Дослідження потенціалу зміни конструкції лопатки турбінної мішалки для зменшення впливу напружень зсуву на мікроорганізми в процесах культивування

Автор(и)

  • V. Yu. Shybetskyi Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут ім. Ігоря Сікорського» http://orcid.org/0000-0001-5482-0838
  • M. F. Kalinina Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут ім. Ігоря Сікорського» http://orcid.org/0000-0003-0455-138X
  • S. I. Kostyk Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут ім. Ігоря Сікорського» http://orcid.org/0000-0002-2817-7233
  • V. M. Povodzinskyi Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут ім. Ігоря Сікорського» http://orcid.org/0000-0002-9591-909X
  • D. O. Makarenko Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут ім. Ігоря Сікорського» http://orcid.org/0009-0009-5996-481X

DOI:

https://doi.org/10.31548/dopovidi.2(108).2024.004

Ключові слова:

біореактор, перемішування, турбінна мішалка, напруження зсуву, комп’ютерне моделювання, ANSYS

Анотація

Перемішування в біореакторах є важливим елементом для ефективного культивування клітинних культур у біотехнологічних виробництвах, однак швидкохідні мішалки можуть викликати високі значення напруженнь зсуву, які негативно впливають мікроорганізми. Тому актуально розробляти конструкції нових перемішуючих пристроїв для мінімізації негативного впливу напружень зсуву на клітини під час культивування. Метою даного дослідження є аналіз впливу нових конструкцій турбінних перемішуючих пристроїв, запропонованих авторами, на параметри процесу перемішування при культивуванні клітинних культур методами комп’ютерного моделювання. Комп’ютерне моделювання проводилось в середовищі ANSYS для процесу перемішування рідини в біореакторі. Було запропоновано дві нові конструкції турбінних мішалок. Ідея нової конструкції полягає в розділенні робочої лопатки на дві, тобто створення отвору в лопатці. В першому випадку виріз є прямокутником, в другому – паралелограмом. Для порівняння ефективності роботи запропонованих конструкцій також проводилося моделювання перемішування класичною турбінною 6-ти лопатевою мішалкою. За результатами моделювання було отримано епюри розподілення швидкостей, турбулентної кінетичної енергії, напружень зсуву потоку, вектори розподілення швидкостей та ISO-поверхні, що утворюють ядро воронки обертання. Було встановлено, що наявність вирізів у турбінній мішалці не призводить до зменшення швидкості основних потоків і перерозподілу векторів руху, але суттєво знижує значення турбулентної кінетичної енергії та напруження зсуву потоку. Максимальне значення турбулентної енергії для класичної мішалки складає 2,489 м2/с2, тоді як для мішалок із вирізами ледь доходить до 1,245 м2/с2. Напруження зсуву зменшуються на 10 % з 19,63·10-3 Па для класичної конструкції до 17,67·10-3 Па у випадку мішалки із вирізами у формі паралелограмів. Подальшим напрямком розвитку даного дослідження буде аналіз впливу геометричних параметрів мішалки із вирізами у формі паралелограма на якісні показники перемішування. Результати отримані в роботі можуть бути використані інженерами і технологами для проектування біореакторів зі зниженими значеннями напружень зсуву.

Посилання

Brandy Sargent. (2017). Managing Shear Stress in Biomanufacturing with the shear protectant Poloxamer 188 – A Discussion. https://cellculturedish.com/managing-shear-stress-in-biomanufacturing-with-the-shear-protectant-poloxamer-188-a-discussion/

Espina, J. A., Cordeiro, M. H., Milivojevic, M., Pajić-Lijaković, I., & Barriga, E. H. (2023). Response of cells and tissues to shear stress. Journal of Cell Science, 136(18), jcs260985. https://doi.org/10.1242/jcs.260985

Huang, K., Tian, Y., Salvi, D., Karwe, M., & Nitin, N. (2018). Influence of Exposure Time, Shear Stress, and Surfactants on Detachment of Escherichia coli O157:H7 from Fresh Lettuce Leaf Surfaces During Washing Process. Food and Bioprocess Technology, 11(3), 621–633. https://doi.org/10.1007/s11947-017-2038-5

Korobiichuk, I., Mel’nick, V., Shybetskyi, V., Kostyk, S., & Kalinina, M. (2022). Optimization of Heat Exchange Plate Geometry by Modeling Physical Processes Using CAD. Energies, 15(4), 1430. https://doi.org/10.3390/en15041430

Korobiichuk, I., Shybetska, N., Shybetskyi, V., & Kostyk, S. (2021). Modeling of Systems of Automated Auxiliary Processes in Pharmaceutical Industry. In R. Szewczyk, C. Zieliński, & M. Kaliczyńska (Eds.), Automation 2021: Recent Achievements in Automation, Robotics and Measurement Techniques (Vol. 1390, pp. 128–135). Springer International Publishing. https://doi.org/10.1007/978-3-030-74893-7_13

Korobiichuk, I., Shybetskyi, V., Kostyk, S., Kalinina, M., & Tsytsiura, A. (2022). Ways to Reduce the Creation of Vortex During Homogenization of Liquid Products. In R. Szewczyk, C. Zieliński, & M. Kaliczyńska (Eds.), Automation 2022: New Solutions and Technologies for Automation, Robotics and Measurement Techniques (Vol. 1427, pp. 329–343). Springer International Publishing. https://doi.org/10.1007/978-3-031-03502-9_33

Maiorano, A. E., Da Silva, E. S., Perna, R. F., Ottoni, C. A., Piccoli, R. A. M., Fernandez, R. C., Maresma, B. G., & De Andrade Rodrigues, M. F. (2020). Effect of agitation speed and aeration rate on fructosyltransferase production of Aspergillus oryzae IPT-301 in stirred tank bioreactor. Biotechnology Letters, 42(12), 2619–2629. https://doi.org/10.1007/s10529-020-03006-9

Qu, Z., & Breuer, K. S. (2020). Effects of shear-thinning viscosity and viscoelastic stresses on flagellated bacteria motility. Physical Review Fluids, 5(7), 073103. https://doi.org/10.1103/PhysRevFluids.5.073103

Silvani, G., Romanov, V., Cox, C. D., & Martinac, B. (2021). Biomechanical Characterization of Endothelial Cells Exposed to Shear Stress Using Acoustic Force Spectroscopy. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 9, 612151. https://doi.org/10.3389/fbioe.2021.612151

Singh, V. (1999). Disposable bioreactor for cell culture using wave-induced agitation. Cytotechnology, 30(1/3), 149–158. https://doi.org/10.1023/A:1008025016272

Yang, J., Cheng, S., Li, C., Sun, Y., & Huang, H. (2019). Shear Stress Affects Biofilm Structure and Consequently Current Generation of Bioanode in Microbial Electrochemical Systems (MESs). Frontiers in Microbiology, 10, 398. https://doi.org/10.3389/fmicb.2019.00398

##submission.downloads##

Опубліковано

2024-04-30

Номер

№ 2/108 (2024)

Розділ

Біологія, біотехнологія, екологія

Ліцензія

Стосунки між правовласниками і користувачами регулюються на умовах ліцензії Creative Commons Із Зазначенням Авторства – Некомерційна – Поширення На Тих Самих Умовах 4.0 Міжнародна (CC BY-NC-SA 4.0):https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/deed.uk

Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:

  • Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
  • Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
  • Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див.The Effect of Open Access).