Mesures d’entrée de puissance dans des bioréacteurs brassées à l’échelle du laboratoire

On a déterminé les entrées d’alimentation dans des bioréacteurs différents usages multiples et à usage unique avec des volumes de travail entre 1 L et 10 L. Les détails géométriques sont résumées dans le tableau 2. Dans le cas des navires à usage unique, haut monté ports tubes et boîtiers d’arbre de roue ont dû être retirés des plaques tête afin d’adapter les vaisseaux dans le support de navire. En outre, les arbres en plastique intégrés ont été attachés à l’arbre en acier inoxydable qui a été utilisé en conjonction avec le roulement de l’air, mais aucune des modifications n’étaient nécessaires. Le couple a été mesuré pour des vitesses de roue entre 100 tr/min et 300 tr/min dans les vaisseaux débafflé et entre 100 et 700 tr/min dans les vaisseaux déroutés, correspondant à des vitesses de pointe maximale de 1,13 Màs-1 et 1,54 Màs-1 (voir équation 4) respectivement. (4) La vitesse de l’agitateur définis à l’extrémité inférieure était limitée par la précision de mesure de capteur couple et l’écart type relatif de reproductibilité de ± 0,2 % et < 0,05 % du couple nominal respectivement (spécifiée par le fabricant à36). En outre, la vitesse de l’agitateur maximale ont été définie par le couple nominal (0,2 Nm), en particulier pour le réservoir de 10 L objet d’une enquête et la formation de vortex dans les vaisseaux débafflé. Afin de ne pas endommager le capteur, le couple maximal pendant la mesure a été défini à 60 % du couple nominal (0,12 Nm) et la profondeur du vortex se limite à 20 mm environ, basé sur une inspection visuelle. Utilisant l’augmentation progressive dans les vitesses de rotation agitateur, un profil couple typique est montré à la Figure 2. Le signal de couple augmente avec chaque augmentation par étapes de la vitesse de rotation, comme prévu d’EQ. 1. Les valeurs de crête du signal de couple ont été observés après chaque réglage de la vitesse de la turbine, qui peut s’expliquer par l’accélération initiale du liquide et la régulation PID de la vitesse de l’agitateur. Quasi mesures stables ont été obtenus après environ 1 min, selon la vitesse de rotation et le rotor utilisé. Les fluctuations résiduelles autour de la période moyenne valeur de couple de la phase individuelle étaient habituellement d’environ 5 % de la valeur moyenne pour la plupart des turbines et des vitesses d’agitation étudiés. Pour une évaluation plus poussée, les valeurs de couple de phase en moyenne ont été utilisés, alors que le pic de couple après que chaque réglage de la vitesse a été ignoré. Basé sur la fréquence de mesure de 2 Hz, les couples mesurées (TL) représentant la moyenne un moins 240 de points de données, qui fournit une certitude statistique suffisamment élevée, et les écarts relatifs de ces valeurs moyennes ont été inférieurs à 3 % pour la majorité des points de mesure, qui indique les signaux de mesure stable. Fait intéressant, les écarts-types en général diminues avec l’augmentation vitesses d’agitation, qui indique que l’importance relative des fluctuations précitées diminuent avec agitation plus élevée. Comme il a été montré plus tôt35, le couple de mort, c’est-à-dire le couple mesuré sans liquide à l’intérieur du navire, qui peut être un résultat de pertes par frottement dans le roulement, sceaux et le moteur d’entraînement ou les petits virages dans ou déséquilibres de l’arbre d’entraînement (en particulier en les arbres en plastique à usage unique), peuvent être sensiblement réduites par l’utilisation du roulement aérien. En général, les valeurs de couple morts de l’accessoire en acier inoxydable ont été plus faibles que pour ceux en plastique. Cela peut s’expliquer par le niveau supérieur de la rigidité des arbres en acier, qui se traduit par une oscillation basse pendant la rotation. Pendant la majeure partie de l’accessoire utilisé, les couples résiduels morts avec le roulement de l’air étaient aussi faible que 0,5 mN·m et, par conséquent, sous ou à proximité de la résolution du capteur du compteur couple appliqué (0,4 mN·m). Le couple mort résiduel plus élevé a été observé dans le bioréacteur #6, qui utilise une fixation axe de roue sur le fond du navire. Pendant la rotation, l’axe de la roue à aubes est entré en collision avec cette retenue, qui peut également être observé au cours d’expériences de culture, ce qui entraîne des frictions supplémentaires. Comme il ressort de la Figure 3, après que calcul de la puissance entrées depuis les couples de serrage efficace (basé sur EQ. 1) et leur tracé en fonction des nombres de Reynolds (EQ. 3), des profils individuels ont été obtenues pour chacun des médias modèle testé. Dans chacune de ces courbes, la puissance absorbée augmente comme le nombre de Reynolds et les pentes étaient proches de la relation PL Re3. Cette corrélation peut provenir d’EQ. 2 et 3 EQ. Lorsque, en supposant qu’un diamètre de nombre et de la turbine de puissance constante. Ceci a été trouvée pour tous les agitateurs testés avec R2 > 0,99.  Partir des données obtenues couple expérimental, les caractéristiques de puissance de tous les agitateurs étudiés étaient enfin calculés sur EQ. 2 (voir Figure 4, Figure 5, la Figure 6). La turbine de Rushton standard a été utilisée comme une référence avec des nombres de puissance bien documenté dans la littérature1,16,17,18,19,20, 21,22,23,24,25. Comme il ressort de la Figure 4 a, le nombre de pouvoir dans le petit vaisseau à 2 L (bioréacteur #1) a diminué à faible nombre de Reynolds (100 < Re < ≈500) de P0 = 6,3 à P0 ≈ 3.3 avant il a de nouveau augmenté au-dessus de Re ≈ 2000. Un nombre de puissance presque constante de P0 = 4.17±0.14 a été obtenue dans des conditions entièrement turbulentes (Re > 104). Une valeur comparable de P0 = 4.34±0.22 a été déterminée pour le plus grand navire avec le volume de travail de 10 L (bioréacteur #2), tandis que certains écarts entre les deux échelles ont été trouvés pour la gamme transitoire avec 600 < Re < 104 (voir Figure 4 a). Néanmoins, les tendances qualitatives dans les deux échelles souscrit entièrement à la littérature données1,19, où la puissance absorbée d’une seule turbine Rushton volumes de travail19 1 et 40 L 20 L a été déterminé, respectivement. Il est à noter que les numéros de puissance pour la gamme turbulente sont jusqu’à 25 % inférieurs à ceux fournis par les données de référence de P0 ≈ 4,719 et P0 ≈ 5,51. Cependant, direct comparaison est souvent difficile en raison des techniques de mesure différentes utilisées ainsi que les écarts par rapport aux paramètres géométriques, y compris le rapport du diamètre (d/D), la clairance de surélévation (zM/d) et le fond du réservoir et déflecteur de géométrie. Autres chercheurs ont découvert nombre de puissance pour turbines Rushton dans les vaisseaux déroutés dans une fourchette de 3,6 à 5,9, selon l’agitateur et la géométrie du navire utilisé17,18,21,24, 27,29,37,38. Ainsi, on peut affirmer que les résultats actuels sont satisfaisants. Dans la Figure 4 b, le nombre de puissance de bioréacteurs #3 et #4, avec des volumes de travail de 1 L et 2 L respectivement, est comparé pour les nombres d’une large gamme de Reynolds. Les valeurs de0 P des deux agitateurs géométriquement similaires ont cessé dans la gamme de transition et est devenu constants (bioréacteur #3 : P0 = 3.67±0.06 ; bioreactor #4 : P0 = 4.46±0.05) à turbulence pleinement développé avec Re > 10 4, un critère qui a été jugé pour les turbines Rushton et autres agitateurs38. Fait intéressant, un décalage quasi permanent entre les deux échelles a été observé, ce qui peut s’expliquer par des différences dans les géométries de navire et de la turbine. Même si la configuration de roue dans les deux vaisseaux est similaire, il n’était pas possible de conserver tous les paramètres géométriques constant. Par exemple, le bateau de 1 L est équipé de seulement deux déflecteurs intégrés, alors que le bateau de 2 L a été équipé de trois chicanes. Il est bien connu que le nombre de puissance augmente lorsque le nombre de chicanes augmente, jusqu’à ce qu’une condition de renfort critique atteint38. En outre, la forme du disque rotor dans le plus petit bateau a dû être modifié pour l’industrialisation, qui pourrait avoir une influence sur la puissance absorbée. Il convient également de noter que les valeurs de couple mesuré dans le petit vaisseau étaient seulement entre 4,2 mN·m et 12,8 mN·m, qui correspond à plus de 6 % du couple nominal du compteur couple utilisé. Dans cette gamme, petites déviations dans le signal de mesure peuvent avoir un impact significatif sur les résultats. Puisqu’aucune donnée de la comparaison de mesures de référence n’est disponibles, il est difficile de tirer des conclusions définitives sur la fiabilité de la mesure à l’échelle plus petite utilisée dans cette étude et d’autres recherches sont nécessaires. La figure 5 illustre les caractéristiques de puissance de trois bioréacteurs à usage unique disponibles dans le commerce étudiés. Par contraste avec les navires déroutés, le nombre de puissance de l’accessoire à usage unique ont cessé sur les nombres de la gamme complète de Reynolds étudiés (100 < Re < 3·104), et aucune valeur constante ont été obtenus en raison de la vortex progressif formation au taux élevé d’agitation dans les vaisseaux débafflé. Le plus grand nombre de puissance d’entre P0 ≈ 6 et P0 ≈ 1,8 ont été obtenu pour le bioréacteur #5, qui est agité par une turbine à pales radialement de pompage et une turbine à pales segment axial pompage avec lames incliné de 45 °. Comme prévu, plus faible puissance nombre d’entre P0 ≈ 5,1 et P0 ≈ 1.1 ont été obtenu pour le bioréacteur #7, qui est agité par les deux pales du segment avec 30 ° aigu lames ce qui entraîne un écoulement principalement axial. Il est bien connu que les turbines à écoulement axial ont plus petits nombres de puissance que les pales flux radial en raison de la résistance de débit inférieure des lames inclinées38. Il est à noter que les données expérimentales sur l’entrée d’alimentation dans le bioréacteur #7 qui ont été précédemment rapporté32 sont un peu plus élevées (par exemple P0 = 1,9 pour Re = 1.4·104). Cependant, les données publiées antérieurement ont montré la même relation de P0 Re-0.336 que l’on trouve dans la présente étude. Les techniques de mesure différentes peuvent être responsables de différentes valeurs absolues. Parmi enquêtés bioréacteurs à usage unique, le bioréacteur #6, qui est mélangé par un bas-près de la turbine marine, avait les numéros de puissance le plus bas dans la gamme de P0 ≈ 0,8 et P0 ≈ 0,3 (voir Figure 5). Cette entrée de faible puissance peut s’expliquer par la hauteur de la turbine basse, même si l’analyse dynamique des fluides computationnelle (CFD) montre un composant de flux radial plutôt dominant autour de la roue à aubes lames39. Bonne concordance des résultats actuels et les données publiées de CFD modèles39 et expériences32 peut être indiqué. Enfin, l’installation de mesure a été utilisée pour étudier l’influence de l’angle de lame et diamètre de roue dans le bioréacteur #7. Comme il ressort de la Figure 6, toutes les courbes de puissance diminuent en permanence sur les nombres de la gamme complète de Reynolds, comme prévu. Des différences significatives ont été obtenues entre les angles de deux lames (30° à 45°), où l’angle des pales plus grande avait des entrées d’alimentation plus élevées (avec 30° : 1.13 < P0 < 4,25 et 45 ° : 1,65 < P0 < 4,46) indépendamment de la turbulence (c.-à-d. Reynolds nombre). Ceci est également connu pour lame inclinée classique roues40 et peut encore s’expliquer par la résistance à l’écoulement plus élevée autour des lames avec une pente plus forte. Fait intéressant, aucune différence significative dans les chiffres de puissance entre les deux diamètres de roue à aubes ont été détectés. Cela a également été trouvé pour pales inclinées, tandis que le nombre de puissance de pales flux radial généralement tendance à diminuer à mesure que le rapport d/D augmente de40. Figure 1 : schéma de l’installation d’essai. L’installation se compose de la citerne (1) mélange, titulaire de bateau (2), (3) roulement cage avec air bague, compteur de couple (4), commande de moteur (5), (6) A/D converter, unité de contrôle (7), PC (8) pour l’acquisition de données et de contrôle. Air comprimé (5,5 bar) a été fournie pour la bague de l’air, tel que recommandé par le fabricant. Les principales dimensions géométriques de la cuve de mélange et l’agitateur sont également indiquées. Ce chiffre a été modifié par35. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure. Figure 2 : profil de mesure typique avec une augmentation progressive de la vitesse de rotation agitateur (c’est-à-dire N1 < N2 < N3) à intervalles de 5 min, comme indiqué par les lignes pointillées verticales. Les lignes en pointillés horizontales représentent un intervalle de confiance de 5 % autour des valeurs de couple moyennée dans le temps pour les phases correspondantes (indiqués par les lignes horizontales pleines). Valeurs maximales ont été observées durant la première minute de chaque intervalle, ce qui peut s’expliquer par l’accélération initiale de l’intérieur du liquide, les chars et le PID fonction variateur d’agitateur. Pour plus amples évaluation, seul le signal de couple au cours de la phase quasi stable a été utilisée, où le signal de mesure a fluctué autour de la moyenne moyenne valeur dans l’intervalle de confiance de 5 %. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure. Figure 3 : calcul puissance absorbée dans le bioréacteur #1 en fonction du nombre de Reynolds pour les médias de modèle différent. Profils individuels ont été obtenues pour chacun des médias modèle testés. Les lignes pleines représentent les prédictions du modèle en supposant que P Re3 et très bon accord avec les données expérimentales a été trouvé (avec R2 > 0.99). S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure. Figure 4 : nombres de puissance a déterminé en fonction du nombre de Reynolds en citernes déroutés. b la comparaison des données de turbines Rushton dans les bassins de petites et grandes (avec 2 L et 10 L de volume de travail respectivement) montre que les numéros de puissance sans dimension pour pleinement ces conditions sont égales entre les deux échelles. Petites déviations ont été trouvées pour la gamme transitoire avec Re < 104, où le nombre de puissance a augmenté le nombre de Reynolds augmente. (b) la comparaison des données de la montre bioréacteurs #3 et #4 un recul qualitativement similaire des nombres puissance comme le nombre de Reynolds augmente jusqu’à ce qu’on obtient des valeurs stables dans des conditions entièrement turbulentes. Les chiffres de puissance pour le bioréacteur 1 L montrent des fluctuations plus élevées par rapport à l’équivalent de 2 L. Aucune donnée pour le navire 1 L ont été obtenues pour les numéros de Reynolds dans la gamme 550 < Re < 950 lorsque vous utilisez le même support de modèle comme dans le récipient de 2 L. Le décalage quantitatif entre les échelles peut être expliqué par des différences dans les géométries de navire et agitateur ou pourrait être le résultat de la sensibilité du capteur. D’autres recherches sont nécessaires. Les lignes pleines représentent les modèles de régression polynomiale. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure. Figure 5 : numéros de puissance a déterminé en fonction du nombre de Reynolds pour différents usage unique bioréacteurs. Les chiffres de puissance pour chacun des navires diminuait le nombre de Reynolds a augmenté. Contraste avec les navires déroutés, aucun chiffre de puissance stable ont été obtenues en raison de la formation de vortex progressif à taux élevé d’agitation dans les vaisseaux débafflé. Les lignes pleines représentent les modèles de régression polynomiale. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure. Figure 6 : numéros de puissance a déterminé en fonction du nombre de Reynolds pour différentes modifications du bioréacteur #7. Des profils distincts ont été obtenus pour les deux angles différents de pâles de 30° et 45°, mais aucune différence significative entre les deux rapports de diamètre de roue (d/D = 0,43 et d/D = 0,57) ont été trouvés. Les chiffres de puissance de toutes les configurations ont montré un continu diminuent sur les nombres de la gamme complète de Reynolds étudiées en raison de la formation de vortex progressif à taux élevé d’agitation dans les vaisseaux débafflé. Les lignes pleines représentent les modèles de régression polynomiale. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure. Concentration de saccharose final Liquide de masse volumique ρL Liquides de viscosité ηL Nombre de Reynolds Re (%w/w) (kg·m-3) (mPa·s) (-) 0 998.2 1 11954 20 1081 2 6486 30 1127 3.2 4226 40 1176.4 6.2 2277 50 1231.7 15.5 954 55 1259.8 28,3 534 60 1288.7 58,9 263 Tableau 1 : Résumé des densités liquides et les viscosités pour sélectionné les solutions de saccharose à 20 ° C et nombre de Reynolds adimensionnelle résultant pour une hélice de diamètre et la vitesse de rotation de 60 mm et de 200 t/min, respectivement. Le nombre de Reynolds est calculé à l’aide d’EQ. 3. Tableau 2 : Résumé des détails géométriques de bioréacteurs étudié. S’il vous plaît cliquez ici pour télécharger ce fichier.