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.

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. Karthikeyan A., Joseph A., Subramanian R., Nair B.G. Fermenter Design // Industrial Microbiology and Biotechnology. 2022. P. 129–167.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. 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.