Power Input Measurements in Stirred Bioreactors at Laboratory Scale

Stephan C. Kaiser; S&#246;ren Werner; Valentin Jossen; Katharina Blaschczok; Dieter Eibl

doi:10.3791/56078

JoVE Journal > Bioengineering

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

Bioengineering

מידות קלט כוח ריאקטורים מנוער בקנה מידה מעבדה

Published: May 16, 2018

doi:

10.3791/56078

Stephan C. Kaiser¹, Sören Werner², Valentin Jossen², Katharina Blaschczok², Dieter Eibl²

¹Finesse,Thermo Fisher Scientific, ²Institute of Chemistry and Biotechnology,Zurich University of Applied Sciences, School of Life Sciences and Facility Management

Summary

ניתן למדוד הקלט כוח ריאקטורים מנוער דרך מומנט שפועל על הפיר המדחף במהלך הסיבוב. כתב יד זה מתאר כיצד ניתן להשתמש ברינג אוויר להפחית את החיכוך הפסדים שנצפתה החותמות מכני ביעילות את רמת הדיוק של מדידות קלט כוח בכלי בקנה מידה קטן.

Abstract

הקלט כוח ריאקטורים מנוער הוא פרמטר חשוב דרוג-up, ניתן למדוד באמצעות מומנט שפועל על הפיר המדחף במהלך הסיבוב. עם זאת, בקביעה ניסויית של הקלט כוח בכלי בקנה מידה קטן הוא עדיין מאתגר עקב חיכוך גבוה יחסית הפסדים בתוך תותבים בדרך כלל בשימוש, מיסבים ו/או חותמות פיר, לדיוק של מטרים מומנט זמין מסחרית. לפיכך, רק נתונים מוגבלים עבור ריאקטורים בקנה מידה קטן, מערכות לשימוש יחיד בפרט, זמין בספרות, מקשה על השוואות בין מערכות שונות לשימוש יחיד ואת עמיתיהם קונבנציונלי.

כתב יד זה מספק פרוטוקול על כיצד למדוד תשומות כוח benchtop סולם ריאקטורים בטווח רחב של תנאי זרימה טורבולנטית, אשר יכול להיות מתואר על ידי מספר ריינולדס שהוא (Re). התביעות הנ ל חיכוך מופחתים בצורה יעילה על ידי שימוש מיסב אוויר. ההליך כיצד להקים, לנהל ולהעריך מבוסס-מומנט כוח קלט המדידה, עם דגש מיוחד על התנאים עצבנות טיפוסי התרבות תא נמוך. מערבולות אוויר (100 < מחדש < 2·10⁴), מתואר בפירוט. קלט כוח של ריאקטורים חד-פעמיים ושימוש רב מספר מסופק על ידי כוח שהוא המספר (נקרא גם ניוטון מספר, P₀), אשר נקבע להיות בטווח של P₀ ≈ 0.3 ו P₀ ≈ 4.5 עבור מספרי ריינולדס המרבי ב ריאקטורים שונים.

Introduction

כניסת מתח הוא פרמטר הנדסה מפתח כדי להפוך את אפיון דרוג-up של ריאקטורים כי הוא מתייחס לפעולות יחידה רבים, כגון המגון¹^,²^,³, פיזור גז נוזלי² ^, ⁴ ^, ⁵, העברת חום⁶ והשעיה מוצק⁷. כוח קלט מזוהה גם עם גזירה, אשר יכול במיוחד משפיעים על הצמיחה ואת המוצר במערך הטיה תא רגיש תרבויות⁸^,⁹^,¹⁰^,¹¹.

הטכניקות הנפוצות ביותר עבור המדד של הקלט כוח ריאקטורים מנוער מבוססים על חשמל לצייר¹³^,¹²^,¹⁴,¹²^,calorimetry¹⁵ (קרי נייח חום איזון או חימום דינאמי דרך התסיסה) או את מומנט על התועמלן. האחרון יכול השפעול להיקבע על ידי גובלי עומס, מומנט מטר או מאבחנים המתח, אשר הוחלו למגוון התועמלנים, כולל יחיד או רב שלבית ראשטון טורבינות¹^,¹⁶^,¹⁷ ^, ¹⁸ ^, ¹⁹ ^, ²⁰ ^, ²¹ ^, ²² ^, ²³ ^, ²⁴ ^, ²⁵, להב משופע המאיץ¹⁹^,²⁰^,²³^,²⁶^,²⁷, InterMig¹⁹^,²¹ ו Scaba המאיץ²⁸ ^, ²⁹. סקירה מפורטת מסופק על ידי Ascanio et al. (2004)³⁰.

מ מומנט כוח (T), תשומות כוח (P) יכול להיות מוערך מן הציוד 1, כאשר N הוא מספר מהירות הסיבוב של התועמלן.

(1)

כהתאמה הפסדים המתרחשים התסיסה (במיסבים, חותמות, המנוע עצמו), מומנט כוח יעיל (T_eff) צריך להיות נחוש כהפרש בין הערך שנמדד בכלי ריק (T_D) וב -הנוזל (T_L). בסופו של דבר, המספר שהוא כוח (P₀, הידוע גם בשם ניוטון מספר), אשר מוגדר על ידי 2 הציוד כאשר ρ_L מציין את צפיפות נוזל ו d מייצג את קוטר המדחף, יכול לשמש כדי להשוות התועמלנים שונים.

(2)

זה ידוע כי המספר כוח הוא פונקציה של מספר ריינולדס (קרי מהתסיסה) והופך קבוע בתנאים הסוערים באופן מלא. המדחף מספר ריינולדס מוגדרת על-ידי 3 הציוד, איפה η_L צמיגות הנוזל.

(3)

למרות זאת, מידות קלט כוח ריאקטורים בקנה מידה קטן הם עדיין מאתגר עקב ההפסדים חיכוך גבוה יחסית בתוך מסבים מכני של המוטות המדחף ואת הדיוק מוגבלת של מומנט הנמכרים ביותר מטר. כתוצאה מכך, רק כמה דוחות על כוח קלט מדידות בקנה מידה benchtop ריאקטורים כבר פורסם¹⁷^,¹⁸^,²²^,²⁴^,³¹^,³². יש גם חוסר נתונים אודות הקלט כוח ריאקטורים חד-פעמיים, אשר מועברים על ידי היצרנים preassembled, מעוקר, מוכן לשימוש³³^,³⁴. לעומת עמיתיהם הניתן לשימוש חוזר, ריאקטורים חד-פעמיים רוב הם נסער על ידי המאיץ שתוכנן במיוחד, מקשה על השוואות.

על מנת לסגור את הפער, שיטה אמינה למדידות קלט כוח, עם דגש מיוחד על חימום/קירור קנה מידה מעבדה פותחה לאחרונה³⁵. הערכים מומנט כוח נמדד כלי ריק, אשר נגרמו הפסדים חיכוך, הצטמצם באופן יעיל על ידי שימוש מיסב אוויר. כתוצאה מכך, מגוון רחב של תנאים מבצעיים נמוך. מערבולות אוויר (100 < מחדש < 2·10⁴) יכולה להיחקר, קלט כוח של ריאקטורים חד-פעמיים ושימוש רב מספר סופק.

המחקר הנוכחי מספק פרוטוקול מדידה מפורט של השיטה שפותחה בעבר, מאמר זה מתאר כיצד להגדיר, לנהל ולהעריך מידה קלט מבוסס-מומנט כוח בתוך ריאקטורים סולם מעבדה. דגש מיוחד הוא במערכות זמינים מסחרית יחיד – ו מולטי – use. שגרת מדידה אוטומטיות משמש כדי להפחית את המאמץ ניסיוני.

Protocol

1. הכנת סוכרוז פתרונות הערה: הפתרונות סוכרוז משמשים מודל זול, הניוטונית מדיה עם צמיגות צפיפות התנאים מערבולת מופחתת (ראה טבלה 1). למלא בקבוק זכוכית דוראן עם מים וסוכרוז של ריכוזים שונים (20-60 %w/w). מערבבים את התוכן עם פגים עד סוכרוז יש התפרקה לחלוטין. עבור סוכרוז בריכוזים מעל 40 %w/w, הוסף את סוכרוז לסירוגין וחום בקבוק הזכוכית במקצת (~ 50 ° C). תן פתרון סוכרוז מגניב עד לטמפרטורת החדר לפני השימוש. 2. הכנת מתכון מדידה ורישום נתונים לאחר הפעלת התוכנה, ליזום את התקשורת עם יחידת שליטה על ידי בחירת יציאת ה-COM טורית הנכונה מתוך התפריט הנפתח ולחיצה על לחצן התחבר .הערה: לחצן התחבר תשנה את הצבע הירוק, ה-LED מתחת לתפריט הנפתח תתחלף, ברגע התקשורת עם יחידת הבקרה מאותחלת. להגדיר את הנתיב לקובץ נתונים בתוך התוכנה יחידת הבקרה ביוריאקטור כדי לאחסן את הנתונים על המפעיל PC. פתח את דף הכרטיסיה הגדרות ופגע סמל התיקייה בסמוך לשדה טקסט מיקום קבצי נתונים . בחלון שיח קובץ, דפדף אל התיקיה תשוקה, הקלד שם קובץ לתוך שדה הטקסט של שם הקובץ ולחץ על הלחצן אישור .הערה: נתיב קובץ יומן רישום הנתונים ואת שם מוצגים בתיבת הטקסט, לחצן התחל DAQ זמין, ברגע נתיב קובץ חוקי מוגדר. להגדיר שגרה בתוך מנהל מתכון של התוכנה יחידת הבקרה ביוריאקטור כדי להפוך לאוטומטי את הליך המדידה. פתח את דף הכרטיסיה ‘ מתכון ‘ והקלד ערכי הקלט הרצוי עבור הזמן שחלף שלב מתכון (דקות) ואת המהירות המדחף המתאים (סל ד) לתוך תיבות שדה הטקסט. הפרופיל מוצג באופן אוטומטי בתרשים.הערה: לדוגמה, המהירות מסית מתגברת stepwise על ידי סל ד 20 מתוך 100 סל”ד עד 300 סל ד, ו כל ערך נשמר במשך 4 דקות על מנת להבטיח מומנט יציב אות (ראה דיון להלן). המהירויות מינימום ומקסימום, כמו גם את כמות הגידול ניתן לכוונן את התועמלנים שונים וכלי.הערה: בחר את טווח מהירות בקפידה ביחס הרזולוציה חיישן מומנט כוח, מומנט הנומינלי ויצירת מערבולת. האחרון לעיתים קרובות מתהווה נסער במהירויות גבוהות unbaffled ריאקטורים והיא יכולה לגרום נזק מד מומנט. לחץ על הלחצן ‘ שמור ‘, חפש את הנתיב של הקובץ הרצויה, הקלד שם קובץ בשדה הטקסט. לחץ על כפתור אישור כדי לשמור את הקובץ. 3. התקנה של החיישן מומנט הערה: ההגדרה ניסיוני מוצג סכמטי באיור1. התקנה מתמר מומנט ב בעל שתוכנן במיוחד, המשלבת את האוויר הנושאת (ראה איור 1) באמצעות ברגים כדי לתקן את החיישן לתוך המקום. מיסב אוויר השתמשו במחקר זה יש העתק נקבובי התותב חומר עם הקוטר הפנימי של 13 מ מ. הר המנוע מסית brushless servo על החלק העליון של בעל. לתקן את המתמר מומנט על המחזיק אנכי הרכבה באמצעות ארבעת הברגים. להתחבר הפיר מנוע מוט כונן של ממירי מומנט באמצעות מתכת לשאוג צימוד זה יכול לפצות על כך misalignments צירית קטן של המוטות והדק המושבים באמצעות ברגים. להתחבר הפיר מסית מוט מדידה של המתמר מומנט באמצעות צימוד לשאוג מתכת אחרת.הערה: במחקר זה, שתוכננה המדחף פירים בקוטר של 13 מ מ (סובלנות:-0.0076 מ מ), עם אורך בין 270 מ מ 520 מ מ שימשו כלי אחר חקר. הר בעל חיישן לצלחת ראש ביוריאקטור ולהתקין את המדחפים על הפיר מסית עם הסיווג את המדרגה הרצוי. הר שובל הזרימה ואת התקנות נוספות (כגון צינורות דגימה ו הקציר, חיישנים אלקטרוכימי, וכו ‘) בתוך ביוריאקטור במידת הצורך. להתקין את ביוריאקטור הרצוי בעל כלי השיט במידת הצורך (ריאקטורים #1, #3 #10) או להציב את הצלחת ראש לתוך המיכל ביוריאקטור (ביוריאקטור #2) והדק את הצלחת ראש עם ברגים. לחקירה של זכוכית ריאקטורים, למקם את כלי זכוכית ביוריאקטור למחזיק. לחקירה של ריאקטורים לשימוש יחיד, לפרק את היציאות אבובים הנטען העליון ואת דיור פיר המדחף מן הלוחות ראש פלסטיק באמצעות כלי חיתוך המתאים. מניחים בכלי פלסטיק למחזיק. מקום חיישן הטמפרטורה בפנים ביוריאקטור וחבר אותו ליחידת הבקרה. להתחבר לאורך צינור האוויר בלחץ ליציאה כניסת הגז של מיסב אוויר ולהחיל בלחץ של בר בסביבות 5.5 המסופקים על ידי מדחס. להתחבר מתמר מומנט A/D ממיר והכוח מהמשדר. 4. תצורות בתוכנה רכישת נתונים פתח את התוכנה עבור רכישת נתונים אות חיישן מומנט, להגדיר את העדפות מדידה. ודא הערוצים הראשון שני בחלון DAQ ערוצי מאותחל ופעיל. במחקר זה, האות מומנט הוגדר בערוץ 0 ולהגדיר האות מהירות הסיבוב היה בערוץ 1. לחץ על לחצן עדכן Live כדי להציג את הערכים הנוכחיים של המדידה. הגדר את האות ערוץ מומנט אפס אם האות מומנט כוח מוחלט ללא סיבוב גדול יותר 0.1 mN·m באמצעות לחצן העכבר הימני על לחץ על הפריט ערוץ הרשימה ערוץ, בחירה באפשרות ‘ ‘ אפס לאזן . לנווט דף הכרטיסיה DAQ העבודה ולהגדיר את קצב רכישת נתונים של 2hz מהרשימה הנפתחת תפריט. השתמש באפשרויות מיד בעבודה התחלה ומשך זמן מתוך הרשימות הנפתחות כדי לקבוע את להתחיל לעצור של רכישת נתונים, בהתאמה. להגדיר תקופת זמן עבור משך דגימת ארוך יותר מהזמן הנדרש לסיום המדידה (למשל, שימוש 1 h 0 מ’ 30 s עבור מתכון שעה מוגדרת בשלב השני). נווט לדף הגדרות אחסון נתונים ובחר באפשרות ASCII + ערוץ מידע מתוך הרשימה הנפתחת כדי להגדיר את תבנית קובץ עבור הנתונים שמור קובץ. להגדיר נתיב קובץ כונן קשיח של מחשב עבור המידה קובץ הפלט. 5. לבצע את המדידה מומנט להתחיל רכישת נתונים עבור האות מומנט התוכנה רכישת שליטה ונתונים עבור מד מומנט על-ידי לחיצה על לחצן התחל בעמוד התפריט DAQ העבודה . להתחיל רכישת נתונים עבור המהירות מסית ואת הטמפרטורה ביוריאקטור הבקרה יחידת התוכנה על ידי לחיצה על לחצן התחל DAQ בדף הכרטיסיה הגדרות . להתחיל את הפקד מסית התוכנה יחידת בקרה עם נקודת קבע ידנית או ערכת מתכון מוגדרים מראש. אם התנהלה מידה יחיד, השתמש הערך תיבת בקרה בדף הכרטיסיה הראשי של תוכנת שליטה ביוריאקטור. הקלד נקודת-הסט הרצוי לתוך תיבת הטקסט ולחץ על הפריט ‘מסית פקד’. אם מדידות מרובות עם מתכון מתנהלים, נווט אל דף ‘ כרטיסיה ‘ שלבים ולחץ על לחצן התחל .הערה: התוכנה מבטלות באופן אוטומטי בכל הפעלה ידנית תיבות משך המתכון ופותחת חלון באופן אוטומטי כדי לאשר את סופו של התהליך. בתוכנה רכישת נתונים, חלון יפתח באופן אוטומטי לאחר משך מדידה מוגדרת מראש. לשמור את הנתונים עבור כל אחת מהמידות על המפעיל את המחשב, רצוי על הכונן הקשיח, על-ידי לחיצה על הלחצן לשמור את הנתונים עכשיו . חזור על המדידה עבור כל מהירות מסית הרצוי ללא ועם נוזלי בתוך הכלי ביוריאקטור. שופכים מים (או הפתרון סוכרוז) דרך משפך לתוך ביוריאקטור.הערה: ודא כי הנוזל מכסה לחלוטין את המדחפים מאז המאיץ חשוף (חלקית) יכול לגרום כוחות צירית רצויה יכול לגרום נזק החיישן מומנט. 6. נתוני הערכה הערה: ערכי מומנט שהושג כלי ריק (מומנט מת) מתאימות את ההפסדים חיכוך שיורית של מיסב לבין חייב להיות מופחתים מתוך הערכים נקבע בתוך הנוזל על מנת לקבל את הערכים מומנט כוח יעיל (ראה 1 הציוד). ממוצע הערכים מומנט עבור כל מהירות מסית נמדד אות יציב ומעין היתה מושגת (ראה דיון להלן). באופן אידיאלי, לחשב את הערך הממוצע על פני תקופה של פחות 2 דקות עבור כל תנאי, המתאימה לנקודות נתונים 240 בקצב מדידה של 2 הרץ. להשתמש בקוד Matlab עבור עיבוד נתונים על-ידי הפעלת הקוד מתוך שורת הפקודה תוכנה.הערה: הקוד מסופק להורדה בסעיף תוספת של כתב היד הזה. קובץ script זה מייבאת את קובץ הנתונים הגולמיים ההקלטה נתונים, מחשבת את שלב מהירות הסיבוב הממוצע, מספר ריינולדס (מתוך 3 הציוד בהתאם לקלט מהמשתמש) מקפיא את הערכים עבור כל אחד מהשלבים, מדמיין את התוצאות ואני מאחסן את התוצאות בטקסט השני קובץ, ואז שיכולה לשמש עוד יותר לעיבוד הנתונים. חיסור הערכים של מומנט שהושג כלי ריק מאלה נמדד הנוזל כדי להשיג את הערכים מומנט כוח יעיל. לחשב את כניסת מתח ומספר שהוא כוח מתוך הערכים מומנט זמן ממוצע לפי הציוד 1 ו- 2 הציוד.

Representative Results

תשומות כוח שונים ריאקטורים חד-פעמיים ושימוש רב עם כמויות העבודה בין 1 ליטר 10 L היו נחושים. הפרטים גיאומטרי מסוכמות בטבלה 2. במקרה של כלי חד-פעמי, העליון רכוב יציאות אבובים, housings פיר המדחף היה להסיר הצלחות ראש על מנת להתאים את כלי בעל כלי השיט. יתר על כן, המוטות פלסטיק מובנית חוברו הפיר מפלדת ששימש בשיתוף עם מיסב אוויר, אבל אין שינויים ותיקונים נוספים נדרשו. מומנט כוח נמדד עבור מהירויות המדחף בין 100 סל”ד ו- 300 סל ד בכלי unbaffled ובין 100 סל”ד ל 700 סל ד בכלי במבוכה, המתאים למהירויות עצה המרבי של 1.13 m·s-1 ו- 1.54 m·s-1 (ראה הציוד 4) בהתאמה. (4) המהירויות מסית מוגדר בקצה התחתון היו מוגבלים על ידי מומנט חיישן דיוק המדידה היחסית סטיית התקן של הפארמצבטית ± 0.2% ל- < 0.05% של מומנט כוח נומינלי בהתאמה (שצוין על-ידי יצרן36). יתר על כן, המהירויות מסית מרבית הוגדרו על ידי מומנט הנומינלי (0.2 Nm), במיוחד לטנק 10 L חקר, ויצירת מערבולת בכלי unbaffled. על מנת למנוע פגיעה החיישן, מומנט כוח מרבי במהלך המדידות הוגדר ב- 60% של מומנט כוח נומינלי (0.12 ננומטר) העומק מערבולת היה מוגבל כ 20 מ מ על סמך בדיקה ויזואלית. באמצעות העלייה stepwise המהירויות מסית המסתובבת, פרופיל אופייני מומנט מוצג באיור2. האות מומנט גדל עם כל צעד עלייה מהירות הסיבוב, כצפוי 1 הציוד. השיא לערכים בתוך האות מומנט נצפו לאחר כל כיוונון של מהירות המדחף, אשר יכולה להיות מוסברת על ידי התאוצה ההתחלתית של הנוזל ובקרת PID המהירות מסית. מדידות יציב בדאנטה התקבלו לאחר כ- 1 דקות, בהתאם למהירות הסיבוב המדחף בשימוש. תנודות שיורית בסביבות הזמן בממוצע הערך מומנט של השלב בודדים היו בדרך כלל בסביבות 5% הערך הממוצע עבור רוב המאיץ ומהירויות עצבנות חקר. להערכה נוספת, שימשו את הערכים מומנט שלב בממוצע, ואילו הפסגה פתול לאחר כל כיוונון מהירות התעלמה. בהתבסס על תדירות מדידה 2 הרץ, torques נמדד (TL) ייצג את הממוצע של נקודות נתונים 240 לפחות, אשר סיפקה וודאות סטטיסטית גבוהה מספיק, והיו סטיות תקן היחסי של ערכים אלה אומר נמוך מ 3% עבור הרוב המכריע של נקודות מדידה, המציינת מידה יציב אותות. מעניין, סטיות תקן ירד בדרך כלל עם הגדלת מהירויות עצבנות, אשר מציין את החשיבות היחסית של תנודות הנ ל ירידה עם עצבנות גבוה יותר. כפי הוכח קודמות35, מומנט מת, כלומר מומנט כוח נמדד ללא נוזל בתוך הכלי, אשר יכול להיות תוצאה של חיכוך הפסדים מיסב, חותמות, מנוע נסיעה או כפיפות קטן ב או חוסר איזון של פיר המדחף (במיוחד חד-פעמיים מפלסטיק המוטות), ניתן להפחית באופן משמעותי על ידי שימוש מיסב אוויר. באופן כללי, הערכים מומנט מת על התועמלנים פלדת אל-חלד היו קטנים יותר עבור אלה עשוי הפלסטיק. זו יכולה להיות מוסברת על ידי הרמה הגבוהה של נוקשות של המוטות פלדה, כשהתוצאה היא תנודה נמוך במהלך הסיבוב. עבור רוב התועמלנים בשימוש, שרידי torques מת עם מיסב אוויר היו נמוך כמו 0.5 mN·m, וכתוצאה מכך מתחת, או קרוב חיישן ברזולוציה של מד מומנט חלה (0.4 mN·m). מומנט מת שיורית הגבוה ביותר נצפתה ב ביוריאקטור #6, אשר משתמשת שכר טרחה של פיר המדחף בתחתית הכלי. במהלך סיבוב, הפיר המדחף התנגשו עם זה שכר טרחה אשר יכול גם להיות שנצפו במהלך הטיפוח-תרגול ניסויים, וכתוצאה מכך חיכוך נוספים. כפי שניתן לראות באיור 3, לאחר חישוב הכוח תשומות את torques יעיל (מבוסס על הציוד 1), התוויית אותם כפונקציה של מספרי ריינולדס (3 הציוד), פרופילים נפרדים התקבלו עבור כל התקשורת דגם נבדק. בכל אחת עקומות אלה, תשומות כוח גדל מספר ריינולדס גדל, והמדרון קרוב הגומלין PL רי3. המתאם הזה ניתן להשיג מן הציוד 2 ו- 3 הציוד כאשר בהנחה קוטר המדחף ומספר כוח קבוע. זה נמצא על התועמלנים כל נבדק עם R2 > 0.99. מנתוני שהושג מומנט ניסיוני, מאפייני כוח התועמלנים כל נחקר היו סוף סוף מחושב בהתבסס על הציוד 2 (ראה איור 4, איור 5, איור 6). הטורבינה ראשטון סטנדרטי שימש כנקודת התייחסות עם מספרי כוח מתועד היטב הספרות1,16,17,18,19,20, 21,22,23,24,25. כפי שניתן לראות מן דמות 4a, המספר כוח בתוך הכלי 2 L קטנים יותר (ביוריאקטור #1) ירד במספרי ריינולדס נמוך (100 < מחדש < ≈500) מ- P0 = 6.3 ל P0 ≈ 3.3 לפני זה עלה שוב מעל Re ≈ 2000. מספר כוח קבוע כמעט פיקה0 = 4.17±0.14 הושג בתנאים הסוערים באופן מלא (מחדש > 104). ערך השוואה של P0 = 4.34±0.22 נקבע עבור כלי גדול עם אמצעי אחסון של עבודה 10 L (ביוריאקטור #2), ואילו כמה סטיות בין שני קשקשי נמצאו עבור הטווח המעבר עם 600 < מחדש < 104 (ראה איור 4a). למרות זאת, מגמות איכותי בשני סולמות הסכימה באופן מלא עם ספרות נתונים1,19, איפה היה תשומות כוח הטורבינה ראשטון יחיד 20 L1 ו- 40 L19 עבודה כרכים . נקבע, בהתאמה. יצוין כי כוח עבור הטווח הסוערים המספרים נמוך יותר מאשר אלה המסופקים על ידי הפניית הנתונים של P0 ≈ 4.719 ו P0 ≈ 5.5 עד 25%1. אולם, ישיר השוואה קשה לעיתים קרובות בגלל טכניקות מדידה שונות השתמשו וכן סטיות בפרמטרים גיאומטרי, כולל את היחס בין קוטר (d/D), את האישור את המדרגה (תז/D) בתחתית מיכל ו ולהביך גאומטריה. חוקרים אחרים נמצאו מספרי כוח עבור טורבינות ראשטון בכלי במבוכה בטווח של 3.6 ל 5.9, בהתאם קדירות הגיאומטריה כלי המשמש17,18,21,24, 27,29,37,38. לפיכך, אפשר לטעון כי התוצאות הנוכחית היו מספק. ב- איור 4b, מספרי כוח ריאקטורים #3 ו- #4, עם כמויות עבודה 1 L ו- 2 ל’ בהתאמה, בהשוואה למספרים רחב טווח של ריינולדס. ערכי0 P התועמלנים גאומטרית דומה שני ירד באופן רציף בטווח המעבר והפך קבוע (ביוריאקטור #3: P0 = 3.67±0.06; ביוריאקטור #4: P0 = 4.46±0.05)-מערבולת מפותחת עם רי > 10 4, קריטריון כי בעבר כבר מצאו את הטורבינה ראשטון, אחרים התועמלנים38. מעניין, היסט כמעט קבוע בין שני קשקשי נצפתה, אשר יכולה להיות מוסברת על ידי הבדלים גיאומטריות כלי הקיבול של המדחף. אף-על-פי תצורת המדחף בכלי שני דומה, לא ניתן היה לשמור את כל הפרמטרים גיאומטרי קבוע. לדוגמה, הכלי 1 ליטר מצויד עם שובל הזרימה מובנית רק שני, בעוד הספינה 2 ל’ היה מצויד שובל הזרימה שלוש. ידוע כי גדל מספר כוח כמו מספר שובל הזרימה עולה, עד מצב קריטי חיזוק מושגת38, הוא… יתר על כן, צורת הדיסק המדחף כלי קטן יותר היה צריך להיות שונה עבור יכולת הייצור, אשר יכול להשפיע על הקלט כוח. יש גם לציין כי הערכים מומנט כוח נמדד בכלי קטן היו רק בין 4.2 mN·m mN·m 12.8, אשר מתאים רק עד 6% לפיתול הנומינלי מד מומנט בשימוש. בטווח זה, באפשרותך סטיות קטנות בתוך האות המדידה יש השפעה משמעותית על התוצאות. מאז אין נתוני השוואה של הפניה מדידות זמינים, קשה להסיק מסקנות הסופי על אמינות המדידה על המידה הקטן ביותר השתמשו במחקר זה, חקירות נוספות נחוצים. איור 5 מציג את מאפייני כוח של שלושה ריאקטורים חד-פעמיים זמינים מסחרית חקר. בניגוד כלי במבוכה, מספרי כוח התועמלנים חד-פעמיים ירד באופן רציף על המספרים בטווח המלא של ריינולדס חקר (100 < מחדש < 3·104), ו אין ערכים קבועים התקבלו בשל המערבולת מתקדמת צורה במחירים גבוהים עצבנות בכלי unbaffled. המספרים הגבוהים ביותר כוח של בין P0 ≈ 6 P0 ≈ 1.8 התקבלו עבור ביוריאקטור #5, אשר סוער על ידי המדחף בצורה רדיאלית שאיבה של להב המדחף להב axially שאיבה של קטע עם להבים 45 ° זרק. צפויים, נמוך כוח מספרי בין P0 ≈ 5.1 P0 ≈ 1.1 התקבלו עבור ביוריאקטור #7, אשר סוער על ידי שני המאיץ להב קטע עם 30 ° זרק להבים וכתוצאה מכך זרימה צירית בעיקר. זה ידוע שיש זרימה צירית המאיץ מספרים חשמל קטנים יותר זרימה רדיאלי המאיץ להב עקב התנגדויות זרימה נמוכה יותר להבי ויחנו38. יצוין כי נתוני ניסיוני הקלט כוח ביוריאקטור #7 שהיו שדווחה בעבר32 הם קצת יותר גבוה (למשל P0 = 1.9 עבור Re = 1.4·104). עם זאת, הנתונים שפורסמו בעבר הראו את אותו קשר של P0 Re-0.336 כפי שנמצאו במחקר. טכניקות מדידה שונים יכול להיות אחראי הערכים המוחלטים שונים. בין ריאקטורים חד-פעמיים ובדוקים, ביוריאקטור #6, אשר מעורב על ידי אחד התחתונה הקרובה ימית המדחף, היו המספרים כוח הנמוך בטווח של P0 ≈ 0.8 ו P0 ≈ 0.3 (ראה איור 5). ניתנים להסבר זה קלט צריכת חשמל נמוכה המגרש המדחף נמוך, אף-על-פי ניתוח חישובית דינמיקה של נוזלים (CFD) הראה מרכיב דומיננטי אלא זרימה רדיאלי סביב להבי המדחף39. יכול להיות כאמור הסכם טוב של התוצאות הנוכחית, נתונים שפורסמו CFD מודלים39 , ניסויים32 . לבסוף, הגדרת מדידה שימש לחקור את ההשפעה של המדחף קוטר ולהב הזווית ברדיאנים ביוריאקטור #7. כפי שניתן לראות באיור6, עקומות כוח כל ירידה ברציפות מעל המספרים בטווח המלא של ריינולדס, כצפוי. התקבלו הבדלים משמעותיים בין הזוויות להב שני (30° ו 45°), שבו הזווית להב גדול היה תשומות כוח גבוה יותר (עם 30°: 1.13 < P0 < 4.25 ו ° 45: 1.65 < P0 < 4.46) ללא התחשבות מהתסיסה (קרי ריינולדס מספר). זו ידועה גם המאיץ להב משופע קלאסית40 , שוב יכול להיות מוסבר על ידי המחתרת זרימה גבוהה את הלהבים עם גובה צליל חזק יותר. מעניין, אין הבדלים משמעותיים המספרים כוח בין הקוטר המדחף שני אותרו. זה גם כבר מצאו עבור המאיץ להב משופע, בעוד המספרים כוח של זרימה רדיאלי להב המאיץ בדרך כלל נוטים להקטין ככל היחס d/D40. איור 1: סכימטי של ההתקנה מבחן. הגדרת מורכב למיכל ערבוב (1), (2) כלי מחזיק, (3) מיסב כלוב עם התותב אוויר, מד מומנט (4), מנוע נסיעה (5), (6) A/D ממיר, יחידת בקרה (7), (8) PC עבור רכישת נתונים ושליטה. נשוף אוויר (5.5 bar) סופקה עבור התותב אוויר, כמומלץ על ידי היצרן. הממדים גיאומטרי הראשי של הטנק ערבוב של התועמלן גם מצוינים. איור זה השתנה מ35. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת. איור 2: פרופיל מדידה טיפוסית עם עלייה stepwise מהירות הסיבוב של מסית (כלומר N1 < N2 < N3) במרווחים 5 דקות, כמצוין על-ידי קווים מקווקווים אנכי. קווים מקווקווים אופקי מייצגים בר-סמך 5% סביב הערכים מומנט זמן ממוצע עבור השלבים המתאימים (מסומן על ידי קווים אופקיים מוצק). ערכי שיא נצפו במהלך הדקה הראשונה של כל מרווח, אשר יכולה להיות מוסברת על ידי האצה הראשונית של נוזלי בתוך שהטנקים וב -PID מבוסס מסית ספיד קונטרול. עבור עוד יותר שימש להערכה, רק האות מומנט במהלך שלב יציב הקבועה, שבה האות מדידה נע סביב הממוצע בממוצע ערך בתוך מרווח הביטחון 5%. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת. איור 3: חישוב כוח קלט ביוריאקטור #1 כפונקציה של מספר ריינולדס עבור מדיה מודל שונה. פרופילים נפרדים התקבלו עבור כל התקשורת דגם נבדק. הקווים מוצק מייצגים מודל תחזיות בהנחה P רי3 והסכם טוב מאוד עם המידע מהניסוי נמצאה (עם R2 > 0.99). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת. איור 4: נקבע מספרי כוח כפונקציה של מספר ריינולדס במיכלים במבוכה. (א) השוואה של נתוני טורבינות ראשטון במכלים קטנים וגדולים (עם 2 ל’ ו- L 10 עובדים נפח בהתאמה) מראה כי המספרים שהוא כוח עבור תנאים מלא הסוערים שוות בין שני קשקשי. סטיות קטנות נמצאו עבור הטווח המעבר עם מחדש < 104, שבו מספר כוח מוגבר כמספר ריינולדס גדל. (ב) השוואת נתונים ריאקטורים #3 ו- #4 מציג ירידה דומה איכותית של המספרים כוח כמספר ריינולדס גדל עד יציב הערכים מתקבלים בתנאים הסוערים באופן מלא. מספרי כוח 1 ליטר ביוריאקטור להראות תנודות גבוה יותר בהשוואה לכנף 2 ל’. אין נתונים עבור הספינה 1 ליטר התקבלו עבור ריינולדס מספרים בטווח 550 < מחדש < 950 בעת שימוש באותה מדיה מודל כמו הספינה 2 ל'. ההיסט כמותית בין המשקל יכולה להיות מוסברת על ידי הבדלים גיאומטריות כלי השיט, מסית או יכול להיות תוצאה של רגישות חיישן. חקירות נוספות נדרשות. הקווים מוצק מייצגים הרגרסיה פולינום מודלים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת. איור 5: נקבע מספרי כוח כפונקציה של מספר ריינולדס עבור ריאקטורים לשימוש יחיד שונה. המספרים כוח עבור כל אחד בכלי הדם ירד כמו המספרים ריינולדס גדל. בניגוד כלי במבוכה, אין כוח יציב מספרים התקבלו בשל היווצרות מערבולת מתקדם במחירים גבוהים עצבנות בכלי unbaffled. הקווים מוצק מייצגים הרגרסיה פולינום מודלים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת. איור 6: נקבע מספרי כוח כפונקציה של מספר ריינולדס עבור שינויים ביוריאקטור #7- פרופילים נפרדים התקבלו משתי זוויות שונות להב של 30° ו 45°, אך אין הבדלים משמעותיים בין שני המדחף קוטר יחסי (d/D = 0.43 ו- d/D = 0.57) נמצאו. מספרי כוח כל התצורות הראה רציפה ירידה מעל המספרים בטווח המלא של ריינולדס נחקרו בשל היווצרות מערבולת מתקדם במחירים גבוהים עצבנות בכלי unbaffled. הקווים מוצק מייצגים הרגרסיה פולינום מודלים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת. ריכוז סוכרוז הסופי צפיפות נוזל ρL צמיגות הנוזל ηL מספר ריינולדס מחדש (%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 טבלה 1: סיכום של צפיפות נוזל צמיגויות עבור נבחרת סוכרוז פתרונות 20 ° C, וכתוצאה מכך שהוא מספר ריינולדס עבור המדחף עם קוטר, מהירות הסיבוב של 60 מ מ ו- 200 סל”ד, בהתאמה. מספר ריינולדס מחושבת באמצעות הציוד 3. בטבלה 2: סיכום של הפרטים גיאומטרי של ריאקטורים חקר. אנא לחץ כאן כדי להוריד את הקובץ.

Discussion

למרות החשיבות של הקלט (ספציפיים) החשמל עבור אפיון הנדסי, שינוי קנה מידה-למעלה/למטה של ריאקטורים, רק כמה פרסומים על חקירות ניסיוני benchtop סולם ריאקטורים, במיוחד לשימוש יחיד מערכות ספרה אחת ליטר נפח טווח, ניתן למצוא בספרות. אחת הסיבות חוסר נתונים ניתן לראות את הקשיים של מידות קלט כוח מדויק קשקשים קטנים כאלה. על מנת להתגבר על קשיים אלה, המחקר הנוכחי מספק נוהל מפורט מומנט המבוסס על כוח הקלט מדידות הנתמכים על-ידי מיסב אוויר כדי למזער את התביעות חיכוך ב הנושאת. תחולתה של השיטה הודגם באמצעות שלושה ריאקטורים חד-פעמיים זמינים מסחרית, וכן לשימוש רב ריאקטורים לטאה בין 1 ליטר 10 L אמצעי אחסון של עבודה.

על סמך הניסיון שלנו עם המדידות מומנט מבוסס, הגורמים הקריטיים ביותר לכתובת הם: 1) לצמצם את מומנט מת על-ידי מזעור ההפסדים החיכוך בתוך המיסבים חותמות, בפרט במעבדה קנה מידה ריאקטורים, ומבחר 2) מד מומנט מתאימים עבור התנאים גודל ועצבנות ביוריאקטור הרצוי. כפי שהוצגה קודם³⁵, מומנט מת יכול להיות מופחת באופן דרמטי על ידי שימוש מיסב אוויר. במחקר הנוכחי, שימש את התותב אוויר בעלות נמוכה עשוי מחומר פחם נקבובי. מומנט שיורית של כלי ריק שנבדקו היו בדרך כלל מתחת mN·m 0.5 עם עצבנות שיעור של עד 900 סל ד, המתאים המדחף עצה במהירויות של עד 3 m·s^-1. לעומת זאת, היה מת לפיתול ביוריאקטור #6 עם מיסב מובנה פיר מכני, לדוגמה, בין 9.4 mN·m 20 mN·m, ערכי השוואה של mN·m סביב 3 דווחו גם עבור ביוריאקטור #7³². זהו אחד בסדר גודל גבוה יותר מאשר הערכים שהתקבלו בכיוונון ניסיוני המוצע.

מלבד מיסב אוויר, מד מומנט בשימוש הוא המרכיב הקריטי ביותר. מד מומנט זמין מסחרית המיועד למדידת מומנט סטטיים ודינמיים, מהירות הסיבוב, זווית הסיבוב נבחר במחקר זה. בהתחשב ריאקטורים עניין עם נפחי עבודה מרבי 10 L ואת התועמלנים המתאימים, מומנט הנומינלי של 0.2 N·m נבחר. התברר כי הפארמצבטית גבוהה עם סטיית תקן היחסי של משכפל < 5%, ניתן לקבל מדידות אמין עבור המתחילים mN·m 2, המתאימים בלבד 1% מומנט כוח נומינלי אפקטיבי torques. לפיכך, טווח מדידה של החיישן ליישם את המחקר הנוכחי היה משמעותי יותר מאשר תוצאות אשר פורסמו מבוסס על מחקר inter-laboratory של חברי קבוצת העבודה GVC גרמני-VDI על ערבוב⁴¹.

יחד עם זאת, טווח מהירות מסית צריך שנבחרו בקפידה ביחס הרזולוציה חיישן מומנט כוח, מומנט הנומינלי ויצירת מערבולת. האחרון לעיתים קרובות מתהווה נסער במהירויות גבוהות unbaffled ריאקטורים והיא יכולה לגרום נזק מד מומנט. שתי המהירויות מסית ריאלי מינימלי ומקסימלי יכול להיות הגבלת גורמים של השיטה המתוארים במחקר זה. בנוסף קודמים שלנו לעבוד³⁵, מחקר זה מעורב גם את ביוריאקטור #3, האיבר הקטן ביותר במשפחה ביוריאקטור זכוכית המסופקים על ידי היצרן, אשר סוער על ידי שני שלבים המאיץ עם קטרים של 42 מ מ. מאפיין כוח דומה לזה ב ביוריאקטור גאומטרית דומה #4 הושג עם הגדרת ניסיוניים שהוצגו. זה בולט מאז מומנט מאזני באות M d⁵ נתון צפיפות נוזל, גיאומטריה המדחף (קרי מספר כוח), מהירות הסיבוב (ראה הציוד 1 ו- 2 הציוד). כתוצאה מכך, כ-40% נמוך המדחף מומנט נובעת 10% קטן קוטר המדחף, לדוגמה. למרות זאת, במהירויות גבוהות המסתובבת בסולם 1 ליטר יותר בסולם 2 ל’ נדרשו במהלך פעולה כדי לפתור את מומנט המיוצר עם מד מומנט זמין. שובל הזרימה מובנה של ביוריאקטור #3, היווצרות מערבולת לא נצפתה, אלא זה יכול להיות בעיה עם כלי unbaffled. יודגש כי הקבוע לקזז את המספרים כוח שנמצא בין שתי המאזניים יכול לנבוע אי-דיוקים המדידה הנגרמת על ידי הרזולוציה חיישן מוגבלת (בנוסף הבדלים גיאומטריים). חקירות נוספות נדרשים להסיק מסקנות הסופי בסולם המינימלי שבו ההגדרה המוצעת תהיה עדיין ריאלי.

למרות זאת, באותו הפרוטוקול שימש למדידות קלט כוח בכלי זכוכית שונים מיצרנים שונים עם עבודה בנפחים של בין 1 ליטר L 10 במעבדה שלנו. זה מדגיש את transferability של שיטת בשימוש עבור אפיון מערכות ביוריאקטור שונים. המאמץ ניסיוני יכול להיות מופחת על ידי מדידות אוטומטיות באמצעות ניהול מתכון בתוך מערכת אוטומציה שמספקת התוכנה יחידת בקרה, עיבוד נתונים אוטומטי בהתבסס על השפה האוניברסלית של Matlab.

עוד, יצוין כי על-ידי שימוש של סוכרוז המכיל, מדיה זולה דגם הניוטונית, מספר רחב טווח של ריינולדס (100 < מחדש < 6·10⁴), בהתאם מסית, קנה מידה, היה מכוסה. חשוב גם להדגיש כי הגבול התחתון של הטווח מערבולת הוא בדרך כלל לא רלוונטי עבור תרביות תאים בעלי חיים עם המדיה, כמו מים, אפילו אם במהירויות נמוכות מאוד המדחף משמשים. עם זאת, עליות משמעותיות צמיגות מרק, כשהתוצאה היא מערבולת השיכוך, אפילו לא-ניוטונים והתנהגות תוארו פטריות- ולשתול מבוססת תא תרבויות. לדוגמה, לכאורה צמיגויות בתרבויות צמח של עד 400-fold לעומת מים כבר דווח על⁴², אשר מוביל להורדת הרבה מספרי ריינולדס.

לבסוף, בעזרת את ביוריאקטור #7 כמקרה הראשון, זה הוכח כי הגדרת הניסוי המוצע יכול לשמש כדי לחקור את ההשפעה של שינויים עיצוב על הקלט כוח בקנה מידה מעבדה. בשילוב עם טכניקות שטנץ מהירה, זה יכול להיות כלי רב עוצמה עבור לימודי העיצוב המדחף, שתהווה חלקי העבודה בעתיד.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

המחברים רוצה להודות דיטר Häussler, Gautschi לנצח לסיוע שלהם במהלך הצילומים ניסיוני למעלה. אנחנו גם מודה קרוליין הייד על הוכחה אנגלית-קריאה.

Materials

T20WN torque meter	HBM Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH	Nominal torque 0.2 Nm
Spider-8	HBM Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH	HBM Spider8 is no longer available for sale. QuantumX DAQ system (especially the QuantumX modules MX840A and MX440A) are recommended.
Catman easy software	HBM Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH	Version 4.2.2
Air bearing	IBS precision engineering	13 mm air bushing
Stainless steel impeller shaft	Bioengineering AG	Shaft tolerance -0.0076 mm
Brushless motor AKM2	Kollmorgen
Metal bellow coupling	Uiker AG
Finesse RDPDmini control unit	Finesse, a part of Thermo Fisher Scientific	No longer supported (the replacement product G3Lab universal controller can be used)
Sucrose	Migros Schweiz AG	Food grade
Matlab software	Mathworks	Version R2017a
Finesse μTruBio PC software	Finesse, a part of Thermo Fisher Scientific	Version 3.1 (no longer supported)
SmartGlass 1L	Finesse, a part of Thermo Fisher Scientific	referred to as Bioreactor 1L in Table 2
SmartGlass 3L	Finesse, a part of Thermo Fisher Scientific	referred to as Bioreactor 3L in Table 2
SmartVessel 3L	Finesse, a part of Thermo Fisher Scientific	referred to as Single-Use 3L Bioreactor in Table 2
Mobius CellReady 3L	Merck Millipore	referred to as Cell Ready Single-Use 3L Bioreactor in Table 2
UniVessel SU 2L	Sartorius Stedim Biotech	referred to as Single-Use 2L Bioreactor in Table 2

References

Shiue, S. J., Wong, C. W. Studies on homogenization efficiency of various agitators in liquid blending. Can. J. Chem. Eng. 62, 602-609 (1984).
Zlokarnik, M. . Rührtechnik — Theorie und Praxis. , (1999).
Ghotli, A. R., Raman, A. A. A., Ibrahim, S., Baroutian, S. Liquid-liquid mixing in stirred vessels: a review. Chem. Eng. Commun. 200, 595-627 (2013).
Arjunwadkar, S. J., Sarvanan, K., Kulkarni, P. R., Pandit, A. B. Gas-liquid mass transfer in dual impeller bioreactor. Biochem. Eng. J. 1, 99-106 (1999).
Hari-Prajitno, D., Mishra, V. P., Takenaka, K., Bujalski, W., Nienow, A. W., McKemmie, J. Gas-liquid mixing studies with multiple up- and down-pumping hydrofoil impellers: power characteristics and mixing time. Can. J. Chemical Eng. 76, 1056-1068 (1998).
Wichterle, K. Heat transfer in agitated vessels. Chem. Eng. Sci. 49, 1480-1483 (1994).
Angst, R., Kraume, M. Experimental investigations of stirred solid/liquid systems in three different scales: particle distribution and power consumption. Chem. Eng. Sci. 61, 2864-2870 (2006).
Cherry, R., Papoutsakis, E. T. Hydrodynamic effects on cells in agitated tissue culture reactors. Bioprocess Eng. 1, 29-41 (1986).
Chalmers, J. J. Shear sensitivity of insect cells. Cytotechnology. 20, 163-171 (1996).
Ma, N., Mollet, M., Chalmers, J. J., Ozturk, S. S., Hu, W. -. S. Aeration, mixing and hydrodynamics in bioreactors. Cell Culture Technology for Pharmaceutical and Cell-Based Therapies. , 225-248 (2006).
Chisti, Y., Flickinger, M. C., Drew, S. W. Shear Sensitivity. Encyclopedia of Bioprocess Technology. , 1719-1762 (2002).
Oosterhuis, N. M. G., Kossen, N. W. F. Power input measurements in a production scale bioreactor. Biotechnol. Lett. 3, 645-650 (1981).
King, R. L., Hiller, R. A., Tatterson, G. B. Power consumption in a mixer. AIChE J. 34, 506-509 (1988).
Brown, D. E. The measurement of fermenter power input. Ind. Chem. 16, 684-688 (1997).
Bourne, J. R., Buerli, M., Regenass, W. Heat transfer and power measurements in stirred tanks using heat flow calorimetry. Chem. Eng. Sci. 36, 347-354 (1981).
Böhme, G., Stenger, M. Consistent scale-up procedure for the power consumption in agitated non-newtonian fluids. Chem. Eng. Technol. 11, 199-205 (1988).
Reséndiz, R., Martínez, A., Ascanio, G., Galindo, E. A new pneumatic bearing dynamometer for power input measurement in stirred tanks. Chem. Eng. Technol. 14, 105-108 (1991).
Distelhoff, M. F. W., Laker, J., Marquis, A. J., Nouri, J. M. The application of a strain gauge technique to the measurement of the power characteristics of five impellers. Exp. Fluids. 20, 56-58 (1995).
Ibrahim, S., Nienow, A. W. Power curves and flow patterns for a range of Impellers in Newtonian fluids: 40 < Re < 5×10^5. Chem. Eng. Res. Des. 73, 485-491 (1995).
Karcz, J., Major, M. An effect of a baffle length on the power consumption in an agitated vessel. Chem. Eng. Process. Process Intensif. 37, 249-256 (1998).
Houcine, I., Plasari, E., David, R. Effects of the stirred tank’s design on power consumption and mixing time in liquid phase. Chem. Eng. Technol. 23, 605-613 (2000).
Chen, Z. D., Chen, J. J. J., Gupta, B., Ibrahim, S. . A study of agitated gas-liquid reactors with concave blade impellers. , 43-56 (2000).
Chapple, D., Kresta, S. M., Wall, A., Afacan, A. The effect of impeller and tank geometry on power number for a pitched blade turbine. Chem. Eng. Res. Des. 80, 364-372 (2002).
Gill, N. K., Appleton, M., Baganz, F., Lye, G. J. Quantification of power consumption and oxygen transfer characteristics of a stirred miniature bioreactor for predictive fermentation scale-up. Biotechnol. Bioeng. 100, 1144-1155 (2008).
Cudak, M. Hydrodynamic characteristics of mechanically agitated air – aqueous sucrose solutions. Chem. Process Eng. 35, 97-107 (2014).
Kuboi, R., Nienow, A. W., Allsford, K. A multipurpose stirred tank facility for flow visualisation and dual impeller power measurement. Chem. Eng. Commun. 22, 29-39 (1983).
Wu, J., Zhu, Y., Pullum, L. Impeller geometry effect on velocity and solids suspension. Chem. Eng. Res. Des. 79, 989-997 (2001).
Amanullah, A., Serrano-Carreon, L., Castro, B., Galindo, E., Nienow, A. W. The influence of impeller type in pilot scale xanthan fermentations. Biotechnol. Bioeng. 57, 95-108 (1998).
Saito, F., Nienow, A. W., Chatwin, S., Moore, I. P. T. Power, gas dispersion and homogenisation Characteristics of SCABA SRGT and Rushton turbine impellers. J. Chem. Eng. Japan. 25, 281-287 (1992).
Ascanio, G., Castro, B., Galindo, E. Measurement of power consumption in stirred vessels – a review. Chem. Eng. Res. Des. 82, 1282-1290 (2004).
Vilaça, P. R., Badino, A. C., Facciotti, M. C. R., Schmidell, W. Determination of power consumption and volumetric oxygen transfer coefficient in bioreactors. Bioprocess Eng. 22, 261-265 (2000).
van Eikenhorst, G., Thomassen, Y. E., van der Pol, L. A., Bakker, W. M. Assessment of mass transfer and mixing in rigid lab-scale disposable bioreactors at low power input levels. Biotechnol. Prog. 30, 1269-1276 (2014).
Eibl, D., Peuker, T., Eibl, R., Eibl, R., Eibl, D. Single-use equipment in biopharmaceutical manufacture: A brief introduction. Single-Use Technology in Biopharmaceutical Manufacture. , 3-11 (2010).
Eibl, R., Kaiser, S., Lombriser, R., Eibl, D. Disposable bioreactors: the current state-of-the-art and recommended applications in biotechnology. Appl. Microbiol. Biotechnol. 86, 41-49 (2010).
Kaiser, S. C., Werner, S., Jossen, V., Kraume, M., Eibl, D. Development of a method for reliable power input measurements in conventional and single-use stirred bioreactors at laboratory scale. Eng. Life Sci. 17 (5), 500-511 (2016).
Nienow, A. W., Miles, D. Impeller power numbers in closed vessels. Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev. 10, 41-43 (1971).
Liepe, F., Sperling, R., Jembere, S. . Rührwerke – Theoretische Grundlagen, Auslegung und Bewertung. , (1998).
Kaiser, S. C., Werner, S., Eibl, D., Eibl, R., Eibl, D. CFD as tool to characterize single-use bioreactors. Single-Use Technology in Biopharmaceutical Manufacture. , 264-279 (2010).
Liepe, F. Verfahrenstechnische Berechnungsmethoden Teil 4: Stoffvereinigen in fluiden Phasen – Ausrüstungen und ihre Berechnung. VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie. , (1988).
Kraume, M., Zehner, P. Experience with experimental standards for measurements of various parameters in stirred tanks: a comparative test. Chem. Eng. Res. Des. 79, 811-818 (2001).
Werner, S., Greulich, J., Geipel, K., Steingroewer, J., Bley, T., Eibl, D. Mass propagation of Helianthus annuus suspension cells in orbitally shaken bioreactors: Improved growth rate in single-use bag bioreactors. Eng. Life Sci. 14, 676-684 (2014).

Play Video

PDF

DOI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite This Article

Kaiser, S. C., Werner, S., Jossen, V., Blaschczok, K., Eibl, D. Power Input Measurements in Stirred Bioreactors at Laboratory Scale. J. Vis. Exp. (135), e56078, doi:10.3791/56078 (2018).

Automatically Generated