Экспериментальное биореакторах для агитации Шкала-Up

Данная статья содержит указания о том, как разработать соответствующие эксперименты по измерению масштабируемых данных для агитации в аэробных и анаэробных биореакторах.

Лаборатории и экспериментального завода ферментеров, как правило, работает с основной целью оценки микробиологии и биохимии, чтобы определить такие вещи, как оптимальная температура, рН, состава питательной, биомасса погрузки и кормления. Зачастую, агитация не считается важной частью исследования, кроме как убедиться, что она является адекватной. В результате мат опытно-промышленные условия агитации, как правило, весьма отличаются от тех, в полном масштабе. Кроме того, не достаточно независимое исследование делается, чтобы обеспечить масштабируемое отношений между агитацией и результатами. В данной статье рассматриваются эти вопросы и описываются методы получения данных и масштабируемых отношений, как для аэробных и анаэробных биореакторах.

Аэробные биореакторы

В этих реакторах, основным критерием агитации, как правило, возможности массового перевода. Для смешивания жидких компонентов может также играть важную роль в больших биореакторах (рабочий объем более 20 000 L). Главный детерминант коэффициента массообмена (к югу л ^ ^) в механически волновался, аэробных биореакторов является агитатором удельной мощности (мощность / объем, P / V) и поверхностной скорости газа (U ^ S ^ к югу) , что поток газа, деленная на танк площадь поперечного сечения.

В большинстве экспериментальных реакторов, условия эксплуатации, в значительно большей P / V и гораздо ниже, к югу U ^ S ^, чем обычно полномасштабной оборудования. Таблица 1 иллюстрирует пример множества переменных в зависимости от масштаба, номинальная скорость передачи кислорода (OTR) 200 ммоль / л. Эта таблица не предназначена для представления определенного набора экспериментальных данных. Вместо этого, он рассчитывается на основе "среднего" воздух-вода корреляции, и имеет целью показать, как P / V и U ^ S ^ югу будет варьируются от масштабов, если усилия не сделали для борьбы с этой вариации. Корреляции используется как показано ниже формуле. 1.

Наиболее полно-биореакторах имеют P / V на уровне около 1-3 VWL, а многие ферментеров экспериментальных P / V в пределах 5-10 Вт / л Пресс-передачи отношения, как правило, только с точностью до ± 30%, и только в пределах переменных изучены. Это не правило, безопасны для экстраполяции много.

Кроме того, Существуют различия в U5. Многие полный биореакторах падение в пределах 0,03-0,09 м / с, а опытное значение, как правило, ниже 0,02. В таблице 1, некоторые ценности, гораздо меньше.

Хотя многие считают, что поток воздуха по объему воздуха в стандартных условиях на единицу объема жидкости в минуту (АР), это не правильный параметр масштабирования для KIA. Большинство биореакторов производственные WM ставку в диапазоне 0,5-1,5. Вместе с тем, чтобы соответствовать полномасштабной U ^ S ^ к югу, пилот WM, возможно, потребуется более 10.

В таблице 2 приведены экспериментальные условия, необходимые для модели 150 000-L единицы в таблице 1. Так как Н ^ ^ к югу л, зависит от P / V и U ^ S ^ к югу, мы будем уменьшать сохраняя эти же к модели киа на экспериментальном уровне. В результате требуемая скорость WM примерно от 5 до 30 лет, в зависимости от экспериментальных масштабах. Эти соображения приводят к некоторым принципам для пилотирования аэробные биореакторы.

Правильные принципы пилотирования

В связи с необходимостью избегать экстраполяции, экспериментальные исследования массопереноса следует использовать запускается с теми же диапазоне P / V и U ^ S ^ к югу, как полном объеме. Это означает более низкие вала мешалки скорость воздушного потока и выше, чем типичные экспериментальные исследования. Комбинация высокого потока воздуха и низких оборотах могут представлять опасность затопления колеса, так что это должно быть проверено. Поставки летчик и брызгать системы, возможно, потребуется внести изменения на более высоких, чем обычно, воздуха.

Шаги к хорошему протокола экспериментальных

Принципы могут быть организованы в четыре этапа:

Шаг 1. Начните с оценки корреляции кр.

Если какие-либо экспериментальные данные имеются и достаточно, чтобы поместить массообмена корреляции с ними, использовать их для предварительного полномасштабной разработки, даже если значения переменных отличается от полной шкалы. Это по крайней мере, для начала Если никаких таких данных не имеется, использовать данные и корреляции для аналогичных систем, либо из открытых источников или имеющихся внутри страны.

Одним из таких корреляции для ионных воздух / вода системы:

Шаг 2. Расчетный разумные полномасштабной дизайн расчета расхода воздуха и мощности на полную силу и дать необходимые OTR.

А. Начните с пиком поглощения кислорода курса (OUR) требования и предположим, что OTR должно соответствовать его.

B. Установить воздуха на основе 50% переносить кислород. Это основывается на опыте автора, что низкая общая потребляемая мощность (агитатор плюс компрессор) происходит примерно в таком состоянии. 1 м ^ 3 ^ SUP воздуха при 60 ° F и 1 атм содержится 1,2 г-моль газа или 0,25 г-моль кислорода. Кроме того, один нормальный м ^ ^ SUP 3 содержит 44,06 г-моль газа.

C. Расчет баланса массы и определить силу массообмена вождения.

D. Решить к югу ^ л ^ корреляции для агитатора власти.

Е. Теперь приближенные полномасштабной P / V и U ^ ^ к югу ы известны.

Шаг 3. Дизайн серии экспериментальных работает, используя при скорости вращения вала и воздуха номера к кронштейну значений P / V и U ^ S ^ к югу, рассчитанные для полномасштабного дизайн Шаг 2.

А. Рассчитать пилот воздушного потока, основанный на использовании того же подпункта U ^ S ^ как полном объеме.

B. Рассчитать скорость агитатора дать такие же P / V, как полном объеме.

C. Подготовка экспериментального плана или сетки значений, которые выходят выше и ниже значений, рассчитанных в шаге 2, по крайней мере 0,5-2 факторов для воздуха и 0.75-1.3 для агитатора скорости. Это даст 4:01 диапазон по обе югу U ^ S ^ и P / V.

D. Проверить рабочее колесо и ликвидации наводнений затоплены работает. Чтобы избежать затопления, ограничить максимальное число аэрации, Св / ND ^ SUP 3 ^, К (N ^ SUP 2 ^ D / г) (D / T) ^ 3,5 ^ SUP, где соотношение постоянной К, 30 для Раштон турбины, 70 на 180 градусов. вогнутой турбины (таких, как Chemineer CD-6), и 170 для Chemineer BT-6.

Некоторые неполные исследования показали, что максимальное число аэрации вогнутой турбин растет быстрее, чем линейно в зависимости от числа Фруда, N ^ SUP 2 ^ D / г, так что вышеупомянутые отношения наводнения могут быть консервативной для таких турбин в некоторых случаях. В этой статье не рассматривается влияние вязкости на наводнения. Если вязкость превышает 100 сП, обратиться к другим источникам или визуально проверить на наводнения.

Некоторые работает с помощью комбинации низких оборотах и нижнего течения газа не может обеспечить достаточной OTR для организмов процветать при полной концентрации биомассы. Тем не менее данные необходимы для полномасштабного дизайна. Есть несколько тактик, чтобы справиться с этой проблемой. Один заключается в снижении биомассы. Иногда это может быть сделано путем принятия таких данных выполняется в ранней стадии ферментации, а рост организма это только начало. Другой способ заключается в увеличении обратного давления при равных фактических воздуха. Это обеспечивает более высокий массоперенос при заданной скорости поверхностных газа. Тем не менее, оно также повышает концентрацию СО2 в жидких и отходящих газов, что может стать проблемой для некоторых организмов. Третий метод заключается в использовании обогащенного кислородом корма газа. Хотя дорогие, это может быть полезно, если другие методы не работают.

Шаг 4. Fit связь с новыми данными.

С хорошим измерения движущей силой, OTR и других параметров, то теперь можно сопоставить данные. Чаще всего корреляции имеет вид:

хотя другие формы могут быть использованы. Как правило, данные подходят составляет ± 30%. Эта новая модель может быть использована для полномасштабного проектирования и оптимизации. Тем не менее, разумный фактор безопасности должны применяться как к P / V и U ^ S ^ к югу, чтобы на погрешности и возможные изменения процесса в будущем.

Анаэробные биореакторы

В аэробных биореакторов, эффект агитации очевидно из-за влияния на размер пузыря и holdupJn анаэробного сбраживания, однако, причина, по которой последствия агитации выходят за рамки тех, на твердые тела подвеска не вполне ясно. Но это, конечно же. Например, одно исследование показало, что волнение сказалось на темпах производства, урожайности и максимальной продукта титр в спиртовом брожении использованием сахара и Saccharomyces Cervisiae. Когда результаты были в заговоре против P / V, улучшения не выровняется до P / V превысил 1,6 W / L, который является очень большое значение для производства этанола брожением.

Было бы желательно расширить масштабы агитации от анаэробных процессов на основе глубокого понимания механизма, который влияет на результаты агитации. Без этого, мы должны прибегать к эмпирических исследований.

Один из способов сделать UNS является проведение экспериментов на два масштабах, с использованием геометрического подобия для судов и агитатор колес. Единственное, что может быть разнообразна агитатора скорость, которая может меняться, пока результаты соответствовали на обоих уровнях. Затем, масштабирование правила могут быть созданы с использованием N ^ 2 ^ к югу / N ^ 1 к югу = (1 / R) ^ SUP п ^, где К геометрической степени масштаб и п масштабирования показатель Иногда значение п соответствует для выводимых физических отношений. Например, значение 1 соответствует равное отзыв скорости, равной крутящий момент / объем и равной скорости движения жидкости. Значение 2 / 3 соответствует равное P / V.

Если две шкалы нет, масштабирование метод может иногда быть установлены с помощью колеса двух различных размеров или даже два разных типов в последующих тестов в том же судне. Различных рабочих колес должен работать, чтобы предоставить равные результаты, например, это может быть установлено, что одинаковые результаты получены при равных отзыв крыльчатки скорость, равную P / V, равной средней скорости жидкости или смесь равных времени. Параметров, что дает одинаковые результаты в одном масштабе может быть использована в качестве основы для расширения масштабов.

Григорий Т. BENZ

BENZ TECHNOLOGY INTERNATIONAL, INC

Григорий Т. BENZ, PE, президент Benz Technology International, Inc (2305 Кларксвилл Rd., Кларксвилл, OH 45113, телефон: (937) 289-4504, факс: (937) 289-3914, E-почта benztechomtndspring. ком; сайте: <a target="_blank" href="http://home.mindspring.com/~benztech/" rel="nofollow"> http://home.mindspring.com/ benztech ~ / </ >). Он имеет более чем 31-летним опытом в разработке агитации систем, специализирующихся на брожение и биореакторы. В настоящее время его компания предлагает общего машиностроения, перемешивания и консультации биореактора дизайн, в том числе спецификации оборудования и оценки конкурсных предложений. Benz также курс директор Univ. Висконсин-Мэдисон, повышения квалификации по программе и зарегистрированных экспертов консультации с lntota (<a target="_blank" href="http://www.intota.com" <rel="nofollow"> www.intota.com /> ). Он получил BSChE из Univ. Цинциннати, и взял курс на брожение биотехнологии из Центра для профессионального роста зарегистрированных профессионального инженера в Огайо, он является членом Аиш и Общество биологической инженерии (SBE), а также Международное общество для фармацевтической науки ( МНПП), Общества промышленной микробиологии (SIM), а также Американской торговой палаты в Шанхае ..