כימות ערבוב באמצעות תהודה מגנטית
25 בינואר 2012
דימות תהודה מגנטית (MRI) מספק כלי רב עוצמה כדי להעריך את היעילות של ציוד תהליך במהלך המבצע. אנו דנים את השימוש של ה-MRI כדי להמחיש ערבוב במערבל סטטי. היישום הרלוונטי מוצרי טיפוח, אבל יכול להיות מיושם על מגוון רחב של נוזלים, מזון כימי, ביומסה וביולוגיים.
המטרה הכוללת של הניסוי הבא היא להשתמש בדימות תהודה מגנטית ככלי רב עוצמה להערכת ערבוב וציוד תהליכי. דבר זה מושג על ידי שילוב של שני זרמי נוזלים בערבב סטטי מסוג פיצול ואיחוד. תמונות MRI מתקבלות על ידי בחירת פרוטוקול דימות מתאים.
תמונות אלו מאפשרות את אפיון המערבל. תוצאות הביצועים התקבלו עבור יישום הרלוונטי למוצרי טיפוח אישי, אך ניתן להחיל את ההליך על מגוון רחב של נוזלים תזונתיים, כימיים, ביומסה ונוזלים ביולוגיים. היתרון המרכזי בשימוש בדימות תהודה מגנטית לעומת טכניקות אחרות, כגון וידאו, הוא היכולת להדמיות של חומרים אטומים.
בנוסף, המידע הוא כמותי וניתן לחשב את ריכוזי הרכיבים ואת דרגת הערבוב. הדמיה, ערבוב. שימוש ב-MRI יכול להועיל לתיקוף סימולציות של דינמיקת נוזלים חישובית ותהליכי ייצור, באמצעות השוואות מפורטות של התפלגויות ריכוז שנמדדו מרחבית אל התפלגויות ריכוז שחושבו.
ערבב ה-SAR מורכב ממספר פלטות שונות המונחות בתוך צינור PVC. כל פלטה שנגזרה בלייזר עשויה מ-PMMA ובעלת עובי של 1.59 millimeters. לכל פלטה יש חריץ מלבני המיישר אותה לאורך מוט אקרילי.
בצינור PVC, הפלסטיק עשוי להיות שקוף או אטום. ללוחיות יש עיצובים שונים הכוללים פתחים שדרכם יכולים לזרום נוזלים. הלוחיות מונחות בתוך הצינור בתבנית חוזרת היוצרת מנהרות המערבבות את הנוזלים.
שני הנוזלים העוברים דרך לוח הצינור S משמשים להזרמת שני הנוזלים הנכנסים למודול החזרתי. זרם נוזל אחד נמצא במרכז וזרמי הנוזלים האחרים נמצאים מעליו ומתחתיו. הם נמצאים ביחס זרימה של 10 ל-1.
בשלב הבא, הנוזלים נפגשים בתעלה פתוחה, המורכבת משמונה פלטות מסוג C. לאחר מכן, הנוזלים מופרדים פיזית לשני ערוצים אנכיים על ידי שמונה פלטות מסוג I. החלק הבא מורכב מ-16 פלטות ייחודיות, אשר גורמות לכל זרם נוזלים להסתובב ב-90 מעלות נגד כיוון השעון. לאחר מכן, הנוזל זורם דרך שמונה פלטות המפצלות את הנוזלים לשני ערוצים אופקיים.
המוטיב החוזר מסתיים בשמונה לוחות תעלות פתוחים. בסך הכל, המוטיב חזר שש פעמים לאורך צינור ה-PVC. הרכיבו מערכת זרימה לשאיבת תמיסת carbo pole דרך הפיצול המקוון והערבב הסטטי המשולב, והתחילו במיקום הערבב בתוך המגנט.
הססמגנט הוא חלק מספקטרומטר דימוי המבוסס על מגנט קבוע של טסלה אחת, עם עוצמת מדרג שיא של 0.3 Tesla per meter ומארז כמעט קובייתי המסוגל לשלוט ולהקליט את קצב זרימת המסה של נוזלי הבדיקה. בנוסף, יש לשלב מתמר לחץ במעלה הזרם של המערבל לצורך ניטור הלחץ, וסליל תדר רדיו העשוי מסולנואיד עם ארבעה ליפופים במקרי של נפח גלילי ההתואם באופן הדוק לצינור ה-PVC. לבסוף, שני תמיסות נפרדות מחוברות לכניסות.
בהדגמה זו, התמיסות יהיו קרבopol עם או בלי מנגנז כלוריד. הכין את תמיסת הקרבopol על ידי נפה איטית של כמות שקולה של פולימר לתוך מים דה-יוניזים במיכל ערבוב. נטרל את תמיסת הקרבopol באמצעות תמיסת נתרן הידרוקסיד 50% עד ל-pH שבע.
הניטרול מאפשר לתמיסה להגיע לצמיגות מרבית בעוד הפולימר מתנפח במים. כדי להכין ג'ל, הכין תמיסת carbopol שנייה מסומנת המכילה את חומר הניגוד ל-MR, מנגנז קלוריד. כדי לאפיין את התנהגות הזרימה או את הראולוגיה, השתמש בגיאומטריית coquette סטנדרטית בטמפרטורת נוזל של 25 °C כדי למדוד את הצמיגות הגזמית.
בצעו סריקה של מאמץ גזירה במצב יציב (steady state shear stress sweep) מ-0.1 עד 500 pascal במצב LA רטמי (rhythmic mode), עם 10 נקודות לכל דקדה וסבילות של 5%. לאחר מכן, מדדו את המעוות (strain) על פני סריקת תדרים מ-628 עד 0.63 rad לשנייה במצב LA לוגריתמי (logarithmic mode), עם 10 נקודות לכל דקדה. בעת בחירת פרמטרי הדמיה, עלינו להביא בחשבון את יחס אות לרעש הכולל בתמונה, כמו גם את הניגודיות ועוצמת האות בין האזור המסומן (doped region) לאזור הפעיל (on region).
במקרה זה, בחרנו ברצף gradient echo, ובחרנו ריכוזים שיספקו לנו תלות ליניארית של עוצמת האות בריכוז. רצף ה-MR אינו כולל פיצוי זרימה (flow compensation).
כדי למנוע ארטיפקטים של תנועה, ההדמיה מבוצעת על נוזל שקט, כאשר זמן ההדמיה הוא בסדר גודל של אחת עד ארבע דקות. reposition את המערבל כדי להדמיין נפחים במיקומים אקסייליים שונים. החלק את צינור המערבל באופן אקסיילי דרך המגנט עד שהנפח הרצוי נמצא במרכז סליל ה-NMR במרכז המגנט.
לאחר מכן, חזור על תהליך ההדמיה. לבסוף, נתח את נתוני ה-MR באמצעות נהלי ניתוח תמונות כדי לתעד את ההפצה המרחבית של ריכוזי הרכיבים. בעבודה זו, התכונות הלוגיות האמיתיות של שני התמיסות היו בלתי ניתנות להבחנה.
לתמיסות היו תכונות ויסקו-אלסטיות המאפיינות מערכת ג'ל עם מודול אלגסתי (storage modulus) הגבוה ממודול הריסון (loss modulus), כאשר שני המודולים היו קבועים למדי. השיפוע של מודול הריסון ביחס למודול האלגסתי עלה בתדרים גבוהים יותר, ופיגור הפאזה התואם עקב מגמה דומה כדי להעריך את התרומה היחסית של כוחות צמיגות לכוחות התמססות (inertia forces) במהלך הזרימה. מספרי ריינולדס חושבו כממוצע הזרימה דרך הפלטות.
ערכים אלו, שהם נמוכים בהרבה מ-1.0, מעידים כי הכוחות הצמיגיים גברו על כוחות האינרציה. לפיכך, הערבוב התבצע באמצעות מתיחה וגזירה למינריות ולא באמצעות טורבולנציה. כדי להמחיש את יעילותה של ויזואליזציה של זרימה באמצעות MRI, התוצאות הבאות הן תמונות נבחרות ממיקומים אקסליאליים שונים.
ערבב ה-SAR מפצל את הזרימות באופן יעיל ואחיד, כפי שמוצג בתמונות של הלוחיות H במורד מחלקי הערבוב הראשון, השני והשלישי. מספר הפסים של הנוזל המסומן הוכפל בכל חלק ערבוב. שינוי ספי העשק (thresholds) של ערכי התמונה מראה את הגברת מספר הפסים של הנוזל המסומן עם כל מעבר דרך המוטיב.
רצף של תמונות לאורך הסיבוב של 90 מעלות נגד כיוון השעון במערבל מראה כיצד זרמים אנכיים הופכים לזרמים אופקיים בתהליך הערבוב לאורך כל המנהרה. שני זרמי הנוזל מכפילים את עצמם פעמים רבות. בעת ניסוי למדידות אלו, חשוב לזכור כי זמן המדידה צריך להיות קצר מאוד בהשוואה לזמן הדרוש כדי שדיפוזיה מולקולרית תשפיע על התפלויות ריכוז הרכיבים. מדידות ניסיוניות אלו של ערבוב שימושיות במיוחד לבדיקת ההשפעה של מודלים מרכיבים של רהאולוגיה של נוזלים המשמשים בסימולציות של דינמיקה של נוזלים חישובית (CFD) של ערבוב, ובמערבל של פיצול ואיחוד מחדש.
לאחר צפייה בסרטון זה, תהיו בעלי הבנה טובה לגבי האופן שבו ניתן להשתמש בדימות תהודה מגנטית (MRI) כדי לחקור התפלגויות ריכוזים בערבב סטטי.
סקירה כללית
מחקר זה משתמש בדימות תהודה מגנטית (MRI) כדי להעריך את תהליכי הערבוב בערבב סטטי, הרלוונטיים למוצרי טיפוח אישיים ולנוזלים שונים. המחקר מדגיש את היתרונות של MRI בוויזואליזציה של חומרים אטומים ובכימות יעילות הערבוב.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- מדעי המוח
- הנדסה ביולוגית
- דינמיקת נוזלים
רקע
- דימות תהודה מגנטית הוא כלי רב עוצמה להערכת תהליכים.
- מערבלים סטטיים נמצאים בשימוש נרחב בתעשיות שונות לערבוב נוזלים.
- ויזואליזציה של תהליכי ערבוב יכולה לשפר את ההבנה ואת האופטימיזציה של הייצור.
- חומרים אטומים מציבים אתגרים עבור טכניקות דימות מסורתיות.
מטרת המחקר
- להערכת יעילותו של מערבל סטטי באמצעות MRI.
- להדמיה של ערבוב שני זרמי נוזלים בזמן אמת.
- לאספקת נתונים כמותיים על ריכוזי הרכיבים ועל יעילות הערבוב.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- שילוב של שני זרמי נוזלים בתוך מערבל סטטי מסוג split and recombined.
- שימוש בספקטרומטר דימוי יחיד המבוסס על מגנט קבוע מסוג Tesla.
- אפיון התנהגות הזרימה והריאולוגיה של הנוזלים.
- ניתוח נתוני MRI לתיעוד ההתפלגות המרחבית של הריכוזים.
תוצאות עיקריות
- הדמיה מוצלחת של תהליכי ערבוב בנוזלים אטומים.
- השגת ניתוח כמותי של ריכוזי הרכיבים.
- הוכח כי כוחות צמיגות גברו על כוחות התמדה במהלך הזרימה.
- התמונות הראו פיצול וערבוב יעילים של זרמי הנוזל.
מסקנות
- MRI הוא כלי בעל ערך להערכת ערבוב במערבבים סטטיים.
- ניתן להחיל את השיטה על תעשיות שונות מעבר למוצרי טיפוח אישיים.
- יישומים עתידיים עשויים לשפר את אופטימיזציית התהליך בדינמיקה של נוזלים.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למסגרת ניהולית
עבודה זו מדגימה כיצד דימות תהודה מגנטית (MRI) מאפשר ויזואליזציה כמותית של ערבוב בנוזלים אטומים בעלי צמיגות גבוהה, הרלוונטיים לייצור מוצרי טיפוח. באמצעות אספקת נתוני ריכוז בעלי רזולוציה מרחבית, ה-MRI תומך בהפחתת סיכונים מכניסטית של שלבי עיבוד נוזלים ומגביר את הביטחון החזוי בהחלטות של הגדלת קנה מידה (scale-up). גישה זו נותנת מענה לאתגר מרכזי בשלב הגילוי: תיקוף של מודלים של דינמיקה של נוזלים חישובית (CFD) באמצעות נתונים אמפיריים ולא פולשניים בתנאים רלוונטיים לתעשייה.
יישומים אסטרטגיים במו"פ של ביו-פארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בחינה של היפותזות בנוגע לראולוגיה של נוזלים על ידי השוואת התפלגויות ריכוז שנמדדו לחיזויים של CFD.
- ערך תפעולי: מספק נתונים ברזולוציה מרחבית ובאופן לא הרסני לצורך תיקוף ביצועי ערבוב במערכות נוזלים מורכבות.
סריקה ופיתוח בדיקות
- ערך מדעי: מייצר מפות ריכוז רכיבים כמותיות המשמשות כנתוני ייחוס (benchmark) לסטנדרטיזציה של בדיקות בפלטפורמות סריקה מבוססות נוזלים.
- ערך תפעולי: תומך בפיתוח פרוטוקולי ערבוב הדירים, החיוניים להכנה עקבית של ריאגנטים בסריקות עם תפוקה גבוהה (high-throughput screening).
מחקרe רפואי תרגומי ופרה-קליני
- ערך מדעי: מגשר בין שלבי הגילוי לתהליכי העבודה הפרה-קליניים על ידי מתן אפשרות להשוואה ישירה בין התנהגות ערבוב בקנה מידה מעבדתי לבין סימולציות בקנה מידה תעשייתי.
- ערך תפעולי: מסייע בקבלת החלטות על קידום מבוסס הערכת סיכונים באמצעות תיקוף אמפירי של הומוגניות התהליך בניסוחים של ביולוגים דמויי ג'ל.
שילוב תהליכי עבודה וצינור עיבוד
השיטה משתלבת ברצף הגילוי על ידי מתן מענה לבדיקות השערות מוקדמות, אפשור הכנה של דגימות המוכנות לבדיקה (assay-ready), ותמיכה בהחלטות go/no-go מונחות אנליטיקה בפיתוח פורמולציות.
- ביולוגיה של גילוי: תומך בהפחתת סיכונים מכניסטיים על ידי תיקוף הנחות לגבי התנהגות נוזלים במטריצות מורכבות המשמשות למחקרי מעורבות מטרה (target engagement).
- סריקה: מבטיח מוכנות של הבדיקה באמצעות מדדי יעילות ערבוב כמותיים המפחיתים שונות בין בארות בבדיקות ביוכימיות.
- אנליטיקה: מספק מדידות ריכוז ברזולוציה מרחבית ומדדי ערבוב המאפשרים השוואה אובייקטיבית של תנאי התהליך.
- מחקר תרגומי: מקשר בין פיתוח פורמולציה לרציפות פרה-קלינית על ידי אישור הומוגניות במערכות אספקת תרופות צמיגות.
- שימוש חוזר ארגוני: מבסס יכולת דימות הניתנת לשימוש חוזר להערכת ביצועי ערבוב בפורמולציות נוזליות שונות ובתכנוני מכשירים מגוונים.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החזוי בשלבי עיבוד נוזלים על ידי אספקת ראיות ישירות לאיכות הערבוב במערכות אטומות.
- ערך תפעולי: משפר את הסטנדרטיזציה והשחזוריות של זרימות העבודה בהכנת דגימות באמצעות מדדי ערבוב כמותיים.
- ערך אסטרטגי: משפר את היעילות ההונית על ידי הפחתת כשלים בשלבים מאוחרים הנובעים מערבוב לא מספק בתהליכי ייצור ניתנים להרחבה.
- השפעה על הפורטפוליו: מאפשר תיעדוף מותאם סיכונים של מועמדים לפורמולציה על בסיס חוסן תהליכי מאומת אמפירית.
שיקולי יישום
- נדרשת מומחיות בהפעלת MRI, ראולוגיה של נוזלים וניתוח תמונה לצורך פרשנות מדויקת של התפלגויות ריכוזים.
- תלוי בגישה לחומרה של מערבל סטטי התואמת ל-MRI ולסלילי RF המתאימים לגאומטריות דגימה גליליות.
- מחייב סטנדרטיזציה בין-צוותית בין קבוצות הפורמולציה, הנדסת תהליכים והקבוצות האנליטיות כדי להגיע להסכמה על ספי סף לאיכות הערבוב.
- כולל שיקולי התאמה בעת העברת פרוטוקולים ממערכות נוזלים ניוטוניות למערכות נוזלים לא-ניוטוניות או ויסקו-אלסטיות.
- מוגבל על ידי זמני רכישת תמונה ארוכים יחסית (1–4 דקות), מה שעשוי להגביל את השימוש בניטור תהליכים דינמיים בעלי תפוקה גבוהה.
