Les bioréacteurs sont largement utilisés pour produire différentes thérapies dans les industries biopharmaceutiques et de médecine régénérative. Le développement de médicaments repose sur de petites plaques multipuits secouées autour d'un diamètre orbital, tandis que les bioréacteurs à l'échelle de la production sont agités par agitation. Ces différentes méthodes donnent différentes dynamiques des fluides, ce qui rend difficile l'adaptation des résultats de laboratoire à l'industrie.

Une équipe de chercheurs de l'University College de Londres commence à combler cette lacune en appliquant des techniques analytiques pour les bioréacteurs agités à la dynamique des fluides des bioréacteurs secoués orbitalement (OSB). Combinant mesures verticales et horizontales par vélocimétrie par images de particules, le groupe a reconstruit un modèle 3D du flux des panneaux OSB et déterminé les principales caractéristiques des structures cohérentes à l'intérieur des panneaux OSB. Ils publient leur travail cette semaine dans Physique des fluides .

"Dans ce travail, nous avons utilisé deux techniques de décomposition différentes, ce qui nous a permis d'identifier les modes dominants d'oscillation de l'écoulement à l'intérieur du réacteur, " a déclaré Andrea Ducci, un auteur sur le papier. "La première paire de modes contrôle le mouvement de la surface libre et donc l'aération des cellules, tandis que la deuxième paire est liée au débit de masse du réservoir."

Les bioréacteurs secoués offrent de faibles contraintes de cisaillement et des surfaces libres bien définies de transfert d'oxygène, un tourbillon doux qui est vital pour la culture de cellules de mammifères. Décomposition orthogonale appropriée (POD), classe les modes par énergie, tandis que la décomposition en mode dynamique (DMD), les classe par fréquence. Ducci a déclaré que son équipe utilise ces techniques pour analyser les panneaux OSB pour la première fois.

Les chercheurs ont utilisé l'analyse de l'exposant de Lyapunov en temps fini (FTLE) pour évaluer dans quelle mesure le réacteur disperse les nutriments. Dans FTLE, les chemins des particules adjacentes sont cousus ensemble à partir d'une série d'images retardées. Plus les particules sont éloignées après un certain temps, meilleur est le mélange.

L'équipe a mesuré le débit dans les panneaux OSB à deux nombres de Froude différents (Fr), quantités sans dimension qui relient l'inertie du flux à la gravité et sont utilisées pour prédire quand le flux du bioréacteur est en phase ou en déphasage avec son orbite.

"Si vous continuez à mettre à l'échelle les paramètres, comme le numéro Froude, constant, vous pouvez augmenter la taille de votre système et recréer l'environnement optimal, " Ducci dit. " Si vous êtes un biologiste et avez identifié les conditions optimales pour la croissance cellulaire, mais besoin de produire en plus grande quantité, nous pouvons utiliser ces paramètres de mise à l'échelle pour agrandir le réacteur."

Ensuite, l'équipe envisage d'étendre ses recherches à d'autres types de réacteurs non cylindriques et à l'amélioration des suspensions cellulaires, pour combler davantage le fossé entre les différents types de bioréacteurs.