قياسات الطاقة الإدخال في المفاعلات الحيوية المقلبة في المختبرات

Summary

ويمكن قياس مدخلات الطاقة في المفاعلات الحيوية المقلبة من خلال عزم الدوران الذي يعمل على رمح المكره خلال التناوب. هذه المخطوطة توضح كيف يمكن استخدام تأثير هواء لفعالية تقليل خسائر الاحتكاك التي لوحظت في الأختام الميكانيكية وتحسين دقة قياسات الطاقة الإدخال في الأوعية الصغيرة.

Abstract

مدخلات الطاقة في المفاعلات الحيوية المقلبة معلمة زيادة هامة ويمكن قياسها من خلال عزم الدوران الذي يعمل على رمح المكره خلال التناوب. تصميم تجريبي لمدخلات الطاقة في السفن الصغيرة غير لا يزال تحديا بسبب خسائر الاحتكاك مرتفع نسبيا داخل البطانات المستعملة عادة والمحامل و/أو الأختام رمح ودقة متر عزم الدوران متاحة تجارياً. وهكذا، تتوفر بيانات محدودة فقط لصغار المفاعلات الحيوية، نظم خاصة تستخدم مرة واحدة، في الأدب، مما يجعل من الصعب إجراء مقارنات بين مختلف النظم تستخدم مرة واحدة ونظيراتها التقليدية.

هذه المخطوطة يوفر بروتوكول حول كيفية قياس مدخلات الطاقة في المفاعلات الحيوية مقياس benchtop عبر طائفة واسعة من الظروف الاضطراب، الذي يمكن وصفه بعدد رينولدز هو (Re). يتم خفض الخسائر المذكورة آنفا الاحتكاك فعلا باستخدام تأثير الهواء. إدخال الإجراء على كيفية إعداد وإجراء وتقييم قوة عزم الدوران على أساس القياس، مع التركيز بصفة خاصة على ظروف الانفعالات نموذجي الثقافة الخلية مع منخفضة للاضطراب المعتدل (100 < Re < 2·10⁴)، يتم وصف بالتفصيل. مدخلات الطاقة من المفاعلات الحيوية متعددة الاستخدام، وتستخدم مرة واحدة عدة يتم توفيرها من قبل عدد هو السلطة (وتسمى أيضا عدد نيوتن، ف₀)، التي يتم تحديدها في نطاق ف₀ ≈ 0.3 وف₀ ≈ 4.5 لأرقام رينولدز الحد الأقصى في المفاعلات الحيوية المختلفة.

Introduction

مدخلات الطاقة معلمة هندسة رئيسية لتوصيف ورفع مستوى المفاعلات الحيوية لأنها تتعلق بكثير من وحدة العمليات، مثل التجانس^1،2،3، تشتت الغاز السائل^{2 , 4 , 5}و نقل الحرارة⁶ وتعليق صلبة⁷. مدخلات الطاقة يرتبط أيضا بإجهاد القص، الذي يمكن خاصة تؤثر على النمو وتكوين المنتج في القص الخلية الحساسة الثقافات^8،9،،من¹⁰¹¹.

الأساليب الأكثر شيوعاً لقياس مدخلات الطاقة في المفاعلات الحيوية المقلبة تعتمد على الطاقة الكهربائية من رسم^12،،من¹³¹⁴، القياس^12،15 (أي ثابتة الحرارة الرصيد أو التدفئة الحيوي من خلال التحريض) أو العزم على المحرض. هذا الأخير يمكن أن تجريبيا يحددها المولدات، وعزم الدوران متر أو الانفعال، التي تم تطبيقها على مجموعة متنوعة من محرضين، بما في ذلك واحدة أو متعددة المراحل راشتون توربينات^1،،من^{1617 , 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 , 25}وبليد ضارية الضواغط^{19،20،23،،}من²⁶²⁷، إينتيرميج^،من¹⁹²¹ وسابا الضواغط^{28 , 29}-يرد استعراض مفصل حسب أسكانيو et al. (2004)³⁰.

من عزم الدوران (T)، يمكن تقدير مدخلات الطاقة (P) من مكافئ. 1, حيث N هو سرعة الدوران للمحرض.

(1)

لحساب الخسائر التي تحدث في الانفعالات (في المحامل والأختام والمحرك نفسه)، ينبغي تحديد عزم الدوران الفعال (تي_{المؤسسة}) كالفرق بين القيمة المقاسة في السفينة الفارغة (ت_د) وفي السائل (T_لام ). وأخيراً، يمكن استخدام السلطة هو العدد (ف₀، يعرف أيضا باسم نيوتن عدد)، التي تعرف بمكافئ. 2 حيث ρ_L يدل كثافة السائل ويمثل د قطرها المكره، مقارنة محرضين مختلفة.

(2)

فمن المعروف جيدا أن عدد القوة هو دالة لعدد رينولدز (أي الاضطرابات) وتصبح ثابتة تحت ظروف مضطربة تماما. ويعرف المكره عدد رينولدز مكافئ. 3، حيث η_L هو لزوجة السائل.

(3)

ومع ذلك، قياسات الطاقة الإدخال في المفاعلات الحيوية صغيرة الحجم لا يزال تحديا بسبب خسائر الاحتكاك مرتفع نسبيا داخل المحامل الميكانيكية من مهاوي المكره ودقة محدودة من عزم الدوران متاحة تجارياً آخر متر. ونتيجة لذلك، سوى عدد قليل من التقارير حول الطاقة إدخال القياسات في مقياس benchtop المفاعلات الحيوية قد نشرت^17،،من^1822،24،،من³¹³². وهناك أيضا نقص في البيانات عن مدخلات الطاقة في المفاعلات الحيوية تستخدم مرة واحدة، التي يتم تسليمها من قبل الشركات المصنعة ستنشئ، معقمة وجاهزة للاستخدام^33،34. على عكس نظرائهم القابل لإعادة الاستخدام، يتم تحريكها معظم المفاعلات الحيوية تستخدم مرة واحدة من الضواغط مصممة خصيصا، مما يجعل من الصعب إجراء مقارنات.

من أجل سد هذه الفجوة، وضعت طريقة موثوقة لقياسات الطاقة الإدخال مع التركيز بوجه خاص على مختبر مقياس النمامون مؤخرا³⁵. عزم الدوران القيم المقاسة في الأوعية الفارغة، التي نجمت عن خسائر الاحتكاك، خفضت فعلياً باستخدام تأثير الهواء. ونتيجة لذلك، طائفة واسعة من الظروف التشغيلية مع منخفضة للاضطراب المعتدل (100 < Re < 2·10⁴) يمكن التحقيق فيها، وتم توفير مدخلات الطاقة للعديد من المفاعلات الحيوية متعددة الاستخدام، وتستخدم مرة واحدة.

يوفر بروتوكول قياس مفصلة للأسلوب السابق المتقدمة هذه الدراسة وتوضح هذه المقالة كيفية إعداد وإجراء وتقييم قياس طاقة المعتمدة على عزم إدخال في مختبر مقياس المفاعلات الحيوية. التركيز بصفة خاصة على النظم المتاحة تجارياً أحادية ومتعددة الاستعمال. يتم استخدام إجراء قياس الآلي لتقليل الجهد التجريبي.

Protocol

1-إعداد حلول السكروز

ملاحظة: تستخدم حلول السكروز كنموذج رخيصة، ونيوتن وسائل الإعلام مع اللزوجة مرتفعة وكثافة لظروف الاضطرابات انخفاض (انظر الجدول 1).

1. ملء زجاجة زجاج دوران المياه والسكروز من تركيزات مختلفة (20-60 %w/w).
2. مزيج من المحتوى مع محرض مغناطيسي حتى السكروز قد حلت تماما.
   1. لتركيزات السكروز يتجاوز 40% w/w، إضافة السكروز بشكل متقطع وتسخين الزجاجة الزجاج قليلاً (~ 50 درجة مئوية). السماح لتبرد حل السكروز وصولاً إلى درجة حرارة الغرفة قبل الاستعمال.

2-إعداد وصفه قياس وتسجيل البيانات

1. بعد بدء تشغيل البرنامج، يبدأ الاتصال مع وحدة التحكم بتحديد منفذ COM التسلسلية الصحيح من القائمة المنسدلة والنقر فوق زر الاتصال .
   ملاحظة: زر الاتصال سيتم تغيير اللون إلى اللون الأخضر وسيضيء LED أسفل القائمة المنسدلة، بمجرد بدء الاتصال بوحدة التحكم.
2. إنشاء مسار ملف البيانات داخل البرنامج وحدة التحكم مفاعل حيوي لتخزين البيانات على جهاز الكمبيوتر المشغل.
   1. فتح علامة التبويب إعدادات الصفحة وضرب رمز مجلد بجوار الحقل نص ملف بيانات الموقع .
   2. في إطار الحوار ملف، استعرض للوصول إلى المجلد الرغبة، واكتب اسم ملف إلى حقل نص اسم الملف وانقر فوق الزر موافق .
      ملاحظة: يتم عرض اسم ومسار ملف سجل البيانات في مربع النص ويتم تمكين الزر ابدأ دق ، حالما يتم تعريف مسار ملف صحيح.
3. إعداد روتينية داخل وصفه مدير البرنامج وحدة التحكم مفاعل حيوي من أجل أتمتة إجراءات القياس.
   1. افتح صفحة علامة التبويب الوصفة واكتب قيم الإدخال المطلوب للوقت المنقضي المرحلة وصفه (دقيقة) وسرعة المكره المقابلة (لفة في الدقيقة) إلى مربعات نص الحقل. يتم عرض ملف التعريف تلقائياً في المخطط.
      ملاحظة: على سبيل المثال، يتم زيادة سرعة المحرض stepwise بدوره في الدقيقة 20 من 100 دورة في الدقيقة إلى 300 دورة في الدقيقة، وهو الحفاظ على كل قيمة لإشارة دقيقة 4 ضمانا عزم ثابت (انظر المناقشة الواردة أدناه). ويمكن تعديلها بسرعة الحد الأدنى والحد الأقصى، فضلا عن مبلغ الزيادة محرضين مختلفة وسفن.
      ملاحظة: حدد نطاق السرعة بعناية فيما يتعلق بقرار مجس عزم الدوران وعزم الدوران الاسمية وتشكيل دوامة. هذه الأخيرة غالباً ما يحدث في المفاعلات الحيوية أونبافليد المهتاجين سرعات أعلى ويمكن أن تسبب ضررا لمقياس عزم الدوران.
   2. انقر فوق الزر حفظ واستعرض للوصول إلى مسار الملف المطلوب واكتب اسماً في حقل النص. ضرب الزر موافق لحفظ الملف.

3-تركيب أجهزة الاستشعار عزم الدوران

ملاحظة: يرد في العريضة، في الشكل 1، الإعداد التجريبية.

1. تثبيت محول عزم الدوران في حامل مصممة خصيصا الذي يشتمل على الهواء آخذة (انظر الشكل 1) باستخدام مسامير لإصلاح أجهزة الاستشعار في مكانها. وقد حمل الهواء المستخدمة في هذه الدراسة الكربون مسامية جلبه المواد مع قطر داخلي 13 مم.
   1. تحميل المحرك المحرض مضاعفات لايحتاج إلى الجزء العلوي من الحامل. إصلاح محول عزم الدوران لحامل عمودي تصاعد استخدام أربعة مسامير.
   2. قم بتوصيل رمح موتور محرك رمح من محول عزم الدوران باستخدام معدن خوار اقتران التي يمكن أن تعوض اختلالات المحورية الصغيرة الآبار وتشديد اقتران باستخدام مسامير. قم بتوصيل رمح المحرض رمح القياس من محول عزم الدوران باستخدام اقتران خوار معدنية أخرى.
      ملاحظة: في هذه الدراسة، مصممة خصيصا مهاوي المكره التي يبلغ قطرها 13 مم (التسامح:-0.0076 مم) ومع أطوال من بين 270 و 520 ملم واستخدمت سفن مختلفة بالتحقيق.
2. جبل صاحب جهاز استشعار على لوح رئيس مفاعل حيوي وتثبيت الضواغط على رمح المحرض بتطهير بعيداً عن القاع المرجوة. جبل يحير ومنشآت إضافية (مثل أنابيب أخذ العينات، والحصاد، وأجهزة الاستشعار الكهروكيميائية، إلخ) داخل مفاعل حيوي إذا لزم الأمر.
3. تثبيت مفاعل حيوي المطلوب في صاحب السفينة إذا لزم الأمر (المفاعلات الحيوية #1، #3 إلى 10 #) أو وضع لوحة الرأس على خزان مفاعل حيوي (مفاعل حيوي #2) وتشديد لوحة الرأس مع مسامير.
   1. لإجراء تحقيقات من المفاعلات الحيوية الزجاج، مكان السفينة الزجاج مفاعل حيوي في الحامل.
   2. لإجراء تحقيقات من المفاعلات الحيوية تستخدم مرة واحدة، تفكيك أعلى الأنابيب المحملة الموانئ والإسكان رمح المكره من لوحات الرأس البلاستيكية باستخدام أدوات القطع المناسبة. مكان السفينة البلاستيك في الحامل.
4. ضع جهاز استشعار درجة حرارة داخل مفاعل حيوي وتوصيله إلى وحدة التحكم. توصيل أنابيب الهواء المضغوط لمنفذ مدخل الغاز حمل الهواء والضغط من شريط حوالي 5.5 يقدمها ضاغط. قم بتوصيل محول عزم الدوران تحويل A/D والطاقة على جهاز الإرسال.

4-التكوينات في البرنامج الحصول على البيانات

1. افتح البرنامج من أجل الحصول على البيانات من عزم الدوران استشعار الإشارات وتكوين تفضيلات القياس.
   1. تأكد من أن القنوات الأولى والثانية في إطار القنوات دق تمت تهيئته ونشطة. في هذه الدراسة، تم تعيين إشارة العزم على قناة 0 وتم تعيين إشارة سرعة الدوران على القناة 1.
      1. انقر فوق الزر تحديث حية لعرض قيم القياس الحالية.
   2. تعيين إشارة القناة عزم الدوران إلى الصفر إذا كانت إشارة العزم المطلق دون دوران أكبر من 0.1 mN·m باستخدام زر الماوس الأيمن انقر فوق العنصر القناة في قائمة القنوات وتحديد خيار الصفر التوازن .
   3. انتقل إلى صفحة علامة التبويب دق الوظيفة وتحديد معدل اقتناء بيانات 2 هرتز من القائمة المنسدلة. استخدم خيارات البدء فورا في العمل و مدة من القوائم المنسدلة لتعيين بدء تشغيل و إيقاف للحصول على البيانات، على التوالي.
   4. تحديد فترة زمنية العينة مدة أطول من الوقت اللازم للانتهاء من القياس (على سبيل المثال، استخدام ح 1 0 م 30 ثانية عن وصفه ساعة واحدة محددة في الخطوة الثانية).
   5. انتقل إلى صفحة إعدادات تخزين البيانات ، وحدد الخيار ASCII + قناة معلومات من القائمة المنسدلة تعيين تنسيق ملف للبيانات لحفظ الملف. تعيين مسار ملف على جهاز الكمبيوتر محرك الأقراص الثابتة لقياس ملف الإخراج.

5-إجراء قياس عزم الدوران

1. بدء الحصول على البيانات للإشارة عزم الدوران في برنامج اقتناء البيانات والتحكم لمتر عزم الدوران عن طريق النقر فوق الزر ابدأ على صفحة قائمة الوظيفة دق .
2. بدء الحصول على البيانات لسرعة المحرض ودرجة الحرارة في مفاعل حيوي البرنامج وحدة التحكم عن طريق النقر فوق الزر ابدأ دق في صفحة علامة التبويب إعدادات .
3. بدء تشغيل مراقبة المحرض في البرنامج وحدة التحكم مع نقطة مجموعة يدوي أو مخطط الوصفة المحددة مسبقاً.
   1. إذا كان يجري قياس واحد، استخدم دخول مربع عنصر التحكم في صفحة علامة التبويب الرئيسية لبرامج مراقبة مفاعل حيوي. اكتب النقطة المحددة المطلوب في مربع النص وانقر فوق العنصر 'المحرض السيطرة على'.
   2. إذا أجريت قياسات متعددة مع وصفه، انتقل إلى صفحة علامة التبويب المراحل وانقر فوق الزر ابدأ .
      البرنامج تلقائياً ملاحظة: التي سيتم تعطيل كافة مربعات الإدخال اليدوي لمدة الوصفة ويفتح نافذة تلقائياً للتأكد من انتهاء العملية.
4. في البرنامج الحصول على البيانات، يفتح نافذة تلقائياً بعد فترة القياس المحددة مسبقاً. حفظ البيانات لكل قياس على مشغل جهاز الكمبيوتر، ويفضل أن يكون على القرص الصلب، بواسطة النقر فوق الزر حفظ البيانات الآن .
5. كرر القياس لكل سرعة المحرض المرجوة دون ومع سائل داخل السفينة مفاعل حيوي.
   1. صب الماء (أو محلول السكروز) من خلال قمع في مفاعل حيوي.
      ملاحظة: تأكد من أن السائل تماما ويغطي الضواغط منذ الضواغط المكشوفة (جزئيا) يمكن أن ينتج القوات المحوري غير المرغوب فيها التي يمكن أن تضر باستشعار العزم.

6-بيانات التقييم

ملاحظة: القيم التي تم الحصول عليها من عزم الدوران في السفينة الفارغة (عزم الدوران الميت) تتوافق مع خسائر الاحتكاك المتبقية من حمل ويجب أن يكون مطروحاً من القيم التي تحدد في السائل بغية الحصول على قيم عزم الدوران الفعال (انظر 1 مكافئ.).

1. متوسط قيم عزم الدوران لكل سرعة المحرض تقاس بعد إشارة شبه مستقرة وقد تم تحقيق (انظر المناقشة الواردة أدناه). ومن الناحية المثالية، حساب قيمة متوسط على مدى فترة 2 دقيقة على الأقل لكل حالة، والمطابق لنقاط البيانات 240 2 هرتز بمعدل قياس.
2. استخدام رمز Matlab لتجهيز البيانات بتشغيل التعليمات البرمجية من سطر الأوامر البرمجيات.
   ملاحظة: يتم توفير التعليمات البرمجية للتحميل في قسم ملحق لهذه المخطوطة. هذا البرنامج النصي استيراد ملف البيانات الخام من تسجيل البيانات ويحسب متوسط سرعة دوران المرحلة، عدد رينولدز (من 3 مكافئ. استناداً إلى مدخلات المستخدم) وعزم الدوران القيم لكل مرحلة من المراحل، ويتصور النتائج ويخزن النتائج في نص ثان ملف، ثم يمكن استخدامها لزيادة معالجة البيانات.
3. طرح قيم عزم الدوران التي تم الحصول عليها في سفينة فارغة من تلك المقاسة في السائل الحصول على قيم عزم الدوران الفعال.
4. حساب مدخلات الطاقة والطاقة بدون أبعاد عدد من قيم عزم دوران متوسط الوقت وفقا لمكافئ. 1 و 2 مكافئ..

النتائج

تم تحديد مدخلات الطاقة في المفاعلات الحيوية متعددة الاستخدام، وتستخدم مرة واحدة مختلفة مع أحجام العمل بين 1 لتر و 10 لتر. ويرد في الجدول 2تفاصيل هندسية. في حالة السفن التي تستخدم مرة واحدة، شنت الأعلى الأنابيب والموانئ والعلب رمح المكره المراد إزالتها من لوحات الرأس كي تناسب هذه السفن إلى صاحب السفينة. علاوة على ذلك، ألحقت مهاوي البلاستيك المدمج برمح الفولاذ المقاوم للصدأ التي تم استخدامها بالاقتران مع حمل الهواء، ولكن هناك حاجة إلى لا إجراء المزيد من التعديلات.

وتم قياس عزم الدوران للمكره بسرعة بين 100 لفة في الدقيقة و 300 دورة في الدقيقة في الأوعية الدموية أونبافليد وبين 100 لفة في الدقيقة و 700 دورة في الدقيقة في الأوعية حيرة، المقابلة لنصيحة أقصى سرعة 1.13 m·s^-1 و 1.54 m·s^-1 (انظر 4 مكافئ.) على التوالي.

(4)

قيدت بسرعة المحرض المعرفة في النهاية السفلي من عزم الدوران استشعار دقة القياس والانحراف المعياري النسبي في إمكانية تكرار نتائج ± 0.2% و < 0.05% من العزم الأسمى على التوالي (المحدد بواسطة الشركة المصنعة³⁶). وعلاوة على ذلك، وقد عرف بسرعة المحرض أقصى عزم الدوران الاسمية (0.2 Nm)، خاصة بالنسبة للدبابة 10 لتر بالتحقيق، وتشكيل دوامة في الأوعية الدموية أونبافليد. منعا للاستشعار من التلف، وعرف عزم الدوران الأقصى أثناء القياس في 60% من عزم الدوران الاسمية (0.12 Nm) وعمق الدوامة يقتصر على حوالي 20 مم استناداً إلى الفحص البصري.

استخدام زيادة تدريجية في سرعات دورانية المحرض، يظهر ملف تعريف عزم نموذجية في الشكل 2. زيادة إشارة عزم الدوران مع كل خطوة زيادة في سرعة الدوران، كما هو متوقع من مكافئ. 1. ولوحظت قيم الذروة في إشارة العزم بعد كل تعديل سرعة المكره، الذي يمكن تفسيره بالتعجيل الأولى بالسائل والتحكم PID في سرعة المحرض. وتم الحصول على قياسات شبه مستقرة بعد حوالي 1 دقيقة، تبعاً لسرعة الدوران والمكره المستخدمة. تقلبات المتبقية في الوقت قريب بلغ متوسط قيمة عزم الدوران المرحلة الفردية كانت عادة حوالي 5 في المائة من قيمة يعني بالنسبة الضواغط والانفعالات بسرعة التحقيق.

لمزيد من التقييم، تستخدم القيم امتدت المرحلة المتوسط، بينما الذروة عزم الدوران بعد أن تم تجاهل كل ضبط السرعة. استناداً إلى تكرار القياس 2 هرتز، العزوم المقاسة (T_L) تمثل متوسط نقاط البيانات 240 أقل، التي توفر يقين إحصائية عالية بما فيه الكفاية، والانحرافات المعيارية النسبي لهذه القيم الوسطية كانت أقل من 3 في المائة بالنسبة معظم نقاط القياس، مما يشير إلى إشارات القياس مستقرة. من المثير للاهتمام، تقليل الانحرافات المعيارية عادة انخفضت مع زيادة الإثارة بسرعة، مما يشير إلى أن الأهمية النسبية للتقلبات الآنفة الذكر مع الانفعالات أعلى.

كما ثبت سابقا³⁵، عزم الدوران الميت، أي قياس عزم الدوران دون السائل داخل السفينة، والتي يمكن أن تكون نتيجة لخسائر الاحتكاك في حمل، والأختام ومحرك الأقراص أو الانحناءات الصغيرة في أو الاختلالات رمح المكره (لا سيما استخدام واحد البلاستيك مهاوي)، يخفض إلى حد كبير باستخدام تأثير الهواء. بشكل عام، قيم العزم الميت محرضين الفولاذ المقاوم للصدأ كانت أصغر من أجل تلك المصنوعة من البلاستيك. وهذا يمكن تفسيره بمستوى أعلى من تصلب مهاوي الصلب، مما يؤدي إلى انخفاض التذبذب أثناء التناوب. لمعظم محرضين المستخدمة، العزوم الميت المتبقية مع حمل الهواء منخفضة كما 0.5 mN·m، وبالتالي أدناه، أو قريبة من القرار استشعار متر عزم الدوران المطبق (0.4 mN·m). ولوحظ عزم الدوران الميت المتبقية أعلى في مفاعل حيوي #6، الذي يستخدم التجنيب رمح المكره في قاع السفينة. خلال التناوب، اصطدمت رمح المكره أن التجنيب، التي يمكن ملاحظتها أيضا خلال تجارب زراعة، أسفر عن احتكاك إضافية.

وكما يتبين من الشكل 3، بعد حساب الطاقة تم الحصول على مدخلات من العزوم فعالة (استناداً إلى مكافئ. 1) والتآمر عليها كدالة لأرقام رينولدز (مكافئ. 3)، الملامح الفردية لكل من وسائل الإعلام نموذج اختبار. زيادة مدخلات الطاقة في كل من هذه المنحنيات، كما زاد عدد رينولدز والمنحدرات كانت قريبة من العلاقة P_L إعادة³. يمكن الحصول على هذا الارتباط من مكافئ. 2 و 3 مكافئ. عند افتراض قطرها المكره وعدد قوة ثابتة. تم العثور على هذا لجميع مشاغبين اختبارها مع R² > 0.99. 

من البيانات عزم الدوران التجريبية التي تم الحصول عليها، وخصائص الطاقة لجميع مشاغبين التحقيق وأخيراً حسبت على أساس مكافئ. 2 (انظر الشكل 4، ، من الشكل 5 الشكل 6). تم استخدام التوربينات راشتون القياسية كمرجع مع أرقام السلطة موثقة توثيقاً جيدا في الأدب^1،،من^1617،،من^{1819،20، 21،،}من^2223،،من²⁴²⁵. وكما يتبين من الشكل 4a، انخفض عدد السلطة في السفينة ل 2 أصغر (مفاعل حيوي #1) في الانخفاض في عدد رينولدز (100 < Re < إيتش فايف زيرو زيرو) من ف₀ = 6.3 إلى ف₀ ≈ 3.3 قبل زيادة مرة أخرى أعلاه إعادة ≈ 2000. عدد قوة ثابتة تقريبا ف₀ = 4.17±0.14 تم الحصول عليها تحت ظروف مضطربة تماما (إعادة > 10⁴). قيمة القابلة لمقارنة ف₀ = 4.34±0.22 مصممة للسفينة أكبر مع حجم العمل ل 10 (مفاعل حيوي #2)، في حين تم العثور على بعض الانحرافات بين الجدولين لنطاق الانتقالية مع 600 < إعادة < 10⁴ (انظر الشكل 4a). على الرغم من ذلك، الاتجاهات النوعية في الجدولين كليهما يتفق تماما مع الأدب البيانات^1،19، حيث تم إدخال الطاقة من التوربينات راشتون واحدة في 20 لتر¹ ول 40 مجلداً العامل¹⁹ وقرر، على التوالي. تجدر الإشارة إلى أن أرقام السلطة لنطاق المضطربة هي تصل إلى 25% أقل من تلك المقدمة من البيانات المرجعية من ≈₀ ف 4.7¹⁹ وف₀ ≈ 5.5¹. مباشرة ومع ذلك، غالباً ما يصعب المقارنة نظراً لقياس مختلف التقنيات المستخدمة فضلا عن الانحرافات في معالم هندسية، بما في ذلك نسبة القطر (d/D)، وإزالة بعيداً عن القاع (ض_م&/D) وأسفل دبابة و يربك الهندسة. ووجد الباحثون الأخرى استخدام أرقام السلطة التوربينات راشتون في حيرة من السفن في طائفة من 3.6 إلى 5.9، اعتماداً على محرض وهندسة السفن^17،،من^{1821،24، ،}من ^2729،،من³⁷³⁸. وبالتالي، يمكن القول بأن النتائج الحالية كانت مرضية.

في الشكل 4 باء، مقارنة أرقام الطاقة من المفاعلات الحيوية #3 و #4، مع أحجام العمل 1 لتر و 2 لتر على التوالي، إعداد مجموعة واسعة من رينولدز. قيم₀ ف محرضين هندسيا مماثلة اثنين انخفضت بشكل مستمر في نطاق المرحلة الانتقالية وأصبحت ثابتة (مفاعل حيوي #3: ف₀ = 3.67±0.06؛ مفاعل حيوي #4: ف₀ = 4.46±0.05) في الاضطرابات المتقدمة تماما مع إعادة > 10 ⁴، ومعيار الذي ثبت سابقا للتوربينات راشتون وغيرها محرضين³⁸. من المثير للاهتمام، إزاحة ثابتة تقريبا بين الجدولين لوحظ، ويمكن تفسير ذلك بالاختلافات في هندستها السفينة والمكره. على الرغم من أن التكوين المكره في السفينتين مشابه، لم يتسن للحفاظ على جميع المعلمات هندسية ثابتة. على سبيل المثال، مجهز السفينة 1 لتر يحير المضمنة اثنين فقط، بينما السفينة 2 لتر مجهز بثلاثة يحير. فمن المعروف جيدا أن يزيد عدد السلطة كما حققت يحير يزيد، حتى شرط تعزيز حاسم العدد³⁸. وعلاوة على ذلك، قد شكل القرص المكره في سفينة أصغر تعديله ل manufacturability، التي يمكن أن يكون لها تأثير على مدخلات الطاقة. تجدر أيضا أن القيم المقاسة عزم الدوران في السفينة الصغيرة كانت بين 4.2 mN·m و 12.8 mN·m، الذي يقابل فقط تصل إلى 6% من عزم الدوران الاسمية لمقياس عزم الدوران يستخدم فقط. في هذا النطاق، الانحرافات الصغيرة في إشارة قياس يمكن أن يكون لها تأثير كبير على النتائج. حيث تتوفر أية بيانات مقارنة من القياسات المرجعية، من الصعب استخلاص استنتاجات نهائية بشأن موثوقية القياس بمقياس أصغر المستخدمة في هذه الدراسة، ولا بد من إجراء المزيد من التحقيقات.

يبين الشكل 5 خصائص الطاقة الثلاثة المتاحة تجارياً تستخدم مرة واحدة المفاعلات الحيوية بالتحقيق. على النقيض من هذه السفن حيرة، عدد السلطة محرضين تستخدم مرة واحدة انخفض باستمرار على إعداد مجموعة كاملة من رينولدز التحقيق (100 < Re < 3·10⁴)، وتم الحصول على قيم ثابتة لا بسبب دوامة التدريجي تكوين معدلات الإثارة العالية في الأوعية الدموية أونبافليد. وتم الحصول على أرقام الطاقة أعلى من بين ≈₀ ف 6 وف₀ ≈ 1.8 لمفاعل حيوي #5، التي يتم تحريكها من المكره بليد إشعاعيا ضخ والمكره بليد جزء ضخ محوريا مع ريش 45 ° ضارية.

كالمتوقع، وانخفاض الطاقة تم الحصول على الأرقام من بين ف₀ ≈ 5.1 وف₀ ≈ 1.1 لمفاعل حيوي #7، التي يتم تحريكها بالجزء اثنين بليد الضواغط مع 30 ° ضارية ريش أسفر عن تدفق محوري في المقام الأول. فمن المعروف جيدا أن الدفاعات التدفق المحوري لها أرقام السلطة أصغر من الضواغط بليد التدفق شعاعي بسبب المقاومة تدفق أقل من شفرات ضارية³⁸. تجدر الإشارة إلى أن البيانات التجريبية على مدخلات الطاقة في مفاعل حيوي #7 التي تم الإبلاغ عنها سابقا³² أعلى إلى حد ما (مثل ف₀ = 1.9 لإعادة 1.4·10 =⁴). ومع ذلك، أظهرت البيانات المنشورة سابقا نفس العلاقة ف₀ إعادة^-0.336 كما تم العثور عليها في هذه الدراسة. تقنيات قياس مختلفة يمكن أن تكون مسؤولة عن مختلف القيم المطلقة.

بين المفاعلات الحيوية تستخدم مرة واحدة التحقيق، مفاعل حيوي #6، الذي هو المختلطة بواسطة واحد أسفل قرب المكره البحرية، كان أدنى الأرقام السلطة في نطاق ف₀ ≈ 0.8 وف₀ ≈ 0.3 (انظر الشكل 5). هذا الإدخال طاقة منخفضة يمكن تفسيره بأرض الملعب المكره منخفضة، حتى ولو أظهر تحليل ديناميات الموائع الحسابية (CFD) مكون تدفق شعاعي مهيمنة بدلاً من ذلك حول ريش المكره³⁹. ويمكن ذكر اتفاق جيد من النتائج الحالية والبيانات المنشورة من سي إف دي نماذج³⁹ وتجارب³² .

وأخيراً، استخدم الإعداد قياس للتحقيق في تأثير زاوية القطر وبليد المكره في مفاعل حيوي #7. كما يتبين من الشكل 6، جميع القوى منحنيات إنقاص بشكل مستمر عبر إعداد مجموعة كاملة من رينولدز، كما هو متوقع. وتم الحصول على اختلافات كبيرة بين زوايا بليد اثنين (30° و 45°)، حيث كانت زاوية شفرة أكبر مدخلات الطاقة أعلى (مع 30°: 1.13 < P₀ < 4.25 و 45 °: 1.65 < ف₀ < 4.46) بغض النظر عن الاضطراب (أي رينولدز عدد). هذا كما هو معروف لشفرة ضارية الكلاسيكية الضواغط⁴⁰ ويمكن تفسير ذلك مرة أخرى بمقاومة التدفق العالي حول الريش مع درجة أقوى. من المثير للاهتمام، لم يتم اكتشاف لا اختلافات كبيرة في إعداد السلطة بين أقطار المكره اثنين. هذا وقد تبين أيضا الضواغط بليد ضارية، بينما إعداد الطاقة من التدفق شعاعي بليد الضواغط عادة تميل إلى الانخفاض مع ازدياد نسبة د/د⁴⁰.

رقم 1: التخطيطي لإعداد الاختبار. الإعداد يتكون من الخزان (1) خلط، صاحب السفينة (2)، (3) تأثير القفص مع جلبه الهواء، متر (4) عزم الدوران، محرك الأقراص (5)، وتحويل (6) A/D، ووحدة التحكم (7)، (8) أجهزة الكمبيوتر للحصول على البيانات والتحكم. تم توفير الهواء المضغوط (5.5 بار) لجلبه الهواء، حسبما أوصت به الشركة المصنعة. وترد أيضا الأبعاد الهندسية الرئيسية لخزان خلط والمحرض. وقد تم تعديل هذا الرقم من³⁵. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

الشكل 2: قياس نموذجي الشخصية مع زيادة تدريجية في سرعة دوران المحرض (أي ن₁ < N₂ < ن₃) في فواصل زمنية دقيقة 5، كما هو مبين بالخطوط العمودية المتقطعة. تمثل الخطوط المتقطعة أفقي فاصل ثقة 5% حول القيم عزم دوران متوسط الوقت لمراحل المناظرة (المشار إليها بواسطة خطوط أفقية صلبة). ولوحظت ذروة القيم خلال الدقيقة الأولى من كل فاصل زمني، الذي يمكن تفسيره بتسارع الأولية من داخل السائل الدبابات ومعرف المنتج على أساس التحكم في سرعة المحرض. لزيادة استخدام التقييم، سوى إشارة عزم الدوران خلال مرحلة مستقرة أو شبه، حيث تراوحت إشارة القياس حول الوسط متوسط قيمة ضمن فاصل الثقة 5%. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

الشكل 3: حساب مدخلات الطاقة في مفاعل حيوي #1 كدالة لعدد رينولدز لطراز مختلف وسائل الإعلام- وتم الحصول على الملامح الفردية لكل من وسائل الإعلام نموذج اختبار. الخطوط الصلبة تمثل توقعات النموذج على افتراض ف عثر على إعادة³ واتفاق جيد جداً مع البيانات التجريبية (مع آر² > 0.99). الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

الشكل 4: تحديد أرقام القوة كدالة لعدد رينولدز في حيرة الدبابات. (أ) مقارنة البيانات من التوربينات راشتون في الصهاريج الصغيرة والكبيرة (مع 2 لتر و 10 لتر تعمل وحدة التخزين على التوالي) يبين أن الأرقام هو السلطة لظروف مضطربة تماما المساواة بين الجدولين. تم العثور على انحرافات صغيرة لنطاق الانتقالية مع إعادة < 10⁴، حيث زاد عدد السلطة ازداد عدد رينولدز. (ب) المقارنة بين بيانات من المفاعلات الحيوية #3 و #4 يظهر انخفاضا نوعيا مماثلة لأرقام السلطة كعدد رينولدز زيادة حتى يتم الحصول على قيم ثابتة تحت ظروف مضطربة تماما. إظهار أرقام السلطة لمفاعل حيوي ل 1 تقلبات أعلى مقارنة بنظيره 2 L. وتم الحصول على أية بيانات للسفينة 1 لتر لأرقام رينولدز في حدود 550 < < 950 عند استخدام نفس الوسائط النموذجي كما هو الحال في السفينة 2 ل إعادة. يمكن تفسير ذلك بالاختلافات في هندستها السفينة والمحرض الإزاحة كمية بين الجداول أو يمكن أن يكون نتيجة لحساسية أجهزة الاستشعار. يلزم إجراء المزيد من التحقيقات. الخطوط الصلبة تمثل نماذج الانحدار متعدد الحدود. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

الرقم 5: تحديد أرقام القوة كدالة لعدد رينولدز للمفاعلات الحيوية تستخدم مرة واحدة مختلفة. انخفضت أرقام الطاقة لكل من السفن كأرقام رينولدز زيادة. على النقيض من هذه السفن حيرة، تم الحصول على الأرقام السلطة مستقرة لا سبب تشكيل دوامة التدريجي في معدلات الإثارة العالية في الأوعية الدموية أونبافليد. الخطوط الصلبة تمثل نماذج الانحدار متعدد الحدود. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

رقم 6: تحديد أرقام القوة كدالة لعدد رينولدز لإدخال تعديلات مختلفة على مفاعل حيوي #7- تم الحصول على الملامح المميزة زاويتين شفرة مختلفة من 30° و 45°، ولكن لا توجد اختلافات كبيرة بين نسب القطر المكره اثنين (d/D = 0.43 ود/د = 0.57) تم العثور على. إنقاص إعداد كافة التكوينات التي أظهرت استمرار السلطة عبر إعداد مجموعة كاملة من رينولدز التحقيق بسبب تشكيل دوامة التدريجي في معدلات الإثارة العالية في الأوعية الدموية أونبافليد. الخطوط الصلبة تمثل نماذج الانحدار متعدد الحدود. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

تركيز السكروز النهائي	كثافة السائل ρL	Η اللزوجة السائلL	عدد رينولدز إعادة
(%w/w)	(kg·m-3)	(mPa·s)	(-)
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

الجدول 1: موجز لكثافة السائل واللزوجة لتحديد حلول السكروز على 20 درجة مئوية وعدد رينولدز هو الناتجة عن المكره مع القطر وسرعة دوران تبلغ 60 ملم و 200 لفة في الدقيقة، على التوالي. يتم حساب عدد رينولدز باستخدام مكافئ. 3.

الجدول 2: موجز لتفاصيل هندسية للمفاعلات الحيوية التحقيق- اضغط هنا لتحميل هذا الملف.

Discussion

على الرغم من أهمية مدخلات الطاقة (المحددة) لوصف الهندسة والقياس-أعلى/أسفل للمفاعلات الحيوية، سوى عدد قليل من المنشورات في تحقيقات تجريبية في benchtop مقياس المفاعلات الحيوية، لا سيما استخدام واحد نظم في يمكن العثور على رقم واحد لتر حجم مجموعة، في الأدب. واحد أسباب هذا النقص في البيانات يتبين في الصعوبات التي تواجهها السلطة دقة القياسات الإدخال في هذه الجداول الصغيرة. بغية التغلب على بعض هذه الصعوبات، توفر هذه الدراسة بروتوكول مفصل للسلطة العزم على أساس قياسات الإدخال المعتمدة بواسطة تأثير هواء لتقليل خسائر الاحتكاك في حمل. إمكانية تطبيق الأسلوب تجلى استخدام ثلاثة من المفاعلات الحيوية تستخدم مرة واحدة متاحة تجارياً، فضلا عن المفاعلات الحيوية المتعددة الاستخدامات في الميزان بين 1 لتر و 10 لتر حجم العمل.

استناداً إلى تجربتنا مع العزم على أساس القياسات، أهم العوامل لعنوان: 1) الحد من عزم الدوران الميت بتقليل خسائر الاحتكاك داخل محامل والأختام، لا سيما في مختبر مقياس المفاعلات الحيوية، و 2) اختيار متر عزم دوران مناسبة لظروف المساحة والانفعالات مفاعل حيوي المطلوب. كما ثبت في وقت سابق³⁵، يمكن تخفيض عزم الدوران الميت هائلة باستخدام تأثير الهواء. واستخدمت في هذه الدراسة، جلبه هواء منخفضة تكلفة مصنوعة من مادة الكربون المسامية. عزم الدوران المتبقية في الأوعية الفارغة اختبارها كانت عادة أقل من 0.5 mN·m مع معدلات الانفعالات ليصل إلى 900 لفة في الدقيقة، المقابلة للمكره بسرعة نصيحة من m·s يصل إلى 3^-1. وفي المقابل، كان عزم الدوران الميت من مفاعل حيوي #6 مع حمل رمح الميكانيكية المدمج، على سبيل المثال، بين 9.4 mN·m و 20 mN·m، وقيم قابلة للمقارنة من mN·m حوالي 3 أفيد أيضا عن مفاعل حيوي #7³². وهذا أمر واحد تقريبا من حجم أعلى من القيم التي تم الحصول عليها في الإعداد التجريبية المقترحة.

وإلى جانب تأثير الهواء، المقياس عزم الدوران يستخدم هو العنصر الأكثر أهمية. تم اختيار مقياس عزم دوران متاحة تجارياً التي تم تصميمها لقياس عزم الدوران والدينامية وسرعة الدوران وزاوية الدوران لهذه الدراسة. ونظرا للمفاعلات الحيوية ذات الأهمية مع أحجام العمل الحد الأقصى 10 لتر ومشاغبين المقابلة، عزم دوران اسمية من 0.2 اختير N·m. ووجد أن إمكانية تكرار نتائج عالية مع الانحراف المعياري النسبي ليتطابق < 5%، ويمكن الحصول على قياسات موثوقة الشاقولية فعالة منخفضة قدر mN·m 2، الموافق 1% فقط من عزم الدوران الاسمية. ومن ثم قياس الاستشعار المطبقة في هذه الدراسة فكان أوسع كثيرا من النتائج التي صدرت استناداً إلى دراسة المختبرات لأعضاء الفريق العامل المعني بخلط⁴¹VDI GVC الألمانية.

ومع ذلك، يجب تحديد نطاق سرعة المحرض بعناية فيما يتعلق بقرار مجس عزم الدوران وعزم الدوران الاسمية وتشكيل دوامة. هذه الأخيرة غالباً ما يحدث في المفاعلات الحيوية أونبافليد المهتاجين سرعات أعلى ويمكن أن تسبب ضررا لمقياس عزم الدوران. يمكن أن يحد من كلا سرعات المحرض ممكناً الحد الأدنى والحد الأقصى العوامل للطريقة الموضحة في هذه الدراسة. وبالإضافة إلى أعمالنا السابقة العمل³⁵، هذه الدراسة المعنية أيضا مفاعل حيوي #3، العضو الأصغر في الأسرة مفاعل حيوي الزجاج توفيرها من قبل الشركة المصنعة، التي يتم تحريكها من الضواغط ذات مرحلتين مع أقطار 42 مم. تم الحصول على سمة سلطة قابلة لمقارنة لأن في مفاعل حيوي مماثل هندسيا #4 مع الإعداد التجريبية المقدمة. هذا ملحوظ نظراً لعزم الدوران جداول مع م د⁵ لكثافة السائل المعطى والهندسة المكره (أي عدد القوة) وسرعة الدوران (انظر 1 مكافئ. ومكافئ. 2). ونتيجة لذلك، ما يقارب 40% أقل المكره العزم ناتجة عن قطرها المكره أصغر 10%، على سبيل المثال. على الرغم من ذلك، كانت أعلى سرعات الدوران في الجدول 1 لتر من الجدول 2 ل المطلوبة أثناء عملية حل عزم الدوران المنتجة مع متر عزم الدوران متاحة. سبب يحير المدمج لمفاعل حيوي #3، لوحظ لا تشكيل دوامة، ولكن هذا يمكن أن تصبح مشكلة مع سفن أونبافليد. وينبغي التشديد على أن ثابت الإزاحة في أرقام السلطة التي عثر عليها بين الجدولين يمكن أن تنجم عن أخطاء القياس الناجمة عن قرار مجس محدودة (بالإضافة إلى الاختلافات هندسية). مزيد من التحقيقات مطالبون باستخلاص استنتاجات نهائية بمقياس الحد الأدنى الذي يتم الإعداد المقترحة لا يزال ممكناً.

على الرغم من ذلك، تم استخدام البروتوكول نفسه لقياسات الطاقة الإدخال في الأوعية الزجاجية المختلفة من الشركات المصنعة المختلفة مع أحجام العمل بين 1 لتر و 10 لتر في المختبر. وهذا يسلط الضوء على إمكانية تحويل الطريقة المستخدمة لتوصيف نظم مختلفة مفاعل حيوي. ويمكن تخفيض الجهد التجريبي بالقياسات التلقائية باستخدام إدارة الوصفة داخل نظام التشغيل الآلي التي يقدمها البرنامج وحدة التحكم وفي التجهيز الآلي للبيانات استناداً إلى لغة Matlab عالمية.

علاوة على ذلك، تجدر الإشارة إلى أنه، باستخدام السكروز المشتملة على، وسائط الإعلام، ونموذج النيوتونية رخيصة إعداد مجموعة واسعة من رينولدز (100 < Re < 6·10⁴)، اعتماداً على المحرض والنطاق، وكانت مغطاة. ينبغي أيضا التأكيد على أن الحد الأدنى لنطاق الاضطراب عادة ما تكون غير ذات صلة للثقافات الخلية الحيوانية مع وسائط الإعلام مثل المياه، حتى إذا تم استخدام سرعات المكره منخفضة جداً. ومع ذلك، زيادات كبيرة في لزوجة مرق، مما يؤدي إلى اضطراب السلوك التخميد، وحتى غير نيوتن قد ورد وصف للفطريات-ومصنع الثقافات يستند إلى الخلية. على سبيل المثال، اللزوجة الظاهر في الثقافات المصنع ليصل إلى 400-fold مقارنة بالمياه قد ذكرت⁴²، الأمر الذي يؤدي إلى انخفاض كثير أرقام رينولدز.

وأخيراً، استخدام مفاعل حيوي #7 كدراسة حالة أولى، وقد ثبت أنه يمكن استخدام الإعداد التجريبية المقترحة لدراسة أثر تعديلات التصميم على مدخلات الطاقة على نطاق المختبر. في تركيبة مع تقنيات النماذج الأولية السريعة، وهذا يمكن أن تكون أداة قوية للمكره تصميم الدراسات، التي سوف تشكل أجزاء من العمل في المستقبل.

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