Misure di potenza ingresso in bioreattori agitate a scala di laboratorio

Gli ingressi di potenza in diversi bioreattori multi-uso e monouso con volumi di lavoro tra 1 e 10 litri sono stati determinati. I dettagli geometrici sono riassunti nella tabella 2. In caso i vasi monouso, il top montato porte della tubazione e alloggiamenti albero girante ha dovuto essere rimosso dalle piastre testa al fine di adattare i vasi nel porta vaso. Inoltre, gli alberi di plastica incorporati sono stati fissati all’albero in acciaio inox che è stato utilizzato in combinazione con il cuscinetto di aria, ma senza ulteriori modifiche sono stati richiesti. La coppia è stata misurata per velocità girante tra 100 e 300 giri/min nei vasi unbaffled e tra 100 e 700 giri/min nei vasi sconcertati, corrispondente ad una velocità di punta massima della 1,13 relativa-1 e 1,54 relativa-1 (Vedi EQ. 4), rispettivamente. (4) Le velocità agitatore definiti all’estremità inferiore sono state limitate dalla precisione di misurazione del sensore di coppia e la deviazione standard relativa di riproducibilità di ± 0,2% e < 0.05% della coppia nominale rispettivamente (specificato dal produttore36). Inoltre, la velocità massima agitatore sono stati definiti dalla coppia nominale (0,2 Nm), in particolare per il serbatoio di 10 L studiato e formazione di vortice nei vasi unbaffled. Al fine di evitare di danneggiare il sensore, la coppia massima durante la misurazione è stata definita al 60% della coppia nominale (0.12 Nm) e la profondità del vortice era limitata a circa 20 mm basato su ispezione visiva. Con l’aumento graduale nelle velocità di rotazione dell’agitatore, un profilo di coppia tipico è mostrato nella Figura 2. Il segnale di coppia di torsione aumentata con ogni passo aumento la velocità di rotazione, come previsto da EQ. 1. I valori di picco del segnale di coppia sono stati osservati dopo ogni regolazione della velocità girante, che può essere spiegata tramite l’accelerazione iniziale del liquido ed il controllo di PID della velocità dell’agitatore. Quasi stabile misure sono state ottenute dopo 1 min circa, a seconda della velocità di rotazione e la girante. Il residue fluttuazioni intorno il tempo media valore di coppia della fase individuale erano solitamente circa 5% del valore medio per la maggior parte delle giranti e velocità di agitazione studiato. Per ulteriore valutazione, sono stati utilizzati i valori di coppia di fase media, considerando che il picco di coppia dopo ogni regolazione di velocità è stato ignorato. Base alla frequenza di misurazione di 2 Hz, i valori misurati delle coppie (TL) rappresentata la media di un minor numero di punti 240 dati, che ha fornito una certezza statistica sufficientemente elevata, e le deviazioni standard relative di questi valori medi sono stati inferiori al 3% per la maggior parte dei punti di misura, che indica i segnali di misurazione stabile. Interessante, le deviazioni standard in genere è diminuite con l’aumento della velocità di agitazione, che indica che l’importanza relativa delle suddette fluttuazioni diminuiscono con maggiore agitazione. Come è stato dimostrato precedenti35, la coppia di morta, cioè la coppia misurata senza liquido all’interno della nave, che può essere un risultato di perdite di attrito nel cuscinetto, guarnizioni e l’azionamento del motore o piccole piegature in o squilibri dell’albero della girante (specialmente in gli alberi in plastica monouso), possono essere sostanzialmente ridotti mediante l’uso del cuscinetto di aria. In generale, i valori di coppia morto degli agitatori in acciaio inox erano più piccoli di quelle fatte della plastica. Ciò può essere spiegato dal più alto livello di rigidità degli alberi in acciaio, che si traduce in oscillazione inferiore durante la rotazione. Per la maggior parte degli Agitatori usati, le coppie di morta residua con il cuscinetto di aria erano più bassa come 0,5 MN · m e, di conseguenza, di sotto o vicino la risoluzione del sensore di misuratore di coppia applicata (0,4 MN · m). il più alta coppia residua morta è stata osservata nel bioreattore #6, che utilizza un fermo albero girante sul fondo del vaso. Durante la rotazione, albero della girante si scontrò con quello del fermo, che può anche essere osservato durante gli esperimenti di coltivazione, con conseguente attrito supplementare. Come si può vedere dalla Figura 3, dopo il calcolo della potenza ingressi dalle coppie efficace (basata su EQ. 1) e li stampa in funzione dei numeri di Reynolds (EQ. 3), profili individuali sono stati ottenuti per ciascuno dei media modello testato. In ognuna di queste curve, l’input di potere aumentato il numero di Reynolds maggiore e le piste erano vicino il rapporto PL Re3. Questa correlazione è ottenibile da EQ. 2 e 3 EQ. quando assumendo un diametro di numero e girante di potenza costante. Questo è stato trovato per tutti gli agitatori testati con R2 > 0,99.  Dai dati sperimentali ottenuti coppia, le caratteristiche di potenza di tutti gli agitatori studiati sono stati infine calcolate sulla base EQ. 2 (Vedi Figura 4, Figura 5, Figura 6). La turbina Rushton standard è stata utilizzata come riferimento con i numeri di potere ben documentato nella letteratura1,16,17,18,19,20, 21,22,23,24,25. Come si può vedere dalla Figura 4a, il numero di potenza nel più piccolo vaso 2L (bioreattore #1) è diminuito a bassi numeri di Reynolds (100 < Re < ≈500) da P0 = 6.3 a P0 ≈ 3.3 prima aumentò di nuovo sopra Re ≈ 2000. Un numero quasi costante potenza di P0 = 4.17±0.14 è stata ottenuta in condizioni completamente turbolente (Re > 104). Un valore comparabile di P0 = 4.34±0.22 è stata determinata per la più grande nave con volume di lavoro di 10 L (bioreattore #2), mentre alcune deviazioni tra le due scale sono state trovate per la gamma di transizione con 600 < Re < 104 (Vedi figura 4a). Tuttavia, le tendenze qualitative in entrambe le scale concordato pienamente con letteratura dati1,19, dove è stato l’input di potere di una sola turbina Rushton in 20 L1 e 40 L19 lavoro volumi determinati, rispettivamente. Si noti che i numeri di potenza per la gamma turbolento sono fino al 25% inferiore rispetto a quanto previsto dai dati di riferimento di P0 ≈ 4,719 e P0 ≈ 5.51. Tuttavia, diretto confronto è spesso difficile a causa delle tecniche di misurazione differenti utilizzate come pure le deviazioni dei parametri geometrici, tra cui il rapporto di diametro (d/D), la clearance di sconto inferiore (z/dM) e il fondo del serbatoio e deflettore di geometria. Altri ricercatori hanno trovato i numeri di potere per turbine Rushton nei vasi sconcertati in una gamma di 3.6 a 5,9, a seconda dell’agitatore e la geometria della nave usato17,18,21,24, 27,29,37,38. Così, si può affermare che i risultati attuali sono stati soddisfacenti. In Figura 4b, i numeri di potere dei bioreattori #3 e #4, con volumi di lavoro 1 e 2 litri rispettivamente, vengono confrontati per i numeri di una vasta gamma di Reynolds. I valori di0 P i due agitatori geometricamente simili è diminuito continuamente la gamma di transizione ed è diventato costanti (bioreattore #3: P0 = 3.67±0.06; bioreattore #4: P0 = 4.46±0.05) alle turbolenza pienamente sviluppata con Re > 10 4, un criterio che precedentemente è stato trovato per la turbina Rushton e altri agitatori38. Interessante, un offset quasi costante tra le due scale è stato osservato, che può essere spiegata da differenze nelle geometrie nave e girante. Anche se la configurazione di girante nei due vasi è simile, non era possibile mantenere tutti i parametri geometrici costante. Ad esempio, la nave di 1 L è dotata di solo due deflettori incorporati, mentre l’imbarcazione 2L era equipaggiata con tre deflettori. È noto che il numero di potenza aumenta come il numero dei deflettori aumenta, fino a quando una condizione di rinforzo critico è raggiunto38. Inoltre, la forma del disco girante nel vaso più piccolo doveva essere modificato per la producibilità, che potrebbero avere un’influenza sull’ingresso di alimentazione. Dovrebbe anche essere notato che i valori di coppia misurata nel vaso più piccolo erano solo tra 4,2 MN · m e 12,8 MN · m, che corrisponde solo fino al 6% della coppia nominale del misuratore di coppia usato. In questa gamma, piccole deviazioni del segnale di misura possono avere un impatto significativo sui risultati. Poiché nessun dato di confronto da misure di riferimento è disponibile, è difficile trarre conclusioni definitive sull’affidabilità di misura utilizzato in questo studio su scala più piccola e ulteriori indagini sono necessarie. La figura 5 Mostra le caratteristiche di potenza dei bioreattori monouso disponibili in commercio tre indagati. In contrasto con i vasi sconcertati, i numeri di potere degli agitatori monouso è diminuito continuamente sopra i numeri della gamma completa di Reynolds studiati (100 < Re < 3·104), e non valori costanti sono stati ottenuti grazie alla progressivo vortice formazione al prezzo di agitazione elevata nei vasi unbaffled. I più alti numeri di potere di tra P0 ≈ 6 e P0 ≈ 1.8 sono stati ottenuti per il bioreattore #5, che è agitato da una girante a pale radiali pompaggio e una girante a pale segmento assialmente pompaggio con lame a 45 ° si accamparono. Come previsto, bassa potenza numeri di tra P0 ≈ 5.1 e P0 ≈ 1.1 sono stati ottenuti per il bioreattore #7, che è agitato da due giranti di lama di segmento con 30 ° si accamparono lame risultante in un flusso prevalentemente assiale. È noto che i giranti assiali hanno più piccoli numeri di potenza rispetto a giranti di lama a flusso radiale a causa le resistenze di flusso inferiore del tetto spiovente lame38. Si noti che i dati sperimentali sull’ingresso di potenza nel bioreattore #7 che sono stati precedentemente segnalati32 sono leggermente più elevati (ad esempio P0 = 1,9 per Re = 1.4·104). Tuttavia, i dati precedentemente pubblicati hanno mostrato lo stesso rapporto di P0 Re-0.336 come si trova nello studio presente. Le tecniche di misurazione differenti possono essere responsabile per i diversi valori assoluti. Tra l’indagato bioreattori monouso, il bioreattore #6, che è mixato da un fondo vicino Marino girante, aveva i numeri più bassi di potenza nella gamma di P0 ≈ 0,8 e P0 ≈ 0,3 (Vedi Figura 5). Questo ingresso di bassa potenza può essere spiegato dal passo basso girante, anche se analisi fluidodinamica computazionale (CFD) hanno mostrato una componente di flusso radiale piuttosto dominante intorno la girante lame39. Buon accordo dei risultati correnti e dati pubblicati da39 ed esperimenti di modelli CFD32 può essere dichiaratoe. Infine, la configurazione di misura è stata utilizzata per studiare l’influenza dell’angolo girante diametro e lama nel bioreattore #7. Come si può vedere dalla Figura 6, tutte le curve di potenza diminuiscono continuamente sopra i numeri della gamma completa di Reynolds, come previsto. Differenze significative sono state ottenute fra gli angoli di due lama (30° e 45°), dove l’angolo della lama più grande aveva più ingressi di alimentazione (con 30°: 1.13 < P0 < 4,25 e 45 °: 1.65 < P0 < 4,46) indipendentemente dalla turbolenza (cioè Reynolds numero). Questo è noto anche per la classica lama spiovente giranti40 e ancora può essere spiegato con la maggiore resistenza di flusso attorno alle lame con passo più forte. È interessante notare che, nessuna differenza significativa nei numeri potenza tra i due diametri girante sono stata rilevata. Questo è stato trovato anche per giranti di tetto spiovente lama, considerando che i numeri di potere di giranti a flusso radiale lama in genere tendono a diminuire man mano che aumenta il rapporto d/D40. Figura 1: schematica del test setup. L’installazione consiste del serbatoio (1) miscelazione, (2) nave titolare, (3) cuscinetto gabbia con aria boccola, misuratore di coppia (4), azionamento del motore (5), convertitore A/D (6), unità di controllo (7), PC (8) per acquisizione dati e controllo. Aria pressurizzata (5,5 bar) è stata fornita per la boccola di aria, come raccomandato dal produttore. Sono anche indicate le principali dimensioni geometriche della vasca di miscelazione e l’agitatore. Questa figura è stata modificata da35. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 2: profilo di misura tipica con un aumento graduale della velocità di rotazione dell’agitatore (cioè N1 < N2 < N3) in intervalli di 5 min, come indicato dalle linee tratteggiate verticali. Le linee tratteggiate orizzontali rappresentano un intervallo di confidenza del 5% intorno ai valori di coppia una media di tempo per le fasi corrispondenti (indicate dalle linee solide orizzontali). I valori di picco sono stati osservati durante il primo minuto di ogni intervallo, che può essere spiegato con l’accelerazione iniziale del liquido interno i serbatoi e il PID basato su controllo della velocità dell’agitatore. Per ulteriore valutazione, solo il segnale di coppia durante la fase stabile quasi è stato usato, dove il segnale di misura ha oscillato intorno alla media media valore entro l’intervallo di confidenza del 5%. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 3: calcolato input di potere nel bioreattore #1 in funzione del numero di Reynolds per media di modello diverso. Profili individuali sono stati ottenuti per ciascuno dei media modello testati. Le linee continue rappresentano stime modello supponendo che P Re3 e ottimo accordo con i dati sperimentali è stato trovato (con R2 > 0,99). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 4: determinati numeri di potenza in funzione del numero di Reynolds in serbatoi sconcertati. (a) il confronto dei dati da Rushton turbine nei serbatoi piccoli e grandi (con 2 L e 10 L di volume di lavoro rispettivamente) dimostra che i numeri adimensionali potenza per condizioni completamente turbolente sono uguali tra le due scale. Piccole deviazioni sono state trovate per la gamma di transizione con Re < 104, dove il numero di potere aumentato il numero di Reynolds è aumentato. (b) il confronto dei dati dalle sfilate bioreattori #3 e #4 una diminuzione qualitativamente simile dei numeri potenza come il numero di Reynolds è aumentata fino a quando si ottengono valori stabili in condizioni completamente turbolente. I numeri di potenza per il bioreattore 1L mostrano fluttuazioni superiore rispetto alla controparte 2L. Nessun dato per la nave di 1 L sono stato ottenuto per numeri di Reynolds nella gamma 550 < Re < 950 quando si utilizza gli stessi supporti di modello come la nave di 2L. L'offset quantitativa tra le scale può essere spiegata da differenze nelle geometrie nave e agitatore o potrebbe essere un risultato di sensibilità del sensore. Ulteriori indagini sono necessarie. Le linee continue rappresentano modelli di regressione polinomiale. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 5: determinati numeri di potenza in funzione del numero di Reynolds per diversi monouso bioreattori. I numeri di potenza per ciascuna delle navi in diminuzione come i numeri di Reynolds è aumentati. In contrasto con i vasi sconcertati, nessun numero di potenza stabile sono stato ottenuto a causa della formazione di vortice progressivo al prezzo di agitazione elevata nei vasi unbaffled. Le linee continue rappresentano modelli di regressione polinomiale. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 6: determinati numeri di potenza in funzione del numero di Reynolds per diverse modifiche del bioreattore 7 #. Profili distinti sono stati ottenuti per i due angoli diversi lama di 30° e 45°, ma nessuna differenza significativa tra i due rapporti di diametro girante (d/D = 0,43 e d/D = 0,57) sono stati trovati. I numeri di potere di tutte le configurazioni hanno mostrate una continua diminuiscono sopra i numeri della gamma completa di Reynolds studiati a causa della formazione di vortice progressivo al prezzo di agitazione elevata nei vasi unbaffled. Le linee continue rappresentano modelli di regressione polinomiale. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Concentrazione di saccarosio finale Liquido di densità ρL Η la viscosità del liquidoL Numero di Reynolds Re (%w/w) (chilogrammo-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 Tabella 1: Riepilogo di liquido densità e viscosità per selezionati soluzioni di saccarosio a 20 ° C e numero di Reynolds adimensionale risultante per una girante con diametro e velocità di rotazione di 60 mm e 200 giri/min, rispettivamente. Il numero di Reynolds è calcolato usando EQ. 3. Tabella 2: sintesi dei dati geometrici dei bioreattori studiato. Per favore clicca qui per scaricare questo file.