CFD支持扩大灌注生物反应器在生物制药gydF4y2Ba

1介绍gydF4y2Ba

快速增长的人口,增加疾病患病率上升以及知识和接受生物制药要求生物制药公司优化流程。特别是对单克隆抗体(mab)的需求增加了在过去的几年中。大多数马伯通常制造的中国仓鼠卵巢(CHO)细胞与美联储间歇过程作为首选过程策略(gydF4y2BaJain和库马尔,2008年gydF4y2Ba;gydF4y2Ba奥雷利亚纳et al ., 2015gydF4y2Ba;gydF4y2BaDhara et al ., 2018gydF4y2Ba;gydF4y2BaKesik-Brodacka 2018gydF4y2Ba)。然而,需要更高的产品收益率鼓励强化过程的发展策略。因此,灌注过程已成为即将到来的制造技术使用的相当一部分细胞保留提供较高的细胞密度。最常见的切向流过滤等技术(TFF)或交变切向流(ATF)系统包括一个中空纤维,用于圆细胞到生物反应器而不断交换媒体(gydF4y2Ba岩溶et al ., 2016gydF4y2Ba)。美联储代替N-stage灌注或传统间歇过程低效生产转移到高效生产增长阶段也可以转移到前期准备,导致更高的体积在N-stage生产力。强化美联储批处理策略,效价低的文化相比几乎翻了一番(gydF4y2Ba步进et al ., 2020gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

缺点是灌注模式也带来挑战。除了一个技术复杂的设置,它会增加污染的风险,负责高粘度高细胞密度的生物反应器,因此混合效率(减少gydF4y2BaOzturk 1996gydF4y2Ba)。此外,射流和搅拌可能诱导灌注饲料之间的直接联系和滞留物流导致短路流的形成。因此,在高细胞密度混合是非常重要的文化(gydF4y2BaAl-Rubeai 2015gydF4y2Ba)。差混合反应堆可以引起局部细胞环境中的异构性问题如底物浓度、pH值,和有限公司gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba梯度(gydF4y2Ba邢et al ., 2009gydF4y2Ba)。因此,生物反应器的总体性能可能通过减少细胞生存能力受损由于极端的pH值,穷人做或底物浓度的供应。后果是降低产品效价以及产品质量的规范(gydF4y2BaNadal-Rey et al ., 2020gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

在过去的十年中计算流体动力学(CFD)已成为一个重要的建模工具中的几个应用生物制药环境(gydF4y2Ba托马斯·a . et al ., 2021gydF4y2Ba)或混合应用程序(gydF4y2Ba阮et al ., 2014gydF4y2Ba;gydF4y2Ba巴赫et al ., 2017gydF4y2Ba;gydF4y2BaThomas j . et al ., 2021gydF4y2Ba)。典型用例建立kgydF4y2Ba_lgydF4y2Ba一个模型在微量滴定板(gydF4y2BaWutz et al ., 2018gydF4y2Ba),热量和质量输运的建模包括相变冻结容器(gydF4y2BaRoessl et al ., 2014gydF4y2Ba)以及超滤/ DF流程的优化包括混合效率的评估(gydF4y2BaWutz et al ., 2020gydF4y2Ba)。流数值模拟的ATF模块以前执行的gydF4y2BaRadoniqi et al。(2018)gydF4y2Ba。然而,他们的研究的重点是吸引的腔中空纤维膜污染的说明而不是坦克内的混合性能。gydF4y2Ba

一般来说,如果需要使用瞬态方法传统模拟方案可以非常昂贵的计算成本和时间。承诺涉及晶格玻尔兹曼方法模拟大涡模拟(LBLES)加快解决高瞬态模拟当并行图形处理单元(GPU)。混合研究的有效性已被证明在几项研究(gydF4y2Ba托马斯·a . et al ., 2021gydF4y2Ba;gydF4y2Ba费申et al ., 2021gydF4y2Ba;gydF4y2BaKuschel et al ., 2021gydF4y2Ba;gydF4y2BaHaringa 2022gydF4y2Ba;gydF4y2Ba霍夫曼et al ., 2022gydF4y2Ba)。与传统的CFD方法,数值近似解的,宏观的n - s方程和能量方程晶格玻尔兹曼方法(加快)方法描述了粒子行为在介观尺度流动域。LBM-based CFD工具如专业数值求解晶格玻尔兹曼方程(LBE)。因此,所有必要的宏观流动变量可以通过使用粒子分布函数计算和守恒定律恢复宏观navier - stokes方程等方程。相比其他方法模拟复杂边界的加快的方法是可取的。除此之外,加快方法运行更快,随着LBE可以计算只考虑线性流和碰撞的过程,而不是构建宏观连续方程,计算高阶发生(gydF4y2Ba燕,祖茂堂2008gydF4y2Ba;gydF4y2Ba赵et al ., 2022gydF4y2Ba)。因此,这种方法特别适合于描述复杂的瞬态行为混合现象出现在连续灌注过程。gydF4y2Ba

这项工作的目的是描述的混合性能在不同尺度下灌注生物反应器来减轻过程失败的风险。最初,2 L减少灌注反应堆研究实验。获得实验数据随后被用于验证混合效率从晶格玻尔兹曼方法加快检索CFD模拟。此外,规模高达100 L和500 L中试规模模拟研究。除了混合效率,流模式和细胞居留时间确定,支持在不同尺度下灌注系统的评估。gydF4y2Ba

2材料和方法gydF4y2Ba

2.1反应器设置gydF4y2Ba

三个不同的反应堆量表调查了关于他们的混合能力当在灌注模式。实验室规模的反应堆的工作容积2 L,用于实验和数值模拟。unbaffled坦克的内径D = 130毫米,并配有3-blade分段叶轮(D = 45毫米)。灌注导管和u型硅胶软管作为中描述gydF4y2Ba图1gydF4y2Baa .探测管和分布器是简单图中被忽视。中试规模的坦克是商用一次性生物反应器(子)系统从热费希尔科学工作的100 L和500 L . 100 L子有一个直径437毫米,并配有一段叶轮与d = 200毫米。500 L子有一个直径755毫米,并配有一段叶轮与d = 320毫米。在灌注模式进口和出口均位于中所描绘的一样gydF4y2Ba图6gydF4y2Ba。进一步的几何细节显示在补充(gydF4y2Ba补充图S1gydF4y2Ba),或者可以从供应商的网站。中试规模的反应堆只用于数值模拟。gydF4y2Ba

标准灌注设置由灌注饲料,灌注的回报和进口新鲜的媒体供应。产品,浪费,花了媒体以及细胞移除gydF4y2Ba通过gydF4y2Ba灌注饲料。与此同时,细胞分离和返回到灌注舱gydF4y2Ba通过gydF4y2Ba旁路的流量灌注的回报gydF4y2Ba $\stackrel{\dot{}gydF4y2Ba}{\mathrm{VgydF4y2Ba}}=gydF4y2Ba\mathrm{0.8gydF4y2Ba}\frac{\mathrm{lgydF4y2Ba}}{\mathrm{最小值gydF4y2Ba}}$ 。自从绕过流的灌注率相比要高得多gydF4y2Ba $\mathrm{0.003gydF4y2Ba}\frac{\mathrm{lgydF4y2Ba}}{\mathrm{最小值gydF4y2Ba}}$ ,媒体提供的入口是在这些研究被忽视。同样通量通过中空纤维不被认为是在实验和仿真设置的调查工作是集中在水箱内流条件和混合效率。旁路流量中试规模生物反应器的选择基于墙剪切速率计算。gydF4y2Ba

2.2实验装置gydF4y2Ba

灌流槽充满了2 L注射用水(注射用水)和gydF4y2Ba $\mathrm{5gydF4y2Ba}\mathrm{米gydF4y2Ba}\mathrm{lgydF4y2Ba}$ 10 M氢氧化钠添加到池中。示踪剂然后混合至少一分钟。之后,注射用水解决方案被不断稀释用水来源提供的坦克。槽内的混合性能就以电导率随时间的变化与探针测量(Incyte弧视图265烫)。搅拌釜反应器的灌注饲料是连接到一个废料箱。gydF4y2Ba

两个不同的设置,称为设置I和II所示设置gydF4y2Ba图1gydF4y2Ba答:注射用水提供了gydF4y2Ba通过gydF4y2Bau型软管或垂直管。注射用水的供应gydF4y2Ba通过gydF4y2Ba管称为设置我的供应gydF4y2Ba通过gydF4y2Ba软管设置II。所有实验的测量导率电导率传感器的探测范围内。每个实验进行了至少五分钟。搅拌速度设置为250、350和450 rpm。总共三个重复执行每个搅拌器速度。gydF4y2Ba

槽内的混合性能是影响灌注饲料,灌注回报,以及搅拌器。在理想情况下,流体在槽是完全混合,没有混合现象,比如短路流过程性能的负面影响。在这些情况下,稀释可以被描述为一个理想的稀释率gydF4y2Ba ${\mathrm{rgydF4y2Ba}}_{\mathrm{DgydF4y2Ba},gydF4y2Ba\mathrm{我gydF4y2Ba}\mathrm{dgydF4y2Ba}\mathrm{egydF4y2Ba}\mathrm{一个gydF4y2Ba}\mathrm{lgydF4y2Ba}}$ 。理想的稀释率gydF4y2Ba ${\mathrm{rgydF4y2Ba}}_{\mathrm{DgydF4y2Ba},gydF4y2Ba\mathrm{我gydF4y2Ba}\mathrm{dgydF4y2Ba}\mathrm{egydF4y2Ba}\mathrm{一个gydF4y2Ba}\mathrm{lgydF4y2Ba}}$ 可以计算通过使用流媒体供应和流灌注饲料吗gydF4y2Ba $\stackrel{\dot{}gydF4y2Ba}{\mathrm{VgydF4y2Ba}}$ 作为gydF4y2Ba

而真正的稀释率gydF4y2Ba ${\mathrm{rgydF4y2Ba}}_{\mathrm{DgydF4y2Ba}}$ 来源于电导探针的实验数据和模拟数据虚拟点或示踪剂质量的积分。gydF4y2Ba

在哪里gydF4y2Ba $\mathrm{cgydF4y2Ba}$ 描述了示踪剂浓度。在这里,gydF4y2Ba $\mathrm{VgydF4y2Ba}$ 的充盈量坦克。的稀释率gydF4y2Ba ${\mathrm{rgydF4y2Ba}}_{\mathrm{DgydF4y2Ba}}$ 和理想的稀释率gydF4y2Ba ${\mathrm{rgydF4y2Ba}}_{\mathrm{DgydF4y2Ba},gydF4y2Ba\mathrm{我gydF4y2Ba}\mathrm{dgydF4y2Ba}\mathrm{egydF4y2Ba}\mathrm{一个gydF4y2Ba}\mathrm{lgydF4y2Ba}}$ 有必要计算混合效率呢gydF4y2Ba ${\mathrm{EgydF4y2Ba}}_{\mathrm{米gydF4y2Ba}\mathrm{我gydF4y2Ba}\mathrm{xgydF4y2Ba}}$ 这是作为gydF4y2Ba

稀释率gydF4y2Ba ${\mathrm{rgydF4y2Ba}}_{\mathrm{DgydF4y2Ba}}$ 从实验和CFD是由定额的浓度随着时间的对数中描述gydF4y2Ba图2gydF4y2Ba(gydF4y2BaWutz et al ., 2020gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

2.3数值模拟gydF4y2Ba

灌流槽内的流体流动模拟不可压缩n - s方程,其中Lattice-Boltzmann(磅)方法应用n - s的能手。专业CFD诉3.3.77是用于所有CFD模拟。navier - stokes方程描述流动的力学建模质量守恒,动量和能量的流体粒子和写成(gydF4y2BaThomas j . et al ., 2021gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

当地的速度矢量的流体粒子在给定的时间gydF4y2Ba $\mathrm{tgydF4y2Ba}$ 被描述为gydF4y2Ba $\mathit{ugydF4y2Ba}$ ,重力加速度gydF4y2Ba $\mathit{ggydF4y2Ba}$ ,压力gydF4y2Ba $\mathrm{pgydF4y2Ba}$ ,流体密度gydF4y2Ba $\mathrm{\rho gydF4y2Ba}$ 和流体运动粘度gydF4y2Ba $\mathrm{\nu gydF4y2Ba}$ 。液体的时空加速粒子在流场反映在左边,而右边列出了所有力量作用于流体粒子由重力引起的,压力梯度和剪切应力。gydF4y2Ba

玻耳兹曼输运方程被称为(gydF4y2Ba托马斯·a . et al ., 2021gydF4y2Ba)gydF4y2Ba

在哪里gydF4y2Ba $\mathrm{fgydF4y2Ba}$ 描述的概率定位一个粒子在一个给定的位置在一个给定的空间和时间gydF4y2Ba $\mathrm{tgydF4y2Ba}$ ,gydF4y2Ba $\mathit{\xi gydF4y2Ba}$ 是相空间速度,gydF4y2Ba $\mathrm{\Omega gydF4y2Ba}$ 是一个碰撞算子。之间发生的碰撞算子考虑所有碰撞,颗粒,可以导致概率密度函数的变化gydF4y2Ba $\mathrm{fgydF4y2Ba}。gydF4y2Ba$ 的分布函数gydF4y2Ba $\mathrm{fgydF4y2Ba}$ 放松对均衡函数通过使用简化Bhatnagar-Gross-Krook (BGK)碰撞算子。navier - stokes方程是恢复了粒子分布函数与宏观性质获得质量方程和动量,而运动粘度与碰撞算子的松弛因子。解决玻耳兹曼方程数值,速度空间是通过使用一组离散的离散速度而不是连续的粒子速度。所有速度而导致的一组连接格子(D3Q19) (3 d格子玻尔兹曼模型gydF4y2Ba克鲁格et al ., 2017gydF4y2Ba;gydF4y2BaThomas j . et al ., 2021gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

坦克表面无滑动假设条件,流体和坦克速度为零gydF4y2Ba通过gydF4y2Ba一个零速恢复方法。浸入边界法用于液体之间的交互和移动叶轮使实现无滑动边界条件通过流体在叶轮表面移动时。液体的顶面是视为一个动态的自由表面。gydF4y2Ba

添加,示踪剂物质和颗粒在流场。水箱进口耦合到坦克出口流量和示踪剂浓度的物质,这样流体总量和示踪剂浓度。粒子被出口。这允许计算混合时间包括示踪剂的循环回路,而混合效率和颗粒停留时间的帮助下计算粒子在一个单一的模拟。粒子的考试开始后,一个完整的混合时间与95%的同质性示踪已经过去了。gydF4y2Ba

根据对俩散方程浓度在本地发展gydF4y2Ba

和粒子作为示踪粒子没有大小或力量。在此gydF4y2Ba $\mathrm{DgydF4y2Ba}$ 的扩散系数gydF4y2Ba $\mathrm{DgydF4y2Ba}=gydF4y2Ba{\mathrm{10gydF4y2Ba}}^{-gydF4y2Ba\mathrm{9gydF4y2Ba}}{\mathrm{米gydF4y2Ba}}^{\mathrm{2gydF4y2Ba}}{\mathrm{年代gydF4y2Ba}}^{-gydF4y2Ba\mathrm{1gydF4y2Ba}}$ ,gydF4y2Ba $\mathrm{cgydF4y2Ba}$ 示踪剂的浓度gydF4y2Ba $\mathbf{ugydF4y2Ba}$ 速度向量。gydF4y2Ba

确保执行网格研究独立于应用网格的数值解。可以补充材料中发现1.2网格总数2520万网格点足以达到网格独立权力的决心数量和动能的实验室规模2 L灌注生物反应器。为100 L生物反应器网格独立性与1370万网格点和500 L 1450万网格点,分别。gydF4y2Ba

3结果与讨论gydF4y2Ba

2 L实验室灌注生物反应器的混合效率实验评估了电导率测量以及流瞬态数值模拟。描述数据比较模拟工作的100 L和500 L中试规模生物反应器体积支持扩大灌注过程。gydF4y2Ba

3.1仿真和验证一个实验室规模的灌注生物反应器gydF4y2Ba

混合效率确定为各种权力输入第二节中描述。两个设置测试。设置我的管作为进口和u型管出口,而泵设置第二方向发生了变化。实验以及模拟数据进行描述gydF4y2Ba图3gydF4y2Ba。在大多数情况下,一个非常高的混合效率值大于90%达成表明射流来自滞留物管没有直接连接到反应器出口灌注饲料流。设置我展示了一个常数混合效率97 - 100%的电力输入可以看到测试gydF4y2Ba图3gydF4y2Ba。很好的达成了协议的模拟结果与实验数据偏差小于1.5%。改变流动的方向,然而,导致减少混合效率中所描绘的一样gydF4y2Ba图3gydF4y2Ba。有趣的是,而不是提高混合效率,更高的能量输入导致性能下降值的83% (exp)和90% (sim) 58 W / m³。在实验和模拟混合效率之间的差异还可以接受10 W / m³27 W / m³的相对偏差< 5%,最高差异发生58 W / m³8%。这可以归因于电导波动信号相比,由于不同流动条件下设置我和动荡增加了更高的能量输入。另外,Emix可能高估了给定流数值模拟的条件。gydF4y2Ba

图4gydF4y2Ba和gydF4y2Ba图5gydF4y2Ba有助于更好地理解底层流条件。橙色流线代表滞留物流进入反应堆和蓝色流线灌注饲料流离开反应堆。值得注意的是,独立的电源输入没有短路流发生在设置我,流线显示没有直接进口和出口之间的联系(gydF4y2Ba图4gydF4y2Ba)。叶轮的流动诱导产生的流场的一个类似的方向而传入的射流。更高的能量输入(gydF4y2Ba图4 cgydF4y2Ba)相比,低功率输入(gydF4y2Ba图4一gydF4y2Ba)不会导致更强的传入流量,因此混合效率,而不受影响。设置我相比,射流和搅拌强烈相互作用的流设置二世。特别是对于高功率输入(gydF4y2Ba图5 cgydF4y2Ba),传入的射流转移风潮导致重叠的流线从进口和出口。这些流条件导致Emix下降,也可能是电导探针的信号波动的原因。流线设置I和II从另一个角度也可以发现的补充剂。gydF4y2Ba

总的来说,这些发现表明涉及LBLES模拟的数值方法适用于描述混合效率在一个持续的过程。实验和仿真表明更高的鲁棒性的设置我对改变功率输入,而混合效率的损失升高搅拌器速度设置II是合理被模拟。gydF4y2Ba

在灌注扩大3.2的混合性能的评估gydF4y2Ba

最小化过程失败的风险在更大的尺度上,由于混合不足两个中试规模的反应堆100 L和500 L的工作容积分别同时进行灌注模式操作时关于混合效率。从实验室规模的实验显示实验和模拟值的好协议,中试规模的反应堆只有计算流体动力学的特征。gydF4y2Ba

流线的100 L和500 L反应堆中描述gydF4y2Ba图6gydF4y2Ba。类似于2 L生物反应器,没有短路流可以被探测到。事实上,这两种坦克显示良好的混合行为流线显示输入液体的轴向分布。gydF4y2Ba

均匀分布的中试规模内的滞留物流灌注坦克也可以假定由于混合效率高(见gydF4y2Ba图7gydF4y2Ba)。Emix仍在各种功率输入大于90%,证明一个健壮的反应堆的行为设置。因此,几何变化是必要的,因为没有足够的混合效率。考虑2 L的缩小模型,单相模拟设置二世导致绝对值接近中试规模,我似乎偏离剧本表演而设置。但是,没有重大影响预计混合效率在90%以上。因此,设置都是假定为适当的缩小模型。gydF4y2Ba

除了混合效率,混合时间tgydF4y2Ba_{95年gydF4y2Ba}(gydF4y2Ba图8gydF4y2Ba)可用于评估不同尺度之间的性能。随着输入功率的混合时间降低反应堆尺度除了设置二世在2 L规模。如上所述,喷射流和流场的相互作用风潮可能导致阻碍分布的滞留物流导致更高的混合时间。的500 L反应器显示值28-35年代,100 L反应堆16-27年代导致较低的值。类似于混合效率,设置第二显示tgydF4y2Ba_{95年gydF4y2Ba}接近中试规模- s,而最低设置我偏离剧本表演混合9-20年代的时期。然而,所有混合时间尺度之间的差异被认为是不加批判的细胞培养(gydF4y2Ba劳拉et al ., 2006gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

停留时间,直到50%的细胞已经离开了灌注坦克至少评估一次gydF4y2Ba通过gydF4y2Ba通过CFD粒子跟踪。结果所示gydF4y2Ba图9gydF4y2Ba。这一次可以被视为衡量细胞接触的频率灌注泵或中空纤维的坦克。时间依赖于再循环流量,以及混合效率。然而,由于Emix非常高在所有情况下,后者只有轻微影响停留时间。考虑到扩大是基于相同的墙剪切率,由此产生的再循环率比100 L和500 L的工作容积是类似的规模与2 L规模。因此,停留时间在2 L缩小模型低得多。换句话说,细胞进入循环回路的频率要高得多,这可能会导致潜在的更高的压力细胞(gydF4y2BaNeunstoecklin et al ., 2015gydF4y2Ba;gydF4y2Ba薯条et al ., 2016gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

总之,LBLES中试规模灌注反应堆的模拟表明,没有必要达到充分混合反应堆适应性效率。此外,2 L缩减模型的评估。结果表明,两种评估设置能够模仿中试规模条件略微偏好设置二世。接触频率较高的细胞再循环循环不能用给定的设置和扩展可能会导致性能差异。gydF4y2Ba

4结论gydF4y2Ba

混合效率的测定和预防短路流是一个重要的组成部分,灌注系统的特性和优化。以确保健壮的过程性能等标准应该在不同尺度上保持不变。晶格玻尔兹曼大涡模拟已被证明是有价值的工具高度解决瞬态模拟的能力。这项研究显示了混合效率的评估gydF4y2Ba通过gydF4y2Ba在2 L LBLES及其验证实验室规模灌注反应堆。仿真和实验之间的差异低于5%但有一个例外的8%两个反应堆设置和几个电源输入。gydF4y2Ba

扩大到100 L和500 L中试规模的模拟研究流模式,混合效率,混合时间和停留时间分布的细胞灌注反应堆。在所有情况下混合效率> 90%。因此,没有必要反应堆系统的几何适应性。2 L系统被证明是一个合适的中试规模的缩小模型灌注考虑检查标准。结果设置II略好匹配的中试规模的性能,然而,两个实验室规模反应器设置差异被认为决定性。总之,这种LBLES方法建议扩大的灌注过程作为风险缓解措施,以防止短路流过程失败。因为这项研究只包括单相模拟,未来的工作应该关注多相系统。如果考虑气相,流动模式会有所不同,可能导致改变混合时间和效率。最终,所有的仿真结果证实了细胞培养查看。gydF4y2Ba

数据可用性声明gydF4y2Ba

最初的贡献提出了研究中都包含在这篇文章/gydF4y2Ba补充材料gydF4y2Ba,进一步的调查可以直接到相应的作者。gydF4y2Ba

作者的贡献gydF4y2Ba

概念化,可,JW, DM和TW;方法,可和JW;调查和分析,可,JW,女士;初稿,可,女士,JW;审查和编辑,可,JW TW, DM,女士。gydF4y2Ba

确认gydF4y2Ba

作者承认Erik Hasenfus勃林格殷格翰集团创建的3 d几何图形。gydF4y2Ba

的利益冲突gydF4y2Ba

作者可,女士,TW受雇于勃林格殷格翰集团制药GmbH & Co . KG。JW欧洲GmbH是受雇于专业中心。DM是受雇于勃林格殷格翰的发言。gydF4y2Ba

出版商的注意gydF4y2Ba

本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或出版商、编辑和审稿人。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。gydF4y2Ba

补充材料gydF4y2Ba

本文的补充材料在网上可以找到:gydF4y2Bahttps://www.雷竞技rebatfrontiersin.org/articles/10.3389/fceng.2023.1076509/full补充材料gydF4y2Ba

引用gydF4y2Ba