Summary
Энергопотребление в перемешиваемой биореакторах может быть измерена через момент, который действует на валу колеса во вращение. Эта рукопись описывает, как воздушный подшипник может использоваться для эффективного уменьшения потерь на трение в торцовых уплотнений и повысить точность ввода измерений мощности в мелких сосудах.
Abstract
Энергопотребление в перемешиваемой биореакторах является важным параметром масштабирования и может быть измерена через момент, который действует на валу колеса во вращение. Однако экспериментальное определение энергопотребление в мелких сосудах по-прежнему сложной из-за потерь относительно высоким коэффициентом трения внутри обычно используется втулки, подшипники и/или уплотнения вала и точность коммерчески доступных крутящий момент метров. Таким образом только ограниченные данные для малых биореакторах, в частности одноразового использования систем, имеющихся в литературе, затрудняет сопоставление между различными системами одноразового использования и их обычные аналоги.
Эта рукопись предоставляет протокол о том, как измерить энергозатраты в биореакторах benchtop масштаба в широком диапазоне условий турбулентности, которые могут быть описаны безразмерное число Рейнольдса (Re). Вышеупомянутые трения потери эффективно уменьшаются с помощью воздушного подшипника. Процедура о том, как настроить, проводить и оценивать на основе крутящий момент мощность входных измерения, с особым упором на условиях типичной агитация культуры клеток с низкой до умеренной турбулентности (100 < Re < 2·10-4), подробно описан в. Входная мощность нескольких многоцелевого использования и одноразовые биореакторов предоставляется по номеру безразмерные мощности (также называемый номером Ньютон, P0), который определяется в диапазоне P0 ≈ 0,3 и ≈0 P 4.5 для максимального числа Рейнольдса в различных биореакторов.
Introduction
Входная мощность является параметром ключевых инженерных характеристика и наращивание биореакторов потому, что она относится к многие группы операций, таких как гомогенизации1,2,3, газ жидкость дисперсии2 , 4 , 5, тепловой передачи6 и твердых подвеска7. Вход питания связан также с касательное напряжение, которое может особенно влияют на рост и формирование продукта сдвига чувствительных клеток культур8,9,10,11.
Наиболее распространенные методы для измерения мощности ввода в перемешиваемой биореакторах основаны на электроэнергии рисовать12,13,14, калориметрия12,15 (т.е. стационарные тепла баланс или динамическое Отопление через агитации) или крутящий момент после агитатор. Последний может быть экспериментально определяется Динамометры, крутящий момент метров или тензодатчиков, применяемые для различных мешалки, в том числе одно- или многоступенчатые Rushton турбины1,16,17 , 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 , 25, скатных лезвие крыльчатки19,,2023,26,27, InterMig19,21 и Scaba крыльчатки28 , 29. подробный обзор обеспечивается Асканио et al. (2004)30.
От крутящего момента (T) мощность (P) может быть оценена из уравнение 1, где N — скорость вращения мешалки.
(1)
Для обеспечения учета потерь, понесенных в агитации (в подшипники, уплотнения и сам двигатель), эффективного крутящего момента (Teff) должны определяться как разница между значения, измеренного в пустой сосуд (TD) и (TЛ жидкости ). Наконец номер безразмерные мощности (P0, также известный как Ньютон номер), который определяется уравнение 2 где ρL обозначает плотность жидкости и d представляет собой диаметр рабочего колеса, может использоваться для сравнения различных мешалки.
(2)
Хорошо известно, что число питания зависит от числа Рейнольдса (т.е. турбулентности) и становится постоянным полностью турбулентных условиях. Крыльчатка число Рейнольдса определяется Eq. 3, где ηL является жидкой вязкости.
(3)
Тем не менее по-прежнему сложной из-за потерь относительно высоким коэффициентом трения внутри механических подшипников валов крыльчатки и ограниченной точностью наиболее коммерчески доступных крутящий момент метров ввода измерения мощности в малых биореакторах. Следовательно лишь в нескольких докладах о мощности входного, измерения в масштабе benchtop биореакторов были опубликованы17,18,22,24,,3132. Существует также нехватка данных о мощности ввода в биореакторах одноразового использования, которые поставляются в сборе, производителей стерилизованных и готовые к использованию в33,34. В отличие от их многоразовые коллегами большинство одноразовые биореакторов взволнованный, специально разработанные роторы, затрудняет сравнение.
Для того, чтобы ликвидировать этот разрыв, надежный метод для ввода измерений мощности с особым упором на Лабораторные мешалки шкала была разработана недавно35. Крутящий момент измеренные в пустые сосуды, которые были вызваны потери на трение, эффективно были сокращены путем использования воздушного подшипника. Следовательно, широкий спектр оперативных условий с низкой до умеренной турбулентности (100 < Re < 2·104) могут быть расследованы и вход питания нескольких многоцелевого использования и одноразовые биореакторов была предоставлена.
Настоящее исследование предоставляет подробные измерения протокол ранее разработанного метода и описывает, как настроить, проведения и оценки на основе крутящий момент мощность входных измерения в масштабе лабораторных биореакторах. Особое внимание уделяется коммерчески доступных сингл и многообразие использования систем. Процедура автоматического измерения используется для уменьшения экспериментальных усилий.
Protocol
1. Приготовление растворов сахарозы
Примечание: Сахароза решения используются как дешевое, ньютоновской модели СМИ с повышенной вязкости и плотности для снижения турбулентности условий (см. таблицу 1).
- Заполните Duran стеклянной бутылки с водой и сахароза различной концентрации (20-60 %w/w).
- Смешайте содержимое с магнитной мешалкой, пока полностью не растворится сахарозы.
- Для концентрации сахарозы свыше 40 %w/w, добавьте сахарозы с перерывами и слегка нагреть стеклянная бутылка (~ 50 ° C). Остудите раствор сахарозы, до комнатной температуры перед использованием.
2. Подготовка рецепт измерение и регистрация данных
- После запуска программного обеспечения, инициируйте связь с блоком управления, выбрав правильный серийный COM порт из выпадающего меню и нажав на кнопку Connect .
Примечание: Кнопка Connect изменит цвет на зеленый и индикатор ниже в раскрывающемся меню включится, когда инициируется коммуникации с блоком управления. - Настроить путь к файлу данных внутри программного обеспечения блока управления биореактор для того, чтобы хранить данные на оператора ПК.
- Откройте страницу Параметры вкладки и нажмите значок папки рядом текстовое поле расположение файла данных .
- В диалоговом окне файл перейдите к папке, желание, в текстовое поле имя файла введите имя файла и нажмите кнопку ОК .
Примечание: Имя и путь к файлу журнала данных отображаются в текстовом поле и кнопка Пуск DAQ включен, после того, как определен допустимый путь к файлу.
- Настройка обычной внутри Рецепт менеджер программного обеспечения блока управления биореактор для того, чтобы автоматизировать процедуры измерения.
- Откройте страницу вкладки рецепт и введите желаемый входные значения для рецепт фазы затраченное время (мин) и соответствующие крыльчатка скорость (об/мин) в текстовые поля, поля. Профиль автоматически отображается на диаграмме.
Примечание: К примеру, скорость мешалки шагам увеличивается на 20 об/мин от 100 об/мин до 300 об/мин, и за 4 минуты для того, чтобы гарантировать стабильный крутящий момент сигнала (см. обсуждение ниже) поддерживается каждое значение. Минимальные и максимальные скорости, а также размер увеличения можно регулировать различные мешалки и судов.
Примечание: Выберите диапазон скоростей тщательно в том, что касается резолюции крутящий момент датчик, номинальный крутящий момент и формирование вихревой. Последние часто встречается в unbaffled биореакторов взволнованный на высоких скоростях и может привести к повреждению крутящий момент метр. - Нажмите кнопку сохранить , укажите путь к нужному файлу и введите имя файла в текстовом поле. Нажмите кнопку ОК , чтобы сохранить файл.
- Откройте страницу вкладки рецепт и введите желаемый входные значения для рецепт фазы затраченное время (мин) и соответствующие крыльчатка скорость (об/мин) в текстовые поля, поля. Профиль автоматически отображается на диаграмме.
3. Установка датчик крутящего момента
Примечание: Экспериментальной установки схематически показан на рисунке 1.
- Установка датчика крутящий момент в специально разработанный держатель, который включает в себя воздух, подшипник (см. рис. 1) с помощью винтов исправить датчик на место. Подшипник воздуха, используемые в данном исследовании имеет Пористый углерод, втулка материал с внутренним диаметром 13 мм.
- Смонтируйте бесщеточного серводвигателя агитатор на вершину держателя. Прикрепите датчик крутящий момент к держателю вертикального монтажа с помощью четырех винтов.
- Подключите вала двигателя к валу привода крутящий момент датчик с использованием металла ниже муфты, может компенсировать небольшой осевого смещения валов и затяните муфту с помощью винтов. Соединить измерения вала датчика крутящий момент с помощью другого металла ниже муфта вала мешалки.
Примечание: В этом исследовании, специально крыльчатка валы диаметром 13 мм (допуск:-0.0076 мм) и с длиной 270 мм и 520 мм использовались для различных судов, расследование.
- Смонтировать держатель датчика на головы пластину биореактора и установить рабочие колеса на валу мешалка с желаемой Распродажа-дно. Смонтируйте перегородок и дополнительных объектов (например, трубы выборки и сбора урожая, электрохимических датчиков и т.д.) внутри биореактора, если требуется.
- Установите желаемый биореактор в собственник судна при необходимости (биореакторов #1, #3-#10) или установите пластину головы на танк биореактора (реактор #2) и затяните головы пластина с винтами.
- Для исследования стекла биореакторов место стеклянный сосуд биореактора в держатель.
- Для расследования одноразовые биореакторов разбирайте Топ монтируется труб портов и крыльчатки вал жилья от головы пластиковые пластины, используя соответствующие инструменты. Поместите пластиковый сосуд в держатель.
- Поместите датчик температуры внутри биореактора и подключить его к блоку управления. Подключите шланги для сжатого воздуха к порту впускной газ воздушного подшипника и применить давление около 5,5 бар, предоставляемый компрессора. Подключение датчика крутящий момент к A/D конвертер и мощности передатчика.
4. конфигураций в программное обеспечение получения данных
- Откройте программное обеспечение для сбора данных сигнала датчика крутящий момент и настройте измерения предпочтений.
- Убедитесь, что первые два канала в окне каналы DAQ инициализированы и активного. В этом исследовании крутящий момент сигнал был установлен на канале 0 и скорость вращения сигнал был установлен на канале 1.
- Нажмите кнопку Live обновить для отображения текущих значений измерения.
- Установите сигнал канала крутящий момент равным нулю, если сигнал абсолютной крутящий момент без вращения превышает 0,1 mN·m с помощью правой мыши нажмите на пункт канал в списке каналов и выбрав нулевой баланс .
- Перейдите на страницу вкладки DAQ работу и определить скорость сбора данных 2 Гц из выпадающего списка меню. Используйте параметры сразу на работу начала и продолжительности из раскрывающихся списков для установки запуска и остановки сбора данных, соответственно.
- Определите промежуток времени для образца продолжительность , дольше, чем время, необходимое для завершения измерения (например, используйте 1 час 0 мин 30 s за один час рецепт, определенных на втором шаге).
- Перейдите на страницу настройки хранения данных и выберите вариант ASCII + канал информация из раскрывающегося списка, чтобы задать Формат файла для данных сохраните файл. Задайте путь к файлу на жесткий диск ПК для измерения выходного файла.
- Убедитесь, что первые два канала в окне каналы DAQ инициализированы и активного. В этом исследовании крутящий момент сигнал был установлен на канале 0 и скорость вращения сигнал был установлен на канале 1.
5. выполните измерение крутящего момента
- Начало сбора данных для сигнала крутящий момент в данных и управления приобретение программного обеспечения для крутящий момент метр, нажав кнопку « Пуск » на странице меню задания DAQ .
- Начало сбора данных для агитатор скорость и температура в программное обеспечение блока управления биореактора, нажав кнопку Пуск DAQ на закладке Параметры .
- Начало управления агитатор в программное обеспечение блока управления с ручной набор точка или схему предварительно определенных рецепт.
- Если проводится однократное измерение, используйте элемент управления поле на главной странице вкладки программного обеспечения управления биореактора. Введите нужный набор точку в текстовое поле и нажмите на пункт «Агитатор контроля на».
- Если проводятся несколько измерений с рецептом, перейдите на страницу вкладки фаз и нажмите кнопку « Пуск ».
Примечание: Программное обеспечение будет автоматически отключить все коробки ручной ввод в течение рецепт и автоматически открывается окно для подтверждения окончания этого процесса.
- В программное обеспечение получения данных окно открывается автоматически после предопределенного измерения длительности. Сохраните данные для каждого измерения на оператора ПК, предпочтительно на жестком диске, нажав кнопку сохранить данные теперь .
- Повторите измерение для каждой требуемой агитатор скорости без и с жидкостью внутри сосуда биореактора.
- Наливайте воду (или раствора сахарозы) через воронку в биореактор.
Примечание: Убедитесь в том, что жидкость полностью покрывает крыльчатки, поскольку (частично) подвергаются колеса может привести к нежелательным осевых сил, которые могут повредить датчик крутящего момента.
- Наливайте воду (или раствора сахарозы) через воронку в биореактор.
6. данные оценки
Примечание: Значения полученные крутящий момент в пустой сосуд (мертвых крутящий момент) соответствуют потерь остаточного трения подшипника и должна вычитаться из значений, определенных в жидкости для получения эффективного значения крутящего момента (см. уравнение 1).
- Средние значения крутящего момента для каждой скорости мешалки, измеренные после квази стабильный сигнал был достигнуто (см. обсуждение ниже). В идеале Вычислите среднее значение для каждого условия, соответствующие точкам 240 данных со скоростью измерения 2 Гц в течение по крайней мере 2 мин.
- Использование Matlab код для обработки данных, выполнив код из командной строки программное обеспечение.
Примечание: Код предоставляется для скачивания в разделе дополнения этой рукописи. Этот сценарий импортирует файл необработанных данных из записи данных, вычисляется средняя скорость вращения этапе, число Рейнольдса (от 3 экв на основе вводимых пользователем) и крутящий момент значения для каждого из этапов, визуализирует результаты и сохраняет результаты в второй текст файл, который затем может быть использован для дальнейшей обработки данных. - Вычитание значения крутящего момента, полученные в пустой сосуд из тех измеряется в жидкости для получения значения эффективного крутящего момента.
- Вычислить энергопотребление и безразмерных мощности номер от усредненного времени крутящий момент значений согласно уравнение 1 и 2 эквалайзера.
Representative Results
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) | (кгм-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.
Discussion
Несмотря на важность (конкретные) мощность для технических характеристик и масштабирование вверх/вниз биореакторов, только в несколько публикаций на экспериментальные исследования в биореакторах benchtop масштаба, особенно одноразового использования системы в однозначном литр объема диапазон, можно найти в литературе. Одной из причин отсутствия данных можно увидеть в трудности Точная сила ввода измерений в таких малых масштабах. Для преодоления некоторых из этих трудностей, настоящее исследование предоставляет подробный протокол крутящий момент на основе мощности входного измерений, которые поддерживаются воздушного подшипника для сведения к минимуму потерь на трение в подшипниках. Применимость метода было продемонстрировано с помощью трех коммерчески доступных биореакторов одноразового использования, а также биореакторов многоцелевого использования в масштабах между 1 Л и 10 Л рабочего объема.
Основываясь на нашем опыте с измерения крутящего момента на основе, являются наиболее важными факторами, по адресу: 1) уменьшения мертвых крутящего момента путем минимизации потерь на трение внутри подшипников и уплотнений, в частности в лаборатории масштаб биореакторов и 2) при выборе подходящий крутящий момент метр для желаемого биореактор размер и агитации условий. Как было показано ранее35, мертвые крутящий момент могут быть значительно сокращены путем использования воздушного подшипника. В настоящем исследовании низкая стоимость воздуха втулки изготовлены из материала Пористый углерод был использован. Как правило, остаточного крутящего момента в пустые сосуды испытания были ниже 0.5 mN·m с агитации ставки до 900 об/мин, соответствующий крыльчатка подсказка со скоростью до 3 m·s-1. В отличие от мертвых крутящий момент реактор #6 с встроенный механический вал подшипников, например, между 9.4 mN·m и 20 mN·m, и сопоставимых значений около 3 mN·m были также зарегистрированы для биореактора #732. Это примерно один порядок величины выше, чем значения, полученные в предлагаемом экспериментальной установки.
Помимо воздушных подшипников, крутящий момент метр используется является важнейшим компонентом. Для этого исследования был выбран коммерчески доступных крутящий момент метра, предназначенный для измерения статических и динамических крутящий момент, скорость вращения и угол поворота. Учитывая биореакторов интерес с максимальной рабочей тома 10 Л и соответствующие мешалки был выбран номинальный крутящий момент 0,2 Нм. Было установлено, что высокая воспроизводимость с относительной стандартное отклонение реплицирует < 5% и надежных измерений могут быть получены для эффективного крутящего момента, как низко как 2 mN·m, соответствующий только 1% номинального крутящего момента. Таким образом диапазон измерений датчика, применяемые в настоящем исследовании была значительно шире, чем результаты, которые были опубликованы на основе межлабораторные исследования членов Рабочей группы немецких ГВК-VDI на смешивание41.
Тем не менее диапазон скорости мешалки следует тщательно отобраны в отношении резолюции крутящий момент датчик, номинальный крутящий момент и формирование вихревой. Последние часто встречается в unbaffled биореакторов взволнованный на высоких скоростях и может привести к повреждению крутящий момент метр. Минимальные и максимальные возможности агитатор скорости можно сдерживающими факторами метода, описанного в настоящем исследовании. В дополнение к нашим предыдущим работают35, это исследование также участвуют реактор #3, наименьший элемент в семье биореактор стекла, предоставленный производителем, который агитировал в двухступенчатом крыльчатки с диаметром 42 мм. Характеристика сопоставимой мощности, в геометрически подобных биореактор #4 был получен с представленной экспериментальной установки. Это заметно, поскольку крутящий момент весы с M 5 d для заданной плотности жидкости, крыльчатка геометрии (т.е. мощность номер) и скорость вращения (см. уравнение 1 и 2 эквалайзера). Следовательно примерно 40% меньше крыльчатка крутящий момент результаты от 10% меньшего диаметра рабочего колеса, например. Тем не менее выше скорость вращения в масштабе 1 Л, чем в масштабе 2 L необходимы во время операции для разрешения производства крутящий момент измерителем крутящего момента. Из-за встроенных перегородки биореактор #3 без формирование вихревой наблюдалось, но это может стать проблема с unbaffled судов. Следует подчеркнуть, что постоянное смещение в мощность чисел, которая была найдена между двумя шкалами может привести от неточностей измерения, вызванных ограниченной датчик резолюции (помимо геометрические различия). Дальнейшее расследование, обязаны делать окончательные выводы о минимальном масштабе, при котором предлагаемая программа установки все еще возможно.
Тем не менее тот же протокол был использован для питания ввода измерений в различных стеклянных сосудов от различных производителей с объемами работы между 1 и 10 Л в нашей лаборатории. Это подчеркивает передаваемости используемый метод для характеристики различных биореактор систем. Экспериментальных усилий может быть уменьшена автоматизированных измерений с использованием рецепт управления в рамках системы автоматизации, предоставляемые программное обеспечение блока управления и автоматизированной обработки данных, основанный на универсальный язык Matlab.
Кроме того, следует отметить, что, используя сахарозу, содержащих, дешевые ньютоновской модели СМИ, широкий диапазон Рейнольдс чисел (100 < Re < 6·10-4), в зависимости от агитатор и масштаба, было покрыто. Следует также подчеркнуть, что нижний предел диапазона турбулентности обычно не имеет значения для культур клеток животных с водой, как средства массовой информации, даже если используются крыльчатка очень низкой скорости. Однако значительное увеличение вязкости бульон, который приводит к турбулентности затухания и даже неньютоновских поведение были описаны для грибов - и растительных культур на основе ячеек. Например очевидным вязкости в завод культур до 400-fold сравнению с водой были сообщил42, что приводит к гораздо ниже числах Рейнольдса.
Наконец используя биореактор #7 как первое тематическое исследование, было продемонстрировано что предлагаемая экспериментальной установки может использоваться для изучения влияния изменения дизайна на вход питания на лабораторных. В сочетании с методами быстрое прототипирование это может быть мощным инструментом для крыльчатка дизайн исследования, которые станут частью будущей работы.
Disclosures
Авторы заявили отсутствие конфликта интересов.
Acknowledgments
Авторы хотели бы поблагодарить Дитер Häussler и бить Гаутчи за их помощь в ходе экспериментальной набор вверх. Мы признательны также Caroline Гайд для английского доказательство чтения.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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. , Springer-Verlag. Berlin, Heidelberg, New York. (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. Aeration, mixing and hydrodynamics in bioreactors. Cell Culture Technology for Pharmaceutical and Cell-Based Therapies. Ozturk, S. S., Hu, W. -S. , Taylor & Francis. New York (NY). 225-248 (2006).
- Chisti, Y. Shear Sensitivity. Encyclopedia of Bioprocess Technology. Flickinger, M. C., Drew, S. W. , John Wiley & Sons. Hoboken, NJ, USA. 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 < 5x10^5. 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. A study of agitated gas-liquid reactors with concave blade impellers. Gupta, B., Ibrahim, S. , Kluwer Academic Publishers. 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. Single-use equipment in biopharmaceutical manufacture: A brief introduction. Single-Use Technology in Biopharmaceutical Manufacture. Eibl, R., Eibl, D. , John Wiley & Sons. Hoboken, NJ, USA. 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).
- Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH. Drehmoment-Messwelle T20WN product description. , Available from: http://www.hbm.com/en/0264/torq (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. , Eigenverlag FH. Anhalt, Köthen, Germany. (1998).
- Kaiser, S. C., Werner, S., Eibl, D. CFD as tool to characterize single-use bioreactors. Single-Use Technology in Biopharmaceutical Manufacture. Eibl, R., Eibl, D. , John Wiley & Sons. Hoboken, NJ, USA. 264-279 (2010).
- Liepe, F. Verfahrenstechnische Berechnungsmethoden Teil 4: Stoffvereinigen in fluiden Phasen - Ausrüstungen und ihre Berechnung. VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie. , Leipzig, Germany. (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).
