実験室規模で撹拌したバイオリアクターでのパワー入力測定

1 L と 10 L の作業ボリュームの異なる多目的に使用し 1 回用バイオリアクターの電源入力を求めた。幾何学的な詳細は、表 2にまとめます。使い捨ての容器の場合、トップ マウント チューブ ポートとインペラ シャフト ハウジングが容器ホルダーに血管を合わせるためにヘッドの板から削除しなければならなかった。さらに、内蔵のプラスチック製のシャフトが空気軸受と組み合わせて使用されたステンレス スチール シャフトに取り付けられていたが、さらに変更する必要はありませんでした。 翼回転速度 100 rpm およびない船で 300 rpm と 100 rpm と 1.13 m·s-1の 1.54 m·s-1最大先端速度に対応する、困惑して船舶に 700 rpm の間のトルクを測定した (式 4 を参照) それぞれ。 (4) 下端に定義された攪拌速度がそれぞれトルク センサー測定精度と公称トルクの ± 0.2% と < 0.05% の再現性の相対標準偏差によって制限されていた (メーカー36で指定)。さらに、最大アジテータ速度は公称トルクによって定義された (0.2 Nm), 特に, 10 L タンクでない血管における渦形成。センサーの破壊を防止するために測定時に最大トルクは定格トルクの 60% で定義されて (0.12 Nm)、渦の深さは目視検査に基づく約 20 mm に限定されました。 回転撹拌速度の段階的増加を使用して、図 2に典型的なトルク プロファイルが表示されます。式 1 から期待どおりに回転速度のすべてのステップの増加とトルク信号が増加しました。インペラーの速度は、液体の初期加速度と撹拌速度の PID 制御によって説明することができます各調整後トルク信号のピーク値が観察されました。回転速度と羽根車の使用によって、約 1 分後準安定した測定値が得られました。時期に残留の変動は平均約インペラと撹拌速度調査のほとんどの平均値の 5% は、通常個々 の段階のトルク値です。 さらに評価のために相平均トルク値はピーク トルク各速度調整が無視された後に対し、使用されました。測定周波数 2 Hz に基づいて、測定トルク (TL) は、十分に高い統計的確実性を提供、少なくとも 240 のデータ ポイントの中間点を表され、これらの平均値の相対標準偏差は 3% よりも低かった測定ポイントの大半は安定した測定信号を示す。興味深いことに、通常撹拌速度ことを示す上記の変動の相対的な重要度の増加とともに減少標準偏差が高い撹拌で低下します。 以前35、死んだトルクを示されている、すなわちトルク測定、ベアリング、シールおよびモータ駆動またはで小さな曲がりの摩擦損失の結果または (特にでインペラのシャフトの不均衡の容器内液体なし使い捨てプラスチック シャフト) は、空気軸受の使用によって大幅に削減できます。一般に、ステンレス攪拌機のデッドのトルク値は、プラスチック製のものよりも小さいだったこれは、スチール シャフトの回転時に低い振動に起因する剛性の高いレベルによって説明できます。攪拌機の使用のほとんどは、空気軸受と残留死んでトルク 0.5 mN·m とし、したがって、以下と低かったまたはトルク計のセンサーの解像度に近い (0.4 mN·m) を適用しました。インペラ シャフトの保持器を使用して、容器底部型バイオリアクター #6 最高残留死んでトルクが観察されました。回転中にインペラのシャフトはその家臣、栽培実験中にも観察することができます、付加的な摩擦の結果に衝突しました。 テスト (式 1 に基づく) 効果的なトルクとレイノルズ数 (式 3)、個々 のプロファイルの関数としてプロットしてから入力された各モデル メディアから得られる電力を計算した後、図 3から見ることができます。これらの曲線のそれぞれで、電源入力増加レイノルズ数増加し、斜面に近かった関係 PL 3再。この相関関係は、定電力数とインペラ径を想定した場合、式 2、式 3 から入手できます。これは R のテストすべてのアジテータの発見された2 > 0.99。  得られた実験的トルクのデータから検討したすべてのアジテータの電力特性最終的に算出した式 2 (図 4, , 図 5図 6を参照)。文学1,16,17,18,19,20のよくとり上げられる電力数値を参照として使用された標準のラシュトン タービン 21,22,23,24,25。図 4 aから見られる、小さい 2 L 容器 (バイオリアクター #1) における動力数減少低レイノルズ数における (100 < 日時 < ≈500) P0 = 6.3 P0 ≒ 3.3 ~ ≈ 2000 再上再度増加する前に。P0数がほぼ一定の電力 = (> 104) 再乱流の条件の下で 4.17±0.14 が得られました。P0の同等の価値 = 600 と経過の範囲の 2 つの尺度間のいくつかの偏差が認め、4.34±0.22 が 10 L 作業量 (バイオリアクター #2) のより大きい容器の決定された < < 104 (を参照してください図再4 a). それにもかかわらず、両方のスケールの定性的な動向は文献データ1,19, 20 L1と 40 L19作業ボリュームに単一のラシュトン タービンの電源入力がされていると完全に合意それぞれ、決定。乱流範囲のパワー数値が最大 25 %4.719と P0 ≈ 5.5 P0 ≈ の参照データによって定めるよりも低いであることに注意してください1。ただし、直接の径 (D)、下部をクリアランス (zM/D) タンクの下など、幾何学的パラメーターの誤差だけでなく、さまざまな測定技法のため比較は難しいし、ジオメトリをバッフルします。攪拌機及び容器形状に応じて 5.9 3.6 への範囲で困惑して血管のラシュトン タービン用電源番号使用17,18,21,24、他の研究者が見つかりました 27,29,37,38。したがって、現在の結果が満足のいくと主張することができます。 図 4 bで 1 L と 2 L の作業ボリュームとバイオリアクター #3 と 4、数の力、それぞれが比較広いレイノルズ数。2 つの幾何学的類似した攪拌機の P0値は転移の範囲で継続的に減少なり定数 (バイオリアクター #3: P0 = 3.67±0.06; バイオリアクター #4: P0 = 4.46±0.05) > 10 再十分に発達した乱流で4、以前ラシュトン タービンと他攪拌機38の発見されており基準。興味深いことに、船と羽根車の形状の違いによって説明することができます 2 つの尺度の間ほぼ一定のオフセットは観察されました。2 隻のインペラ形状は似ていますが、にもかかわらず、それはすべての幾何学的パラメーターを一定に維持することが可能でした。たとえば、2 L 容器が 3 つのバッフルが装備されていたに対し、唯一の 2 つの内蔵のバッフル付け 1 L 容器が装備されています。動力数はにつれてバッフルが増加し、重要な補強条件がなるまで数は38を達成したことが知られています。さらより小さい容器でインペラ ディスクの形は、製造は、電源入力に影響を与える可能性があります変更することあった。4.2 mN·m と 12.8 mN·m、使用トルク計の公称トルクの 6% だけまでを対応する間だけがより小さい容器で測定トルク値も注意する必要があります。この範囲で測定信号のわずかな偏差は結果に重大な影響を持つことができます。参照の測定からの比較データがないのでこの研究で使用される最小のスケールの測定の信頼性に関する最終的な結論を出すことは困難だし、さらに調査が必要。 調査 3 つの市販の単回使用バイオリアクターの電力特性を図 5に示します。困惑の船とは対照的電源 1 回用攪拌機数減少継続的に調査完了レイノルズ数 (100 < 日時 < 3·104)、進歩的な渦により得られた定数値がないと高い攪拌率ない血管内で形成。P0 ≈ 6 ~ P0 ≒ 1.8 の最高力の数値は、ラジアル ポンプのブレード インペラとポンプ軸のセグメント翼羽根車に動揺する登板 45 ° ブレード型バイオリアクター #5 得られました。 30 ° 刃翼 2 つセグメントに動揺するバイオリアクター #7 P0 ≈ 5.1 と P0 ≒ 1.1 との間の数字が得られたより低い期待される力として主に軸流でブレードを投げた。電源数の少ない低流量抵抗による放射状ブレード羽根車より甲高いブレード38がある軸流インペラが知られています。以前に報告された32はずっとバイオリアクター #7 の電源入力に実験データがやや高いことに注意してください (例えば P0 = 1.9 Re = 1.4·104)。しかし、以前に公開されたデータが P0の同じ関係を示した-0.336本研究で見られる再。さまざまな測定技術は別の絶対値を担当することができます。 調査 1 回用バイオリアクター、バイオリアクター #6 間で海洋底近く 1 つのインペラーが混在、P の範囲0 ≈ 0.8 P0 ≒ 0.3 (図 5を参照) で最も低い電源番号を持っていた。この低消費電力入力は、数値流体力学 (CFD) 分析は羽根車のブレード39の周りではなく支配的なラジアル フロー コンポーネントを示したにもかかわらず低翼ピッチによって説明できます。良い契約の現在の結果と CFD モデル39と実験32からパブリッシュされたデータを記述できます。 最後に、測定点の設定は、#7 バイオリアクターで羽根の直径とブレードの角の影響を調査する使用されました。図 6からわかるように、すべてのパワー曲線が完全なレイノルズ数以上期待どおりに減少して継続的に。大きな羽根の角度が高い電源入力を持っていた 2 つのブレードの角度 (30 ° と 45 °)、有意差が得られた (30 °: 1.13 と < P0 < 4.25 と 45 °: 1.65 < P0 < 4.46) (すなわちレイノルズ乱流に関係なく数)。これは再び強いピッチ翼周りより高い流れの抵抗によって説明できるし、古典的な翼羽根車40も知られています。興味深いことに、電源の番号に 2 つの羽根車直径差は認められなかった.これは通常 D 比増加40を減らしがちで力放射状流羽根車のブレード数に対しはまた翼羽根車の発見されており。 図 1: テストのセットアップのスケマティック。セットアップは、(1) 混合タンク、(2) 容器ホルダー、空気ブッシング (4) トルク計、モーター (5)、(6) の A/D コンバーター、(7) コントロール ユニット、データ集録や制御のための PC (8) と (3) 軸受のケージで構成されています。加圧 (5.5 bar) は、製造業者によって推薦されるように空気ブッシングに指定されました。混合タンクと攪拌機の主な幾何学的な寸法が示されています。この図は、35から変更されています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。 図 2: 攪拌機の回転速度の段階的増加と代表的な測定プロファイル (つまり N1 < N2 < N3) 垂直方向の破線で示されているように、5 分間隔で。水平の破線は、対応するフェーズ (水平の実線で示されます) の時間平均トルク値の前後 5% 信頼区間を表します。ピーク値は、タンクおよび PID ベース アジテータ速度制御液体の中の初期の加速によって説明できるそれぞれの間隔の最初の分の間に観察されました。さらに評価、準安定段階トルク信号のみが使用された、5% 信頼区間内の値の平均測定信号が平均の変動します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。 図 3: #1 バイオリアクターの電源入力を異なるモデル メディアのレイノルズ数の関数として計算します。個々 のプロファイルは、各テスト モデル メディアの得られました。実線は P を仮定してモデル予測3実験データと非常に良い一致が見つかりました (r2 > 0.99)。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。 図 4: 困惑してタンクのレイノルズ数の関数として電源番号を決定します。(a) (2 L と 10 L のボリュームをそれぞれ作業) 小規模および大規模なタンクのラシュトン タービンからのデータの比較は、乱流の条件の無次元発電番号が 2 つの尺度間で等しいことを示しています。小さな偏差では < 104、Re と経過の範囲の電力数はレイノルズ数として増加したが増加したが見つかりました。(b) 乱流の条件下で安定した値が得られるまでパワー数値をレイノルズ数としての質的と同様の減少が増加したバイオリアクター #3 と 4 のショーからのデータの比較。1 L のパワー数値は、2 L 対応と比較してより高い変動を示しています。レイノルズ数範囲 550 のためなし 1 L 容器のデータが得られた < < 950 2 L 容器のように同じモデルのメディアを使用する場合再。スケール間の定量的なオフセット容器と攪拌機の形状の違いによって説明することができます。 またはセンサー感度の結果である可能性があります。さらに調査が必要です。実線は、多項式回帰モデルを表します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。 図 5: 別のシングル用バイオリアクターのレイノルズ数の関数として電源番号を決定します。電源番号は、各船舶の減少増加レイノルズ数。困惑の船とは対照的ない安定的な電力の数値が得られたない容器で高い攪拌率で進歩的な渦を形成するため。実線は、多項式回帰モデルを表します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。 図 6: バイオリアクター #7 のさまざまな変更のレイノルズ数の関数として電源番号を決定します。異なるプロファイルが得られた 30 ° と 45 ° の 2 つの別のブレードの角度が 2 つのインペラ径比間で有意差 (D = 0.43 と D = 0.57) が発見されました。連続を示したすべての構成の電力数はない船で高い攪拌率で進歩的な渦を形成するため調査完全なレイノルズ数減少します。実線は、多項式回帰モデルを表します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。 最終的なショ糖濃度 液体の密度 ρL 液体の粘度 ηL レイノルズ数 Re (%w/w) (キロメートル-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 表 1: 液体の密度と粘度の概要はそれぞれ 20 の ° C および直径 60 mm と 200 rpm の回転速度と羽根車の結果無次元レイノルズ数でショ糖ソリューションを選択します。レイノルズ数は、式 3 を使用して計算されます。 表 2: バイオリアクターの幾何学的な詳細の概要を調査します。このファイルをダウンロードするここをクリックしてください。