Мощность входных измерения в перемешиваемой биореакторов лабораторного масштаба

Были определены энергозатраты в различных многоцелевого использования и одноразовые биореакторах с объемами работы между 1 и 10 Л. Геометрические данные приводятся в таблице 2. В случае сосуды одноразового использования Топ монтируется труб портов и крыльчатки вал корпуса должны были быть удалены из головы пластины для вписывается владелец судна судов. Кроме того встроенные пластиковые Валы были прикреплены к вал из нержавеющей стали, который был использован в сочетании с воздуха подшипника, но никаких дальнейших изменений требуются. Крутящий момент был измерен рабочим колесом скоростях между 100 об/мин и 300 об/мин в unbaffled судов и 100 об/мин и 700 об/мин в недоумение судов, соответствует максимальной наконечник скорости 1,13 m·s-1 и 1,54 m·s-1 (см. Уравнение 4) соответственно. (4) Определенных агитатор скорости на нижнем конце были ограничены крутящий момент датчик измерения точности и относительной стандартное отклонение воспроизводимость ± 0,2% и < 0,05% номинального крутящего момента соответственно (указанный производителем36). Кроме того, были определены номинальный крутящий момент максимум рыхлителем скорости (0,2 Нм), в частности для 10 Л бак расследование и формирование вихревой unbaffled сосудов. Для того, чтобы предотвратить повреждения датчика, максимальный крутящий момент во время измерения был определен на 60% номинального крутящего момента (0.12 Нм) и глубина вихря ограничивается примерно 20 мм на основе визуального осмотра. С помощью поэтапного увеличения в скорости вращения мешалки, профиль типичного крутящий момент это показано на рисунке 2. Крутящий момент сигнал увеличилась с каждый шаг увеличения скорости вращения, как ожидается от уравнение 1. Пиковые значения в крутящий момент сигнал наблюдались после каждой регулировки скорости крыльчатка, который может быть объяснено первоначального ускорение жидкости и PID контроль скорости мешалки. Квази стабильной измерений были получены после примерно 1 мин, в зависимости от скорости вращения крыльчатки используется. Остаточные колебания вокруг время среднем крутящий момент значение отдельных этапа были обычно около 5% от среднего значения для большинства крыльчатки и агитации скорости расследование. Для дальнейшей оценки были использованы значения крутящего момента этапа в среднем, а пик крутящего момента после каждой регулировки скорости было проигнорировано. На основании измерения частоты 2 Гц, измеренного крутящего момента (TL) представлял среднее наименее точек 240 данных, которые обеспечивают достаточно высокую статистической определенности, и относительной стандартных отклонений эти значения были ниже, чем на 3% за Большинство точек измерения, который показывает стабильные измерения сигналов. Интересно стандартных отклонений, обычно снизилась с увеличением скорости агитации, который указывает, что относительное значение вышеупомянутых колебаний уменьшается с выше агитации. Как это уже было показано ранее35, мертвые крутящего момента, то есть крутящий момент измеряется без жидкости внутри судна, которое может быть результатом потери на трение в подшипник, уплотнения и привода или небольшие изгибы или дисбаланс вала крыльчатки (особенно в Одноразовые пластиковые валы), может быть значительно уменьшена использования воздушного подшипника. В общем мертвых крутящий момент значения мешалки из нержавеющей стали были меньше, чем для тех, кто сделал из пластика. Это можно объяснить более высоким уровнем жесткости стальные валы, что приводит к нижней колебаний во время вращения. Для большинства из мешалки применяются остаточные мертвых моментов с подшипником воздуха были как низкий, как 0.5 mN·m и, следовательно, ниже, или близко к разрешение датчика крутящий момент метр применяется (0,4 mN·m). Высокая остаточная мертвых крутящий момент было отмечено в биореакторе #6, который использует фиксатор вала рабочего колеса на дне судно. Во время вращения крыльчатки вал столкнулся с что фиксатор, который может также наблюдаться в процессе выращивания экспериментов, что приводит к дополнительным трения. Как видно из рис. 3, после расчета мощности, полученные материалы от эффективного крутящего момента, (на основании уравнение 1) и построения их как функция числах Рейнольдса (экв. 3), индивидуальные профили для каждой модели СМИ. В каждом из этих кривых, энергопотребление увеличилось как увеличилось число Рейнольдса и склоны были близки к отношения PL Re3. Эта корреляция могут быть получены уравнение 2 и 3 экв при вступлении постоянной мощности номер и рабочим колесом диаметром. Это было установлено для всех агитаторов, протестированы с R2 > 0.99.  Из полученных экспериментальных крутящий момент данных характеристики мощности всех мешалок расследования были наконец рассчитываются на основе уравнение 2 (см. рис. 4, Рисунок 5, рис. 6). Стандартной турбины Rushton был использован как ссылка с хорошо документированы мощность чисел в литературе1,16,,1718,19,20, 21,-22,-23,-24,-25. Как видно из рис. 4a, власть в меньших 2 L судна (реактор #1) меньше при низких числах Рейнольдса (100 < Re < ≈500) от P0 = 6.3 P0 ≈ 3,3, прежде чем он снова возрос выше Re ≈ 2000. Почти постоянной мощности количество P0 = 4.17±0.14 был получен полностью турбулентных условиях (Re > 104). Сопоставимых значение P0 = 4.34±0.22 для больших судна с 10 Л рабочего объема (реактор #2), был определен, тогда как некоторые отклонения между двумя шкалами были найдены для временного диапазона с 600 < Re < 104 (см. Рисунок 4а). Тем не менее, качественные тенденции в обеих шкал полностью согласился с литературе данных1,19, где был вход питания одного Rushton турбины в 20 Л1 и 40 Л19 рабочих томах определяется, соответственно. Следует отметить, что показатели мощности для турбулентного диапазона, на 25% ниже, чем предусматриваемые в справочных данных P0 ≈ 4,719 и ≈0 P 5,51. Однако прямое сравнение часто затруднено из-за методов различных измерений а также отклонения в геометрических параметров, включая соотношение диаметра (d/D), дно Распродажа (z/dM) и дно бака и перегородка геометрии. Другие исследователи обнаружили, что мощность чисел для турбин Rushton в недоумение судов в ряду 3.6 до 5.9, в зависимости от мешалкой и судно геометрии используется17,18,21,24, 27,29,,3738. Таким образом можно утверждать, что текущие результаты были удовлетворительным. В рисунке 4Впоказатели мощности биореакторов #3 и #4, с 1 и 2 Л рабочие объемы соответственно, сравниваются для широкого диапазона Рейнольдс чисел. Значения0 P две геометрически подобных мешалок снизилась постоянно в пределах перехода и стал постоянным (биореактор #3: P0 = 3.67±0.06; биореактор #4:0 P = 4.46±0.05) при развитой турбулентности Re > 10 с 4, критерий, который ранее был найден Rushton турбины и другие мешалок38. Интересно, что почти постоянное смещение между двумя шкалами было отмечено, что можно объяснить различиями в судно и крыльчатка геометрии. Несмотря на то, что похож крыльчатка конфигурацию в двух судов, не удалось сохранить все геометрические параметры постоянной. Например 1 Л судно оборудовано только две встроенные перегородки, тогда как 2 L судна был оборудован тремя перегородок. Хорошо известно, что мощность число увеличивается количество перегородок увеличивается, до тех пор, пока условие критических подкрепления достигнутого38. Кроме того форма крыльчатки диска в меньшие судно пришлось изменить для технологичность, который может повлиять на энергопотребление. Следует также отметить, что значения измеренного крутящего момента в небольших судов были только между 4.2 mN·m и 12,8 mN·m, которая соответствует только до 6% номинальный крутящий момент крутящий момент метр используется. В этом диапазоне небольшие отклонения в измерение сигнала может иметь значительное влияние на результаты. Поскольку нет сравнения данных от ведения измерений доступны, это трудно сделать окончательные выводы о надежности измерений в маленьких масштабах, используемые в данном исследовании и необходимы дальнейшие исследования. Рисунок 5 показывает характеристики мощности три коммерчески доступных одноразовые биореакторов расследование. В отличие от озадачен судов, мощность чисел Одноразовые мешалки постоянно сократилось за полный ассортимент из числах Рейнольдса расследование (100 < Re < 3·104), и постоянные значения не были получены вследствие прогрессивной вихрь формирование темпами высокой агитации в unbaffled судов. Высокая мощность числа между P0 ≈ 6 и P0 ≈ 1.8 были получены для биореактора #5, который взволнованный радиально насосной крыльчатки лезвие и осево насосной крыльчатки лезвия сегмента с 45 ° станом лезвия. Как ожидалось, Нижняя power числа между0 P ≈ 5,1 и P0 ≈ 1.1 были получены для биореактора #7, которая агитировала на два сегмента лопасти крыльчатки с 30 ° станом приводит в первую очередь осевые лопасти. Хорошо известно, что Осевые крыльчатки имеют меньше мощность чисел чем радиального потока лопасти крыльчатки из-за более низких сопротивлений потока скатных лезвия38. Следует отметить, что экспериментальные данные на вход питания в биореакторе #7, которые были ранее сообщалось32 несколько выше (например P0 = 1,9 для Re = 1.4·104). Однако, ранее опубликованных данных показал же отношения P0 ре-0.336 как найдено в настоящем исследовании. Методы измерения различных может нести ответственность за различные абсолютные значения. Среди исследованных одноразовые биореакторов, биореактор #6, который смешивается с одной нижней возле морской крыльчатка, имели низкие показатели мощности в диапазоне P0 ≈ 0,8 и P0 ≈ 0.3 (см. Рисунок 5). Это низкая потребляемая мощность можно объяснить низкой крыльчатка поле, даже несмотря на то, что вычислительной гидродинамики (CFD) анализ показал довольно доминирующей радиального потока компонента вокруг лопасти крыльчатки39. Можно отметить хорошее соглашение текущие результаты и опубликованных данных от CFD модели39 и экспериментов32 . Наконец установки измерения был использован для исследовать влияние рабочим колесом диаметром и лезвие угол в биореакторе #7. Как видно из рисунка 6, все кривые мощности уменьшение непрерывно и полный диапазон Рейнольдс чисел, как ожидалось. Были получены значительные различия между двумя лезвие углов (30° и 45°), где больший угол лезвия были выше энергозатрат (с 30°: 1.13 < P0 < 4,25 и 45 °: 1.65 < P0 < 4.46) независимо от турбулентности (т.е. Рейнольдс номер). Это также известен классической скатных лезвие крыльчатки40 и снова может быть объяснено выше сопротивление потока вокруг лезвия сильнее смолой. Интересно, что были обнаружены статистически значимых различий между двумя диаметр мощность чисел. Это также было установлено для скатных лезвие крыльчатки, тогда как показатели мощности радиального потока лезвия колеса обычно имеют тенденцию к снижению с увеличением40d/D соотношение. Рисунок 1: схема установки теста. Установка состоит из (1) смешивания цистерны, держатель (2) судна, клетка (3) подшипник с воздуха втулка, (4) крутящий момент метр, привод электродвигателя (5), (6) A/D конвертер, блок (7) управления, (8) PC для сбора данных и управления. Воздуха под давлением (5,5 бар) было поставлено для воздуха втулку, как рекомендовано изготовителем. Также указаны основные геометрические размеры смесительного бака и агитатор. Этот рисунок был изменен с35. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Рисунок 2: типичные измерения профиль с поэтапное увеличение скорости вращения мешалки (т.е. N1 < N2 < N3) 5 мин интервалом, как указано на вертикальные пунктирные линии в. Горизонтальные пунктирные линии представляют собой 5% доверительный интервал вокруг значения крутящего момента времени в среднем для соответствующей фазы (обозначается горизонтальное сплошными линиями). Пиковые значения наблюдались в течение первой минуты каждого интервала, который может быть объяснено первоначального ускорение жидкости внутри, основанный танки и PID регулятор скорости мешалки. Для дальнейшей оценки, только крутящий момент сигнал на этапе квази стабильной было использовано, где измерения сигнала колебались вокруг средней усредненные значения в пределах 5% доверительный интервал. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Рисунок 3: рассчитывается в зависимости от числа Рейнольдса для различных моделей СМИ энергопотребление в биореакторе #1. Индивидуальные профили были получены для каждой модели СМИ испытания. Сплошные линии представляют модель предсказания предполагая P Re3 и очень хорошо согласуется с экспериментальными данными был найден (с R2 > 0,99). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Рисунок 4: определяется мощность чисел в зависимости от числа Рейнольдса в недоумение танков. () сравнение данных из турбины Rushton в малых и больших цистернах (с 2 Л и 10 Л, Рабочий объем соответственно) показывает, что безразмерные мощность чисел для полностью турбулентных условиях равны между двумя шкалами. Небольшие отклонения были найдены для временного диапазона с Re < 104, где увеличение числа питания, увеличением числа Рейнольдса. (b) сравнение данных из биореакторов #3 и #4 показывает качественно аналогичные снижение мощности чисел как число Рейнольдса увеличилось до стабильного значения получаются полностью турбулентных условиях. Показатели мощности для биореактора 1 Л показывают более высокие колебания, по сравнению с коллегой 2 Л. Нет данных за 1 Л судна были получены для чисел Рейнольдса в диапазоне 550 < Re < 950 при использовании тех же СМИ модель как 2 L судна. Количественные смещение между весов может быть объяснено различиями в судно и мешалкой и геометрии или может быть результатом чувствительность датчика. Требуются дальнейшие исследования. Жирные линии обозначают полиномиальной регрессии модели. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Рисунок 5: определяется мощность чисел в зависимости от числа Рейнольдса для различных одноразовых биореакторов. Показатели мощности для каждого из судов сократился как увеличение числа Рейнольдса. В отличие от озадачен судов номера не стабильной мощности были получены вследствие прогрессивной вихревой образования темпами высокой агитации в unbaffled судов. Жирные линии обозначают полиномиальной регрессии модели. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Рисунок 6: определяется мощность чисел в зависимости от числа Рейнольдса для различных модификаций биореактор #7. Были получены различные профили для двух различных лезвие углов 30° и 45°, но статистически значимых различий между двумя коэффициенты Диаметр крыльчатки (d/D = 0.43 и d/D = 0,57) были найдены. Мощность количество всех конфигураций, показал сплошную убывать над числами полный диапазон Рейнольдс, расследование вследствие прогрессивной вихревой образования темпами высокой агитации в unbaffled судов. Жирные линии обозначают полиномиальной регрессии модели. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Концентрация окончательный сахарозы Жидкие плотность ρL Вязкость жидкости ηL Число Рейнольдса Re (%w/w) (кгм-3) (МПа·с) (-) 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 Таблица 1: резюме жидкость плотности и вязкости для выбранного решения сахарозы при 20 ° C и результате безразмерное число Рейнольдса за рабочим колесом диаметром и скорость вращения 60 мм и 200 об/мин, соответственно. Число Рейнольдса вычисляется с помощью эквалайзера 3. Таблица 2: Реферат геометрических деталей биореакторов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.