Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4313
Main Title: Characterization and optimization of single-use bioreactors and biopharmaceutical production processes using computational fluid dynamics
Translated Title: Charakterisierung und Optimierung von Einwegbioreaktoren und biopharmazeutischen Produktionsprozessen mittels numerischer Fluiddynamik
Author(s): Kaiser, Stephan Christian
Advisor(s): Kraume, Matthias
Eibl, Dieter
Referee(s): King, Rudibert
Kraume, Matthias
Eibl, Dieter
Pörtner, Ralf
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Durch die örtliche und zeitliche Modellierung der auftretenden Strömungen bietet die numerische Fluiddynamik (engl. Computational Fluid Dynamics, CFD) das Potenzial detaillierte Untersuchungen der Hydrodynamik in Bioreaktoren durchzuführen. Allerdings sind bisher nur wenige Studien in Verbindung mit Einwegbioreaktoren, die sich durch konstruktiven Besonderheiten von ihren klassischen Gegenspielern aus Glas und/oder Edelstahl unterscheiden, publiziert. Die vorliegende Arbeit soll daher geeignete Modellansätze zur Charakterisierung und Optimierung von Einwegbioreaktoren und Produktionsprozessen erarbeiten und diskutieren. Aufbauend auf einer umfangreichen Literaturrecherche wurden in drei Fallstudien diverse Aspekte der CFD-Modellierung verdeutlicht und diskutiert. Zunächst wurden Ein- und Mehrphasenmodelle zur Berechnung des Strömungsfeldes und verfahrenstechnischer Parameter des Mobius® CellReady Bioreaktors entwickelt. Der eingesetzte Marine-Impeller induzierte ein komplexes Strömungsfeld, in dem die berechneten Strömungsgeschwindigkeiten qualitativ und quantitativ gut mit Experimentaldaten übereinstimmten, welche mittels Particle Image Velocimetry (PIV) gemessen wurden. Mit Hilfe der stationären Strömungsfelder wurden Mischzeiten und Leistungseinträge für Zellkultur typische Betriebsbedingungen berechnet, die wiederum durch experimentelle Untersuchungen mit guter Übereinstimmung verifiziert wurden. Anhand der Mehrphasensimulationen wurde die Bedeutung von Blasengrößenverteilungen für die (lokalen) Phasengrenzflächen und Sauerstofftransferraten herausgearbeitet. Ein Vergleich unterschiedlicher Modelle zur Berechnung der Blasenzerfalls- und Blasenkoaleszenzraten offenbarte signifikante Unterschiede, sowohl quantitativ als auch qualitativ, die die Notwendigkeit einer detaillierten Modellvalidierung unterstreichen. In der zweiten Fallstudie wurde die Geometrie des gerührten Laboreinwegbioreaktors UniVessel® SU optimiert, welcher für die Kultivierung mesenchymaler Stammzellen mittels Microcarriern (MC) eingesetzt wird. Basierend auf mittels PIV validierten CFD-Modellen eines kleinskaligen Spinner Flask Bioreaktors wurden neun Bioreaktorgeometrien hinsichtlich der MC Suspendierung und des auftretenden Scherstresses untersucht. Es wurde gezeigt, dass durch die Änderung des Anstellwinkels der Rührerblätter von 30° auf 45° und einen reduzierten Bodenabstand die notwendigen Drehzahlen und Leistungseinträge zum Suspendieren der MC um den Faktor 2 bzw. 3 reduziert wurden. Infolge des verringerten Scherstresses wurden im Vergleich zur Standardgeometrie deutlich kürzere Verdopplungszeiten (18.6 h) und zehnfach höhere Zellausbeuten (7.2 ∙ 105 Zellen∙mL-1) therapeutisch relevanter Fettgewebe-Stammzellen erhalten. Die dritte Fallstudie zeigt das Potenzial der CFD zur Entwicklung neuartiger Bioreaktoren, wobei die Anzahl notwendiger Prototypen des traveling wave Bioreaktors effektiv reduziert wurde. Basierend auf Studien mit 15 Geometrien wurden zwei Bioreaktormodelle konstruiert, verfahrenstechnisch charakterisiert und für die Kultivierung einer CHO-Suspensionszelllinie getestet. Die ermittelten Wachstumsraten (0.84 – 1.15 d-1) in chemisch definiertem Minimalmedium waren vergleichbar zu kommerziellen Einwegbioreaktoren im Labor- und Pilotmaßstab, was den erfolgreichen Einsatz der CFD-Modelle für die Bioreaktorentwicklung untermauert.
Due to the spatially and time resolved modeling of fluid flows, Computational Fluid Dynamics (CFD) offer the potential for detailed analyses of hydrodynamics in bioreactors. However, only few studies on CFD in combination with single-use bioreactors, which can significantly differ from their conventional counterparts made of glass and/or stainless steel in the type of mixing and power input, have been published so far. The present thesis shall establish and evaluate suitable CFD models for the characterization and optimization of single-use bioreactors and production processes using animal and human cell cultures. Based on a comprehensive literature review, special aspects of the CFD models are illustrated and discussed in three case studies. In the first case study, the fluid flow patterns for non-aerated and aerated conditions and engineering parameters of the Mobius® CellReady bioreactor were predicted using single and multiphase models. The marine impeller induced a complex fluid flow pattern, which was qualitatively and quantitatively validated by experimental data obtained from Particle Image Velocimetry (PIV) measurements. Based on the steady-state flow patterns, mixing times and power inputs were determined under cell culture typical operating conditions. Good quantitative agreement was found with experimental observations. The multiphase models underlined the importance to consider the bubble size distribution for the calculation of (local) interfacial areas and oxygen mass transfer rates. A comparison of different bubble breakup and coalescence models revealed significant differences, both quantitative and qualitative, which emphasized the need for model validation. In the second case study, the geometry of the stirred benchtop scale UniVessel® SU bioreactor, which is used for the microcarrier (MC) based expansion of mesenchymal stem cells (MSC), was optimized. Based on CFD models for small scale spinner asks, which were validated by PIV measurements, nine bioreactor geometries were investigated with respect to their suspension characteristics and occurring shear stresses. It was shown that, by modifying the blade angle from 30° to 45° and simultaneously reducing the off-bottom clearance, the impeller speeds and power inputs required for MC suspension can be reduced by a factor of 2 and 3 respectively. Due to the lowered shear stress, significantly shorter doubling times (18.6 h) and tenfold higher cell yields (7.2∙ 105 cells∙mL-1) of therapeutically relevant, adipose-derived MSCs were obtained, compared to the standard UniVessel® SU bioreactor. The third case study shows the potential of CFD for the development of novel bioreactor types, while effectively reducing the number of prototypes. Based on a design study with 15 geometries, two bioreactor models of the traveling wave bioreactor were constructed, characterized in terms of mixing and mass transfer and tested for the cultivation of a CHO suspension cell line. Using chemically defined minimal media, the obtained growth rates (0.84 – 1.15 d-1) were similar to commercially available single-use bioreactors at laboratory and pilot scale. This confirms the successful use of CFD models for the bioreactor development.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-60740
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4610
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4313
Exam Date: 8-Dec-2014
Issue Date: 27-Jan-2015
Date Available: 27-Jan-2015
DDC Class: 572 Biochemie
600 Technik, Technologie
Subject(s): Numerische Fluiddynamik
Einwegbioreaktoren
Zellkulturen
Charakterisierung
Stofftransfer
Computational fluid dynamics
single-use bioreactors
cell cultures
engineering
mass transfer
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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