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Optimizing the rotor design for controlled-shear affinity filtration using computational fluid dynamics

计算流体力学 机械 剪应力 转子(电动) 粒子图像测速 湍流 阻力 化学 剪切(地质) 材料科学 色谱法 机械工程 工程类 物理 复合材料 生物化学
作者
Patrick Francis,D. Mark Martinez,Fariborz Taghipour,Bruce D. Bowen,Charles A. Haynes
出处
期刊:Biotechnology and Bioengineering [Wiley]
卷期号:95 (6): 1207-1217 被引量:11
标识
DOI:10.1002/bit.21090
摘要

Controlled shear affinity filtration (CSAF) is a novel integrated processing technology that positions a rotor directly above an affinity membrane chromatography column to permit protein capture and purification directly from cell culture. The conical rotor is intended to provide a uniform and tunable shear stress at the membrane surface that inhibits membrane fouling and cell cake formation by providing a hydrodynamic force away from and a drag force parallel to the membrane surface. Computational fluid dynamics (CFD) simulations are used to show that the rotor in the original CSAF device (Vogel et al., 2002) does not provide uniform shear stress at the membrane surface. This results in the need to operate the system at unnecessarily high rotor speeds to reach a required shear stress of at least 0.17 Pa at every radial position of the membrane surface, compromising the scale-up of the technology. Results from CFD simulations are compared with particle image velocimetry (PIV) experiments and a numerical solution for low Reynolds number conditions to confirm that our CFD model accurately describes the hydrodynamics in the rotor chamber of the CSAF device over a range of rotor velocities, filtrate fluxes, and (both laminar and turbulent) retentate flows. CFD simulations were then carried out in combination with a root-finding method to optimize the shape of the CSAF rotor. The optimized rotor geometry produces a nearly constant shear stress of 0.17 Pa at a rotational velocity of 250 rpm, 60% lower than the original CSAF design. This permits the optimized CSAF device to be scaled up to a maximum rotor diameter 2.5 times larger than is permissible in the original device, thereby providing more than a sixfold increase in volumetric throughput.

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