Model-based performance analysis of filtration devices and membrane adsorbers

Filtration devices and membrane adsorbers are commonly applied in biotechnology for separating target biomolecules from impurities. Filtration devices typically contain one or two membrane layers that are arranged in pleats around a cylindrical core. These membrane layers are held in place by fleece layers and a plastic cage. The water flow rate at different pressure drops is an important performance indicator for such filtration devices. This performance has been studied using Computational Fluid Dynamics (CFD), and the results were validated against experimental data. Four different methods for reconstructing the geometry of the pleated membrane were developed and compared. The impact of the plastic cage on the water flow rate was assessed using 3D simulations. The results reveal that this plastic cage has a negligible influence on the water flow rate except for very high permeabilities of the porous region that are not relevant for practical applications. However, the fleece layer has a significant impact on the water flow rate. The permeability of fleece layers is complicated to measure and direct experimental information was not available for this study. Hence, the unknown fleece permeability had to be determined from the measured water flow rates of the cartridges. The estimated values depend on the flow rate because they are affected by compression of the fleece layers towards the center of the device which is not explicitly accounted for in the geometry of the CFD simulations. The degree of compression also depends on the number of pleats and the core diameter. A linear dependency was found between the resistance (1/permeability) and the pressure drop, which allows predicting the full range from only two data points of a cartridge. Moreover, CFD simulations allow to transfer estimated fleece permeabilities between filtration devices with similar membrane properties. Membrane adsorbers (MA)s typically contain many more membrane layers than pleated filters in order to achieve larger bed height. Processes are often developed at small scales and then transferred to larger scales. This transfer is generally complicated by differences in the scaling behaviour of flow and binding related non-idealities. CFD simulations allow to consistently transfer model parameters across scales by independently capturing and practically decoupling the impacts of these non-idealities. In this study four commercial MAs are analyzed which contain the same membrane. They have membrane volumes from 0.08 mL to 1.6 L. The largest device has recently been introduced to the market. In addition, these so-called Cassettes can be parallelized to process volumes of up to 20.8 L and above. The estimated adsorption and desorption rates are flow rate dependent, which can be explained by a combination of convective and diffusive transport in the micro-pores of the membrane. However, the equilibrium constant and all other binding parameters are unaffected by that. Scale-up can be additionally complicated by batch-to-batch variations in the membrane capacity. This problem can be practically resolved by calibrating the CFD simulation to just one experiment with membrane from the same production batch

Κλινική και γενετική διάγνωση καθώς και θεραπευτική αντιμετώπιση της Οζώδους σκλήρυνσης 1 και 2

ΕΙΣΑΓΩΓΗ: Η οζώδης σκλήρυνση 1 και 2 είναι μία γενετική αυτοσωμική επικρατητική διαταραχή, η οποία χαρακτηρίζεται από την ανάπτυξη αμαρτωμάτων σε διάφορα όργανα του ανθρωπίνου σώματος, συμπεριλαμβανομένου του εγκεφάλου, του δέρματος, των νεφρών και των πνευμόνων. Οφείλεται σε μεταλλάξεις ενός εκ των δύο γονιδίων, του ΤSC1 – που κωδικοποιεί την αμαρτίνη – και του TSC2 – που κωδικοποιεί την τουμπερίνη. ΣΚΟΠΟΣ: Η ανασκόπηση της υπάρχουσας ελληνικής και ξενόγλωσσης βιβλιογραφίας που πραγματεύεται το ευρύ κλινικό φάσμα των κλινικών εκδηλώσεων, τη γενετική διάγνωση – γενετική βλάβη που προκαλείται στα κύτταρα των ιστών και τις διαθέσιμες, μέχρι σήμερα, θεραπευτικές επιλογές της οζώδους σκλήρυνσης. ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ: Πρόκειται για μια μελέτη βιβλιογραφικής ανασκόπησης κατά την οποία χρησιμοποιήθηκαν άρθρα από περιοδικά και ιστοσελίδες μέσω μηχανών αναζήτησης από τον παγκόσμιο ιστό, λαμβάνοντας υπόψιν την επιστημονική αρτιότητά τους και το συντελεστή επιρροής (“impact”) του περιοδικού. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ: Παρατίθενται και αναλύονται τα πιο πρόσφατα κλινικά και γενετικά κριτήρια διάγνωσης της οζώδους σκλήρυνσης 1 και 2, όπως αυτά διαμορφώθηκαν και δημοσιεύθηκαν τον Ιούλιο του 2021 από τα μέλη της Διεθνούς Ομάδας Συνεργασίας για την οζώδη σκλήρυνση (International TSC Consensus Group). Στη συνέχεια αναφέρονται οι θεραπευτικές επιλογές και τα διαθέσιμα φαρμακευτικά σκευάσματα για την αντιμετώπιση της διαταραχής αυτής. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ: Το ευρύ φάσμα των κλινικών εκδηλώσεων καθιστά δύσκολη τη διάγνωση της νόσου από τον κλινικό ιατρό. Ωστόσο η εξέλιξη της γενετικής με την ανάδειξη και την κατανόηση των γενετικών βλαβών που οδηγούν στην εμφάνιση της νόσου αυτής έχει προσφέρει μεγάλη βοήθεια τόσο στον τομέα της διάγνωσης όσο και στη θεραπευτική αντιμετώπισή της.BACKGROUND: Tuberous sclerosis complex (TSC) is a genetic autosomal dominant disorder characterized by development of hamartomas in multiple organ systems, including the brain, skin, heart, kidneys and lungs. TSC is the result of mutations in the TSC1 (encoding hamartin) or TSC2 (encoding tuberin) genes. AIM: The review of the current Greek and foreign literature, which includes the wide clinical range of clinical manifestations, the genetic diagnosis - genetic damage caused to tissue cells and the available, to date, treatment options for TSC. METHODOLOGY: For this literature review, articles from magazines and websites were used, that available through various sources of the Web, while it was taken into account their scientific integrity and the impact factor of the journal. RESULTS: The updated clinical and genetic criteria for the diagnosis of tuberous sclerosis complex are presented and analyzed, as these were formulated and published in July 2021 by members of the International TSC Consensus Group. In addition, the surveillance and management recommendations, followed by the treatment options and available medications for TSC are described. CONCLUSIONS: The wide range of clinical manifestations makes it difficult for the clinician to diagnose the disease. However, the evolution of genetics with the emergence and understanding of the molecular mechanisms that cause TSC has led to the investigation of a more successful management and treatment for TSC

In vitro study of bioactivity of airborne particulate matter using eukaryotic and bacterial cells

In this doctoral dissertation, the bioactivity of water soluble and organic extracts of urban particulate matter collected from two different areas of Thessaloniki, an urban traffic and background area, during the winter and summer season, that were divided depended on the size of their diameters in individual fractions was studied. Within the context of the bioactivity of water soluble extracts of PM, their potential cytotoxicity on human lung cells (MRC-5) was initially investigated in vitro by applying the mitochondrial dehydrogenase test (MTT test). After detection of their cytotoxic activity, the LDH assay was performed, which showed that these particles did not induce lysis of the cell membrane of the exposed cells. Subsequently, the potential DNA damage of the exposed cells to the aqueous extracts of PM was examined by the comet assay. Particles of the smallest diameter induced the greatest DNA damage. Then during the doctoral dissertation, the bioactivity of organic extracts of urban particulate matter was studied. Their potential cytotoxicity in MRC-5 cells was initially determined again using the MTT test. The results of released LDH and dye with fluorescent isothiocyanate dextrans when cells were exposed in the organic extracts of the suspended particles showed that the permeability of the cell membrane may change after the exposure of the cells but is not resolved. A study of DNA from exposed MRC-5 cells to organic extracts of PM was followed using both comet assay and determination of the oxidative DNA product, 8-hydroxy-deoxyguanosine (8-OHdG). In fact, DNA damage was observed by both methods and this is also confirmed by the DNA fragmentation isolated from MRC-5 cells, which were exposed to the organic extracts of PM in agarose electrophoresis. Subsequently in the doctoral dissertation, the PARP enzyme was determined. Most protein extracts of exposed MRC-5 cells to organic particle extracts showed an increase in PARP activity. This fact, in combination with morphological cell membrane alterations, DNA fragmentation and Western Blot Analysis, which showed that the PARP enzyme is cleaved by caspases into two fragments (one of 85 and one of 26 kDa) argues about the possible mechanism of apoptosis of MRC-5 cells induced from organic extracts of PM. At a next step of the doctoral dissertation, TNF-α tumor necrosis factor, was determined by ELISA method and its levels were found to be elevated in MRC-5 cells exposed in organic extracts of urban particulate matter. At a subsequent stage of this doctoral dissertation the potential induction of oxidative stress and lipid peroxidation from organic extracts of PM in E.coli bacterial cells were studied, which were found to be higher for particles of the smallest diameter in the urban traffic area. Regarding the mutagenic activity of organic extracts of suspended particles, which was determined by the Ames test, it appeared higher for the POF organic fraction. Finally, when particulate extracts by emission sources were examined, the greatest cytotoxicity and genotoxicity appeared on the organic extracts originated from exhaust gas of diesel cars.Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετήθηκε η βιοδραστικότητα των υδατοδιαλυτών και των οργανικών εκχυλισμάτων των αιωρούμενων σωματιδίων που συλλέχθηκαν από δύο διαφορετικές περιοχές της Θεσσαλονίκης, μία περιοχή αστικής κυκλοφορίας και μία περιοχή αστικού υποβάθρου, κατά τη διάρκεια της χειμερινής αλλά και της καλοκαιρινής περιόδου και τα οποία χωρίστηκαν ανάλογα με το μέγεθος της διαμέτρου τους σε επιμέρους κλάσματα. Στα πλαίσια της βιοδραστικότητας των υδατοδιαλυτών εκχυλισμάτων των αιωρούμενων σωματιδίων, αρχικά μελετήθηκε η πιθανή τους κυτταροτοξικότητα με το MTT τεστ σε ανθρώπινα κύτταρα πνεύμονα MRC-5. Αφού διαπιστώθηκε η κυτταροτοξική τους δράση, πραγματοποιήθηκε ο προσδιορισμός της LDH, ο οποίος έδειξε ότι αυτά τα σωματίδια δεν προκαλούν λύση της κυτταρικής μεμβράνης των εκτεθειμένων κυττάρων. Στη συνέχεια εξετάστηκε η πιθανή βλάβη του DNA των κυττάρων τα οποία εκτέθηκαν στα υδατικά εκχυλίσματα αιωρούμενων σωματιδίων με το comet assay κι αυτή βρέθηκε μεγαλύτερη για τα λεπτότερα σωματίδια. Ακολούθησε η μελέτη της βιοδραστικότητας των οργανικών εκχυλισμάτων των αιωρούμενων σωματιδίων. Αρχικά προσδιορίστηκε η πιθανή κυτταροτοξικότητά τους σε κύτταρα MRC-5 χρησιμοποιώντας και πάλι το MTT τεστ. Τα αποτελέσματα της απελευθερωμένης LDH και της βαφής με τα φθορίζοντα ισοθειακυανικά δεξτράνια εκτεθειμένων κυττάρων στα οργανικά εκχυλίσματα των αιωρούμενων σωματιδίων έδειξαν ότι η διαπερατότητα της κυτταρικής μεμβράνης πιθανόν αλλάζει μετά την έκθεση των κυττάρων, αλλά δε λύεται. Ακολούθησε μελέτη του DNA των εκτεθειμένων κυττάρων MRC-5 στα οργανικά εκχυλίσματα των αιωρούμενων σωματιδίων με το comet assay αλλά και με τον προσδιορισμό του οξειδωτικού προϊόντος του DNA, την 8-δεοξυγουανοσίνη (8-OHdG). Πράγματι, παρατηρήθηκαν βλάβες στο DNA και με τις δύο μεθόδους, οι οποίες επιβεβαιώνονται και με τον κατακερματισμό του απομονωμένου DNA κυττάρων MRC-5. Στη συνέχεια της διδακτορικής διατριβής έγινε προσδιορισμός του ενζύμου της PARP. Τα περισσότερα πρωτεϊνικά εκχυλίσματα των εκτεθειμένων κυττάρων MRC-5 σε οργανικά εκχυλίσματα αιωρούμενων σωματιδίων εμφάνισαν αύξηση στη δραστικότητα της PARP. Το γεγονός αυτό σε συνδυασμό με τις μορφολογικές αλλοιώσεις της κυτταρικής μεμβράνης, τον κατακερματισμό του DNA και την ανάλυση με Western Blot, η οποία έδειξε ότι το ένζυμο της PARP διασπάται από τις κασπάσες σε δύο θραύσματα (ένα των 85 κι ένα των 26 kDa) συνηγορούν ως προς τον πιθανό επαγόμενο μηχανισμό απόπτωσης των κυττάρων MRC-5 από τα οργανικά εκχυλίσματα των αιωρούμενων σωματιδίων. Σε ένα άλλο στάδιο της διδακτορικής διατριβής πραγματοποιήθηκε ο προσδιορισμός του παράγοντα νέκρωσης όγκου TNF-α με την μέθοδο ELISA, ο οποίος βρέθηκε αυξημένος στα εκτεθειμένα κύτταρα. Σε ένα επόμενο στάδιο της διδακτορικής διατριβής μελετήθηκε η πιθανή επαγωγή οξειδωτικού στρες και υπεροξείδωσης λιπιδίων από οργανικά εκχυλίσματα αιωρούμενων σωματιδίων σε βακτηριακά κύτταρα E.coli, οι οποίες βρέθηκαν μεγαλύτερες για τα σωματίδια της μικρότερης διαμέτρου στην περιοχή αστικής κυκλοφορίας. Όσον αφορά, τη μεταλλαξιγόνο δράση των οργανικών εκχυλισμάτων των αιωρούμενων σωματιδίων, η οποία προσδιορίστηκε με το Ames τεστ, αυτή εμφανίστηκε μεγαλύτερη για το οργανικό κλάσμα POF. Τέλος, η μεγαλύτερη κυτταροτοξικότητα και γενοτοξικότητα όταν εξετάστηκαν τα εκχυλίσματα σωματιδίων από πηγές εκπομπής, εμφανίστηκε για τα οργανικά εκχυλίσματα σωματιδίων από καυσαέρια πετρελαιοκίνητων αυτοκινήτων

Model-based performance analysis and scale-up of membrane adsorbers with a cassettes format designed for parallel operation

The performance of three membrane adsorber formats containing the same membrane type is comparatively analyzed. Membrane volumes range from 3 mL to 1.6 L, and above in parallel operation. Orthogonal modeling of internal flow patterns and binding properties is crucial for transferring model parameters across devices and scales. The binding rates are found to depend on the flow rate through convective transport in the macropores of the membrane. Breakthrough curves of large scale devices are successfully predicted using information acquired at smaller scales provided membrane properties, particularly binding capacity, are identical