扩展,氧气传输速率与气体流速成正比。

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