Scaling strategy for cell and gene therapy bioreactors based on turbulent parameters

生物反应器 湍流 叶轮 计算流体力学 剪应力 缩放比例 计算机科学 生物系统 数学 机械 生物 物理 植物 几何学
作者
Dmytro Iurashev,Peter A. Jones,Nadejda Andreev,Yana Wang,Tomoko Iwata‐Kajihara,Barbara Kraus,Juan A. Hernández Bort
出处
期刊:Biotechnology Journal [Wiley]
卷期号:19 (1) 被引量:3
标识
DOI:10.1002/biot.202300235
摘要

Abstract So far, power input has been used as the main parameter for bioreactor scale‐up/‐down in upstream process development and manufacturing. The rationale is that maintaining a consistent power input per unit volume should result in comparable mixing times at different scales. However, shear generated from turbulent flow may compromise the integrity of non‐robust cells such as those used during the production of cell and gene therapies, which may lead to low product quality and yield. Of particular interest is the Kolmogorov length parameter that characterizes the smallest turbulent eddies in a mixture. To understand its impact on scale‐up/‐down decisions, the distribution of Kolmogorov length along the trajectory flow of individual particles in bioreactors was estimated in silico with the help of computational fluid dynamics simulations. Specifically, in this study the scalability of iPSC‐derived lymphocyte production and the impact of shear stress across various differentiation stages were investigated. The study used bioreactors of volumes from 0.1 to 10 L, which correspond to the scales most used for parameter optimization. Our findings, which align with in vitro runs, help determine optimal agitation speed and shear stress adjustments for process transfer between scales and bioreactor types, using vertically‐oriented wheel and pitched‐blade impellers. In addition, empirical models specific to the bioreactors used in this study were developed. The provided computational analysis in combination with experimental data supports selection of appropriate bioreactors and operating conditions for various cell and gene therapy process steps.
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