Применение вычислительной гидродинамики для моделирования биореакторов с мешалкой в Ansys Fluent
Автор: Бондаренко Н.А., Гусева Е.В., Сафаров Р.Р.
Журнал: Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий @vestnik-vsuet
Рубрика: Пищевая биотехнология
Статья в выпуске: 2 (96) т.85, 2023 года.
Бесплатный доступ
Биореакторы с мешалкой широко используются в фармацевтической промышленности в производстве различных лекарственны веществ для лечения онкологических заболеваний, болезней сердца и сосудов, вирусных и бактериальных инфекций. Несмотря на широкое использование биореакторов с мешалкой, оптимизация условий перемешивания остается актуальной задачей. В биореакторах такого типа должно осуществляться непрерывное перемешивание клеток в среде с высокой скоростью вращения. В работе рассматривается пример использования вычислительной гидродинамики для исследования и моделирования процесса культивирования бактериальных клеток Escherichia coli в биореакторе периодического действия (NLF, 30 л). Вычислительная гидродинамика использовалась для анализа гидродинамической обстановки в биореакторе с двойной турбинной мешалкой Раштона. Для описания движения потоков и оценки турбулентности в биореакторе периодического действия были использованы многофазная модель Эйлера и модель турбулентности k-𝜀 соответственно, встроенные в программный пакет Ansys Fluent. Была построена геометрическая модель с оригинальными размерами биореактора с мешалкой NLF 30. На основе геометрической модели была создана расчетная сетка по рабочему объему биореактора и проведен подбор оптимальных параметров построения расчетной сетки. В результате моделирования гидродинамического режима были получены профили распределения кинетической энергии турбулентности по объему биореактора и найдены скорости движения клеток при разных скоростях вращения мешалки. Полученные результаты показывают возможность и применимость программного пакета Ansys Fluent для расчета гидродинамической обстановки в биореакторе с мешалкой при разных скоростях перемешивания и при разных объемных долях клеток.
Математическое моделирование, вычислительная гидродинамика, биореактор с мешалкой, модель эйлера, модель турбулентности
Короткий адрес: https://sciup.org/140303197
IDR: 140303197 | DOI: 10.20914/2310-1202-2023-2-123-129
Список литературы Применение вычислительной гидродинамики для моделирования биореакторов с мешалкой в Ansys Fluent
- Li G., Li H., Wei G., He X. et al. Hydrodynamics, mass transfer and cell growth characteristics in a novel microbubble stirred bioreactor employing sintered porous metal plate impeller as gas sparger // Chemical Engineering Science. 2018. V. 192. P. 665-677.
- Schirmer C., Maschke R.W., Pörtner R., Eibl D. An overview of drive systems and sealing types in stirred bioreactors used in biotechnological processes // Appl Microbiol Biotechnol. 2021. V. 105. P. 2225-2242.
- Sharma R., Harrison S.T.L., Tai S.L. Advances in bioreactor systems for the production of biologicals in mammalian cells // ChemBioEng Reviews. 2022. V. 9. № 1. P. 42-62.
- Karthikeyan A., Joseph A., Subramanian R., Nair B.G. Fermenter Design // Industrial Microbiology and Biotechnology. 2022. P. 129-167.
- Wang B., Wang Z., Chen T., Zhao X. Development of novel bioreactor control systems based on smart sensors and actuators // Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 2020. V. 8. P. 7.
- Иванов В.А., Пашкова Е.А., Пестриков С.В. Совершенствование управления фармацевтическим биореактором // Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности АПК-продукты здорового питания. 2022. №. 1. С. 137-142.
- Gaugler L., Mast Y., Fitschen J., Hofmann S. et al. Scaling down biopharmaceutical production processes via a single multi compartment bioreactor (SMCB) // Engineering in life sciences. 2022. V. 23. № 1. P. 2100161.
- Минаков Д.В. Мороженко Ю.В., Обрезкова М.В., Шавыркина Н.А., Егорова Е.Ю. Исследование глубинного культивирования грибов рода масленок (Suillus) c целью получения белковых пищевых добавок // Ползуновский вестник. 2020. № 1. С. 32-36.
- Lone S.R., Kumar V., Seay J.R., Englert D.L. et al. Mass Transfer and Rheological Characteristics in a Stirred Tank Bioreactor for Cultivation of Escherichia coli BL21 // Biotechnology and Bioprocess Engineering. 2020. V. 25. P. 766-776.
- Ebrahimi M., Tamer M., Villegas R.M., Chiappetta A. et al. Application of CFD to Analyze the Hydrodynamic Behaviour of a Bioreactor with a Double Impeller // Processes. 2019. V.7. P. 694.
- Villiger T.K., Neunstoecklin B., Karst D.J., Lucas E. et al. Experimental and CFD physical characterization of animal cell bioreactors: From micro - to production scale // Biochemical Engineering Journal. 2018. V. 131. P. 84-94.
- Ebrahimi M., Tamer M., Villegas R.M., Chiappetta A. et al. Application of CFD to analyze the hydrodynamic behaviour of a bioreactor with a double impeller // Processes. 2019. V.7. № 10. P. 694.
- Verma R., Mehan L., Kumar R., Kumar A. et al. Computational fluid dynamic analysis of hydrodynamic shear stress generated by different impeller combinations in stirred bioreactor // Biochemical Engineering Journal. 2019. V. 151. P. 107312.
- Haringa C., Mudde R.F., Noorman H.J. From industrial fermentor to CFD-guided downscaling: what have we learned? // Biochemical Engineering Journal. 2018. V. 140. P. 57-71.
- Vivek V., Eka F.N., Chew W. Mixing studies in an unbaffled bioreactor using a computational model corroborated with in-situ Raman and imaging analyses // Chemical Engineering Journal Advances. 2022. V. 9. P. 100232.
- Ключников А.И., Овсянников В.Ю., Ключникова Д.В., Давыдов А.М. Перспективы методов вычислительной гидродинамики при исследовании мембранных процессов // Вестник ВГУИТ. 2022. T. 84. № 4. С. 32-38.
- Seidel S., Schirmer C., Maschke R.W., Rossi L. et al. Computational fluid dynamics for advanced characterisation of bioreactors used in the biopharmaceutical industry: part I: literature review // Computational Fluid Dynamics - Recent Advances, New Perspectives and Applications. 2023.
- Shafa M., Panchalingam K.M., Walsh T., Richardson T. et al. Computational fluid dynamics modeling, a novel, and effective approach for developing scalable cell therapy manufacturing processes // Biotechnology and Bioengineering. 2019. V. 116. № 12. P. 3228-3241.
- Menshutina N.V., Guseva E.V., Safarov R.R. Boudrant J. Modelling of hollow fiber membrane bioreactor for mammalian cell cultivation using computational hydrodynamics // Bioprocess and Biosystems Engineering. 2020. V. 43. P. 549-567.
- Guler B.A., Deniz I., Demirel Z., Oncel S.S. et al. Computational fluid dynamics modelling of stirred tank photobioreactor for Haematococcus pluvialis production: Hydrodynamics and mixing conditions // Algal Research. 2020. V. 47. P. 101854.
