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Bioengineering

प्रयोगशाला पैमाने पर हड़कंप मच प्रतिक्रिया में पावर इनपुट माप

Published: May 16, 2018 doi: 10.3791/56078
Automatic Translation
1, 2, 2, 2, 2
1Finesse, Thermo Fisher Scientific, 2Institute of Chemistry and Biotechnology, Zurich University of Applied Sciences, School of Life Sciences and Facility Management

Summary

हड़कंप मच प्रतिक्रिया में बिजली इनपुट टोक़ के माध्यम से मापा जा सकता है कि रोटेशन के दौरान उत्तेजित करनेवाला शाफ्ट पर कार्य करता है । इस पांडुलिपि का वर्णन कैसे एक हवा असर को प्रभावी ढंग से घर्षण घाटे को कम यांत्रिक जवानों में मनाया और छोटे पैमाने पर जहाजों में बिजली इनपुट माप की सटीकता में सुधार करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है ।

Abstract

हड़कंप मच प्रतिक्रिया में बिजली इनपुट एक महत्वपूर्ण स्केलिंग अप पैरामीटर है और टोक़ के माध्यम से मापा जा सकता है कि रोटेशन के दौरान उत्तेजित करनेवाला शाफ्ट पर कार्य करता है । हालांकि, छोटे पैमाने पर जहाजों में बिजली इनपुट के प्रायोगिक संकल्प अभी भी अपेक्षाकृत उच्च घर्षण घाटे के कारण अंदर आमतौर पर इस्तेमाल किया झाड़ियों, बीयरिंगों और/या शाफ्ट जवानों और व्यावसायिक रूप से उपलब्ध टोक़ मीटर की सटीकता के लिए चुनौतीपूर्ण है । इस प्रकार, विशेष रूप से एकल उपयोग प्रणालियों में, छोटे पैमाने पर प्रतिक्रिया के लिए केवल सीमित डेटा, साहित्य में उपलब्ध है, अलग एकल उपयोग प्रणालियों और उनके पारंपरिक समकक्षों के बीच तुलना कर मुश्किल है ।

यह पांडुलिपि अशांति की स्थिति की एक विस्तृत श्रृंखला है, जो क्वांटिटी रेनॉल्ड्स नंबर (आरई) द्वारा वर्णित किया जा सकता है पर benchtop पैमाने पर प्रतिक्रिया में बिजली के आदानों को मापने के लिए कैसे पर एक प्रोटोकॉल प्रदान करता है. aforementioned घर्षण नुकसान प्रभावी ढंग से एक हवा असर के उपयोग से कम कर रहे हैं । कम से मध्यम अशांति (१०० < Re < 2 · 104) के साथ सेल कल्चर ठेठ आंदोलन की स्थिति पर विशेष ध्यान देने के साथ, एक टोक़-आधारित पावर इनपुट मापन की स्थापना, आचरण और मूल्यांकन करने के तरीके पर कार्यविधि का विस्तार से वर्णन किया गया है । कई बहु-उपयोग और एकल उपयोग वाले विनिवेशों के पावर इनपुट को क्वांटिटी पावर नंबर द्वारा प्रदान किया जाता है (जिसे न्यूटन नंबर भी कहा जाता है, p0), जो अधिकतम रेनॉल्ड्स नंबरों के लिए p0 ≈ ०.३ और p0 ≈ ४.५ की श्रेणी में होना निर्धारित है में विभिंन प्रतिक्रियाएं ।

Introduction

पावर इनपुट लक्षण वर्णन और के लिए एक महत्वपूर्ण इंजीनियरिंग पैरामीटर है, क्योंकि यह कई इकाई आपरेशनों से संबंधित है, क्योंकि यह homogenization1,2,3, गैस तरल फैलाव2 , 4 , 5, हीट ट्रांसफर6 और सॉलिड सस्पेंशन7. पावर इनपुट कतरनी तनाव के साथ भी जुड़ा हुआ है, जो विशेष रूप से कतरनी संवेदनशील सेल संस्कृतियों में विकास और उत्पाद के गठन को प्रभावित कर सकते हैं8,9,10,11.

हड़कंप मच प्रतिक्रिया में विद्युत इनपुट की माप के लिए सबसे आम तकनीक विद्युत शक्ति ड्रा के आधार पर कर रहे हैं12,13,14, calorimetry12,15 (यानी स्थिर गर्मी संतुलन या आंदोलन के माध्यम से गतिशील हीटिंग) या आंदोलनकारी पर टोक़ । बाद प्रयोगात्मक डायनामोमीटर, टोक़ मीटर या तनाव गेज, जो एक या बहु मंच Rushton टर्बाइनों सहित आंदोलनकारियों की एक किस्म के लिए लागू किया गया है द्वारा निर्धारित किया जा सकता है1,16,17 , 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 , 25, अनिमेष ब्लेड उत्तेजितकों19,20,23,26,27, InterMig19,21 और Scaba उत्तेजित करने वालों28 , 29. एक विस्तृत समीक्षा Ascanio एट अल द्वारा प्रदान की गई है (२००४)30।

टोक़ (टी) से, बिजली इनपुट (पी) Eq .1 से अनुमान लगाया जा सकता है, जहां एन आंदोलनकारी की घूर्णन गति है ।

Equation 11)

आदेश में आंदोलन में होने वाले घाटे के लिए खाते में (बीयरिंगों में, जवानों और मोटर ही), प्रभावी टोक़ (टीeff) खाली पोत (टीडी) में मापा मूल्य के बीच अंतर के रूप में निर्धारित किया जाना चाहिए और में तरल (टीएल ). अंत में, क्वांटिटी पावर नंबर (P0, भी न्यूटन संख्या के रूप में जाना जाता है), जो Eq .2 द्वारा परिभाषित किया गया है, जहां दर्षायाएल तरल घनत्व और घ उत्तेजितकर्ता व्यास का प्रतिनिधित्व करता है, अलग आंदोलनकारियों की तुलना करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है ।

Equation 22)

यह अच्छी तरह से ज्ञात है कि शक्ति संख्या रेनॉल्ड्स नंबर (यानी अशांति) का एक समारोह है और पूरी तरह से अशांत परिस्थितियों में लगातार हो जाता है । उत्तेजित देनेवाला रेनॉल्ड्स नंबर Eq .3 द्वारा परिभाषित किया गया है, जहां ηL तरल चिपचिपापन है ।

Equation 33)

फिर भी, छोटे पैमाने पर प्रतिक्रिया में सत्ता इनपुट माप अभी तक उत्तेजित करनेवाला शाफ्ट के यांत्रिक बीयरिंगों के अंदर अपेक्षाकृत उच्च घर्षण घाटे और सबसे अधिक व्यावसायिक रूप से उपलब्ध टोक़ मीटर की सीमित सटीकता के कारण चुनौती दे रहे हैं । नतीजतन, benchtop पैमाने पर प्रतिक्रिया में पावर इनपुट माप के बारे में केवल कुछ रिपोर्टों17,18,22,24,31,३२प्रकाशित किया गया है । यहां तक कि एकल उपयोग में शक्ति इनपुट के बारे में डेटा की कमी है, जो विनिर्माता, निष्फल और तैयार करने के लिए उपयोग३३,३४के द्वारा वितरित किया जाता है । उनके पुन: प्रयोज्य समकक्षों के विपरीत, सबसे एकल उपयोग प्रतिक्रिया विशेष रूप से डिजाइन उत्तेजितकों द्वारा उत्तेजित कर रहे हैं, तुलना मुश्किल बना ।

आदेश में इस अंतर को बंद करने के लिए, प्रयोगशाला पैमाने पर सरगर्मियों पर विशेष ध्यान के साथ बिजली इनपुट माप के लिए एक विश्वसनीय विधि हाल ही में३५विकसित किया गया है । टोक़ मूल्यों को खाली जहाजों, जो घर्षण घाटे की वजह से थे में मापा, प्रभावी ढंग से एक हवा असर के उपयोग से कम थे । फलस्वरूप, कम से मध्यम अशांति के साथ प्रचालनात्मक स्थितियों की एक विस्तृत श्रृंखला (१०० < Re < 2 · 104) की जांच की जा सकती है और कई बहु-उपयोग और एकल उपयोग वाले विनिवेशों के पावर इनपुट प्रदान किए गए हैं ।

वर्तमान अध्ययन पहले से विकसित विधि का एक विस्तृत माप प्रोटोकॉल प्रदान करता है और प्रयोगशाला पैमाने पर प्रतिक्रिया करने वालों में एक टोक़ आधारित बिजली इनपुट माप की स्थापना, आचरण और मूल्यांकन करने का तरीका बताता है । व्यावसायिक रूप से उपलब्ध एकल और बहु-उपयोग प्रणालियों पर विशेष ध्यान केंद्रित है । प्रयोगात्मक प्रयास को कम करने के लिए एक स्वचालित माप प्रक्रिया का उपयोग किया जाता है ।

Protocol

1. सुक्रोज समाधानों की तैयारी

नोट: सुक्रोज समाधान सस्ते, ंयूटोनियन मॉडल मीडिया ऊंचा चिपचिपापन और कम अशांति की स्थिति के लिए घनत्व के साथ के रूप में उपयोग किया जाता है ( तालिका 1देखें) ।

  1. पानी और विभिंन सांद्रता के सुक्रोज के साथ एक Duran कांच की बोतल भरें (20-60% w/
  2. सुक्रोज पूरी तरह से भंग कर दिया है जब तक एक चुंबकीय सरगर्मी के साथ सामग्री मिश्रण.
    1. ४०% w/w से अधिक में सुक्रोज सांद्रता के लिए, सुक्रोज को आवर्तक रूप में जोड़ें और कांच की बोतल को थोड़ा (~ ५० डिग्री सेल्सियस) गर्म करें । सुक्रोज समाधान का उपयोग करने से पहले कमरे के तापमान को शांत करते हैं ।

2. एक माप नुस्खा और डेटा लॉगिंग की तैयारी

  1. सॉफ़्टवेयर प्रारंभ करने के बाद, ड्रॉपडाउन मेनू से सही सीरियल COM पोर्ट का चयन करके और कनेक्ट करें बटन क्लिक करके नियंत्रण इकाई के साथ संचार आरंभ करें ।
    नोट: कनेक्ट करें बटन रंग को हरा और ड्रॉपडाउन मेनू के नीचे LED पर स्विच करेगा, एक बार नियंत्रण इकाई के साथ संचार शुरू हो जाएगा ।
  2. ऑपरेटर PC पर डेटा संग्रहीत करने के लिए, प्रतिक्रियाकर्ता नियंत्रण इकाई सॉफ़्टवेयर के अंदर डेटा फ़ाइल पथ सेट करें ।
    1. सेटिंग्स टैब पृष्ठ खोलें और डेटा फ़ाइल स्थान पाठ फ़ील्ड के आगे फ़ोल्डर चिह्न को दबाएं ।
    2. फ़ाइल संवाद विंडो में, इच्छा फ़ोल्डर के लिए ब्राउज़ करें, फ़ाइल नाम पाठ फ़ील्ड में कोई फ़ाइल नाम लिखें और ठीक बटन क्लिक करें ।
      नोट: डेटा लॉग फ़ाइल का पथ और नाम पाठ बॉक्स में प्रदर्शित होते है और DAQ प्रारंभ बटन सक्षम होता है, एक बार मांय फ़ाइल पथ निर्धारित होता है ।
  3. आदेश में माप प्रक्रिया को स्वचालित करने के लिए एक विधि प्रबंधक के अंदर प्रतिक्रिया नियंत्रण इकाई सॉफ्टवेयर की एक दिनचर्या सेट करें ।
    1. नुस्खा टैब पृष्ठ खोलें और पाठ क्षेत्र बक्से में नुस्खा चरण बीता समय (मिनट) और इसी उत्तेजित देनेवाला गति (rpm) के लिए वांछित इनपुट मूल्यों लिखें । प्रोफ़ाइल स्वचालित रूप से चार्ट में प्रदर्शित किया जाता है ।
      नोट: उदाहरण के लिए, आंदोलनकारी गति १०० rpm से ३०० rpm को 20 rpm से stepwise वृद्धि हुई है, और प्रत्येक मूल्य 4 मिनट के लिए बनाए रखा है क्रम में एक स्थिर टोक़ संकेत गारंटी (नीचे चर्चा देखें) । न्यूनतम और अधिकतम गति के साथ ही वृद्धि की राशि विभिन्न आंदोलनकारियों और जहाजों के लिए समायोजित किया जा सकता है.
      नोट: टोक़ सेंसर संकल्प, नाममात्र टोक़ और भंवर गठन के संबंध में ध्यान से गति सीमा का चयन करें. बाद अक्सर चकित उच्च गति पर उत्तेजित प्रतिक्रियाओं में होता है और टोक़ मीटर को नुकसान का कारण बन सकता है ।
    2. सहेजें बटन क्लिक करें, इच्छित फ़ाइल पथ पर ब्राउज़ करे और पाठ फ़ील्ड में कोई फ़ाइल नाम लिखें । फ़ाइल सहेजने के लिए ठीक बटन दबाएं ।

3. टोक़ सेंसर की स्थापना

नोट: प्रयोगात्मक सेटअप योजनाबद्ध रूप से चित्रा 1में दिखाया गया है ।

  1. एक विशेष रूप से डिजाइन धारक है कि हवा में असर को शामिल किया गया में टोक़ transducer स्थापित ( चित्रा 1देखें) शिकंजा का उपयोग करने के लिए जगह में सेंसर तय । इस अध्ययन में इस्तेमाल हवा असर 13 मिमी के एक भीतरी व्यास के साथ एक छिद्रित कार्बन झाड़ी सामग्री है ।
    1. brushless इमदादी आंदोलनकारी मोटर धारक के शीर्ष पर माउंट । चार शिकंजा का उपयोग बढ़ते ऊर्ध्वाधर धारक को टोक़ transducer फिक्स ।
    2. टोक़ transducer के ड्राइव शाफ्ट के लिए मोटर शाफ्ट कनेक्ट एक धातु धौंकनी युग्मन कि शाफ्ट के छोटे के सलए ग़लतियों भरपाई कर सकते है और शिकंजा का उपयोग कर युग्मन कस का उपयोग कर । एक और धातु धौंकनी युग्मन का उपयोग कर टोक़ transducer के माप शाफ्ट के लिए आंदोलनकारी शाफ्ट कनेक्ट ।
      नोट: इस अध्ययन में, विशेष रूप से 13 मिमी (सहिष्णुता:-०.००७६ मिमी) और २७० मिमी और ५२० mm के बीच की लंबाई के साथ एक व्यास के साथ उत्तेजित करनेवाला शाफ्ट अलग जहाजों के लिए इस्तेमाल किया गया था की जांच की ।
  2. mounter सिर प्लेट पर सेंसर धारक माउंट और वांछित बंद नीचे निकासी के साथ आंदोलनकारी शाफ्ट पर उत्तेजितकों स्थापित करें । माउंट चकरा और अतिरिक्त प्रतिष्ठानों (जैसे नमूना और फसल ट्यूबों, विद्युत सेंसर, आदि) के अंदर प्रतिक्रिया यदि आवश्यक हो तो ।
  3. यदि आवश्यक हो तो पोत धारक में वांछित उपप्रधान स्थापित करें (प्रतिक्रिया #1, #3 के लिए #10) या एक प्रतिक्रिया करने वाला टैंक (प्रतिक्रिया #2) पर सिर प्लेट जगह और शिकंजा के साथ सिर प्लेट कस ।
    1. कांच के विज्ञानियों की जांच के लिए, धारक में प्रतिप्रतिक्रियात्मक ग्लास पोत रखें ।
    2. एकल का उपयोग करें, प्रतिक्रिया की जांच के लिए उपयुक्त काटने उपकरण का उपयोग करके शीर्ष घुड़सवार टयूबिंग बंदरगाहों और प्लास्टिक सिर प्लेटों से उत्तेजित दस्ता आवास जुदा । प्लास्टिक के पोत को धारक में लगाएं ।
  4. एक तापमान संवेदक के अंदर प्रतिक्रिया के लिए जगह है और यह नियंत्रण इकाई से कनेक्ट । हवा असर के गैस प्रवेश बंदरगाह के लिए दबाव हवा के लिए टयूबिंग कनेक्ट और लगभग ५.५ बार एक कंप्रेसर द्वारा प्रदान की एक दबाव लागू होते हैं । एक/डी कनवर्टर और ट्रांसमीटर पर बिजली के लिए टोक़ transducer कनेक्ट ।

4. डेटा अधिग्रहण सॉफ्टवेयर में विंयास

  1. टोक़ सेंसर संकेत के डेटा अधिग्रहण के लिए सॉफ्टवेयर खोलें और माप वरीयताओं को विन्यस्त करें.
    1. सुनिश्चित करें कि DAQ चैनल विंडो में पहले दो चैनल प्रारंभ और सक्रिय हैं । इस अध्ययन में, टोक़ संकेत चैनल पर सेट किया गया था 0 और रोटेशन गति संकेत चैनल 1 पर सेट किया गया था.
      1. वर्तमान माप मानों को प्रदर्शित करने के लिए Live अद्यतन बटन क्लिक करें ।
    2. टोक़ चैनल सिग्नल शून्य करने के लिए सेट करें यदि रोटेशन के बिना निरपेक्ष टोक़ संकेत ०.१ mN · मी से बड़ा है चैनल सूची में चैनल आइटम पर राइट-माउस क्लिक का उपयोग करके और शूंय शेष विकल्प का चयन करके ।
    3. DAQ कार्य टैब पृष्ठ पर नेविगेट करें और ड्रॉपडाउन मेनू सूची से 2 हर्ट्ज की डेटा प्राप्ति दर निर्धारित करें । डेटा प्राप्ति के प्रारंभ और रोकें को क्रमशः सेट करने के लिए कार्य प्रारंभ और ड्रॉपडाउन सूचियों से अवधि पर तुरंत विकल्पों का उपयोग करें.
    4. माप समाप्त करने के लिए आवश्यक समय से अधिक के लिए नमूना अवधि के लिए समय अवधि निर्धारित करें (उदाहरण के लिए, दूसरे चरण में परिभाषित एक घंटे के नुस्खा के लिए 1 h 0 m 30 s का उपयोग करे) ।
    5. डेटा संग्रहण सेटिंग्स पृष्ठ पर नेविगेट करें और डेटा सहेजें फ़ाइल के लिए फ़ाइल स्वरूप सेट करने के लिए ड्रॉपडाउन सूची से विकल्प ASCII + चैनल जानकारी चुनें । माप आउटपुट फ़ाइलके लिए PC हार्ड ड्राइव पर कोई फ़ाइल पथ सेट करें ।

5. टोक़ माप प्रदर्शन

  1. DAQ कार्य मेनू पृष्ठ पर प्रारंभ करें बटन क्लिक करके टोक़ मीटर के लिए नियंत्रण और डेटा अधिग्रहण सॉफ्टवेयर में टोक़ संकेत के लिए डेटा अधिग्रहण शुरू करें ।
  2. सेटिंग टैब पृष्ठ पर DAQ start बटन पर क्लिक करके आंदोलनकारी गति और तापमान के लिए डेटा अर्जन को प्रतिक्रियात्मक नियंत्रण इकाई सॉफ्टवेयर में शुरू करें ।
  3. नियंत्रण इकाई सॉफ्टवेयर में एक मैनुअल सेट-प्वाइंट या पूर्व निर्धारित नुस्खा योजना के साथ आंदोलनकारी नियंत्रण शुरू करो ।
    1. यदि कोई एकल मापन किया जाता है, तो नियंत्रण बॉक्स प्रविष्टि का उपयोग मुख्य टैब नियंत्रण सॉफ़्टवेयर के पृष्ठ पर करें । पाठ बॉक्स में इच्छित सेट-पॉइंट लिखें और ' आंदोलनकारी नियंत्रण ' आइटम पर क्लिक करें ।
    2. एक नुस्खा के साथ कई माप आयोजित की जाती हैं, तो चरणों टैब पृष्ठ पर नेविगेट और प्रारंभ बटन क्लिक करें ।
      नोट: सॉफ्टवेयर स्वचालित रूप से नुस्खा की अवधि के लिए सभी मैनुअल प्रविष्टि बक्से को निष्क्रिय कर देगा और एक खिड़की प्रक्रिया के अंत की पुष्टि करने के लिए स्वचालित रूप से खुलता है ।
  4. डेटा प्राप्ति सॉफ़्टवेयर में, पूर्व-निर्धारित माप अवधि के बाद एक विंडो स्वचालित रूप से खुलती है. डेटा अब सहेजें बटन क्लिक करके ऑपरेटर PC पर प्रत्येक माप के लिए डेटा, अधिमानतः हार्ड ड्राइव पर सहेजें ।
  5. बिना और के साथ एक वांछित आंदोलनकारी गति के लिए माप को दोहराने की प्रतिक्रिया पोत के अंदर तरल के साथ.
    1. पानी डालो (या सुक्रोज समाधान) में एक कीप के माध्यम से प्रतिक्रिया ।
      नोट: सुनिश्चित करें कि तरल पूरी तरह से उत्तेजितकों को कवर के बाद से (आंशिक रूप से) उजागर उत्तेजितकों undesired अक्षीय बलों है कि टोक़ सेंसर नुकसान सकता है में परिणाम कर सकते हैं ।

6. डाटा मूल्यांकन

नोट: खाली पोत (मृत टोक़) में प्राप्त टोक़ मूल्यों असर के अवशिष्ट घर्षण घाटे के अनुरूप है और तरल में निर्धारित मूल्यों से घटाया जाना चाहिए ताकि प्रभावी टोक़ मूल्यों को प्राप्त करने के लिए (Eq .1 देखें) ।

  1. औसत प्रत्येक आंदोलनकारी एक अर्ध स्थिर संकेत के बाद मापा गति के लिए टोक़ मूल्यों को प्राप्त किया गया है (नीचे चर्चा देखें) । आदर्श रूप में, 2 हर्ट्ज की माप दर पर २४० डेटा बिंदुओं के लिए संगत, प्रत्येक शर्त के लिए न्यूनतम 2 मिनट की अवधि में मतलब मूल्य की गणना.
  2. सॉफ़्टवेयर आदेश पंक्ति से कोड को चला कर डेटा संसाधन के लिए कोई Matlab कोड का उपयोग करें ।
    नोट: कोड इस पांडुलिपि के पूरक अनुभाग में डाउनलोड के लिए प्रदान की जाती है । इस स्क्रिप्ट डेटा रिकॉर्डिंग से रॉ डेटा फ़ाइल आयात करता है, चरण औसत घूर्णन गति, रेनॉल्ड्स संख्या (Eq. 3 से उपयोगकर्ता आदानों के आधार पर) और टोक़ मूल्यों के चरणों में से प्रत्येक के लिए गणना करता है, परिणामों visualizes, और एक दूसरे पाठ में परिणाम स्टोर फ़ाइल है, जो फिर आगे डेटा की प्रक्रिया के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है ।
  3. टोक़ तरल में मापा उन से खाली पोत में प्राप्त मूल्यों घटाना प्रभावी टोक़ मूल्यों को प्राप्त करने के लिए ।
  4. eq .1 और eq .2 के अनुसार समय औसत टोक़ मूल्यों से बिजली इनपुट और क्वांटिटी पावर नंबर की गणना.

Representative Results

1 l और 10 l के बीच कार्य करने वाले संस्करणों के साथ विभिन्न बहु-उपयोग और एकल उपयोग वाले विनिवेशों में विद्युत आदानों का निर्धारण किया गया. ज्यामितीय विवरण तालिका 2में सारांशित हैं । एकल उपयोग जहाजों के मामले में, शीर्ष घुड़सवार टयूबिंग बंदरगाहों और उत्तेजित करनेवाला शाफ्ट आवासों के लिए सिर प्लेटों से हटाया जाना था ताकि पोत धारक में जहाजों फिट करने के लिए । इसके अलावा, प्लास्टिक शाफ्ट में निर्मित स्टेनलेस स्टील शाफ्ट कि हवा असर के साथ संयोजन के रूप में इस्तेमाल किया गया था से जुड़े थे, लेकिन कोई आगे संशोधनों की आवश्यकता थी ।

टोक़ १०० rpm और ३०० rpm के बीच चकित जहाजों में और १०० rpm और ७०० rpm के बीच चकित जहाजों में उत्तेजित देनेवाला गति के लिए मापा गया था, १.१३ m · s-1 की अधिकतम टिप गति के लिए संगत और १.५४ m · s-1 (Eq .4 देखें) क्रमशः ।

Equation 44)

निचले छोर पर परिभाषित आंदोलनकारी गति टोक़ संवेदक माप सटीकता और reproducibility ± ०.२% और नाममात्र टोक़ के < ०.०५% के सापेक्ष मानक विचलन क्रमशः (निर्माता३६द्वारा निर्दिष्ट) द्वारा प्रतिबंधित किया गया था. इसके अलावा, अधिकतम आंदोलनकारी गति नाममात्र टोक़ द्वारा परिभाषित किया गया (०.२ एनएम), विशेष रूप से 10 एल के लिए टैंक की जांच की, और चौंकाने वाली जहाजों में भंवर गठन । आदेश में सेंसर क्षतिग्रस्त होने से रोकने के लिए, माप के दौरान अधिकतम टोक़ नाममात्र टोक़ (०.१२ एनएम) के ६०% पर परिभाषित किया गया था और भंवर गहराई लगभग 20 मिमी दृश्य निरीक्षण पर आधारित करने के लिए सीमित था.

रोटेशन आंदोलनकारी गति में stepwise वृद्धि का उपयोग करना, एक ठेठ टोक़ प्रोफ़ाइल चित्रा 2में दिखाया गया है । टोक़ संकेत Eq .1 से उम्मीद के रूप में, रोटेशन की गति में हर कदम बढ़ाने के साथ वृद्धि हुई. टोक़ संकेत में चोटी मूल्यों उत्तेजित देनेवाला गति, जो तरल और आंदोलनकारी गति के PID नियंत्रण के प्रारंभिक त्वरण द्वारा समझाया जा सकता है की प्रत्येक समायोजन के बाद मनाया गया । अर्ध स्थिर माप लगभग 1 मिनट के बाद, रोटेशन की गति और उत्तेजित देनेवाला इस्तेमाल के आधार पर प्राप्त किया गया । व्यक्ति के चरण के समय औसत टोक़ मूल्य के आसपास अवशिष्ट उतार चढ़ाव आमतौर पर उत्तेजित करनेवालों और आंदोलन गति की जांच के अधिकांश के लिए मतलब मूल्य के 5% के आसपास थे ।

आगे के मूल्यांकन के लिए, चरण औसत टोक़ मूल्यों का इस्तेमाल किया गया, जबकि प्रत्येक गति समायोजन के बाद चोटी टोक़ नजरअंदाज कर दिया गया था. 2 हर्ट्ज की माप आवृत्ति के आधार पर, मापा टोक़ (टीएल)) एक पर्याप्त रूप से उच्च सांख्यिकीय निश्चितता प्रदान की है, जो एक न्यूनतम २४० डेटा बिंदुओं का मतलब प्रतिनिधित्व किया, और इन मतलब मूल्यों के सापेक्ष मानक विचलन के लिए 3% से कम थे माप बिंदुओं का बहुमत, जो स्थिर माप संकेतों को इंगित करता है । दिलचस्प है, मानक विचलन आम तौर पर बढ़ती आंदोलन गति है, जो इंगित करता है कि aforementioned उतार चढ़ाव के सापेक्ष महत्व उच्च आंदोलन के साथ कमी के साथ कमी आई है ।

के रूप में यह पहले दिखाया गया है३५, मृत टोक़, अर्थात टोक़ पोत है, जो असर, जवानों और मोटर ड्राइव या में छोटे झुकता में घर्षण घाटे का परिणाम हो सकता है अंदर तरल बिना मापा (विशेष रूप से में उत्तेजित करनेवाला शाफ्ट के एकल उपयोग प्लास्टिक शाफ्ट), काफी हवा असर के उपयोग से कम किया जा सकता है । सामांय में, स्टेनलेस स्टील आंदोलनकारियों के मृत टोक़ मूल्यों प्लास्टिक के बने लोगों के लिए की तुलना में छोटे थे । यह इस्पात शाफ्ट, जो रोटेशन के दौरान कम दोलन में परिणाम की कठोरता के उच्च स्तर से समझाया जा सकता है । इस्तेमाल किया आंदोलनकारियों के अधिकांश के लिए, हवा असर के साथ अवशिष्ट टोक़ के रूप में कम के रूप में ०.५ mn · m और, नतीजतन, नीचे, या टोक़ मीटर लागू की सेंसर संकल्प के करीब थे (०.४ mN · m) । उच्चतम अवशिष्ट मृत टोक़ #6 है, जो पोत तल पर एक उत्तेजित शाफ्ट धारक का उपयोग करता है में मनाया गया । रोटेशन के दौरान, उत्तेजित देनेवाला शाफ्ट कि बनाए रखने के साथ टकराया, जो भी खेती के प्रयोगों के दौरान मनाया जा सकता है, अतिरिक्त घर्षण में जिसके परिणामस्वरूप ।

के रूप में चित्रा 3से देखा जा सकता है, प्रभावी टोक़ (eq .1 के आधार पर) और उन्हें रेनॉल्ड्स नंबर (eq .3) के एक समारोह के रूप में साजिश रचने से बिजली आदानों की गणना के बाद, व्यक्तिगत प्रोफाइल का परीक्षण मॉडल मीडिया में से प्रत्येक के लिए प्राप्त किया गया. इन curves में से प्रत्येक में, शक्ति इनपुट के रूप में वृद्धि हुई रेनॉल्ड्स संख्या बढ़ गई और ढलानों संबंध के करीब थे PL ReProportional to 3. इस संबंध eq .2 और eq .3 से प्राप्त किया जा सकता है जब एक निरंतर शक्ति और उत्तेजित करनेवाला व्यास संभालने । यह सब आर के साथ परीक्षण आंदोलनकारियों के लिए पाया गया2 > ०.९९ । 

प्राप्त प्रयोगात्मक टोक़ डेटा से, जांच की सभी आंदोलनकारियों की शक्ति विशेषताओं अंततः Eq .2 के आधार पर गणना की गई ( चित्रा 4, चित्रा 5, चित्रा 6) देखें. मानक Rushton टरबाइन साहित्य में अच्छी तरह से प्रलेखित बिजली की संख्या के साथ एक संदर्भ के रूप में इस्तेमाल किया गया था1,16,17,18,19,20, 21,22,23,24,25. के रूप में चित्रा 4aसे देखा जा सकता है, छोटे 2 एल पोत (प्रतिक्रिया #1) में बिजली की संख्या कम रेनॉल्ड्स संख्या (१०० < Re < ≈ ५००) से p0 = ६.३ से p0 ≈ ३.३ से पहले यह पुन: ≈ २००० के ऊपर वृद्धि हुई । पी0 = 4.17 ± 0.14 की एक लगभग निरंतर शक्ति संख्या पूरी तरह से अशांत परिस्थितियों (पुन > 104) के तहत प्राप्त किया गया था । P0 = के एक तुलनीय मूल्य-10 एल काम की मात्रा (प्रतिक्रिया #2) के साथ बड़े पोत के लिए 0.22 निर्धारित किया गया था, जबकि दो तराजू के बीच कुछ विचलन ६०० < Re < 104 के साथ संक्रमणकालीन सीमा के लिए पाए गए थे ( चित्रा देखें 4a). फिर भी, दोनों तराजू में गुणात्मक रुझान पूरी तरह से साहित्य डेटा के साथ सहमत1,19, जहां 20 एल1 और ४० एल में एक एकल Rushton टरबाइन के बिजली इनपुट19 काम कर रहा है खंड किया गया है क्रमशः निर्धारित किया गया. यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि अशांत सीमा के लिए बिजली की संख्या से 25% p0 ≈ ४.७19 और p0 ≈ ५.५1के संदर्भ डेटा द्वारा प्रदान की तुलना में कम है । तथापि, प्रत्यक्ष तुलना अक्सर कठिन है क्योंकि अलग माप तकनीक के रूप में के रूप में अच्छी तरह से उपयोग ज्यामितीय मानकों में विचलन, व्यास अनुपात सहित (डी/डी), बंद नीचे निकासी (जेडएम/D) और टैंक नीचे और ज्यामिति भ्रमित । अंय शोधकर्ताओं ने चकित जहाजों में Rushton टर्बाइनों के लिए बिजली की संख्या ३.६ से ५.९ की एक श्रेणी में मिला, सरगर्मी और पोत ज्यामिति के आधार पर इस्तेमाल किया17,18,21,24, 27,29,३७,३८. इस प्रकार यह तर्क दिया जा सकता है कि वर्तमान परिणाम संतोषजनक रहे ।

चित्रा 4bमें, #3 और #4, 1 एल और 2 एल कार्य संस्करणों के साथ, प्रतिरूपण प्रतिक्रिया की शक्ति संख्या क्रमशः रेनॉल्ड्स नंबर की एक विस्तृत श्रृंखला के लिए तुलना कर रहे हैं. दो ज्यामितीय समान आंदोलनकारियों के पी0 मूल्यों संक्रमण सीमा में लगातार कमी आई और लगातार बन गया (प्रतिक्रिया #3: p0 = 3, 8, 5 ± 0.06; प्रतिक्रिया #4: p0 = 4.46 ± 0.05) के साथ पूरी तरह से विकसित अशांति पर पुनः > 10 4, एक कसौटी है कि पहले Rushton टरबाइन और अंय आंदोलनकारियों३८के लिए पाया गया है । दिलचस्प है, एक लगभग दो तराजू के बीच ऑफसेट देखा गया था, जो पोत और उत्तेजित देनेवाला geometries में मतभेदों से समझाया जा सकता है । हालांकि दो जहाजों में उत्तेजित करनेवाला विंयास समान है, यह संभव नहीं था कि सभी ज्यामितीय मापदंडों लगातार रखना । उदाहरण के लिए, 1 एल पोत केवल दो निर्मित चकराता से सुसज्जित है, जबकि 2 एल पोत तीन चकराता से सुसज्जित था । यह सर्वविदित है कि बिजली की संख्या में वृद्धि की संख्या के रूप में बढ़ जाती है, जब तक एक महत्वपूर्ण सुदृढीकरण हालत३८हासिल की है । इसके अलावा, छोटे पोत में उत्तेजित देनेवाला डिस्क के आकार के लिए manufacturability, जो बिजली इनपुट पर एक प्रभाव हो सकता है के लिए संशोधित किया जाना था । यह भी ध्यान दिया जाना चाहिए कि छोटे पोत में मापा टोक़ मूल्यों के बीच ही थे ४.२ mn · m और १२.८ mn · m, जो केवल करने के लिए संगत है 6% करने के लिए उपयोग टोक़ मीटर के नाममात्र टोक़ के. इस रेंज में, माप संकेत में छोटे विचलन परिणामों पर एक महत्वपूर्ण प्रभाव हो सकता है । चूंकि संदर्भ मापन से कोई तुलना डेटा उपलब्ध नहीं है, इसलिए इस अध्ययन में उपयोग किए गए छोटे पैमाने पर माप विश्वसनीयता पर अंतिम निष्कर्ष निकालना कठिन है और आगे की जांच आवश्यक हैं ।

चित्रा 5 की जांच की तीन व्यावसायिक रूप से उपलब्ध एकल उपयोग के शक्ति विशेषताओं से पता चलता है । चकित जहाजों के विपरीत, एकल उपयोग आंदोलनकारियों की शक्ति संख्या की जांच की पूरी श्रृंखला में लगातार कमी आई (१०० < Re < 3 · 104), और प्रगतिशील भंवर के कारण कोई निरंतर मान प्राप्त नहीं हुए थे विचकित जहाजों में उच्च आंदोलन दर पर गठन । पी0 ≈ 6 और पी0 ≈ १.८ के बीच की सबसे अधिक शक्ति की संख्या के लिए #5 है, जो एक रेडियल पंप ब्लेड उत्तेजित करनेवाला और एक अक्षीय पंप ४५ ° अनिमेष ब्लेड के साथ ब्लेड उत्तेजित देनेवाला द्वारा उत्तेजित है के लिए प्राप्त किए गए थे ।

के रूप में की उंमीद है, पी0 ≈ ५.१ और पी0 ≈ १.१ के बीच की कम बिजली की संख्या में एक मुख्य अक्षीय प्रवाह में जिसके परिणामस्वरूप 30 डिग्री अनिमेष ब्लेड के साथ दो खंड ब्लेड उत्तेजितकों द्वारा उत्तेजित किया जाता है के लिए #7 है, प्रतिक्रिया के लिए प्राप्त किए गए थे । यह अच्छी तरह से जाना जाता है कि अक्षीय प्रवाह उत्तेजित करनेवालों रेडियल फ्लो ब्लेड resistances के कम प्रवाह के कारण उत्तेजित करने वालों की तुलना में छोटे बिजली की संख्या है३८। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि #7 है कि पहले रिपोर्ट किया गया है में पावर इनपुट पर प्रयोगात्मक डेटा३२ कुछ उच्च (जैसे P0 = १.९ पुनः = 1.4 · 104के लिए) कर रहे हैं । हालांकि, पूर्व में प्रकाशित आंकड़ों के अनुसार वर्तमान अध्ययन में पाया P0 ReProportional to -०.३३६ के समान संबंध दिखाई दिया । अलग माप तकनीक अलग निरपेक्ष मूल्यों के लिए जिंमेदार हो सकता है ।

जांच एकल उपयोग के अलावा, प्रतिक्रियाकर्ता #6 है, जो एक नीचे-समुद्री उत्तेजित देनेवाला के पास से मिलाया जाता है, पी0 ≈ ०.८ और पी0 ≈ ०.३ की श्रेणी में सबसे कम बिजली की संख्या थी ( चित्रा 5देखें) । इस कम बिजली इनपुट कम उत्तेजित करनेवाला पिच से समझाया जा सकता है, भले ही गणना द्रव गतिशीलता (CFD) विश्लेषण उत्तेजित देनेवाला ब्लेड के आसपास एक नहीं बल्कि प्रमुख रेडियल प्रवाह घटक दिखाया३९। CFD मॉडल्स३९ और प्रयोगों३२ से वर्तमान परिणामों और प्रकाशित आंकड़ों का अच्छा समझौता कहा जा सकता है ।

अंत में, माप सेटअप #7 में उत्तेजित करनेवाला व्यास और ब्लेड कोण के प्रभाव की जांच करने के लिए इस्तेमाल किया गया था । के रूप में चित्रा 6से देखा जा सकता है, सभी शक्ति घटता रेनॉल्ड्स संख्या की पूरी रेंज पर लगातार कमी, के रूप में उम्मीद है. महत्वपूर्ण अंतर दो ब्लेड कोण (30 ° और ४५ °) है, जहां बड़ा ब्लेड कोण उच्च शक्ति आदानों था (30 डिग्री: १.१३ < p0 < ४.२५ और ४५ °: १.६५ < p0 < ४.४६) के बीच में प्राप्त किया गया है चाहे अशांति (यानी रेनॉल्ड्स संख्या) । यह भी शास्त्रीय अनिमेष ब्लेड उत्तेजित करनेवाले४० के लिए जाना जाता है और फिर मजबूत पिच के साथ ब्लेड के आसपास उच्च प्रवाह प्रतिरोध द्वारा समझाया जा सकता है । दिलचस्प है, दो उत्तेजित व्यास के बीच बिजली की संख्या में कोई महत्वपूर्ण मतभेद का पता लगाया गया । यह भी अनिमेष ब्लेड उत्तेजित करनेवालों के लिए पाया गया है, जबकि रेडियल फ्लो ब्लेड उत्तेजित करनेवालों की शक्ति संख्या आम तौर पर डी के रूप में कम करने के लिए करते है/

Figure 1
चित्र 1: परीक्षण सेटअप के योजनाबद्ध. सेटअप (1) मिश्रण टैंक के होते हैं, (2) पोत धारक, (3) हवा झाड़ी के साथ असर पिंजरे, (4) टोक़ मीटर, (5) मोटर ड्राइव, (6) ए/डी कनवर्टर, (7) नियंत्रण इकाई, (8) डाटा अधिग्रहण और नियंत्रण के लिए पीसी । दबाव हवा (५.५ पट्टी) हवा झाड़ी के लिए आपूर्ति की, के रूप में निर्माता द्वारा की सिफारिश की थी । मिश्रण टैंक के मुख्य ज्यामितीय आयामों और आंदोलनकारी भी संकेत कर रहे हैं । यह आंकड़ा३५से संशोधित किया गया है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 2
चित्रा 2:5 मिनट के अंतराल में आंदोलनकारी घूर्णन गति (यानी एन1 < n2 < n3) में stepwise वृद्धि के साथ ठेठ माप प्रोफ़ाइल, ऊर्ध्वाधर डैश्ड रेखाओं के द्वारा दर्शाई गई है । क्षैतिज डैश्ड रेखाएं संगत चरणों के लिए समय-औसत टोक़ मानों के आस-पास 5% विश्वास अंतराल दर्शाती है (क्षैतिज ठोस रेखाओं द्वारा दर्शाई गई) । चोटी मूल्यों प्रत्येक अंतराल के पहले मिनट के दौरान मनाया गया, जो टैंक के अंदर तरल के प्रारंभिक त्वरण और PID आधारित आंदोलनकारी गति नियंत्रण द्वारा समझाया जा सकता है । आगे के मूल्यांकन के लिए, केवल टोक़ संकेत अर्ध स्थिर चरण के दौरान इस्तेमाल किया, जहां माप संकेत 5% विश्वास अंतराल के भीतर औसत मूल्य मतलब के आसपास उतारा गया था । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 3
चित्र 3: भिंन मॉडल मीडिया के लिए रेनॉल्ड्स नंबर के एक समारोह के रूप में #1 में गणना शक्ति इनपुट । व्यक्तिगत प्रोफाइल का परीक्षण मॉडल मीडिया में से प्रत्येक के लिए प्राप्त किया गया । ठोस लाइनें मॉडल पी Proportional to 3 और प्रयोगात्मक डेटा के साथ बहुत अच्छा समझौता संभालने के पूर्वानुमान का प्रतिनिधित्व करते है (आर2 > ०.९९ के साथ) पाया गया । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 4
चित्रा 4: भ्रमित टैंक में रेनॉल्ड्स नंबर के एक समारोह के रूप में बिजली की संख्या निर्धारित. (क) छोटे और बड़े टैंकों में Rushton टर्बाइनों से डेटा की तुलना (२ एल और १० एल वर्किंग वॉल्यूम के साथ क्रमशः) से पता चलता है कि पूर्णतः अशांत परिस्थितियों के लिए क्वांटिटी पॉवर नंबर दो तराजू के बीच बराबर होती है. छोटे विचलन पुन: < 104के साथ संक्रमणीय सीमा के लिए पाए गए, जहां रेनॉल्ड्स संख्या बढ़ाए जाने के दौरान पावर संख्या बढ़ गई । (ख) #3 और #4 की तुलना में एक गुणात्मक समान कमी से पता चलता है के रूप में रेनॉल्ड्स संख्या बढ़ जाती है जब तक स्थिर मूल्यों को पूरी तरह से अशांत स्थितियों के तहत प्राप्त कर रहे है शक्ति की संख्या में वृद्धि हुई है । 1 एल प्रतिक्रिया के लिए बिजली की संख्या 2 एल समकक्ष की तुलना में उच्च उतार चढ़ाव दिखाते हैं । 1 एल पोत के लिए कोई डेटा 2 l पोत में के रूप में एक ही मॉडल मीडिया का उपयोग करते समय सीमा ५५० < Re < ९५० में रेनॉल्ड्स नंबरों के लिए प्राप्त किया गया था । तराजू के बीच मात्रात्मक ऑफसेट पोत और आंदोलनकारी geometries में मतभेदों के द्वारा समझाया जा सकता है या सेंसर संवेदनशीलता का एक परिणाम हो सकता है । आगे की जांच जरूरी है । ठोस पंक्तियाँ बहुपद प्रतीपगमन मॉडल का प्रतिनिधित्व करते हैं । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 5
चित्रा 5: विभिन्न एकल उपयोग के लिए रेनॉल्ड्स नंबर के एक समारोह के रूप में शक्ति संख्या निर्धारित । प्रत्येक वाहिकाओं के लिए बिजली की संख्या में कमी के रूप में रेनॉल्ड्स संख्या बढ़ गई । चकित जहाजों के विपरीत, कोई स्थिर बिजली की संख्या के कारण उत्तेजित जहाजों में उच्च आंदोलन दर पर प्रगतिशील भंवर गठन के लिए प्राप्त किया गया । ठोस पंक्तियाँ बहुपद प्रतीपगमन मॉडल का प्रतिनिधित्व करते हैं । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 6
चित्रा 6: #7 के विभिन्न संशोधनों के लिए रेनॉल्ड्स नंबर के एक समारोह के रूप में शक्ति संख्या निर्धारित. अलग प्रोफाइल दो 30 डिग्री और ४५ डिग्री के विभिंन ब्लेड कोण के लिए प्राप्त किया गया है, लेकिन दो उत्तेजित व्यास अनुपात के बीच कोई महत्वपूर्ण अंतर (डी/डी = ०.४३ और डी/ सभी विन्यास की शक्ति संख्या में एक सतत कमी दिखाया रेनॉल्ड्स संख्या के कारण चौंकाने वाली जहाजों में उच्च आंदोलन दर पर प्रगतिशील भंवर गठन के लिए जांच की । ठोस पंक्तियाँ बहुपद प्रतीपगमन मॉडल का प्रतिनिधित्व करते हैं । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

अंतिम सुक्रोज एकाग्रता तरल घनत्व दर्षायाL तरल चिपचिपापन ηएल रेनॉल्ड्स नंबर री
(% w/ (केजी · मी-3) (mPa · s) (-)
0 ९९८.२ 1 ११९५४
20 १०८१ 2 ६४८६
30 ११२७ ३.२ ४२२६
४० ११७६.४ ६.२ २२७७
५० १२३१.७ १५.५ ९५४
५५ १२५९.८ २८.३ ५३४
६० १२८८.७ ५८.९ २६३

तालिका 1:20 डिग्री सेल्सियस पर चयनित सुक्रोज समाधान के लिए तरल घनत्व और viscosities का सारांश और व्यास और ६० मिमी और २०० rpm, क्रमशः के रोटेशन की गति के साथ एक उत्तेजित करनेवाला के लिए जिसके परिणामस्वरूप क्वांटिटी रेनॉल्ड्स नंबर । रेनॉल्ड्स नंबर Eq .3 का उपयोग कर गणना की है.

Table 2
तालिका 2: खोजी गई प्रतिक्रिया के ज्यामितीय विवरण का सारांश । इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए कृपया यहां क्लिक करें.

Discussion

के महत्व के बावजूद (विशिष्ट) इंजीनियरिंग लक्षण वर्णन और स्केलिंग के लिए बिजली इनपुट-ऊपर/benchtop पैमाने पर, विशेष रूप से एकल उपयोग प्रणालियों में प्रयोगात्मक जांच पर कुछ ही प्रकाशनों में, केवल एक अंक लीटर मात्रा रेंज, साहित्य में पाया जा सकता है । डेटा की इस कमी के लिए एक कारण ऐसे छोटे पैमाने में सटीक शक्ति इनपुट माप की कठिनाइयों में देखा जा सकता है । आदेश में इन कठिनाइयों में से कुछ को दूर करने के लिए, वर्तमान अध्ययन टोक़ आधारित शक्ति इनपुट माप है कि असर में घर्षण घाटे को कम करने के लिए एक हवा असर द्वारा समर्थित है के लिए एक विस्तृत प्रोटोकॉल प्रदान करता है । विधि की प्रयोज्यता 1 एल और 10 एल काम की मात्रा के बीच तराजू में तीन व्यावसायिक रूप से उपलब्ध एकल उपयोग के रूप में के रूप में अच्छी तरह से बहु का उपयोग करें, प्रतिक्रिया के प्रयोग का प्रदर्शन किया गया ।

टोक़ आधारित माप के साथ हमारे अनुभव के आधार पर, सबसे महत्वपूर्ण कारकों का पता करने के लिए कर रहे हैं: 1) बीयरिंगों और जवानों के अंदर घर्षण घाटे को कम करके मृत टोक़ को कम करने, विशेष रूप से प्रयोगशाला पैमाने पर प्रतिक्रिया में, और 2) एक का चयन वांछित प्रतिक्रिया आकार और आंदोलन की स्थिति के लिए उपयुक्त टोक़ मीटर । के रूप में पहले दिखाया गया है३५, मृत टोक़ नाटकीय रूप से एक हवा असर के उपयोग से कम किया जा सकता है । वर्तमान अध्ययन में, एक कम लागत हवा छिद्रित कार्बन सामग्री के बने झाड़ी का इस्तेमाल किया गया था । परीक्षण खाली जहाजों में अवशिष्ट टोक़ आम तौर पर ९०० rpm तक के आंदोलन की दर के साथ ०.५ mN · मी नीचे थे, करने के लिए इसी से उत्तेजित देनेवाला टिप गति के लिए 3 m · s-1। इसके विपरीत, मृत टोक़ के साथ #6 के लिए निर्मित यांत्रिक शाफ्ट असर था, उदाहरण के लिए, के बीच ९.४ mn · m और 20 mn · m, और लगभग 3 mn · m के तुलनीय मूल्यों के लिए भी रिपोर्ट किया गया है के लिए३२ यह प्रस्तावित प्रायोगिक सेटअप में प्राप्त मूल्यों से अधिक परिमाण के एक आदेश के बारे में है ।

हवा असर के अलावा, टोक़ मीटर इस्तेमाल सबसे महत्वपूर्ण घटक है । एक व्यावसायिक रूप से उपलब्ध टोक़ मीटर है कि स्थिर और गतिशील टोक़, रोटेशन की गति और रोटेशन के कोण को मापने के लिए बनाया गया है इस अध्ययन के लिए चुना गया था । 10 एल और इसी आंदोलनकारियों की अधिकतम कार्यशील मात्रा के साथ ब्याज की प्रतिप्रतिक्रियाओं को ध्यान में रखते हुए, ०.२ N · m का नाममात्र का टॉर्क चुना गया । यह पाया गया कि उच्च reproducibility के सापेक्ष मानक विचलन के साथ की प्रतिकृति < 5% और विश्वसनीय माप कम के रूप में प्रभावी टोक़ के लिए प्राप्त किया जा सकता है 2 mN · m के रूप में, नाममात्र टोक़ के केवल 1% करने के लिए इसी. इसलिए, वर्तमान अध्ययन में लागू सेंसर की माप रेंज परिणामों से काफी अधिक व्यापक था, जो जर्मन GVC-VDI काम कर रहे समूह के सदस्यों के एक अंतर-प्रयोगशाला अध्ययन के आधार पर प्रकाशित किया गया है४१मिश्रण पर ।

फिर भी, आंदोलनकारी गति की सीमा ध्यान से टोक़ सेंसर संकल्प, नाममात्र टोक़ और भंवर गठन के संबंध में चुना जाना चाहिए । बाद अक्सर चकित उच्च गति पर उत्तेजित प्रतिक्रियाओं में होता है और टोक़ मीटर को नुकसान का कारण बन सकता है । दोनों न्यूनतम और अधिकतम संभव आंदोलनकारी गति इस अध्ययन में वर्णित विधि के कारकों को सीमित किया जा सकता है । हमारे पिछले काम३५के अलावा, इस अध्ययन में भी शामिल है, प्रतिक्रिया #3, ग्लास में सबसे छोटे सदस्य के निर्माता द्वारा प्रदान की गई है, जो दो चरण उत्तेजित करने वालों द्वारा ४२ mm के व्यास के साथ उत्तेजित होता है । एक तुलनीय शक्ति है कि ज्यामितीय समान प्रतिक्रिया #4 में प्रस्तुत प्रयोगात्मक सेटअप के साथ प्राप्त किया गया था की विशेषता है । यह एक दिया तरल घनत्व के लिए एम डी Proportional to 5 के साथ टोक़ तराजू के बाद से उल्लेखनीय है, उत्तेजित देनेवाला ज्यामिति (यानी शक्ति संख्या) और रोटेशन की गति (eq .1 और eq .2) देखें । नतीजतन, एक लगभग ४०% कम उत्तेजित देनेवाला एक 10% छोटे उत्तेजित व्यास से टोक़ परिणाम, उदाहरण के लिए । फिर भी, 2 एल पैमाने की तुलना में 1 एल पैमाने में उच्च रोटेशन गति उपलब्ध टोक़ मीटर के साथ उत्पादित टोक़ को हल करने के लिए आपरेशन के दौरान आवश्यक थे. कारण #3 के लिए निर्मित चकराता में, कोई भंवर गठन मनाया गया था, लेकिन यह चौंकाने वाली जहाजों के साथ एक मुद्दा बन सकता है । यह बल दिया जाना चाहिए कि दो तराजू के बीच पाया गया था कि बिजली की संख्या में लगातार ऑफसेट सीमित सेंसर संकल्प के कारण माप अशुद्धियों से परिणाम सकता है (ज्यामितीय मतभेदों के अलावा). आगे की जांच के लिए ंयूनतम पैमाने पर जो प्रस्तावित सेटअप अभी भी संभव है पर अंतिम निष्कर्ष आकर्षित करने के लिए आवश्यक हैं ।

फिर भी, एक ही प्रोटोकॉल विभिंन कांच वाहिकाओं में शक्ति इनपुट मापन के लिए विभिंन निर्माताओं के बीच के काम की मात्रा के साथ इस्तेमाल किया गया था 1 एल और 10 एल के बीच हमारी प्रयोगशाला में । यह अलग प्रतिक्रिया प्रणाली के लक्षण वर्णन के लिए इस्तेमाल किया विधि के हस्तांतरण पर प्रकाश डाला गया । प्रायोगिक प्रयास स्वचालित माप द्वारा नियंत्रण इकाई सॉफ्टवेयर द्वारा प्रदान की स्वचालन प्रणाली और यूनिवर्सल Matlab भाषा पर आधारित स्वचालित डेटा प्रसंस्करण के भीतर नुस्खा प्रबंधन का उपयोग करके कम किया जा सकता है ।

इसके अलावा, यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि, युक्त सुक्रोज का उपयोग करके, सस्ते ंयूटोनियन मॉडल मीडिया, रेनॉल्ड्स संख्या की एक विस्तृत श्रृंखला (१०० < Re < 6 · 104), आंदोलनकारी और स्केल पर निर्भर करता है, कवर किया गया था । यह भी जोर दिया जाना चाहिए कि अशांति सीमा की कम सीमा आम तौर पर पानी के साथ पशु सेल संस्कृतियों के लिए अप्रासंगिक है जैसे मीडिया, यहां तक कि अगर बहुत कम उत्तेजित करने की गति का उपयोग किया जाता है । हालांकि, शोरबा चिपचिपापन में महत्वपूर्ण वृद्धि, जो अशांति गलन में परिणाम है, और यहां तक कि गैर ंयूटोनियन व्यवहार कवक के लिए वर्णित किया गया है और संयंत्र सेल आधारित संस्कृतियों । उदाहरण के लिए, पौधों की संस्कृतियों में स्पष्ट viscosities के लिए ४००-गुना पानी की तुलना में४२, जो बहुत कम रेनॉल्ड्स संख्या की ओर जाता है रिपोर्ट किया गया है ।

अंत में, एक पहले मामले के अध्ययन के रूप में #7 प्रतिक्रिया का उपयोग कर, यह दिखा दिया गया है कि प्रस्तावित प्रयोगात्मक सेटअप प्रयोगशाला पैमाने पर बिजली इनपुट पर डिजाइन संशोधनों के प्रभाव का अध्ययन करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है । रैपिड प्रोटोटाइप तकनीक के साथ संयोजन में, यह उत्तेजित करनेवाला डिजाइन अध्ययन, जो भविष्य के काम के कुछ हिस्सों के रूप में होगा के लिए एक शक्तिशाली उपकरण हो सकता है ।

Disclosures

लेखकों ने हितों का टकराव नहीं घोषित किया है ।

Acknowledgments

लेखक डाइटर Häussler का शुक्रिया अदा करना चाहेंगे और प्रयोगात्मक सेट अप के दौरान उनकी सहायता के लिए Gautschi को हराया । हम भी अंग्रेजी प्रूफ पढ़ने के लिए कैरोलीन हाइड के लिए आभारी हैं ।

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

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References

  1. Shiue, S. J., Wong, C. W. Studies on homogenization efficiency of various agitators in liquid blending. Can. J. Chem. Eng. 62, 602-609 (1984).
  2. Zlokarnik, M. Rührtechnik -- Theorie und Praxis. , Springer-Verlag. Berlin, Heidelberg, New York. (1999).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. Wichterle, K. Heat transfer in agitated vessels. Chem. Eng. Sci. 49, 1480-1483 (1994).
  7. 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).
  8. Cherry, R., Papoutsakis, E. T. Hydrodynamic effects on cells in agitated tissue culture reactors. Bioprocess Eng. 1, 29-41 (1986).
  9. Chalmers, J. J. Shear sensitivity of insect cells. Cytotechnology. 20, 163-171 (1996).
  10. 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).
  11. Chisti, Y. Shear Sensitivity. Encyclopedia of Bioprocess Technology. Flickinger, M. C., Drew, S. W. , John Wiley & Sons. Hoboken, NJ, USA. 1719-1762 (2002).
  12. Oosterhuis, N. M. G., Kossen, N. W. F. Power input measurements in a production scale bioreactor. Biotechnol. Lett. 3, 645-650 (1981).
  13. King, R. L., Hiller, R. A., Tatterson, G. B. Power consumption in a mixer. AIChE J. 34, 506-509 (1988).
  14. Brown, D. E. The measurement of fermenter power input. Ind. Chem. 16, 684-688 (1997).
  15. 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).
  16. Böhme, G., Stenger, M. Consistent scale-up procedure for the power consumption in agitated non-newtonian fluids. Chem. Eng. Technol. 11, 199-205 (1988).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. Cudak, M. Hydrodynamic characteristics of mechanically agitated air - aqueous sucrose solutions. Chem. Process Eng. 35, 97-107 (2014).
  26. 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).
  27. Wu, J., Zhu, Y., Pullum, L. Impeller geometry effect on velocity and solids suspension. Chem. Eng. Res. Des. 79, 989-997 (2001).
  28. 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).
  29. 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).
  30. Ascanio, G., Castro, B., Galindo, E. Measurement of power consumption in stirred vessels - a review. Chem. Eng. Res. Des. 82, 1282-1290 (2004).
  31. 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).
  32. 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).
  33. 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).
  34. 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).
  35. 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).
  36. Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH. Drehmoment-Messwelle T20WN product description. , Available from: http://www.hbm.com/en/0264/torq (2016).
  37. Nienow, A. W., Miles, D. Impeller power numbers in closed vessels. Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev. 10, 41-43 (1971).
  38. Liepe, F., Sperling, R., Jembere, S. Rührwerke - Theoretische Grundlagen, Auslegung und Bewertung. , Eigenverlag FH. Anhalt, Köthen, Germany. (1998).
  39. 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).
  40. Liepe, F. Verfahrenstechnische Berechnungsmethoden Teil 4: Stoffvereinigen in fluiden Phasen - Ausrüstungen und ihre Berechnung. VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie. , Leipzig, Germany. (1988).
  41. 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).
  42. 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).

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