Рабочие колеса для калибровки Взволнованная Аэробика Ферментеры
Оптимизация производительности ферментера и стоимость, размеры надлежащей системы рабочего колеса для вашего приложения.
Правильное проектирование рабочих колес для стимулирования дисперсии газа в ферментерах широко опубликованы теме, которая обычно подчеркнул такие вопросы, как агитатор власти, задержка жидкости и наводнений (1). Последние статьи были сосредоточены на том, что преимущества различных конфигураций крыльчатки могут иметь в ферментеров (2, 3). В этой статье описаны достоинства различных относительных размеров рабочего колеса и объясняет, как конструктивные параметры, такие как отношение диаметра крыльчатки (D) в резервуар диаметром (T) или D / T, влияющие на производительность ферментера и стоимости. Наглядные примеры используются для количественной оценки этих различий.
Пресс-передачи принципы
Если достаточно данных, хороший дизайн агитатора будет состоять из определения необходимых M, выполнение баланса массы для определения концентрации имеющихся движущей силой массообмена на основе предполагается Q ^ г ^ к югу, расчет необходимых к югу ^ л ^ , а также решение для необходимых P ^ г ^ к югу. Это может быть сделано для нескольких газа Расходы, приведенные для оптимизации P ^ ^ г к югу (4). Стоит отметить, что Q ^ югу г ^ и M может изменяться в процессе брожения. Таким образом, P ^ ^ г к югу, как правило, определяется по максимальному требуется М.
Рабочее колесо системы - практика и принципы
Аэробика ферментации промышленное производство в 1940-х годов, с пенициллином свой первый продукт бытия. В то время, радиальные колеса, например, рабочее колесо Раштон (рис. 1), были использованы и по-прежнему популярны и в 1970-х. Эти колеса правило, имели шесть плоских лезвий, проставленный на диск на 90 градусов угол. Как ферментеров стал больше по размеру, поставил картину течения создан с использованием нескольких радиальной турбины в результате чрезмерного DO и питательных веществ градиента концентрации. В одном случае, когда 150-м ^ ^ SUP 3 ферментера был оснащен 4 радиальной турбины, в результате DO было два порядка выше, в нижней части ферментера, чем на самом верху.
Из-за таких градиентов, миксер производителей и конечных пользователей начал экспериментировать с крыльчаткой систем, комбинированного осевых и радиальных колес. Во-первых, станом-лопастной турбины (рис. 2) был использован в качестве верхнего рабочего колеса. Но этот проект не удалось из-за тенденции к слиянию газа в верхней части судна, и потому, что общий недостаток знаний о правильном дизайнеров распределения власти. Например, газ будет объединяться, потому что разбили лезвия, а правильно расположенные выше гидродинамического угол кабины (т. е. угол, над которым турбулентного пограничных слоев отдельно от ламинарного подслоя), не были на достаточно высоком угол придать достаточно власти, чтобы адекватно redisperse газа.
Позднее, различные рабочие колеса на подводных крыльях были осуждены. Суда на подводных крыльях являются осевые рабочие колеса потоков, которые действуют под кабиной углом лезвия. Некоторые установки с осевыми рабочими колесами оказались весьма успешными, а другие нет. В электрических сетях было установлено, что критическим параметром в средствах массовой передачи исполнении крыльчатки системы. Слишком мало энергии в осевых рабочих колес вызвало газа сливаются в верхней части ферментер. Слишком много власти сосредоточено в верхней колеса привело к увеличению газовых пузырьков на дне и, как следствие, непринятие фольги преимущества потенциально более движущей силой.
Позже высокой плотности ("прочность" относится к степени окклюзии прокатилась круга крыльчатки в его лопастей) осевые (HSAF) колес (рис. 3), которые обычно закрывают 70% или более их охватил круг, были добавлены "Арсенал". Эти колеса были больше прощать власти раскола (доля от общего объема мощности, выделенных для каждого рабочего колеса) и высоким Q ^ г ^ к югу. значения (3). В вниз поток договоренности (т. е. когда жидкость закачивается вниз вдоль оси вала, а затем вверх вдоль стенки сосуда), HSAF колеса, как правило, используется в сочетании с радиальной турбины. В последние устройство накачки (т. е. когда жидкость перекачивается вверх вдоль оси вала, а затем вниз вдоль стенок сосуда), они могут быть использованы с или без турбины радиально-потока, в зависимости от Q ^ г ^ к югу.
Между тем, дизайн радиальных колес была улучшена, начиная с изобретения радиальной турбины вогнутым (рис. 4). Вогнутые радиальной турбины продемонстрировать общий высокий газовый пропускную способность, меньшую чувствительность к югу от P ^ г ^ к югу Q ^ ^ г, а также увеличение механической прочности ферментеров '(2, 5, 6), по сравнению с не-вогнутые колеса .
Все упомянутые колеса могут быть изготовлены для больших и малых ферментерах. Использование осевые и радиальные колеса на одном валу успешно пытались в ферментерах больше как 450 м ^ SUP 3 ^ (6). Up-осевых рабочих колес насосных также выступали в крупных сосудах, в связи с их более высокой газовой пропускную способность и механическая стабильность (7). Кроме того, эти колеса могут быть изготовлены любых обрабатываемых материалов, таких как популярный тип 316 нержавеющей стали. Подробнее коррозионно-стойких сплавов, используемых в случае необходимости.
Нынешняя практика дизайна ферментера включить использование более радиальных и осевых верхнем колес (3). Нижняя радиально-крыльчатка имеет вогнутую дизайн лезвия, либо патентованных форму или форму аналогично колеса проверен Джон Смит (8). Верхняя узким лезвием колес на подводных крыльях создать более накачки движения и не вызовет столько капли в суб P ^ ^ г при малых скоростях газа (U ^ югу S ^
Большую часть времени, верхних колес они до накачки. Этот механизм является более стабильным, чем механически вниз накачки колес. В более ощутимый условия, колебания скорости созданные до накачки колес в 50-60% от колебаний скорости созданные вниз накачки колес. Кроме того, на низких и средних значений Q югу ^ ^ г, до накачки верхнего колеса имеют более низкий падение югу P ^ ^ г из-за наличия газа. Up-накачки колес также короткие газом смесь времени ([тета]) - и время, необходимое для достижения определенной концентрации растворенного вещества затухания (как правило, определяется как ± 1%) после растворенного дозируется.
Как упоминалось ранее, введение газа в вращающаяся крыльчатка системы в целом приводит к власти, необходимых для достижения желаемого M падать. Таким образом, газом фактор должен приниматься во внимание в ходе ферментер конструкции в целях: (1) размер колес так, что они черпают силу необходимости (например, встретить P ^ ^ г югу спецификации) для достижения оптимального переноса массы в загазованность ; (2) размер привода и двигателя (например, указать P ^ ^ к югу двигателя) по какой-то минимальный Q ^ ^ г югу обязательна. Различные типы и размеры крыльчатки имеют различную мощность капли (различные потери P югу ^ г ^), а функция Q югу ^ г ^.
Power Split (количество энергии вложил в верхнего регистра в нижний колес) является еще одним важным фактором в ферментер конструкции. Если слишком мало энергии вложил в любой верхней или нижней осевой радиальной турбины, газ будет сливаться в области малой мощности. Большие пузырьки газа уменьшить к югу л ^ ^ а и, таким образом, препятствуют массообмена. По конкурентоспособным причинам, точных разделить власть, как правило, не раскрывают агитатора производителей. Для очень вязких растворов брожения, равномерное смешивание жидкости может быть первоочередной задачей. В таких случаях множественности до накачки колес осевых при больших значениях DIT может потребоваться.
Влияние D / T при постоянном югу Q ^ г ^
Воздействия на DIT ферментера производительности зачастую рассчитывается для сравнительных целей в условиях постоянной Q югу ^ ^ г против переменной Q ^ г ^ к югу. Результаты могут существенно различаться.
Для случая постоянной Q югу ^ ^ г, некоторые замечания могут быть сделаны относительно крыльчатки системы: Если колеса различных размеров (например, различные D / T отношения), но равно стиль и P ^ ^ г югу используются, N будет меньше для более крупного D / T системы. Как D / T увеличивается при постоянном P югу ^ ^ г, скорость крыльчатки отзыв (S в м / с) уменьшается, что приводит к снижению максимальной скорости сдвига введенных агитатора.
В частности, автор обнаружил, что:
1. Если один игнорирует изменения в силу число (N ^ югу P = P ^ ^ к югу г / [ро] N ^ SUP 3 ^ D ^ SUP 5 ^) и P ^ югу г ^ / ^ к югу и ^, S пропорциональна в D / T, возведенное в степень -2 / 3 (S [А] D / T ^ SUP -2 / 3 ^). Если организм сдвига фактор, влияние нижней сдвига из-за снижения S может привести к снижению частоты гибели клеток. Если организм имеет тенденцию к образованию КРУПНОКУСКОВЫХ колонии, добавил сдвига связаны с более высокой S или менее D / T может реально помочь массы при нарушении колонии на более мелкие единицы.
2. Высшее D / T отношений приводит к снижению значений N. Игнорирование изменений в подпункт N ^ P ^ и газом фактор, N пропорциональна D / T повышен до -0,6 мощности (N [А] D / T ^ ^ SUP -0,6). Эта нижняя N приводит к снижению среднего сдвига сообщаемая жидкости.
Более того, нижняя N при постоянном P югу ^ ^ г означает более высокий крутящий момент, что приводит к более дорогим привода, более крупные колеса и вала, и больше механической мешалкой для системы. Автор обнаружил, что агитатор стоимость примерно пропорционально крутящий момент увеличен до 0,8 энергии в больших бродильных. "Большой", используемый в данном случае означает рабочий объем ферментера выше примерно 200 м ^ 3 ^ SUP или крыльчатки двигателя превышает 200 кВт.
3. Большие колеса насоса больше жидкости. Высшее оборот может помочь в выполнении СО2 на поверхности жидкости. Крыльчатки накачки число, N ^ ^ д к югу, уменьшается с ростом D / T. Конечный результат приблизительно, что жидкость расхода созданные крыльчатки (ы), Q в м ^ ^ SUP 3 / с, пропорциональна D / T повышен до 1,9 мощности (Q [А] D / T ^ SUP 1,9 ^ ).
4. [] Тэта будет немного короче, при больших D / T отношений. Это общее замечание. Корреляции с участием [] тета, на самом деле, конкретно относящиеся к рабочим колесом типа, так это последствия D / T на крыльчатку производительности. Тем не менее, в диапазоне от D / T отношение обычно в биореакторах (D / T = 0,2-0,6), [тета] при постоянных Р к югу ^ G ^ будет до 10% быстрее при больших D / T отношения, чем на малых D / T отношений.
5. Коэффициент теплопередачи (HTC) также увеличивается с D / T. Просто, насколько это увеличивает зависит от конструкции теплообменных поверхностей (например, винтовой катушки, куртка, вертикальные трубы или панель катушки). В целом, HTC пропорциональна D / T повышен до мощностью от 0.95-1.05. Читатель предостерег от проектирования агитатора специально для теплообмена требованиям. Лучше увеличить площадь теплоотдачи поверхности и перепад температур, если теплообмена должно быть улучшено. Кроме того, большое D / T отношения могут помешать использованию широких рулонах или вертикальной пучков труб на судне, из-за механического вмешательства.
6. Газ-разгрузочных мощностей, выраженное в виде Q югу ^ г ^ и определяется как высокий расхода газа переносится системы до наводнения, увеличивается с D / T. SENSEL работы (5) показывает, что при постоянном P ^ г ^ к югу, газ-пропускную способность до затопления пропорциональна D / T повышен до -0,4 власти (Q ^ ^ г югу D / T ^ ^ SUP -0,4) . Если большие Расходы, приведенные газа, как ожидается, Q ^ ^ г югу может диктовать требуется D / T.
7. Механические детали, такие как шестерни, подшипники, подшипники устойчивый и уплотнение вала, будет длиться дольше, при меньших значениях N, связанных с крупными D / T отношений, полагая, те же факторы, услуг и подчеркивает используются.
Исходя из вышеизложенного, можно вывести, что крупные D / T соотношения оказываются в привилегированном положении постоянной Расходы, приведенные газа. Более высокая стоимость таких систем является основным недостатком.
Влияние D / T при переменной Q ^ ^ г к югу
В реальной ферментеров, переменная Q ^ ^ г югу значения используются, чтобы избежать потери мощности компрессора на ранних стадиях брожения. Q ^ ^ г югу обычно начинается в низкой стоимости, поскольку ячейки населения с низким и не очень массопереноса не требуется. По мере увеличения популяции клеток, Q ^ ^ г к югу является увеличили. За этим следует период постоянной Q югу ^ г ^. В конце партии, Q ^ ^ к югу г может быть сокращен по различным причинам, в том числе необходимость контроля распределения продукта. Изменения в подпункт Q ^ г ^ непосредственно влияет P ^ ^ г к югу и массообмена исполнении крыльчатки в.
P ^ югу г ^ / P ^ к югу и ^ является функцией от числа Рейнольдса крыльчатки (N ^ югу Re = D ^ SUP 2 ^ N [ро] [му]), количество аэрации (N ^ югу = Q ^ ^ к югу г / ND ^ SUP 3 ^) и числа Фруда (N ^ югу Фр = N ^ SUP 2 ^ D / г) (5). Как D / T увеличивается при постоянном P югу ^ г ^ N ^ ^ к югу и к югу N ^ ^ Пт уменьшаться. P ^ югу г ^ / P ^ и ^ к югу изменения более быстро, как функция Q югу ^ г ^ при малых значениях N ^ ^ к югу и к югу N ^ ^ отца, чем на больших N ^ ^ к югу и N ^ ^ к югу отец условиях. Это означает, что P ^ ^ г к югу более постоянной при низких D / T отношений, которые могут повлиять массообмена крыльчатки в производительности и потребляемой мощности двигателя P ^ ^ к югу двигателя. Эта концепция лучше всего можно проиллюстрировать на примере (9).
Ввод принципы на практике
Обычная практика при определении агитаторов ферментера, чтобы определить размер двигателя, как правило, путем указания P ^ ^ к югу двигателя и максимальные и минимальные значения Q югу ^ г ^. В бродильной промышленности, Q ^ ^ г югу часто выражается в терминах объема газа на единицу объема жидкости в минуту (ФТИ, мин -1 ^ SUP ^) при 0 ° С и 1 атм. Это эквивалентно указанию молярной расхода воздуха на единицу объема жидкости. Стехиометрические требования ФТИ зависит от метаболических потребностей микроорганизмов и их плотность населения в бульон. Фактическая потребность в ФТИ должна быть выше, чем стехиометрические расхода, так как это не возможно передать 100% имеющихся кислорода. Общие брожения требуют пик ФТИ примерно 0,5-1,0 мин ^ -1 ^ SUP, с учетом около 50% перенос кислорода. Однако, некоторые брожения требуют пик ФТИ, что меньше, чем круг приближенных, а другие требуют гораздо более высоких значений.
N и D / T, как правило, выбранные агитатора производителя. Чтобы не перегружать двигатель, колеса предназначены для потребляют более 90% от P ^ ^ двигателя к югу минимум югу Q ^ г ^. Другими словами, P ^ югу г ^ / P ^ ^ к югу двигателя должна быть не более 0,9. При максимальной Q югу ^ г ^, мощности, рабочего колеса, когда газ течет через сосуд, P ^ г ^ к югу в кВт, менее чем на минимальном югу Q ^ г ^. Кроме того, при сравнении двух различных D / T отношений при максимальной югу Q ^ ^ г, тем больше D / T будет ниже P ^ ^ г югу Таким образом, меньше к югу ^ ^ л значение будет существовать максимум Q ^ ^ г к югу, хотя P ^ ^ г югу будет таким же, как минимум к югу Q ^ г ^.
Альтернативных практике, заключается в определении необходимых P ^ ^ г к югу при максимальной Q югу ^ ^ г, и пусть продавец указать D / T и P ^ ^ к югу двигателя. В этом случае массообмена крыльчатки по эффективности (к ^ к югу J ^) и р к югу г ^ при максимальной Q югу ^ г ^ будет такой же, но больших D / T потребует более югу P ^ г ^ минимум Q югу ^ ^ г, что требует большего P ^ ^ к югу двигателя, или, возможно, задающая минимальную Q ^ ^ к югу г, что выше, чем первоначально оговоренной. Любой из этих вариантов потенциально использует больше энергии.
Следующие примеры количественного описания типичной ферментера и сравнить расчетные значения P югу ^ г ^ и D / T. Расчеты проведены с использованием собственных программное обеспечение, предоставляемое Chemineer, Inc боковой панели показывает, как эта процедура может быть сделано вручную.
Для ферментера, T = 5 м, V = 200 м ^ 3 ^ SUP. Процесса при температуре 40 ° C. Жидкости имеет достаточно ионной силы, в сущности, без коалицию для массового перевода целей расчетов. Ее удельный вес 1,02 и его вязкость, [му], является 5 мПа-х годов.
Крыльчатки система состоит из нижней вогнутой холодного диска турбины (180 градусов вогнутость) и две последние накачки колес высокой прочности на подводных крыльях. Для простоты диаметров колес 'считаются равными. Но это не всегда так для коммерческих систем. Кроме того, в то время как коммерческие D / T значения обычно составляет от 0,2 до 0,6, значения, выбранные для расчетов в данной статье (более распространенный) D / T = 0,3 и 0,5, соответственно, называют "малой" и "больших" систем крыльчатки .
Благодарности
Данные, использованные для подготовки Таблицы 1 и 2, а цифры 1 и 2 были рассчитаны с помощью Chemineer, Inc 'S (Дейтон, Огайо; <A HREF = "http://www.chemineer.com" целевых = "_blank "относительной =" NOFOLLOW "> www.chemineer.com </ A>) патентованного программного обеспечения. Хотя конкретные результаты основаны на стили Chemineer крыльчатки, выводы относительно воздействия на DIT P, носят общий характер. Автор хотел бы поблагодарить Эрик Janz, хранителем Chemineer программного обеспечения, для закупки иллюстративных материалов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Rautzen Р., и др., "Проектирование и наращивания Агитаторы за газ Дисперсия в Ферментеры", сделанных на Конференции Инженерного фонда по передаче Масса и наращивания ферментеры, Хенникер, NH (июль 1977).
2. Майерс, К. и др.., "Сравнительный анализ альтернативных газу Дисперсия Рабочие колеса", сделанных на газожидкостных систем сессии, сведение XVI, Williamsburg, VA (июнь 1997).
3. Benz, Г., "Повышение Ферментация с Эффективное Крыльчатка Systems," Известия "Новые горизонты" в микробиологии и биотехнологии 2001 Международный симпозиум, Сеул, Корея, с. 153-154 (июнь 2001).
4. Benz, Г., "Оптимизация энергопотребления в аэробных Ферменторы," Хим. Eng. Prog., С. 100-103 (май 2003).
5. SENSEL, М., "Газ дисперсии при высоких скоростях аэрации в низкого до умеренно вязкой ньютоновской жидкости", Диссертация магистра, Univ. Дейтона (апрель 1992).
6. Bakker, А. и Г. Benz, "Перемешивание в промышленных Fermentcrs", сделанных на конференции "Биотехнология, Сидней, Австралия (1996).
7. Nienow, A., "Газ Дисперсия производительность в Ферментатор Операция" Chem. Eng. Прогресс, с. 66-71 (февраль 1990).
8. Ulbrecht, J., и G.K. Паттерсон, ред. ", Дисперсии газов в жидкостях", в Смешивание жидкостей с механическим перемешиванием, Гордон и издателей Нарушение наук, с. 139-202 (1985).
9. Bakker, А. и др. /. "Как разогнать газов в жидкостях," Хим. Eng., 12 (1), с. 98-104 (1994).
Григорий Т. BENZ, возможная ошибка
BENZ TECHNOLOGY INTERNATIONAL, INC
Григорий Т. BENZ является президентом Benz Technology International, Inc (2305 Кларксвилл-роуд, Кларксвилл, OH 45113, телефон: (937) 289-4504, факс: (937) 289-3914, E-почта: <A HREF = " mailto: benztech@mindspring.com "> <benztech@mindspring.com />), специализирующихся в общем машиностроении, смешивание и консультации биореактора дизайн, в том числе спецификации оборудования и оценки конкурсных предложений. Benz имеет более чем 27 летний опыт в разработке систем и агитации научил многочисленные курсы по своей конструкции для движения жидкости, твердые частицы суспензии и дисперсии газа; а также ферментера дизайн, ненавязчивая смешивания дизайн и санитарных концепций дизайна для фармацевтической промышленности. Benz получил BSChE из Univ. Цинциннати и взял курс на брожение биотехнологии из Центра для профессионального роста. Он зарегистрирован профессионального инженера в Огайо и членом ISPE и Айше.
