25788

شبيه سازي عددي اختلاط آشوبناك در بيوراكتور كشت سلول

كارشناسي ارشد

مهندسي مكانيك- تبديل انرژي ـ سيستم‌هاي انرژي

1396

1400/9/24

سيد مصطفي حسينعلي پور

نوروزمحمد نوري

مهندسي مكانيك

امروزه كشت سلول در آزمايشگاه به‌منظور كاربردهاي مختلف هم‌چون كشت بافت، توليد واكسن، بيان ژن‌هاي خاص، بررسي اثر داروها و ... مورد استفاده گسترده قرار مي‌گيرد. جهت كشت در مقياس بالا بيوراكتورهاي كشت سلول توسعه يافته‌اند كه از جمله آن‌ها مي‌توان به بيوراكتورهاي همزن و فلاسك‌هاي اسپينر اشاره كرد. جريان توربولان درون اين بيوراكتورها يك شمشير دولبه است؛ از يك سو بستري مناسب جهت اختلاط فراهم مي‌كند و از سوي ديگر ممكن است منجر به آسيب سلولي ناشي از برش و اثر متقابل با گردابه‌ها شود. در مطالعه حاضر با ارائه طرح جديدي شامل يك مخزن استوانه‌اي با قاعده چرخان اثر آشوب بر اختلاط آرام درون آن بررسي شده است. افزودن يك پره موج‌دار به انتهاي چرخان نوآوري اين هندسه محسوب مي‌شود. شبيه‌سازي عددي جريان آرام و پايا در اين مخزن به‌كمك نرم‌افزار فلوئنت انجام شده است. هندسه و شبكه اين بيوراكتور در نرم‌افزار ICEM CFD ايجاد و سپس معادلات بقاي جرم و مومنتوم در مرجع قاب چرخان در نرم‌افزار FLUENT حل شد. پس از حل جريان و استخراج ميدان سرعت، با ماژول Discrete Phase Model (DPM) ردگيري ذرات صورت گرفت. نتايج حاصل از حل اويلري جريان نشان مي‌دهد با افزايش عدد رينولدز توپولوژي جريان تغيير مي‌كند. توزيع سرعت و رسم خطوط جريان نشان مي‌دهد حضور پره در مخزن منجر به جلو افتادن تشكيل حباب vortex breakdown و ديگر ساختارهاي گردابه‌اي مي‌شود. متوسط تنش برشي در ديواره‌هاي چرخان با افزايش سرعت دوراني افزايش مي‌يابد. نتايج نشان مي‌دهد بيشينه تنش برشي در سيال رابطه خطي با سرعت دوراني ديسك دارد. با ردگيري لاگرانژي شش جفت ذره حساسيت سيستم به شرايط اوليه مشخص مي‌شود. علاوه بر اين با قرار دادن پره در قاعده متوسط نمايي لياپانوف براي شش جفت ذره نسبت به حالت بدون پره افزايش مي‌يابد. هم‌چنين ترسيم مقاطع پوانكاره براي سه توزيع اوليه ذرات و توزيع همگن ذرات در هر گردابه آشوبناكي جريان را در هر ناحيه نشان مي‌دهد.

1400/10/11

Numerical simulation of chaotic mixing in a cell culture bioreactor

12/15/2021 12:00:00 AM

In the present study, the effect of chaotic advection on the mixing of laminar flow in a novel cell culture bioreactor was numerically investigated. The stationary cylindrical tank bioreactor comprised of a wavy blade anchored to the bottom, which both of them rotated at a same constant rotational speed. Numerical computations calculated using FLUENT to simulate the laminar and steady-state flow field for varying speeds (2.5 rpm to 12.5 rpm). The results showed that topological changes in the fluid flow structure created by an increase in Reynolds number. Vortex breakdown has not been occurred at 2.5 rpm, however, at higher speeds not only has been seen, but also has been attached to the free surface. It can improve oxygen transfer from top air to the cell culture environment. Moreover, addition of blade promoted early onset of vortex breakdown and other vortical structures. It was found that mean shear stress on the rotating base walls increased by enhancing speed. In addition, the maximum shear stress of each speed varied linearly to the rotational speed. Particle tracking and plotting Poincaré sections were carried out to investigate chaotic advection. Tracking of six pairs of initially close particles during 300 second indicated that the flow inside the bioreactor was sensitive to the initial conditions, which is one of the important characteristics of the chaotic behavior. Additionally, Poincaré sections showed that separated vortical structure but uniform particle distribution at each zone indicated chaotic regions.