Kwantificeren mengen met behulp van Magnetic Resonance Imaging
January 25th, 2012
Magnetic resonance imaging (MRI) is een krachtig hulpmiddel om de effectiviteit van procesapparatuur te evalueren tijdens de werking. We bespreken het gebruik van MRI te visualiseren mengen in een statische mixer. De applicatie is relevant voor producten voor persoonlijke verzorging, maar kan worden toegepast op een breed scala aan voedingsmiddelen-, chemische, biomassa en biologische vloeistoffen.
Het algemene doel van het volgende experiment is om magnetische resonantiebeeldvorming te gebruiken als een krachtig hulpmiddel om meng- en procesapparatuur te evalueren. Dit wordt bereikt door twee vloeistroomstromen te combineren in een opgesplitste en gecombineerde statische mixer. Mr.Beelden worden verkregen door een geschikt beeldvormingsprotocol te selecteren.
Deze afbeeldingen laten de karakterisering van de mixer toe. Prestatieresultaten worden verkregen voor een toepassing die relevant is voor producten voor persoonlijke verzorging, maar de procedure kan worden toegepast op een breed scala aan voedsel, chemicaliën, biomassa en biologische vloeistoffen. Het belangrijkste voordeel van het gebruik van magnetische resonantiebeeldvorming boven andere technieken, zoals video, is dat ondoorzichtige materialen kunnen worden gevisualiseerd.
Bovendien is de informatie kwantitatief en kunnen componentconcentraties en de mate van menging worden berekend. Visualiseren, mixen. Het gebruik van MRI kan nuttig zijn voor het valideren van computationele vloeistof, dynamische simulaties en productieprocessen door gedetailleerde vergelijkingen van ruimtelijk gemeten concentratieverdeling met berekende concentratieverdelingen.
De SAR-mixer bestaat uit een aantal verschillende platen die in een PVC-buis zijn gelegd. Elke lasergesneden plaat is samengesteld uit PMMA en 1,59 millimeter dik gesneden. Elke plaat heeft een rechthoekige sleutel die deze langs een acrylstaaf uitlijnt.
In een PVC-buis kan het plastic helder of ondoorzichtig zijn. De platen hebben verschillende ontwerpen met openingen waardoor vloeistoffen kunnen stromen. De platen worden in de buis gelegd in een herhalend patroon dat resulteert in tunnels die mengen.
De twee vloeistoffen die door de plaat S in de buis gaan, worden gebruikt om de twee vloeistoffen die het herhalende motief binnenkomen te stroomlijnen. Een vloeistofstroom bevindt zich in het midden en de vloeistofstromen erboven en eronder. Ze hebben een relatieve stroomsnelheid van 10 tegen één.
Vervolgens ontmoeten de vloeistoffen elkaar in een open kanaal, dat wordt gemaakt door acht type C-platen. De vloeistoffen worden vervolgens fysiek gescheiden in twee verticale kanalen door acht platen van plaat I.Het volgende gedeelte bestaat uit 16 unieke platen, die elke vloeistofstroom met 90 graden linksom draaien. De vloeistof stroomt vervolgens door acht platen die de vloeistoffen in twee horizontale kanalen splitsen.
Het herhalende motief eindigt met acht open kanaalplaten. In totaal wordt het motief zes keer herhaald door de PVC-buis. Bouw een doorstroomsysteem om carbo-pooloplossing door de inline gesplitste en gecombineerde statische mixer te pompen, begin met het positioneren van de mixer in de magneet.
De magneet maakt deel uit van een enkele Tesla permanente magneet gebaseerde beeldvormingsspectrometer met een piekgradiëntsterkte van 0,3 Tesla per meter en een bijna kubusvormige behuizing om de massastroming van de testvloeistoffen te kunnen controleren en registreren. Voeg bovendien een drukwaarneming stroomopwaarts van de mixer toe om de druk te controleren, een radiofrequentie spoel gemaakt van een solenoïde met vier windingen in gevallen van cilindrisch volume en past nauw aan de PVC-buis. Ten slotte zijn twee verschillende oplossingen aangesloten op de inlaten.
In deze demonstratie zullen de oplossingen carbopol zijn met of zonder mangaanchloride. Bereid de carbopol-oplossing voor door langzaam een gewogen hoeveelheid polymeer in gedeïoniseerd water in een geroerde tank te zeven. Neutraliseer de carbopol-oplossing met een 50% natriumhydroxide-oplossing tot een pH van zeven.
De neutralisatie laat de oplossing toe om zijn maximale viscositeit te bereiken omdat het polymeer opzwemt in water. Om een gel te vormen, bereid een tweede gedoteerde carbopool-oplossing voor die het MR.Contrastmiddel mangaanchloride bevat. Om het stromingsgedrag of de reologie te karakteriseren, gebruikt u een standaard coquette-geometrie bij een vloeistoftemperatuur van 25 graden Celsius om de schuiviscositeit te meten.
Gebruik een steady state sheerstroomveeg van 0,1 tot 500 pascal in LA ritmische modus met 10 punten per decennium en 5% tolerantie. Meet vervolgens de spanning over een frequentieveeg van 628 tot 0,63 rad per seconde in LA logaritmische modus met 10 punten per decennium. Bij het selecteren van beeldvormingsparameters moeten we rekening houden met de totale signaal-ruisverhouding in het beeld evenals het contrast en de signaalintensiteit tussen het gedoteerde gebied en het gebied dat wordt aangeslagen.
In dit geval hebben we een gradiëntechosequentie gekozen en we hebben concentraties gekozen van de. om ons een lineaire afhankelijkheid van signaalintensiteit op concentratie te geven. De MR-sequentie omvat geen flowscompensatie.
Om bewegingsartefacten te voorkomen, wordt de beeldvorming uitgevoerd op rustende vloeistof; de beeldvormingstijd is van de orde van één tot vier minuten. Herpositioneer de mixer om de volumes op verschillende axiale locaties te beeldvormen. Schuif de mixerbuis axiaal door de magneet totdat het gewenste volume zich in het centrum van de NMR-spoel in het centrum van de magneet bevindt.
Herhaal vervolgens het beeldvormingsproces. Analyseer ten slotte de MR-gegevens met beeldanalyseprocedures om de ruimtelijke verdeling van componentconcentraties te documenteren. In dit werk waren de reële logische eigenschappen van de twee oplossingen onderscheidbaar.
De visco-elastische eigenschappen van de oplossingen hadden de kenmerken van een gelsysteem met opslag groter dan verlies, modulus en verlies redelijk constant. De helling van een verlies over opslag nam toe bij hogere frequentie en de overeenkomstige fasevertraging volgde dezelfde trend om de relatieve bijdrage van viskeuze krachten aan traagheidskrachten tijdens stroming te evalueren. Reynoldsgetallen werden berekend als het gemiddelde stromen door de platen.
Deze waarden, die veel minder zijn dan 1,0, geven aan dat viskeuze krachten de traagheidskrachten domineerden. Het mengen was dus door laminaire rek en schuif in plaats van turbulentie. Om de kracht van stromingsvisualisatie met behulp van MRI te illustreren, zijn de volgende resultaten geselecteerde afbeeldingen op verschillende axiale locaties.
De SAR-mixer splitst stromen
Overzicht
Deze studie maakt gebruik van magnetische resonantie beeldvorming (MRI) om de mengprocessen in een statische mixer te evalueren, relevant voor persoonlijke verzorgingsproducten en verschillende vloeistoffen. Het onderzoek benadrukt de voordelen van MRI bij het visualiseren van ondoorzichtige materialen en het kwantificeren van mengefficiëntie.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Neurowetenschappen
- Biologische Techniek
- Vloeistofdynamica
Achtergrond
- Magnetische resonantie beeldvorming is een krachtig hulpmiddel voor procesevaluatie.
- Statische mixers worden veel gebruikt in verschillende industrieën voor het mengen van vloeistoffen.
- Het visualiseren van mengprocessen kan het begrip en de optimalisatie van de productie verbeteren.
- Ondoorzichtige materialen vormen uitdagingen voor traditionele beeldtechnieken.
Doel van de studie
- De effectiviteit van een statische mixer evalueren met behulp van MRI.
- Het mengproces van twee vloeistroomlijnen in real-time visualiseren.
- Kwantitatieve gegevens verstrekken over componentconcentraties en mengefficiëntie.
Gebruikte methoden
- Twee vloeistroomlijnen combineren in een gesplitste en gehercombineerde statische mixer.
- Gebruik van een enkele Tesla permanente magneet-gebaseerde beeldvormingsspectrometer.
- Karakteriseren van stromingsgedrag en reologie van de vloeistoffen.
- Analyse van MRI-gegevens om de ruimtelijke verdeling van concentraties te documenteren.
Belangrijkste resultaten
- Succesvolle visualisatie van mengprocessen in ondoorzichtige vloeistoffen.
- Kwantitatieve analyse van componentconcentraties bereikt.
- Aangetoond dat viskeuze krachten domineerden over traagheidskrachten tijdens stroming.
- Beeldmateriaal toonde effectieve splitsing en menging van vloeistofstromen.
Conclusies
- MRI is een waardevol hulpmiddel voor het evalueren van menging in statische mixers.
- De methode kan worden toegepast in verschillende industrieën buiten persoonlijke verzorgingsproducten.
- Toekomstige toepassingen kunnen de procesoptimalisatie in vloeistofdynamica verbeteren.
Veelgestelde vragen
Executive Industry Relevance
This work demonstrates how magnetic resonance imaging (MRI) enables quantitative visualization of mixing in opaque, high-viscosity fluids relevant to personal care product manufacturing. By providing spatially resolved concentration data, MRI supports mechanistic de-risking of fluid processing steps and enhances predictive confidence in scale-up decisions. The approach addresses a key discovery-stage challenge: validating computational fluid dynamics (CFD) models with empirical, non-invasive data under industrially relevant conditions.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of fluid rheology hypotheses by comparing measured concentration distributions to CFD predictions.
- Operational Value: Provides non-destructive, spatially resolved data for validating mixing performance in complex fluid systems.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantitative component concentration maps that serve as benchmark data for assay standardization in fluid-based screening platforms.
- Operational Value: Supports development of reproducible mixing protocols critical for consistent reagent preparation in high-throughput screening.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Bridges discovery and preclinical workflows by enabling direct comparison of lab-scale mixing behavior to manufacturing-scale simulations.
- Operational Value: Facilitates risk-adjusted advancement decisions through empirical validation of process homogeneity in gel-like biologics formulations.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into the discovery continuum by informing early hypothesis testing, enabling assay-ready sample preparation, and supporting analytics-driven go/no-go decisions in formulation development.
- Discovery Biology: Supports mechanistic de-risking by validating assumptions about fluid behavior in complex matrices used for target engagement studies.
- Screening: Ensures assay readiness through quantifiable mixing efficiency metrics that reduce well-to-well variability in biochemical assays.
- Analytics: Delivers spatially resolved concentration measurements and mixing indices that enable objective comparison of process conditions.
- Translational Research: Connects formulation development to preclinical continuity by verifying homogeneity in viscous drug delivery systems.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable imaging capability for evaluating mixing performance across diverse fluid formulations and device designs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in fluid processing steps by providing direct evidence of mixing quality in opaque systems.
- Operational Value: Enhances standardization and reproducibility of sample preparation workflows through quantifiable mixing benchmarks.
- Strategic Value: Improves capital efficiency by reducing late-stage failures due to inadequate mixing in scalable manufacturing processes.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of formulation candidates based on empirically validated process robustness.
Implementation Considerations
- Requires expertise in MRI operation, fluid rheology, and image analysis for accurate interpretation of concentration distributions.
- Dependent on access to MRI-compatible static mixer hardware and RF coils suitable for cylindrical sample geometries.
- Necessitates cross-team standardization between formulation, process engineering, and analytical groups to align on mixing quality thresholds.
- Involves adaptation considerations when transferring protocols from Newtonian to non-Newtonian or viscoelastic fluid systems.
- Limited by relatively long image acquisition times (1–4 minutes), which may restrict use in high-throughput dynamic process monitoring.
