Hydrodynamics and nutrient transport in a hollow fiber membrane bioreactor is studied by developing a two-dimensional mathematical model in Cartesian coordinates. In a more realistic scenario, the scaffold is considered to be elastic and deformable, which undergoes deformation with the applied pore pressure. A mixture model is used to deal with the scaffold matrix, cells, and the fluid present in the scaffold region. The method of lubrication theory is incorporated when the aspect ratio of the lumen is small. The nutrient transport in the scaffold region is assumed to be governed by advection–diffusion–reaction mass balance due to the presence of cells and by advection–diffusion in the lumen and porous membrane. Analytical solution of the coupled system is presented for a short time scale where the cell growth, death, or differentiation is neglected. The results obtained focus on the effect of various parameters on the fluid flow, solid deformation, and consumption of nutrients due to different kinds of cells. It is observed that the deformation of the scaffold matrix increases monotonically with the flow rate supplied to the bioreactor. This behavior ensures that one can adjust the fluid flux to achieve optimum deformation in favor of cell growth and avoid damage of the scaffold. Moreover, a general criterion for the distribution of adequate nutrient concentration inside the bioreactor is developed to prevent the formation of the necrosis region inside the scaffold. Accordingly, the current investigation helps to arrive at suitable parameter combinations to monitor and control an ongoing experiment for optimum cell growth.

中文翻译：

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中空纤维膜生物反应器内可变形多孔支架的弹性流体动力学和营养物质传输分析

通过在笛卡尔坐标系中开发二维数学模型，研究中空纤维膜生物反应器中的流体动力学和营养物质传输。在更现实的情况下，脚手架被认为是弹性和可变形的，它会随着施加的孔隙压力而变形。混合模型用于处理支架基质、细胞和支架区域中存在的流体。当管腔的纵横比较小时，采用润滑理论的方法。由于细胞的存在，支架区域的营养物质运输被假定受对流-扩散-反应质量平衡以及管腔和多孔膜中的对流-扩散控制。耦合系统的分析解决方案以短时间尺度呈现，其中细胞生长、死亡、或忽略差异化。获得的结果集中在各种参数对流体流动、固体变形和不同类型细胞造成的营养消耗的影响上。观察到支架基质的变形随着提供给生物反应器的流速而单调增加。这种行为确保人们可以调整流体通量以实现有利于细胞生长的最佳变形并避免支架损坏。此外，制定了生物反应器内足够营养浓度分布的一般标准，以防止在支架内形成坏死区域。因此，当前的研究有助于得出合适的参数组合，以监测和控制正在进行的实验以获得最佳细胞生长。获得的结果集中在各种参数对流体流动、固体变形和不同类型细胞造成的营养消耗的影响上。观察到支架基质的变形随着提供给生物反应器的流速而单调增加。这种行为确保人们可以调整流体通量以实现有利于细胞生长的最佳变形并避免支架损坏。此外，制定了生物反应器内足够营养浓度分布的一般标准，以防止在支架内形成坏死区域。因此，当前的研究有助于得出合适的参数组合，以监测和控制正在进行的实验以获得最佳细胞生长。获得的结果集中在各种参数对流体流动、固体变形和不同类型细胞造成的营养消耗的影响上。观察到支架基质的变形随着提供给生物反应器的流速而单调增加。这种行为确保人们可以调整流体通量以实现有利于细胞生长的最佳变形并避免支架损坏。此外，制定了生物反应器内足够营养浓度分布的一般标准，以防止在支架内形成坏死区域。因此，当前的研究有助于得出合适的参数组合，以监测和控制正在进行的实验以获得最佳细胞生长。以及由于不同种类的细胞而消耗的营养。观察到支架基质的变形随着提供给生物反应器的流速而单调增加。这种行为确保人们可以调整流体通量以实现有利于细胞生长的最佳变形并避免支架损坏。此外，制定了生物反应器内足够营养浓度分布的一般标准，以防止在支架内形成坏死区域。因此，当前的研究有助于得出合适的参数组合，以监测和控制正在进行的实验以获得最佳细胞生长。以及由于不同种类的细胞而消耗的营养。观察到支架基质的变形随着提供给生物反应器的流速而单调增加。这种行为确保人们可以调整流体通量以实现有利于细胞生长的最佳变形并避免支架损坏。此外，制定了生物反应器内足够营养浓度分布的一般标准，以防止在支架内形成坏死区域。因此，当前的研究有助于得出合适的参数组合，以监测和控制正在进行的实验以获得最佳细胞生长。观察到支架基质的变形随着提供给生物反应器的流速而单调增加。这种行为确保人们可以调整流体通量以实现有利于细胞生长的最佳变形并避免支架损坏。此外，制定了生物反应器内足够营养浓度分布的一般标准，以防止在支架内形成坏死区域。因此，当前的研究有助于得出合适的参数组合，以监测和控制正在进行的实验以获得最佳细胞生长。观察到支架基质的变形随着提供给生物反应器的流速而单调增加。这种行为确保人们可以调整流体通量以实现有利于细胞生长的最佳变形并避免支架损坏。此外，制定了生物反应器内足够营养浓度分布的一般标准，以防止在支架内形成坏死区域。因此，当前的研究有助于得出合适的参数组合，以监测和控制正在进行的实验以获得最佳细胞生长。制定了生物反应器内足够营养浓度分布的一般标准，以防止在支架内形成坏死区域。因此，当前的研究有助于得出合适的参数组合，以监测和控制正在进行的实验以获得最佳细胞生长。制定了生物反应器内足够营养浓度分布的一般标准，以防止在支架内形成坏死区域。因此，当前的研究有助于得出合适的参数组合，以监测和控制正在进行的实验以获得最佳细胞生长。