For high-throughput cell culture and associated analytics, droplet-based cultivation systems open up the opportunities for parallelization and rapid data generation. In contrast to microfluidics with continuous flow, sessile droplet approaches enhance the flexibility for fluid manipulation with usually less operational effort. Generating biologically favorable conditions and promoting cell growth in a droplet, however, is particularly challenging due to mass transfer limitations, which has to be solved by implementing an effective mixing technique. Here, capillary waves induced by vertical oscillation are used to mix inside a sessile droplet micro-bioreactor (MBR) system avoiding additional moving parts inside the fluid. Depending on the excitation frequency, different patterns are formed on the oscillating liquid surface, which are described by a model of a vibrated sessile droplet. Analyzing mixing times and oxygen transport into the liquid, a strong dependency of mass transfer on the oscillation parameters, especially the excitation frequency, is demonstrated. Oscillations at distinct capillary wave resonant frequencies lead to rapid homogenization with mixing times of 2 s and volumetric liquid-phase mass transfer coefficients of more than 340 h-1. This shows that the mass transfer in a droplet MBR can be specifically controlled via capillary waves, what is subsequently demonstrated for cultivations of Escherichia coli BL21 cells. Therefore, the presented MBR in combination with vertical oscillation mixing for intensified mass transfer is a promising tool for highly parallel cultivation and data generation.

中文翻译：

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定义毛细管波微生物反应器中的传质

对于高通量细胞培养和相关分析，基于液滴的培养系统为并行化和快速数据生成开辟了机会。与具有连续流动的微流体相比，固着液滴方法增强了流体操作的灵活性，通常操作较少。然而，由于传质限制，产生生物学有利条件并促进液滴中的细胞生长特别具有挑战性，必须通过实施有效的混合技术来解决。在这里，由垂直振荡引起的毛细管波用于在固着液滴微生物反应器 (MBR) 系统内混合，避免流体内部的额外移动部件。根据激发频率的不同，在振荡的液面上形成不同的图案，由振动的固着液滴模型描述。分析混合时间和氧气输送到液体中，证明了传质对振荡参数，尤其是激发频率的强烈依赖性。不同毛细管波共振频率下的振荡导致快速均质化，混合时间为 2 秒，体积液相传质系数超过 340 h-1。这表明液滴 MBR 中的传质可以通过毛细管波进行专门控制，随后在大肠杆菌 BL21 细胞的培养中证明了这一点。因此，所提出的 MBR 与垂直振荡混合相结合的强化传质是高度并行培养和数据生成的有前途的工具。分析混合时间和氧气输送到液体中，证明了传质对振荡参数，尤其是激发频率的强烈依赖性。不同毛细管波共振频率下的振荡导致快速均质化，混合时间为 2 秒，体积液相传质系数超过 340 h-1。这表明液滴 MBR 中的传质可以通过毛细管波进行专门控制，随后在大肠杆菌 BL21 细胞的培养中证明了这一点。因此，所提出的 MBR 与垂直振荡混合相结合的强化传质是高度并行培养和数据生成的有前途的工具。分析混合时间和氧气输送到液体中，证明了传质对振荡参数，尤其是激发频率的强烈依赖性。不同毛细管波共振频率下的振荡导致快速均质化，混合时间为 2 秒，体积液相传质系数超过 340 h-1。这表明液滴 MBR 中的传质可以通过毛细管波进行专门控制，随后在大肠杆菌 BL21 细胞的培养中证明了这一点。因此，所提出的 MBR 与垂直振荡混合相结合的强化传质是高度并行培养和数据生成的有前途的工具。特别是激励频率，被证明。不同毛细管波共振频率下的振荡导致快速均质化，混合时间为 2 秒，体积液相传质系数超过 340 h-1。这表明液滴 MBR 中的传质可以通过毛细管波进行专门控制，随后在大肠杆菌 BL21 细胞的培养中证明了这一点。因此，所提出的 MBR 与垂直振荡混合相结合的强化传质是高度并行培养和数据生成的有前途的工具。特别是激励频率，被证明。不同毛细管波共振频率下的振荡导致快速均质化，混合时间为 2 秒，体积液相传质系数超过 340 h-1。这表明液滴 MBR 中的传质可以通过毛细管波进行专门控制，随后在大肠杆菌 BL21 细胞的培养中证明了这一点。因此，所提出的 MBR 与垂直振荡混合相结合的强化传质是高度并行培养和数据生成的有前途的工具。这表明液滴 MBR 中的传质可以通过毛细管波进行专门控制，随后在大肠杆菌 BL21 细胞的培养中证明了这一点。因此，所提出的 MBR 与垂直振荡混合相结合的强化传质是高度并行培养和数据生成的有前途的工具。这表明液滴 MBR 中的传质可以通过毛细管波进行专门控制，随后在大肠杆菌 BL21 细胞的培养中证明了这一点。因此，所提出的 MBR 与垂直振荡混合相结合的强化传质是高度并行培养和数据生成的有前途的工具。