Bioreaktorer används i stor utsträckning för att producera olika terapier inom biofarmaceutisk och regenerativ medicinindustri. Läkemedelsutveckling bygger på små plattor med flera brunnar som skakas runt en omloppsdiameter, medan bioreaktorer i produktionsskala omrörs genom omrörning. Dessa olika metoder ger olika vätskedynamik, vilket gör det svårt att skala labbfynd till industrin.

Ett team av forskare från University College London börjar överbrygga detta gap genom att tillämpa analytiska tekniker för omrörda bioreaktorer på vätskedynamiken hos orbitalt skakade bioreaktorer (OSB). Kombinera vertikala och horisontella mätningar genom partikelbildhastighet, gruppen rekonstruerade en 3D-modell av OSB-flödet och fastställde nyckelegenskaperna hos de sammanhängande strukturerna inuti OSB:er. De publicerar sitt arbete denna vecka i Vätskors fysik .

"I det här arbetet, vi använde två olika nedbrytningstekniker, vilket gjorde det möjligt för oss att identifiera dominerande oscillationssätt för flödet inuti reaktorn, sa Andrea Ducci, en författare på tidningen. "Det första paret av lägen styr den fria ytrörelsen och därför luftningen av celler, medan det andra paret är relaterat till tankens bulkflöde."

Skakade bioreaktorer erbjuder låga skjuvspänningar och väldefinierade fria ytor för syreöverföring, en mild virvling som är avgörande för att odla däggdjursceller. Korrekt ortogonal nedbrytning (POD), rangordnar lägen efter energi, medan sönderdelning av dynamiskt läge (DMD), beställer dem efter frekvens. Ducci sa att deras team använder dessa tekniker för att analysera OSB:er för första gången.

Forskarna använde Finite-Time Lyapunov Exponent (FTLE) analys för att bedöma hur väl reaktorn sprider näringsämnen. I FTLE, banorna för intilliggande partiklar sys ihop från en serie tidsfördröjda bilder. Ju längre partiklarna är efter en tid, desto bättre blandning.

Teamet mätte flödet i OSB vid två olika Froude-tal (Fr), dimensionslösa storheter som relaterar flödeströghet till gravitation och används för att förutsäga när bioreaktorflödet är i eller ur fas med sin omloppsbana.

"Om du fortsätter att skala parametrar, som Froude-numret, konstant, du kan öka storleken på ditt system och återskapa den optimala miljön, "Ducci sa. "Om du är biolog och har identifierat de optimala förutsättningarna för celltillväxt, men behöver producera i en större mängd, vi kan använda dessa skalningsparametrar för att göra reaktorn större."

Nästa, teamet planerar att utöka sin forskning till andra typer av icke-cylindriska reaktorer och förbättra cellsuspensioner, för att ytterligare överbrygga klyftan mellan olika typer av bioreaktorer.