Eingabe Leistungsmessungen in gerührten Bioreaktoren im Labormaßstab

Die Eingangsleistungen in verschiedenen Mehrweg und Einweg-Bioreaktoren mit Arbeitsvolumen zwischen 1 L und 10 L wurden ermittelt. Die geometrischen Details sind in Tabelle 2zusammengefasst. Bei der Einweg-Behälter oben montiert Schläuche Häfen und Laufrad Welle Gehäuse hatte die Kopfplatten entfernt werden, um die Schiffe in den Behälter Halter passen. Darüber hinaus die eingebaute Kunststoff Schächte wurden angebracht, an der Edelstahl-Welle, die in Verbindung mit Luftlager verwendet wurde, aber keine weiteren Änderungen erforderlich waren. Das Drehmoment für Laufrad Geschwindigkeiten zwischen 100 u/min und 300 u/min in den unbaffled Gefäßen und 100 u/min bis 700 u/min in den ratlos Gefäßen, maximale Umfangsgeschwindigkeiten von 1,13 M·s-1 und 1,54 M·s-1 entspricht gemessen wurde (vgl. gl. 4) bzw.. (4) Die definierten Rührwerk Geschwindigkeiten am unteren Ende wurden von der Drehmoment-Sensor Messgenauigkeit und relative Standardabweichung der Reproduzierbarkeit von ± 0,2 % und < 0,05 % des Nennmomentes bzw. eingeschränkt (angegeben durch die Hersteller-36). Darüber hinaus wurden die maximale Rührwerk Geschwindigkeiten durch das Nennmoment definiert (0,2 Nm), insbesondere für die 10 L-Tank untersucht und Wirbelbildung in den unbaffled Gefäßen. Um Beschädigung des Sensors zu vermeiden, wurde das maximale Drehmoment während der Messung bei 60 % der nominalen Drehmoment definiert (0.12 Nm) und die Wirbel Tiefe beschränkte sich auf ca. 20 mm basierend auf visuelle Inspektion. Mit der schrittweisen Erhöhung in die rotierende Rührwerk Geschwindigkeiten, ist eine typische drehmomentprofil in Abbildung 2dargestellt. Die drehmomentsignals erhöht mit jedem Schritt Anstieg der Drehzahl erwartungsgemäß aus GL. 1. Spitzenwerte in der drehmomentsignals wurden nach jeder Einstellung der Drehzahl Laufrad beobachtet, die durch die Beschleunigung der Flüssigkeit und die PID-Regelung der Geschwindigkeit Rührwerk erklärt werden kann. Nach ca. 1 min, abhängig von der Drehzahl und Laufrad verwendet wurden quasi stabile Messungen erhalten. Die verbleibenden Schwankungen um die Zeit gemittelt Drehmomentwert der einzelnen Phase, in der Regel etwa 5 % des Mittelwertes für die meisten Laufräder und Agitation Geschwindigkeiten untersucht wurden. Zur weiteren Auswertung dienten die Drehmomentwerte Phase im Durchschnitt, während der Gipfel Drehmoment nach jeder Drehzahlanpassung ignoriert wurde. Basierend auf der Messung Frequenz von 2 Hz, die gemessenen Drehmomente (TL) repräsentiert den Mittelwert aus einer mindestens 240 Datenpunkte, die eine ausreichend hohe statistische Sicherheit zur Verfügung gestellt, und die relativen Standardabweichungen von diesen Mittelwerten waren weniger als 3 % für die Mehrheit der Messpunkte, die stabile Messsignale angibt. Interessant ist, verringern die Standardabweichungen in der Regel mit zunehmender Erregung Geschwindigkeiten, was darauf, dass hindeutet die relative Bedeutung der oben genannten Schwankungen sank mit höheren Agitation. Wie es früher35, das tot Drehmoment gezeigt wurde gemessen d.h. das Drehmoment ohne Flüssigkeit im Inneren des Schiffes, die durch Reibungsverluste im Lager, Dichtungen und Motorantrieb oder kleine Kurven oder Ungleichgewichte des Schachtes Laufrad (insbesondere sein kann der Einweg-Kunststoff-Wellen), kann durch den Einsatz von Luftlager erheblich reduziert werden. Im allgemeinen waren die Toten Drehmomentwerte Edelstahl Quirle kleiner als für solche aus Kunststoff. Dies kann durch die höhere Steifigkeit der Stahlwellen, erklärt führt zu niedrigeren Schwingung während der Rotation. Für den Großteil der Rührwerke verwendet die restliche Toten Drehmomente mit Luftlager wurden so gering als 0,5 mN·m und daher unter oder in der Nähe die Auflösung des Sensors von der Drehmoment-Messgerät angewendet (0,4 mN·m). Die höchsten tot restdrehmoment wurde im Bioreaktor #6, beobachtet, die ein Laufrad Welle Halterung auf den Behälterboden verwendet. Während der Rotation kollidierte die Laufrad-Welle mit dieser Halterung, die auch während der Kultivierung Experimente beobachtet werden kann, wodurch zusätzliche Reibung. Wie aus Abbildung 3ersichtlich nach Berechnung der Eingänge von der wirksamen Drehmomente (basierend auf GL. 1) und Plotten sie in Abhängigkeit von der Reynolds-Zahlen (GL. 3), individuelle Profile für jedes Modell Medien erhalten wurden getestet. In jedem dieser Kurven, die Stromaufnahme erhöht wie die Reynolds-Zahl erhöht und die Pisten in der Nähe der Beziehung PL waren Re3. Diese Korrelation erhalten Sie von GL. 2 und GL. 3 Wenn einen Konstante Leistung Anzahl und Laufrad-Durchmesser angenommen. Dies ergab für alle Rührwerke getestet mit R2 > 0,99.  Aus den erhaltenen experimentellen Drehmoment-Daten wurden die Leistungscharakteristik der alle Rührwerke untersucht schließlich basierend auf GL. 2 berechnet (siehe Abbildung 4, Abbildung 5, Abbildung 6). Die standard Rushton Turbine diente als Referenz mit gut dokumentierte Leistung Zahlen in der Literatur1,16,17,18,19,20, 21,22,23,24,25. Wie aus Abbildung 4aersichtlich, die Macht-Anzahl im kleineren 2 L Behälter (Bioreaktor #1) verringert bei niedrigen Reynoldszahlen (100 < Re < ≈500) von P0 = 6,3 auf P0 ≈ 3,3, bevor es wieder oben Re ≈ 2000 erhöht. Eine fast Konstante Leistung Zahl P0 = 4.17±0.14 wurde vollständig turbulente Bedingungen (Re > 104) erhalten. Einen vergleichbaren Wert P0 = 4.34±0.22 wurde für die größeren Behälter mit 10 L Arbeitsvolumen (Bioreaktor #2) ermittelt, während einige Abweichungen zwischen den zwei Skalen für den Übergangsbereich mit 600 gefunden wurden < Re < 104 (siehe Abbildung 4a). dennoch die qualitativen Trends in beiden Skalen voll mit Literatur Daten1,19, wo die Stromaufnahme der einzelnen Rushton Turbine 20 L1 und 40 L19 Arbeitsvolumen wurde vereinbart bestimmt, beziehungsweise. Es sei darauf hingewiesen, dass die Leistung zahlen für den turbulenten Bereich bis zu 25 % niedriger als diejenigen von Referenzdaten von P0 ≈ 4,719 und P0 ≈ 5,5 bereitgestellt1. Jedoch direkte Vergleich ist oft schwierig, weil die verschiedenen Messtechniken sowie Abweichungen in den geometrischen Parametern, einschließlich das Durchmesserverhältnis (d/D), der aus der unteren Abstand (ZM/d) und dem Tankboden und Geometrie zu verwirren. Andere Forscher fanden macht Zahlen für Rushton Turbinen in ratlos Schiffe in einer Reihe von 3,6 bis 5.9, abhängig von der Rührer und behältergeometrie17,18,21,24verwendet, 27,29,37,38. So kann argumentiert werden, dass die aktuellen Ergebnisse zufriedenstellend waren. In Abbildung 4 bwerden die Leistung Zahlen von Bioreaktoren #3 und #4 mit 1 L und 2 L Arbeitsvolumen bzw. für eine breite Palette von Reynolds-Zahlen verglichen. P0 Werte von zwei geometrisch ähnlichen Rührwerke im Übergangsbereich kontinuierlich gesunken und wurde konstant (Bioreaktor #3: P0 = 3.67±0.06; Bioreaktor #4: P0 = 4.46±0.05) bei voll entwickelten Turbulenzen mit Re > 10 4, ein Kriterium, das zuvor für die Rushton Turbine und andere Rührwerke38gefunden worden ist. Interessanterweise wurde nahezu konstanter Versatz zwischen den zwei Skalen beobachtet, die durch Unterschiede in den Behälter und Laufrad Geometrien erklärt werden kann. Obwohl die Laufrad-Konfiguration in die beiden Schiffe ähnlich ist, war es nicht möglich, alle geometrischen Parameter konstant zu halten. Zum Beispiel ist 1 L Behälter mit nur zwei eingebaute Schikanen ausgestattet, während der 2 L Behälter mit drei Schikanen ausgestattet war. Es ist bekannt, dass die Power-Anzahl erhöht sich die Zahl der Leitbleche erhöht, bis eine kritische Verstärkung Bedingung ist38erreicht. Darüber hinaus hatte die Form der Laufrad-Disc in das kleinere Schiff für Herstellbarkeit, geändert werden, die einen Einfluss auf die Leistungsaufnahme haben könnten. Anzumerken ist, dass die gemessenen Drehmomentwerte in das kleinere Schiff nur zwischen 4,2 mN·m und 12,8 mN·m, entspricht nur bis zu 6 % der nominalen Drehmoment das Drehmoment-Messgerät verwendet. In diesem Bereich können kleine Abweichungen im Messsignal einen erheblichen Einfluss auf die Ergebnisse haben. Da keine Vergleichsdaten von Referenzmessungen verfügbar sind, ist es schwierig, endgültige Schlussfolgerungen über die Messsicherheit im kleinsten Maßstab in dieser Studie verwendeten und weitere Untersuchungen sind notwendig. Abbildung 5 zeigt die Leistungscharakteristik der drei handelsüblichen Einweg-Bioreaktoren untersucht. Im Gegensatz zu den ratlos Schiffen, die Power-Nummern der Einweg-Rührwerke kontinuierlich reduziert über die komplette Palette von Reynolds-Zahlen untersucht (100 < Re < 3·104), und keine Konstante Werte wurden aufgrund der progressiven Vortex Bildung zu hohe Erregung Preisen in den unbaffled Gefäßen. Die höchste Zahl der Macht der zwischen P0 ≈ 6 und P0 ≈ 1,8 wurden für den Bioreaktor #5 gewonnen, die durch eine Radial Pumpen Klinge Laufrad und einem Axial Pumpen Segment Klinge Laufrad mit 45° geneigte klingen aufgeregt ist. Wie erwartet, niedriger macht, die Zahlen von zwischen P0 ≈ 5.1 und P0 ≈ 1,1 für den Bioreaktor #7 gewonnen wurden, die durch zwei Segment Klinge Laufräder mit 30° aufgeregt ist aufgeschlagen klingen, was in erster Linie axiale Strömung. Es ist bekannt, dass axiale Strömung Laufräder kleinere Leistung Zahlen als radiale Strömung Klinge Laufräder aufgrund der niedrigeren Strömungswiderständen der geworfenen Messer38haben. Es sei darauf hingewiesen, dass die experimentellen Daten auf die Leistungsaufnahme im Bioreaktor #7, die zuvor gemeldeten32 wurden etwas höher liegen (z. B. P0 = 1,9 für Re = 1.4·104). Die bisher veröffentlichten Daten zeigten jedoch das gleiche Verhältnis von P0 Re-0.336 wie in der vorliegenden Studie gefunden. Die verschiedenen Messtechniken können für die verschiedenen absoluten Werte verantwortlich. Unter den untersuchten Einweg-Bioreaktoren, des Bioreaktors #6, die durch eine Boden-in der Nähe von marine Laufrad gemischt ist, hatte die niedrigsten Leistung Zahlen im Bereich von P0 ≈ 0,8 und P0 ≈ 0,3 (siehe Abbildung 5). Dieser low-Power-Eingang kann durch die geringe Laufrad Tonhöhe erklärt werden, obwohl numerische Strömungsmechanik (CFD) Analyse eine eher dominante radiale Strömung Komponente um das Laufrad klingen39 zeigte. Guter Übereinstimmung der aktuellen Ergebnisse und veröffentlichten Daten von CFD Modelle39 und Experimente32 kann angegeben werden. Schließlich wurde der Messaufbau zur untersuchen des Einfluss des Laufrades Durchmesser und Klinge im Bioreaktor #7. Wie aus Abbildung 6ersichtlich ist, sinken alle Leistungskurven kontinuierlich über die komplette Palette von Reynolds-Zahlen, wie erwartet. Signifikante Unterschiede zwischen den zwei Blatt-Winkel (30° und 45°), wo die größeren blattwinkel höhere Netzeingänge hatten stammen (mit 30°: 1.13 < P0 < 4,25 und 45 °: 1,65 < P0 < 4,46) unabhängig von den Turbulenzen (d. h. Reynolds Anzahl). Dies ist auch bekannt für klassische geneigte Klinge Laufräder40 und kann wieder durch die höheren Strömungswiderstand um die Blätter mit stärkeren Steigung erklärt werden. Interessanterweise wurden keine signifikanten Unterschiede in den Strom Zahlen zwischen die zwei Laufrad-Durchmesser entdeckt. Dies wurde auch für geneigte Klinge Laufräder festgestellt, während die Leistung Zahlen der radiale Strömung Klinge Laufräder in der Regel eher zu verringern, wie das Verhältnis d/D40erhöht. Abbildung 1: Schematische des Messaufbaus. Der Aufbau besteht aus dem (1) Mischbehälter, Schiff (2) Halter (3) lagerkäfigs mit Luft Buchse, (4) Drehmoment m, Motor Drive (5), (6) A/D-Wandler (7) Steuereinheit, PC (8) für die Datenerfassung und Steuerung. Druckluft (5,5 Bar) wurde für die Luft-Buchse geliefert, wie vom Hersteller empfohlen. Die wichtigsten geometrischen Abmessungen der dem Mischbehälter und das Rührwerk werden ebenfalls angezeigt. Diese Zahl wurde von35geändert. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur. Abbildung 2: typische Messung Profil mit einem schrittweisen Anstieg der Drehzahl Rührwerk (d.h. N1 < N2 < N-3) in 5 min Abständen, wie durch die vertikale gestrichelten Linien angedeutet. Die horizontalen gestrichelten Linien repräsentieren eine 5 %-Konfidenzintervall um die Zeit gemittelt Drehmomentwerte für die entsprechenden Phasen (gekennzeichnet durch die horizontalen Linien). Spitzenwerte wurden während der ersten Minute jedes Intervalls beobachtet, die durch die Beschleunigung der Flüssigkeit im Inneren erklärt werden kann, die Tanks und die PID-Rührwerk Drehzahlregelung basierte. Für weitere Auswertung, nur das Drehmoment Signal quasi stabile Phase kam zum Einsatz, gemittelter wo bewegte sich das Mess-Signal um den Mittelwert Wert innerhalb des 5 %-Konfidenzintervalls. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur. Abbildung 3: Leistungsaufnahme im Bioreaktor #1 als Funktion der Reynoldszahl für anderes Modell Medien berechnet. Individuelle Profile wurden für jedes Modell Medien getestet. Die durchgezogenen Linien repräsentieren Modellvorhersagen vorausgesetzt, P Re3 und sehr gute Übereinstimmung mit den experimentellen Daten gefunden wurde (mit R2 > 0,99). Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur. Abbildung 4: Strom Zahlen als Funktion der Reynoldszahl im ratlos Panzer bestimmt. (a) der Vergleich der Daten von Rushton Turbinen in den kleinen und großen Tanks (mit 2 L und 10 L Volumen bzw. arbeiten) zeigt, dass die dimensionslose macht Zahlen für voll turbulenten Bedingungen zwischen den zwei Skalen gleich sind. Geringe Abweichungen fanden sich für den Übergangsbereich mit Re < 104, wo mehr Kraft als die Reynolds-Zahl erhöht. (b) der Vergleich der Daten aus dem Bioreaktor #3 und #4 zeigt eine qualitativ ähnliche Abnahme der Leistung Zahlen als die Reynolds-Zahl vergrößert, bis stabile Werte vollständig turbulente Bedingungen erreicht werden. Die Leistung zahlen für 1 L-Bioreaktor zeigen höhere Schwankungen im Vergleich zu den 2 L-Pendant. Keine Daten für den 1 L Behälter wurden erhalten für Reynolds im Bereich von 550 Zahlen < Re < 950 bei Verwendung der gleichen Modell Medien wie in der 2 L Behälter. Der quantitative Versatz zwischen den Skalen könnte lässt sich durch Unterschiede in den Behälter und Rührwerk Geometrien oder ein Ergebnis der die Empfindlichkeit des Sensors. Es sind weitere Untersuchungen erforderlich. Die durchgezogenen Linien stellen Polynom Regressionsmodelle. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur. Abbildung 5: Strom Zahlen als eine Funktion der Reynoldszahl für verschiedene Einweg-Bioreaktoren ermittelt. Die Leistung zahlen für jedes der Schiffe gesunken als die Reynolds-Zahl erhöht. Im Gegensatz zu der verblüfft Schiffe wurden keine stabile Stromversorgung Zahlen aufgrund der progressiven Wirbelbildung zu hohe Erregung Preisen in der unbaffled Schiffe erhalten. Die durchgezogenen Linien stellen Polynom Regressionsmodelle. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur. Abbildung 6: Strom Zahlen als eine Funktion der Reynoldszahl für verschiedene Modifikationen des Bioreaktors #7 ermittelt. Unterschiedliche Profile wurden für die beiden verschiedenen Klinge Winkel von 30° und 45°, aber keine signifikanten Unterschiede zwischen den zwei Laufrad-Durchmesser-Verhältnisse erhalten (d/D = 0,43 und d/D = 0,57) wurden gefunden. Strom zahlen alle Konfigurationen zeigte eine kontinuierliche Abnahme über die komplette Palette von Reynolds-Zahlen aufgrund der progressiven Wirbelbildung zu hohe Erregung Preisen in den unbaffled Gefäßen untersucht. Die durchgezogenen Linien stellen Polynom Regressionsmodelle. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur. Endgültige Saccharose-Konzentration Flüssige Dichte ρL Viskosität der Flüssigkeit ηL Reynolds-Zahl 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 13° 60 1288.7 58,9 263 Tabelle 1: Zusammenfassung der flüssigen Dichte und Viskosität für ausgewählte Saccharose-Lösungen bei 20 ° C und daraus resultierende dimensionslose Reynolds-Zahl für ein Laufrad mit Durchmesser und Drehzahl von 60 mm und 200 u/min, bzw.. Die Reynolds-Zahl errechnet sich mit GL. 3. Tabelle 2: Zusammenfassung der geometrischen Details von Bioreaktoren untersucht. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterladen.