Моделирование2022-11-27 · 3 мин

Масштабирование биореакторов с использованием Scale-Down моделей и CFD

Перенос биопроцессов из лаборатории в промышленность часто снижает выход продукта из-за неоднородности среды. Новое исследование использует CFD и scale-down модель для предсказуемого масштабирования. Эксперимент на E. coli показал снижение выхода биомассы всего на 11%.

МасштабированиеCFDРеакторыГидродинамика

modeling

Масштабирование биореакторов с использованием Scale-Down моделей и CFD

Вот профессиональный, развернутый и адаптированный перевод оригинального текста статьи на русский язык. Все цифры, даты, имена и технические подробности сохранены, а стиль изложения приведен к нормам русскоязычной научной литературы.

Перевод и адаптация статьи

Введение

Масштабирование биопроцессов остается одним из главных препятствий в биотехнологической промышленности. Для изучения гетерогенностей, наблюдаемых в крупнотоннажных реакторах, на лабораторном уровне широко применяются масштабированные (scale-down) биореакторы. Кроме того, для получения информации о гидродинамике потоков в производственных емкостях используются методы вычислительной гидродинамики (CFD). В данной работе представлены рациональный дизайн и всесторонняя характеристика масштабированной установки, в которой гибкий и модульный реактор идеального вытеснения (plug-flow reactor, PFR) был соединен с биореактором с перемешиванием. С помощью CFD с использованием модели реальной k-ε турбулентности была оценена разница во времени смешивания между биореакторами объемом 20 и 4000 л, которая была использована в качестве критерия масштабирования. Для более детальной характеристики реактора идеального вытеснения применялись CFD-симуляции с использованием модели турбулентности SST k-ω (перенос сдвиговых напряжений), и модель была верифицирована экспериментально. Кроме того, модель использовалась для моделирования условий, в которых проведение экспериментов технически невозможно из-за ограничений сенсоров. Тем не менее, верификация в таких случаях также затруднена. Впервые масштабированная установка была протестирована на культивировании Escherichia coli с высокой плотностью клеток для получения промышленно значимых антигенсвязывающих фрагментов (Fab). Выход биомассы в условиях масштабированного культивирования снизился на 11%, а удельный выход целевого продукта — на 20%. Кроме того, использование данной установки позволило увеличить внутриклеточную фракцию Fab. Гибкость предложенной масштабированной установки в сочетании с CFD-симуляциями делает ее ценным инструментом для изучения эффектов масштаба на лабораторном уровне. Для дальнейшего совершенствования установки и ускорения масштабирования биопроцессов в будущем по-прежнему необходима дополнительная информация о крупномасштабных процессах.

Ключевые слова: CFD; культивирование E. coli; Fab; реактор идеального вытеснения; масштабирование (scale-down).

Список литературы (References)

Formenti, L. R., Nørregaard, A., Bolic, A., Hernandez, D. Q., Hagemann, T., Heins, A.-L., Larsson, H., Mears, L., Mauricio-Iglesias, M., Krühne, U., & Gernaey, K. V. (2014). Challenges in industrial fermentation technology research. Biotechnology Journal, 9, 727-738.
Lara, A. R., Galindo, E., Ramírez, O. T., & Palomares, L. A. (2006). Living with heterogeneities in bioreactors: Understanding the effects of environmental gradients on cells. Molecular Biotechnology, 34, 355-381.
Junker, B. H. (2004). Scale-up methodologies for Escherichia coli and yeast fermentation processes. Journal of Bioscience and Bioengineering, 97, 347-364.
Bylund, F., Collet, E., Enfors, S. O., & Larsson, G. (1998). Substrate gradient formation in the large-scale bioreactor lowers cell yield and increases by-product formation. Bioprocess Engineering, 18, 171-180.
Oosterhuis, N. M. G., & Kossen, N. W. F. (1984). Dissolved oxygen concentration profiles in a production-scale bioreactor. Biotechnology and Bioengineering, 26, 546-550.

Примечание переводчика: Текст переведен с сохранением профессиональной терминологии. Аббревиатуры (CFD, PFR, Fab, SST, k-ε, k-ω) оставлены в оригинальном виде, так как они являются общепринятыми в международной научной литературе. Форматирование ссылок и структура аннотации (Abstract) адаптированы под стандарты русскоязычных научных публикаций.

Масштабирование биореакторов с использованием Scale-Down моделей и CFD

Масштабирование биореакторов с использованием Scale-Down моделей и CFD

Источник

Теги

Масштабирование биореакторов с использованием Scale-Down моделей и CFD

Масштабирование биореакторов с использованием Scale-Down моделей и CFD

Источник

Теги