Моделювання ферментерів з вібраційним перемішуванням у фармацевтичній біотехнології

Abstract

Стаття присвячена дослідженню роботи ферментера з вібраційною системою перемішування рідкої фази. Культивування біологічних агентів у фармацевтичній біотехнології з метою отримання активних фармацевтичних інгредієнтів потребує конструювання й експлуатації високоефективної та надійної апаратури. Ферментери з вібраційною системою перемішування рідкої фази мають суттєві переваги порівняно з апаратами, у яких використовують обертові перемішуючи пристрої. Ці переваги дають змогу створити контрольовані умови під час культивування біологічних агентів, що є запорукою отримання біологічно активних речовин визначеної якості, безпечності й ефективності для виробництва біологічних лікарських засобів. Запропонована математична модель ферментера з вібраційним перемішуванням враховує концепцію про взаємозв ’язок між процесами масопередачі й перемішування і визначається специфікою гідродинаміки. Гідродинамічні характеристики ферментера з вібраційною системою перемішування мають суттєвий вплив на можливі механічні ушкодження біологічних агентів і, відповідно, обумовлюють можливі зміни якості активних фармацевтичних інгредієнтів. У зв’язку з цим є актуальним чисельне моделювання процесу на основі математичної моделі перемішування. У статті наведене моделювання процесу перемішування за допомогою системи рівнянь. Основними змінними є частота коливань, конструкційні особливості контактних елементів і параметри середовища. Для розрахунку системи рівнянь використаний математичний пакет MathCad, який дав змогу визначити характер розподілення концентрацій, що залежить від параметрів коливань, густини та в’язкості рідини, площі контактних елементів перемішуючого пристрою. Запропонована математична модель адекватно описує процес масопередачі в рідкофазній системі, що підтверджується отриманими результатами. Матеріали дослідження можуть бути використані в навчальному процесі та в практичній роботі інженерів конструкторів, при проектуванні ферментерів різних типорозмірів і продуктивності для фармацевтичної біотехнології. The article is devoted to the research of constructions of fermenters with a vibration system for mixing the liquid phase. The cultivation of biological agents in pharmaceutical biotechnology for the production of active pharmaceutical ingredients requires the creation and operation of highly effective and reliable equipment. Vibration mixing fermenters have significant advantages over devices that use rotary mixing devices. These advantages allow us to create controlled conditions during cultivating biological agents that are the key to obtaining biologically active substances of a certain quality, safety and efficiency for the production of biological medicinal products. The proposed mathematical model of a fermenter with vibration mixing takes into account the concept of the relationship between processes of mass transfer and mixing and it is determined by the specificity of hydrodynamics. Hydrodynamic characteristics of a fermenter with a vibration mixing system have a significant effect on possible mechanical damage to the BA and, accordingly, cause changes in the quality of the APIs. In this regard, numerical modeling of the process is important on the basis of the mathematical model of mixing. In this paper, simulation of the mixing process and its description, with the help of a system of equations is given, the main variables are the frequency of oscillations, the structural features of the contact elements and the parameters of the medium.To calculate the system of equations, the mathematical package MathCad was used to determine the numerical values of the concentration distribution, which depends on the parameters of the oscillation, density and viscosity of the liquid, the area of the contact elements of the mixing device. This mathematical model adequately describes the mass transfer process in the considered system, which is confirmed by the obtained results. Presented materials can be used as a guide to the practical work of design engineers and in the learning process, when designing fermenters for pharmaceutical biotechnologies of different sizes and performance.