I bioreattori sono ampiamente utilizzati per produrre diverse terapie nell'industria biofarmaceutica e della medicina rigenerativa. Lo sviluppo di farmaci si basa su piccole piastre a più pozzetti agitate attorno a un diametro orbitale, mentre i bioreattori su scala di produzione vengono agitati mediante agitazione. Questi diversi metodi producono diverse fluidodinamiche, rendendo difficile adattare i risultati di laboratorio all'industria.

Un team di ricercatori dell'University College di Londra sta iniziando a colmare questa lacuna applicando tecniche analitiche per bioreattori agitati alla fluidodinamica dei bioreattori orbitali agitati (OSB). Combinando misurazioni verticali e orizzontali attraverso la velocimetria dell'immagine delle particelle, il gruppo ha ricostruito un modello 3-D del flusso di OSB e ha determinato le caratteristiche chiave delle strutture coerenti all'interno degli OSB. Pubblicano il loro lavoro questa settimana in Fisica dei fluidi .

"In questo lavoro, abbiamo usato due diverse tecniche di decomposizione, che ci ha permesso di identificare le modalità dominanti di oscillazione del flusso all'interno del reattore, " ha detto Andrea Ducci, un autore sulla carta. "La prima coppia di modi controlla il movimento della superficie libera e quindi l'aerazione delle cellule, mentre la seconda coppia è relativa al flusso di massa del serbatoio."

I bioreattori scossi offrono bassi sforzi di taglio e superfici libere di trasferimento dell'ossigeno ben definite, un delicato vortice che è vitale per la coltura delle cellule dei mammiferi. Decomposizione ortogonale corretta (POD), classifica le modalità per energia, mentre la decomposizione in modalità dinamica (DMD), li ordina per frequenza. Ducci ha affermato che il loro team sta utilizzando queste tecniche per analizzare gli OSB per la prima volta.

I ricercatori hanno utilizzato l'analisi Finite-Time Lyapunov Exponent (FTLE) per valutare quanto bene il reattore disperda i nutrienti. In FTLE, i percorsi delle particelle adiacenti sono cuciti insieme da una serie di immagini ritardate nel tempo. Più le particelle si allontanano dopo un periodo di tempo, migliore è la miscelazione.

Il team ha misurato il flusso negli OSB a due diversi numeri di Froude (Fr), quantità adimensionali che mettono in relazione l'inerzia del flusso con la gravità e sono utilizzate per prevedere quando il flusso del bioreattore è in o fuori fase rispetto alla sua orbita.

"Se continui a ridimensionare i parametri, come il numero di Froude, costante, puoi aumentare le dimensioni del tuo sistema e ricreare l'ambiente ottimale, " disse Ducci. "Se sei un biologo e hai individuato le condizioni ottimali per la crescita cellulare, ma è necessario produrre in quantità maggiore, possiamo usare questi parametri di ridimensionamento per ingrandire il reattore".

Prossimo, il team prevede di estendere la propria ricerca ad altri tipi di reattori non cilindrici e migliorare le sospensioni cellulari, per colmare ulteriormente il divario tra i diversi tipi di bioreattori.