Ekonomiczna i niezawodna metoda przewidywania naprężeń mechanicznych w pompach jednorazowych i standardowych

Podsumowanie

Badania naprężeń ścinających w systemie emulsji olejowo-wodnej skutkują rozpadem kropli w czasie eksperymentu. Aby zliczyć wielkość kropli w procesach pompowania, w protokole tym z powodzeniem wykazano przydatność endoskopii inline.

Streszczenie

Pompy są głównie używane do przenoszenia sterylnych bulionów hodowlanych w procesach produkcji biofarmaceutycznej i biotechnologicznej. Jednak podczas procesu pompowania występują siły ścinające, które mogą prowadzić do jakościowych i/lub ilościowych strat produktu. Aby obliczyć naprężenia mechaniczne przy ograniczonych kosztach eksperymentalnych, użyto systemu emulsji olejowo-wodnej, którego przydatność wykazano do wykrywania wielkości kropli w bioreaktorach¹. Ponieważ rozpad kropli w układzie emulsji olej-woda jest funkcją naprężeń mechanicznych, rozmiary kropli muszą być liczone w czasie doświadczalnym badań naprężeń ścinających. W poprzednich badaniach wykazano, że endoskopia inline jest dokładną i niezawodną techniką pomiarową do wykrywania wielkości kropli w dyspersjach ciecz/ciecz. Celem tego protokołu jest wykazanie przydatności techniki endoskopii inline do pomiaru wielkości kropli w procesach pompowania. Aby wyrazić wielkość kropli, jako reprezentatywną średnicę kropli w emulsji olej-woda użyto średniej średnicy Sautera d₃₂. Wyniki wykazały niewielką zmienność średnich średnic Sautera, które zostały określone ilościowo za pomocą odchyleń standardowych poniżej 15%, co wskazuje na wiarygodność techniki pomiaru.

Wprowadzenie

Pompy są używane do przenoszenia kultur komórkowych w przemyśle farmaceutycznym i biotechnologicznym. Podczas procesu pompowania naprężenia mechaniczne mogą spowodować nieodwracalne uszkodzenie komórek, co może pogorszyć ilość i jakość produktu^1-4. Poziom naprężeń mechanicznych zależy od typu pompy i jej ustawień, jak wykazano w poprzednich badaniach^5-6. Powszechnie pompy perystaltyczne, strzykawkowe i membranowe są używane do zastosowań opartych na technologii jednorazowego użytku (SU). Pompy te powodują duże lokalne siły ścinające spowodowane ściskaniem rurki pompy i pulsującym przepływem⁷.

Aby przezwyciężyć te wady, magnetycznie lewitujące pompy odśrodkowe (pompy odśrodkowe MagLev) stanowią obiecującą alternatywę. Silnik jest napędzany magnetycznie, aby uniknąć wąskich szczelin między wirnikiem a korpusem pompy (ilustracja 1). W poprzednim badaniu zbadano pompy odśrodkowe MagLev i wykazano mniejsze naprężenia mechaniczne w komórkach jajnika chomika chińskiego (CHO) w porównaniu z pompami perystaltycznymi i 4-tłokowymi membranowymi⁵. Ponadto analizy hemolizy nie wykazały znaczącego urazu krwi i tworzenia się skrzeplin w różnych warunkach pracy przy użyciu tych pomp^8-11. Wyniki pokazują, że zastosowanie tych specjalnie zaprojektowanych pomp powoduje mniejsze obciążenie mechaniczne systemów biologicznych w porównaniu z pompami perystaltycznymi i membranowymi. Do zbadania naprężeń mechanicznych przy ograniczonych kosztach eksperymentalnych zaleca się model emulsji olejowo-wodnej ze względu na jego koszt (ok. 99,8%) i skrócone czasowo (ok. 99,5%) zastosowanie w porównaniu z biologicznymi systemami hodowli komórkowych.

Ponieważ rozpad kropli w systemie emulsji olejowo-wodnej jest funkcją naprężeń mechanicznych, rozmiary kropli muszą być liczone w czasie eksperymentalnym badań naprężeń ścinających. Dostępnych jest wiele technik doboru rozmiaru, które można podzielić na techniki dźwiękowe, laserowe i fotograficzne¹². W szczególności zastosowanie endoskopii inline z sondą fotooptyczną wykazuje prawie identyczne rozmiary kropli dla detekcji ręcznej i automatycznej (odchylenie standardowe poniżej 10%) i umożliwia wykrywanie 250 kropli na minutę¹³. Ze względu na swoją dokładność i niezawodność, technika endoskopowa okazała się skuteczną standardową techniką pomiaru rozkładu wielkości kropli w dyspersjach ciecz/ciecz w porównaniu z innymi powszechnie stosowanymi sondami (np. światłowodowym czujnikiem stosunku przód-tył (FBR), metodą odbicia skupionej wiązki (FBRM) i dwuwymiarową techniką pomiaru odbicia optycznego (2D-ORM))^12,14. Co więcej, przydatność endoskopii inline do pomiaru wielkości kropel w naczyniu z mieszadłem została kilkakrotnie wykazana w poprzednich badaniach^15-18.

Na podstawie wcześniejszego badania⁶, ten protokół opisuje użycie endoskopii inline do określania wielkości kropli (średnia średnica Sautera) systemu emulsji olej-woda w pompach. Średnia średnica Sautera została wykorzystana jako kryterium porównawcze w celu oszacowania naprężeń mechanicznych wielofunkcyjnych (MU) pomp odśrodkowych MagLev, perystaltycznej i jednorazowej (SU) 4-tłokowej pompy membranowej.

Rysunek 1. Magnetycznie lewitowany system pomp odśrodkowych. (A) Zasada działania silnika bezłożyskowego i (B) PuraLev 200MU są pokazane jako przykład. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Protokół

Badania zostały przeprowadzone przy użyciu instalacji pompowej (Rys. 2), która umożliwia przeprowadzanie eksperymentów z naprężeniami mechanicznymi przy natężeniach przepływu do 60 L ^min-1 i spadkach ciśnienia do 2 barów. Jak pokazano na rys. 2, układ eksperymentalny składa się z naczynia magazynowego, obwodu pompy i sprzętu do techniki endoskopii na linii. Wirnik zbiornika magazynowego służył wyłącznie do mieszania środka powierzchniowo czynnego. Elementy peryferyjne zostały zintegrowane z zamkniętą pętlą w celu monitorowania natężenia przepływu V̇ i spadku ciśnienia p przy różnych ustawieniach pompy. Badania były urozmaicone za pomocą zaworu ręcznego.

1. Konfiguracja eksperymentalna

1. Upewnij się, że bioreaktor (D = 0,15 m, H/D = 2,2) jest wyposażony w wirnik do rozpuszczania środka powierzchniowo czynnego i upewnij się, że rurka wlotowa zanurza się w płynie, aby uniknąć przedostania się gazu.
2. Wyposaż pętlę pompy w port strzykawkowy, badaną pompę, przepływomierz zaciskowy, jednorazowy czujnik ciśnienia i zawór ręczny. Po podłączeniu pętli pompy do naczynia magazynowego należy podłączyć głowicę pompy do silnika i przygotować sondę endoskopową.
3. Zamontuj wymienną płaszczyznę odbicia, w tym przypadku zwierciadło rodowane, na końcówce sondy i wyreguluj odległość między lustrem a soczewką do 150 μm. Wyreguluj na 100 μm, aby ustawić ostrość obiektywu.
4. Podłącz sondę do stroboskopu za pomocą światłowodowego, a kamerę endoskopu do komputera za pomocą Ethernet. Następnie połącz ze sobą kamerę i stroboskop za pomocą ze skrzynką spustową.
5. Uruchom komputer i otwórz oprogramowanie dostarczone przez producenta, które zawiera oprogramowanie do akwizycji i rozpoznawania obrazów, a także oprogramowanie do analizy wyników.
6. Wybierz oprogramowanie do akwizycji obrazów w menu głównym.
7. Kliknij przycisk "Wykryj urządzenie" w lewym górnym rogu ekranu, aby wykryć kamerę.
8. W sekcji "Ustawienia katalogu" wybierz lokalizację na komputerze do zapisywania obrazów i aktywuj polecenie "Utwórz podfoldery wyzwalające".
9. Wprowadź parametry procesu w sekcji "Tryb wyzwalania: gotowy".
   Częstotliwość odświeżania: 7,5 Hz
   Liczba klatek na wyzwalacz: 50
   Liczba wyzwalaczy: 60
   Interwał wyzwalania: 60 sekund
10. Po zakończeniu wszystkich prac przygotowawczych wlać 5 l wody dejonizowanej do naczynia magazynowego i włączyć pompę, aby napełnić pompę i pętlę pompy.
11. Wyłączyć pompę i dodać 0,9 ml środka powierzchniowo czynnego (c_{środek powierzchniowo czynny} = 0,18 ml ^L-1, ρ_{środek powierzchniowo czynny, 20°C} = 1,070 kg ^m-3, krytyczne stężenie miceli (cmc): ω_cmc ≈ 0,018 ml ^L-1, ω_{środka powierzchniowo czynnego} ≈ 10 · ω_cmc) pipetą o pojemności 10 ml mieszając. Po 10 minutach środek powierzchniowo czynny ulega całkowitemu rozpuszczeniu.
12. Wyłącz wirnik i włącz pompę. Ustaw sondę endoskopową tak, aby soczewka znajdowała się bezpośrednio pod rurką wlotową.
13. Ustaw natężenie przepływu na 3,4 l ^min-1 i spadek ciśnienia na 0,03, 0,3 lub 0,61 bara, zmieniając prędkość wirnika i zawór pokrętła.
14. Odważyć 6,3 g oleju bezpośrednio w strzykawce (_{β oleju} = 1,26 g ^L-1, ρ_{oleju, 20°C} = 989,5 kg ^m-3).
15. Uruchom oprogramowanie do akwizycji obrazu i dodaj olej przez port strzykawki. Pracująca pompa rozprowadza krople emulsji.
16. Po 1 godzinie zakończ badanie naprężeń ścinających i wyczyść endoskop liniowy oraz bioreaktor ze zintegrowaną pętlą pompy. Następnie przygotuj konfigurację eksperymentalną do następnego procesu pompowania.

2. Pomiar i analiza obrazu

1. Otwórz oprogramowanie do automatycznego rozpoznawania obrazu w menu głównym.
2. W sekcji "Batch Root Directory" wybierz lokalizację na komputerze, w której chcesz zapisać pliki (all*.csv).
3. Wybierz kolumnę "Ścieżka serii obrazów" i kliknij przycisk "Dodaj podfoldery serii obrazów" w lewym dolnym rogu ekranu, aby załadować serię obrazów.
4. Załaduj parametry procesu, które są podane przez producenta. Wybierz kolumnę "Ustawienia wyszukiwania (*.pss lub auftrag_*.mat)" i kliknij przycisk "Ustaw ustawienia wyszukiwania" w dolnej środkowej części ekranu, aby załadować parametry procesu w celu określenia rozpoznawania upuszczania.
5. Wybierz kolumnę "Search Pattern (*.psp lub F_*.mat) i kliknij przycisk "Set Search Pattern" w prawym dolnym rogu ekranu, aby załadować parametry procesu w celu określenia analizy spadku.
6. Rozpocznij rozpoznawanie obrazu, klikając przycisk "Rozpocznij wsad".
7. Po zakończeniu rozpoznawania obrazu należy wyrazić wykryte wielkości kropli za pomocą średniej średnicy Sautera (d₃₂) lub dowolnej innej reprezentatywnej wartości średniej lub wybranego rozkładu za pomocą oprogramowania do analizy wyników.
8. Otwórz oprogramowanie analizatora wyników w menu głównym.
9. Aktywuj polecenie "wszystko*.csv w 1 folderze" i kliknij przycisk "Załaduj folder(y)" w lewym górnym rogu ekranu, aby załadować wcześniej zapisany plik all*.csv.
10. Wybierz odpowiednią wartość (np. średnią średnicę Sautera) z listy rozwijanej w górnej środkowej części ekranu, aby wyświetlić wyniki. Aby obliczyć średnicę, wprowadź skalę 0,6591 μm ^pixel-1 po prawej stronie, która jest dostarczana przez producenta.

Rysunek 2. Konfiguracja eksperymentalna. Obwód pompy do konfiguracji pompy rurowej przy użyciu endoskopii liniowej jako techniki pomiaru: (1) naczynie magazynowe, (2) port strzykawki, (3) pompa, (4) czujnik ciśnienia, (5) czujnik przepływu, (6) stroboskop, (7) komputer z oprogramowaniem dostarczonym przez producenta oraz (8) sonda endoskopowa. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Wyniki

Ocena optyczna

Rys. u re 3 pokazuje obrazy rozpoznawania cząstek po czasie pompowania wynoszącym 1 godzinę. Cztery górne obrazy pokazują krople przed rozpoznaniem, a dolne cztery obrazy pokazują krople zaznaczone przez oprogramowanie do rozpoznawania. Wykryte krople są podświetlone zieloną obwódką. Porównanie górnego i dolnego obrazu pokazuje, że krawędzie spadku zostały precyzyjnie wykryte przez oprogramowanie do rozpoznawania obrazu. Zdjęcia po lewej stronie pokazują rozkład kropli dla pomp odśrodkowych MagLev PuraLev 200MU i PuraLev 600MU, a te po prawej pokazują 4-tłokową membranę i pompę perystaltyczną. Ocena optyczna pozwoliła na wstępną klasyfikację naprężeń mechanicznych w modelowym układzie emulsyjnym. Okazało się, że pompy odśrodkowe MagLev generowały większe rozmiary kropli i mniejszą liczbę kropli w porównaniu z 4-tłokową pompą membranową i perystaltyczną. W związku z tym pompy odśrodkowe MagLev, zwłaszcza PuraLev 200MU, wykazały zmniejszone pękanie kropli, co wskazuje na mniejsze naprężenia mechaniczne.

Rysunek 3. Obrazy endoskopii w linii. Krople emulsji przed (A, B, C, D) i po (E, F, G, H) rozpoznaniu cząstek po 1 godzinie pompowania przy użyciu (A, E) PuraLev 200MU, (B, F) PuraLev 600MU, (C, G) 4-tłokowej pompy membranowej i (D, H) pompy perystaltycznej w identycznych warunkach pracy (3,4 l ^min-1 i 0,03 bara). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Średnia średnica Sautera

Dalsze badania wykazały odchylenia standardowe poniżej d₃₂ ± 0,4 μm i gwarantowały powtarzalne wyniki przy użyciu inline endoskopii¹⁹. W związku z tym w przypadku tego podejścia nie było wymagane przeprowadzanie wielu badań, co dodatkowo zmniejszyło koszty eksperymentu.

Aby wyrazić wielkość kropli, średnia średnica Sautera d₃₂ (patrz Równanie 1) została użyta jako reprezentatywna średnica kropel w emulsji olej-woda dla tego podejścia. Ogólnie rzecz biorąc, średnia średnica Sautera zmniejszała się z czasem dla wszystkich typów pomp i ustawień pompy, aż do osiągnięcia stanu ustalonego¹². Badania przeprowadzone w tym badaniu potwierdziły przykładowo omówioną w niniejszym protokole progresję średniej średnicy Sautera (rys. u re 4A do D), krzywych PuraLev 200MU (rys. u re 4A) i pompy perystaltycznej (rys. u re 4D).

W przeciwieństwie do PuraLev 200MU, średnie średnice Sautera były do 40% mniejsze dla pompy perystaltycznej w tych samych warunkach pracy (natężenie przepływu = 3,4 L ^min-1; spadek ciśnienia = 0,03 bara). W konsekwencji większe naprężenia mechaniczne skutkowały zwiększonym rozpadem kropli, a tym samym mniejszymi rozmiarami kropli. Co więcej, średnia średnica Sautera zmniejszała się wraz ze wzrostem spadku ciśnienia w PuraLev 200MU (rys. u re 4A), co wskazywało na zależność wielkości kropli od spadku ciśnienia. Natomiast pompa perystaltyczna wykazała średnią średnicę Sautera wynoszącą d_{32,60 min} = 10 μm na końcu doświadczenia dla wszystkich parametrów procesu (rys. u re 4D). W związku z tym stwierdzono, że średnia średnica Sautera jest niezależna od spadku ciśnienia. Wyniki odzwierciedlają jednak fizyczne zrozumienie rozpadu kropli: przy większych naprężeniach mechanicznych wyznaczono mniejsze średnie średnice Sautera (patrz również rys. u re 5).

Dla każdego punktu pomiarowego wyznaczono co najmniej 300 kropli, aby zagwarantować pewność statystyczną. Maksymalne odchylenie standardowe zmniejszyło się dla PuraLev 200MU z d_{32,4 min} ± 42 μm, a dla PuraLev 600MU z d_{32,6 min} ± 21 μm do około d₃₂ ± 0,5 μm na końcu procesu pompowania. Zmniejszone odchylenie standardowe wynikało ze zwiększonego jednorodnego rozkładu wielkości kropli aż do osiągnięcia stanu ustalonego. W porównaniu z pompami odśrodkowymi MagLev, pompy perystaltyczne i 4-tłokowe membranowe wykazały odchylenia standardowe poniżej d₃₂ ± 10 μm.

(1)

Rysunek 4. Typowe profile średnich średnic Sautera d₃₂ w czasie i wyznaczenie zmierzonych średnich średnic Sautera d_32,m. Porównanie średnich średnic Sautera d₃₂ (A) dla PuraLev 200MU, (B) dla PuraLev 600MU, (C) dla 4-tłokowej pompy membranowej i (D) dla pompy perystaltycznej. Średnie średnice Sautera d₃₂ wyznaczono przy natężeniu przepływu 3,4 L ^min-1 i spadkach ciśnienia w zakresie od 0,03 do 0,61 bara. Zmierzona średnia średnica Sautera d_32,m została obliczona dla ostatnich 10 minut (granica). Pokazano wynikowe odchylenie standardowe średnich średnic Sautera d₃₂ (N ≥ 300). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Zmierzona średnia średnica Sautera jako system porównawczy

Jak opisano powyżej, średnia średnica Sautera zmniejszała się z czasem, aż rozmiary kropli osiągnęły stan ustalony. W ciągu ostatnich 10 minut czasu doświadczenia obliczono średnią wartość średniej średnicy Sautera w celu wyznaczenia zmierzonej średniej średnicy Sautera, która została wykorzystana jako kryterium porównawcze (patrz granica rys. 4A-D). Zmierzone średnie średnice Sautera d_32,m przedstawiono na rys. 5 dla natężenia przepływu 3,4 L ^min-1 i zakresu spadku ciśnienia od 0,03 do 0,61 bara. Większe zmierzone średnie średnice Sautera wyznaczono zarówno dla pomp odśrodkowych MagLev (200 MU i 600 MU), jak i 4-tłokowej pompy membranowej przy niższych spadkach ciśnienia i prędkościach wirnika. Pompa perystaltyczna ujawniła zmierzone średnie średnice Sautera wynoszące d_32,m = 10 μm dla wszystkich parametrów procesu. Jak wspomniano wcześniej, siły tnące były niezależne od spadku ciśnienia w pompie perystaltycznej.

Największe zmierzone średnie średnice Sautera wynoszące d_32,m = 36 μm dla PuraLev 200MU i d_32,m = 34 μm dla PuraLev 600MU uzyskano przy spadku ciśnienia 0,03 bara. W porównaniu z ich odpowiednikami, pompy odśrodkowe serii MagLev uzyskały do 59% większe zmierzone średnie średnice Sautera. Wyniki te wskazują na mniejszą szybkość rozpadu kropli, a tym samym mniejsze naprężenia mechaniczne wynikające z zastosowania pomp odśrodkowych.

Odchylenie standardowe zmierzonych średnich średnic Sautera w stanie ustalonym było poniżej 15%, potwierdzając tym samym wiarygodne i dokładne wartości dla wielkości kropli.

Rysunek 5. Porównanie zmierzonych średnich średnic Sautera d_32,m. Zmierzone średnie średnice pomp odśrodkowych MagLev i ich odpowiedników przy 3,4 l ^min-1 i spadkach ciśnienia 0,03, 0,30 i 0,61 bara. Przedstawiono wynikowe odchylenia standardowe zmierzonych średnich średnic Sautera d_32,m w stanie ustalonym.

Skróty Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

T użytku

2D-ORM	dwuwymiarowy pomiar odbicia optycznego
Ccd	Urządzenie sprzężone z ładunkiem
Cho	Jajnik chomika chińskiego
Cmc	Krytyczne stężenie miceli
FBR (Urząd Zarządzania	stosunek przód-tył
FBRM (Mechanizm zarządzania rybami)	Metoda odbicia skupionej wiązki
MU	Wielozadaniowy
Su	Jednorazowego

Nomenklatura

	[m3 sek-1]	Przepływ
c	[m3 m-3]	koncentracja
D32	[m]	Średnia średnica Sautera
d32,m	[m]	zmierzona średnia średnica Sautera
ds	[m]	Średnica powierzchni
d v	[m]	średnica objętości
Z	[Hz]	częstotliwość
n	[sek-1]	prędkość obrotowa wirnika
N	[-]	Liczba kropli
p	tatuś	Spadek ciśnienia
t	S	Godzina
β	[kg m-3]	stężenie masowe
ρ	[kg m-3]	gęstość
ω	[m3 m-3]	Ułamek masowy

Tabela 1. Tabela skrótów i nomenklatury.

Dyskusja

Celem tego protokołu jest wykazanie przydatności techniki endoskopii inline do pomiaru wielkości kropli w procesach pompowania. W tym celu określono wielkości kropli w układzie emulsyjnym olej-woda i obliczono zmierzoną średnią średnicę Sautera, aby scharakteryzować naprężenia mechaniczne pomp odśrodkowych MagLev, a także ich odpowiedników, pompy perystaltycznej i 4-tłokowej pompy membranowej. Wyniki wykazały niewielką zmienność zmierzonych średnich średnic Sautera, które zostały określone ilościowo za pomocą odchyleń standardowych poniżej 15%, co wskazuje, że wielkości kropli zostały zmierzone wiarygodnie i dokładnie. W związku z tym zmierzona średnia średnica Sautera może być z powodzeniem wykorzystana jako kryterium porównawcze do oceny naprężeń mechanicznych badanych pomp. Pompy odśrodkowe MagLev wykazały większe zmierzone średnie średnice Sautera, co wskazuje na mniejsze naprężenia mechaniczne przy kroplach emulsji w porównaniu z pompami perystaltycznymi i 4-tłokowymi membranowymi. W dotychczasowych badaniach wykazano, że endoskopia inline jest solidną i prostą techniką wiarygodnego pomiaru wielkości kropli^{1,6,12-14,20-21}, co również zostało potwierdzone w tym badaniu. W porównaniu z alternatywnymi technikami pomiarowymi, takimi jak światłowodowy czujnik FBR, FBRM i technika 2D-ORM, technika endoskopowa może być stosowana jako standardowa metoda uzyskiwania precyzyjnych danych w zastosowaniach ciecz/ciecz^12,14.

Łatwa obsługa endoskopii inline i prosta produkcja niebiologicznego systemu emulsji olejowo-wodnej umożliwia prostą procedurę wykrywania wielkości kropli zgodnie z tekstem protokołu (patrz wyżej). Niemniej jednak należy wspomnieć, że położenie sondy endoskopowej zależy od przepływu płynu w naczyniu magazynowym. Dalsze badania (dane nie zostały pokazane) wykazały, że soczewka sondy powinna znajdować się bezpośrednio pod rurą wlotową dla niższych natężeń przepływu do 5 L ^min-1 , aby uniknąć wielokrotnego wykrywania jednej kropli¹⁹. Aby uzyskać ostre obrazy przy natężeniu przepływu powyżej 5 L ^min-1, zaleca się umieszczenie sondy w odległości co najmniej 10 cm od rurki wlotowej. Niezależnie od parametrów procesu, uchwyt endoskopii inline powinien być stabilny, aby uniknąć przesuwania się sondy, co może skutkować rozmyciem obrazu.

Ponadto należy zwrócić szczególną uwagę na to, że wykryta wielkość kropli jest bliska dolnej granicy wykrywalności zastosowanego systemu fotooptycznego, gdzie minimalna wykrywalna średnica kropli wynosi 6,5 μm. Ponieważ oprogramowanie dostarczone przez producenta zostało ulepszone, techniki endoskopii inline mogą niezawodnie wykrywać minimalny rozmiar kropli wynoszący 1 μm. Co więcej, przetwarzanie obrazu będzie dalej rozwijane, aby umożliwić monitorowanie aplikacji przemysłowych online.

Podczas gdy obecne badanie koncentrowało się na stosunkowo niskich natężeniach przepływu do 3,4 l ^min-1, przyszłe badania powinny uwzględniać szerszy zakres warunków pracy. Pierwsze badania przeprowadzono przy natężeniach przepływu do 20 L ^min-1 (dane nie pokazane). Zaleca się jednak rozcieńczenie 1:2 (c_{środek powierzchniowo czynny} = 0,09 ml ^L-1, c_olej = 0,64 ml ^L-1) układu emulsji olej-woda przy natężeniach przepływu powyżej 10 L ^{min-1 19}, ponieważ w przeciwnym razie zwiększony rozpad kropli spowodowany większymi naprężeniami mechanicznymi wpłynąłby na wykrywanie kropli i zmniejszyłby liczbę wykrywanych kropli. Testy przeprowadzono w rozcieńczeniu 1:2 i porównano z wynikami nierozcieńczonego układu emulsji olej-woda. W przypadku obu podejść średnie średnice Sautera zostały wiarygodnie zmierzone (odchylenie standardowe poniżej 5%). W związku z tym zmniejszona frakcja objętościowa (rozcieńczenie 1:2) nie miała wpływu na zmierzone średnie średnice Sautera, a zatem rozpad kropla-kropla był znikomy.

Te potężne podejścia eksperymentalne stanowią dobrą podstawę do ulepszenia techniki endoskopii, a także powiązanego oprogramowania do akwizycji, rozpoznawania i analizy wyników. Ponadto z powodzeniem wykazano przydatność techniki endoskopii do klasyfikowania typów i serii pomp w zależności od ich naprężeń mechanicznych. Uzyskane wyniki są niezbędne do opracowania konstrukcji pomp i optymalizacji pomp w celu zmniejszenia uszkodzeń ogniw.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Kamera CCD	Allied Vision Technologies GmbH	GX2750	Sprzęt do endoskopii inline
C-Flex Rurki biofarmaceutyczne	Saint-Gobain Performance Plastics	374-375-4	Rurka Wybierz długość rurki około 45  cm przed pompą.
Rurki biofarmaceutyczne C-Flex	Saint-Gobain Performance Plastics	374-375-3	Rurka Wybierz długość rurki około 45  cm za pompą i zacisk na czujniku przepływu do tej rurki.
Złącze CLAVE	Victus	011-C2000	Port próbkowania
Kontroler LPC-200.1-02	Levitronix GmbH	100-30030	Sterownik PuraLev 200MU
Kontroler LPC-600.1-02	Levitronix GmbH	100-30033	Sterownik PuraLev 600MU
Czujnik zaciskowy LeviFlow LFSC-12	Levitronix GmbH	100-30329	Czujnik przepływu dla natężeń przepływu poniżej 5  L  min-1
LeviFlow Konwerter LFC-1C-CS	Levitronix GmbH	100-30328	Urządzenie wyjściowe czujnika przepływu
Masterflex I/P Easy Load	Fisher Scientific AG	EW-77963-10	Pompa perystaltyczna
Zawór swobodnego przepływu	Mitos Parker Hannifin Europe Sà rl	FFLQR16S6S6AM	Zawór
Mobil Eal Arctic	Exxon Mobil Corporation	Mobil EAL Arctic 22	Oil Przygotować emulsję bezpośrednio przed eksperymentem.
Silnik	Elektromotorenwerk Brienz AG	7WAC72N4THTF	Silnik do wału mieszadła
Silnik BSM-1.4	Levitronix GmbH	100-10005	Silnik PuraLev 200MU
Silnik LPM-600.4	Levitronix GmbH	100-10038	Silnik PuraLev 600MU
Norm-Ject 10 ml Luer Lock	Restek Corporation	22775	strzykawkowej
LPP-200.5	Levitronix GmbH	100-90525	Głowica pompy PuraLev 200MU
Głowica pompy LPP-600.18	Levitronix GmbH	100-90548	Głowica pompy PuraLev 600MU
Quattroflow 1200-SU	Almatechnik AG	QF 1200	4-tłokowa pompa membranowa
SciPres Sensor	SciLog	080-695PSX	Czujnik
SciPres Sensor Monitor	SciLog	080-690	Urządzenie wyjściowe czujnika ciśnienia
Sonda endoskopowa SOPAT-VF Inline	SOPAT GmbH		Endoskopia inline
Stroboskop	Drello GmbH & Co KG	Drelloscop 255-01	Sprzęt do endoskopii inline
Triton X-100	Sigma-Aldrich	X100	Surfaktant Handle z rękawicami i okularami. (ostra toksyczność, podrażnienie oczu)