CC BY
23
УДК 004.94:942
Панкратова Н.А., Гусева Е.В.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА БИОСИНТЕЗА РЕКОМБИНАНТНЫХ БЕЛКОВ В РЕАКТОРЕ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ
Панкратова Наталья Александровна, студентка 2 курса магистратуры факультета информационных технологий и управления РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва, e-mail: [email protected];
Гусева Елена Владимировна, к.т.н, доцент, доцент кафедры кибернетики химико-технологических процессов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва;
Российский химико-технологический университет имени Д. И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская пл., д. 9
Производство рекомбинантных белков в настоящее время активно развивается и широко используется в фармацевтике и медицине для профилактики и лечения различных заболеваний. В данной статье рассмотрено моделирование процесса культивирования бактериальных клеток Escherichia coli с использованием вычислительной гидродинамики в программном пакете ANSYSFLUENT.
Ключевые слова: рекомбинантные белки, вычислительная гидродинамика, CFD моделирование.
MODELING OF THE PROCESS OF BIOSYNTHESIS OF RECOMBINANT PROTEINS IN A BATCH REACTOR
Pankratova N.A., Guseva E.V.
D. I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The production of recombinant proteins is being actively developed and widely used in pharmaceuticals and medicine for the prevention and treatment of various diseases. This article describes the modeling of the culture of Escherichia coli bacterial cells using computational fluid dynamics in the ANSYS FLUENT software package.
Keywords: recombinant proteins, computational fluid dynamics, CFD modeling.
Технология культивирования клеток позволяет получить модифицированные белки в больших количествах. Исследования по культивированию Escherichia coli были проведены в Научно-исследовательском институте эпидемиологии и микробиологии им. Н.Ф. Гамалеи (Москва) [1]. Экспериментальная установка представляла собой биореактор периодического действия рабочим объемом 20 л. фирмы Bioengineering AG (Швейцария), модель NLF 30 (рис.1).
Главной задачей процесса культивирования являлось получение рекомбинантного белка BMP-2 (костный морфогенетический белок), этот белок отвечает за регенерацию костных тканей, поэтому он очень часто применяется в травматологии.
Математическое моделирования
гидродинамической обстановки в реакторе периодического действия проводилось в программе ANSYS Fluent 16.1.
Биореакторы являются основой
биотехнологического процесса культивирования бактериальных клеток, а также клеток млекопитающих и растительных клеток. Моделирование гидродинамической обстановки является основой в структуре математического описания процесса культивирования.
Эффективность работы биореактора зависит от условий взаимодействия микроорганизмов с окружающей средой. Для того чтобы добиться наибольшей производительности биореактора, важно обеспечить хорошее перемешивание таким образом, чтобы были сохранены оптимальные условия по всему аппарату. Определение структуры потоков играет большую роль для разного типа биореактора, что потом позволяет проводить перенос результатов с лабораторного эксперимента на промышленный уровень, т.е. осуществить масштабирование процесса [2].
Моделирование включает в себя пять пунктов -этапов решения CFD-задачи: на 1 этапе идет построение геометрической модели биореактора; следующим 2 этапом на основе расчётной сетки идет построение сеточной модели биореактора;
Рис.1. Биореактор периодического действия NLF (компании Bioengineering AG, Швейцария)
наложение на сетку свойств рабочего тела, граничных и начальных условий, параметров моделей происходит на следующем 3 этапе; на 4 этапе решение полученной модели; заключительный 5 этап - это анализ результатов. Каждому этапу соответствует свой раздел, на рис.2 приведено рабочее окно с основными этапами моделирования в программе ANSYS Fluent 16.1.
- название системы
- создание геометрии в ANSYS DesignModeler
- создание сеточной модели в ANSYS Meshing
- предобработка в ANSYS C'FD
- решатель ANSYS
- анализ результатов
Рис.2. Основные этапы моделирования
На рис.3 приведена расчетная сетка по рабочему объему биореактора. Правильно построенная сеточная модель биореактора влияет на скорость и сходимость решения.
Рис.3. Расчетная сетка по рабочему объему биореактора
В исследуемой системе при моделировании биореактора применялась многофазная модель Эйлера, во FLUENT есть возможность выбора этой модели, в которой одновременно осуществляется решение уравнений сохранения массы и движения для жидкой (культуральной среды) и дисперсной фазы (клетки бактерий). Это одна из моделей, которая поддерживает моделирование среды «твёрдая фаза- жидкость». Внутренний объем биореактора представляет собой сплошную среду,
которая содержит небольшое количество диспергированных частиц маленького диаметра.
Для того чтобы определить степень турбулентности потока в биореакторе (турбулентный или ламинарный), так как основным параметром при выборе модели расчёта является механизм движения потоков в аппарате рассчитывали критерий Рейнольдса по формуле (1):
-1
где n - частота вращения мешалки, с ;
р - плотность культуральной среды, кг/м1: - диаметр мешалки, м;
pi - динамическая вязкость культуральной среды, Пас.
Полученные значения критерия Рейнольдса: от 9780 до 29341 (в зависимости от оборотов мешалки), показали, что поток является турбулентным, следовательно, была выбрана одна из представленных в программном пакете FLUENT моделей турбулентности. Выбранна модель к-е является самой часто используемой для описания процессов турбулентности в биореакторе периодического действия. Эта дисперсная модель применима к двухфазной системе, которую целесообразно использовать при небольших объёмах вторичных фаз. В данной системе клетки бактерий в культуральной среде представляют собой гранулы в объеме сплошной жидкой среды.
Таким образом, были выбраны необходимые модели для моделирования структуры потоков в биореакторе периодического действия, а именно уравнения сохранения массы и импульса, модель k-e турбулентности и уравнения многофазной модели Эйлера.
Была выявлена гидродинамическая обстановка по рабочему объёму аппарата. Экспериментальная объемная доля дисперсной фазы в реакторе составляла а = 0,2. Было проведено исследование кинетики роста клеток при увеличения объемной доли дисперсной фазы (с 0,2 до 0,6). В таблице 1 приведены результаты расчетов скоростей дисперсной фазы при разных объемных долях (а = 0,2, 0,4, 0,6) и при разных скоростях вращения мешалки (250, 550 и 750 об/мин).
- А
D ® Fluid Flow (Fluent]
2 ф Geometry >
3 0 Mesh f
-1 Л Setup f
5 Й1 Solution f
б 0 Results f
Fluid Flow(Fluent)
Таблица 1. Сравнение распределения скоростей по рабочему объему реактора
Скорость работы мешалки
Объемная доля клеток а в реакторе
0,2
0,4
06
250 об/мин
550 об/мин
750 об/мин
Таким образом, можно сделать вывод, что рабочий объем аппарата достаточно большой и даже при увеличении объёмной доли дисперсной фазы (т.е. увеличение посевной концентрации приводит к увеличению числа клеток в конце ферментации) линейные скорости клеток меняются незначительно. В данном случае кинетику роста клеток можно не учитывать, так как культуральной среды много, а дисперсной фазы мало. Исходя из полученных данных возможно проведение процесса в ферментере данного объема с большей посевной концентрации клеток (хотя бы до а= 0,4 об. доли).
Список литературы
1. Панкратова Н.А. Исследование процесса культивирования Е-соН/ Н.А. Панкратова, Д.А. Табакова, Е.В. Гусева. - Успехи в химии и химической технологии: сб. науч. тр. Том XXXI, № 9. - М.: РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2017. - С. 3132.
2. Бирюков В.В. Основы промышленной биотехнологии - М.: КолосС, 2004. - С. 296.
