Biyoreaktör içi hidrodinamik kuvvetlerin bilgisayar tabanlı analizi ve deneysel doğrulamaları

Bu tez çalışmasında amaç, düşük kayma gerilimi etkisi talep eden hücrelerin üretiminde kullanılmak üzere tasarlanan, hassas karışma ve düşük kesme kuvvetleri sağlayabilen karıştırma elemanlarına sahip, bir biyoreaktörün prototipinin yapılması ve laboratuvar ölçeğinde kültür denemelerinin gerçekleştirilmesidir. Düşük kesme kuvvetleri ve kayma gerilimi etkisinin sağlanmasıyla hücrelerde daha düşük mekanik etkilerin gözlemlenmesi beklenen ana çıktıları olmakla birlikte, farklı hücre tiplerinin bu ortamlarda gösterdikleri tepkilerin potansiyel bir çalışma alanı oluşturacağı düşünülmektedir. Sözü edilen biyoreaktör tasarımı, yatay konumlandırılmış silindirik bir gövdeye ve karşılıklı yerleştirilen iki adet karıştırıcıya sahiptir. Bu karıştırıcıların değiştirilebilen bıçak açıları ve şekilleriyle esnek ve modüler bir kullanım sağlaması hedeflenmektedir. Karşılıklı yerleştirilmiş ve biri diğerinin iç kısmına geçmiş olan çapa (anchor) benzeri karıştırıcılar, birbirlerinin kesme kuvvetlerini azaltıcı etki göstererek biyoreaktörün merkezinde düşük akış karakteri sergilemektedir. Sözü edilen biyoreaktörün ön tasarım süreci ve bilgisayar tabanlı akış dinamikleri bu ön tasarım çıktılarına göre gerçekleşirilmiştir. Tez kapsamında geliştirilen prototip ilelaboratvuvar ölçeğinde flajelli yapısı nedeniyle kesme kuvvetlerine hassas Chlamydomonas reinhardtii mikroalginin 2 farklı mutantı (CC-2853, CC-3491) model olarak seçilerek denemeler yapılmıştır. Bu denemeler ticari CSTR ile paralel şekilde gerçekleştirilmiş ve farklılıklar gözlemlenmiştir. Tasarımı yapılan ve patentlemesi gerçekleştirilen söz konusu biyoreaktörün ileri hücre kültürüne uygun şekilde prototiplenmesi hem ticari olarak geniş bir yelpazeye ulaşabilen bir ürün elde edilmesi hem de akademik çalışmalar için yeni bir alan yaratması hedeflenmektedir.

The aim of this thesis is to construct a prototype of a bioreactor with mixing elements capable of providing precise mixing and low shear forces, designed to be used in the production of cells requiring low shear stress effects, and to carry out laboratory-scale culture experiments. It is thought that the different types of cells will be a potential field of study. This bioreactor design has a horizontally positioned cylindrical body and two agitators positioned one behind the other. These mixers are aimed at providing flexible and modular use with replaceable blade angles and shapes. Anchor-like mixers placed opposite one another and inside the other exhibit a low flow character at the center of the bioreactor, acting to reduce each other's shear forces. Preliminary design process and computer based flow dynamics of the mentioned bioreactor have been realized according to these preliminary design outputs. Because of the flagelled structure in the prototype ilelaboratuvar scale developed within the scope of the thesis, the experiments were carried out by choosing 2 different mutations (CC-2853, CC-3491) of Chlamydomonas reinhardtii microalgae which is sensitive to shear forces. These experiments were performed in parallel with commercial CSTR and differences were observed. Designed and patented, the prototype bioreactor will be suitable for advanced cell cultures as well as for producing a product that can reach a wide range of commercial applications by creating a new field for academic studies.