ウェーブバッグ型バイオリアクターにおける混合・気液移動のCFD解析

CFD Analysis of Mixing and Gas-Liquid Mass Transfer in Wave Bag Bioreactor.

• Kirilynn Svay
• Christine Urrea
• Parviz Ayazi Shamlou
• Hu Zhang

抄録

シングルユースバイオリアクター（SUB）は、プロセス開発や最近では製造プロセスにおいて、従来の深槽ステンレス鋼製バイオリアクターに代わる魅力的な選択肢を提供しています。特にウェーブバッグバイオリアクターは、せん断に敏感なヒトおよび動物細胞の培養のための潜在的なアプリケーションを示している。しかし、ウェーブバッグ型バイオリアクターに存在する複雑な流体環境に関する知識の欠如は、これまでのところ、そのスケールアップのための科学的根拠の開発を妨げてきた。本研究では、計算流体力学（CFD）を用いて、20Lのウェーブバッグ型バイオリアクター内の流れ場の詳細を、揺動角度と揺動速度の関数として調べた。その結果を局所流速，平均流速，混合，エネルギー散逸率の観点から提示し，ウェーブバッグ型バイオリアクターのスケールアップのためのプロセス工学的枠組みを作成するために使用した。20Lのウェーブバッグ型バイオリアクターにおける混合と流体の流れの概念実証解析では，CFD手法の適用性が実証されており，バッグ内の液体体積にわたって統合され平均化された時間的・空間的なエネルギー散逸率は，実験的な体積酸素移動率（k a）データと単位体積あたりの電力との相関を示す手段を提供している．この相関関係は、ウェーブバッグバイオリアクターのスケールアップとダウンのための経験則として使用することができます。この記事は著作権で保護されています。本記事の著作権は著作権により保護されています。

Single use bioreactors (SUBs) provide an attractive alternative to traditional deep-tank stainless steel bioreactors in process development and more recently manufacturing process. Wave bag bioreactors, in particular, have shown potential applications for cultivation of shear sensitive human and animal cells. However, the lack of knowledge about the complex fluid flow environment prevailing in wave bag bioreactors has so far hampered the development of a scientific rationale for their scale up. In this study, we use computational fluid dynamics (CFD) to investigate the details of the flow field in a 20-L wave bag bioreactor as a function of rocking angle and rocking speed. The results are presented in terms of local and mean velocities, mixing, and energy dissipation rates which are used to create a process engineering framework for the scale-up of wave bag bioreactors. Proof-of-concept analysis of mixing and fluid flow in the 20-L wave bag bioreactor demonstrates the applicability of the CFD methodology and the temporal and spatial energy dissipation rates integrated and averaged over the liquid volume in the bag provide the means to correlate experimental volumetric oxygen transfer rates (k a) data with power per unit volume. This correlation could be used as a rule of thumb for scaling up and down the wave bag bioreactors. This article is protected by copyright. All rights reserved.

© 2020 American Institute of Chemical Engineers.