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. У 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
біореактор, перемішування, турбінна мішалка, напруження зсуву, комп’ютерне моделювання, ANSYS
[1] Sargent, B. (2017). Managing Shear Stress in Biomanufacturing with the shear protectant Poloxamer 188 – a discussion. Retrieved from https://cellculturedish.com/managing-shear-stress-in-biomanufacturing-with-the-shear-protectant-poloxamer-188-a-discussion/.
[2] 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), article number jcs260985. doi: 10.1242/jcs.260985.
[3] 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. doi: 10.1007/s11947-017-2038-5.
[4] 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), article number 1430. doi: 10.3390/en15041430.
[5] 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). Cham: Springer International Publishing. doi: 10.1007/978-3-030-74893-7_13.
[6] 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). Cham: Springer International Publishing. doi: 10.1007/978-3-031-03502-9_33.
[7] 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. doi: 10.1007/s10529-020-03006-9.
[8] Qu, Z., & Breuer, K.S. (2020). Effects of shear-thinning viscosity and viscoelastic stresses on flagellated bacteria motility. Physical Review Fluids, 5(7), article number 073103. doi: 10.1103/PhysRevFluids.5.073103.
[9] 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, article number 612151. doi: 10.3389/fbioe.2021.612151.
[10] Singh, V. (1999). Disposable bioreactor for cell culture using wave-induced agitation. Cytotechnology, 30(1/3), 149-158. doi: 10.1023/A:1008025016272.
[11] 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, article number 398. doi: 10.3389/fmicb.2019.00398.