Mixing time in shaking bioreactors

Tan, Rung-Kai; Büchs, Jochen

doi:32178

Mixing time in shaking bioreactors = Mischzeit in geschüttelten Bioreaktoren

Tan, Rung-Kai (Author)

2012

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Rung-Kai Tan

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2012

Umfang112 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2011

Zsfassung in dt. und engl. Sprache.

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Büchs, Jochen (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2011-03-21

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-42188
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/82773/files/4218.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik (416510)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Binäres flüssiges System (Genormte SW) ; Bioreaktor (Genormte SW) ; Schüttelkolben (Genormte SW) ; Mischen (Genormte SW) ; Kolorimetrie <Analytische Chemie> (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Mischung (frei) ; Mischzeit (frei) ; Mischvorgang (frei) ; kolorimetrische Methode (frei) ; mixing (frei) ; bioreactor (frei) ; mixing time (frei) ; colorimetric (frei) ; shake flask (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
rvk: ZL 5000

Kurzfassung
Mixing plays an important and essential role in various chemical processes. In addition, shake flasks have been widely used in cultivation of small-scale and academic researches. However, the mixing process in shake flasks has not been well understood. Therefore, the purpose of this study is to measure the mixing time by colorimetric method and to characterize the mixing process in combination with a rotating camera. By using a rotating camera, the mixing process in the shake flask could be successfully observed. Due to the centrifugal force, the motion of fluid in shake flasks was presented as sickle form. The rough position where an acid drop was impacted into the bulk solution was observed. It was obviously seen that the mixing process always occurred from the rear to front of the fluid sickle. The last trace of blue color was identified by the software, Virtualdub and an Image Analysis Software written by Labview. Thus, the mixing time in the shake flask was defined as the exact time between the impacting of the acid drop in the bulk solution and the exact time when the last trace of blue color disappeared. In this study, different operational parameters were varied to investigate the effect on the mixing time. From the experimental results, the mixing time increased with increasing the shaking frequencies in both deionied water and viscous aqueous polyvinylpyrrolidone (PVP) solution. The mixing time is inverse proportional to the shaking frequency. The motion of fluid showed similar behavior in both solutions. Moreover, different flask diameters, i.e. 25 mm and 50 mm, did not have significant influence on the mixing time. In addition, the mixing time was a little longer in the flask of large volume than in the flask of small volume. The mixing time stayed constant until 0.8 kW/m3 of power input, but decreased smoothly when the power input increased furthermore. The mixing time in shake flasks were also compared with that in conventional reactors. The mixing time in shake flasks stayed constant in the region of the Reynolds number of 104 to 105. In other words, the mixing time in the region of high Reynolds number was independent of the geometry of flasks. Furthermore, the mixing number increased with increasing of Reynolds number. The influence of the Phase number was also investigated. It was found that the mixing number decreased clearly when the motion of fluid changed from in-phase condition to out-of-phase. This agreed that the out-of-phase is unwanted in shake flasks, because the mixing process became worse in the out-of-phase condition.

Mixing spielt eine wichtige und wesentliche Rolle bei verschiedenen chemischen Prozessen. Darüber hinaus haben Schüttelkolben weithin in den kleinen und akademischen Forschungen verwendet. Allerdings ist der Mischprozess in Schüttelkolben nicht gut verstanden worden. Daher ist das Ziel dieser Studie, die Mischzeit durch kolorimetrische Methode zu messen und den Mischvorgang in Kombination mit einer rotierenden Kamera zu charakterisieren. Durch die Verwendung einer rotierenden Kamera, konnte der Mischvorgang in den Schüttelkolben erfolgreich beobachtet werden. Aufgrund der Zentrifugalkraft, war die Bewegung der Flüssigkeit in den Schüttelkolben als Sichelsform präsentiert. Die abgeschätzte Stelle, wo ein saurer Tropfen in die grose Lösung beeinflusst wurde, beobachtet wurde. Es war offensichtlich erkennbar, dass der Mischvorgang immer von hinten nach vorne von der Flüssigkeit ssichel aufgetreten. Die letzte Spur der blauen Farbe wurde von der Software VirtualDub und einem geschriebenem Bildanalyse-Software von Labview identifiziert. So wurde die Mischzeit in den Schüttelkolben als die genaue Zeit zwischen den Austritt des sauren Tropfen in der Lösung und die genaue Zeit, wenn die letzte Spur von blauer Farbe verschwunden, definiert. In dieser Studie wurden verschiedene Betriebsparameter verändert werden, um die Wirkung auf die Mischzeit zu untersuchen. Aus den experimentellen Ergebnissen, erhöht die Mischzeit mit einer Erhöhung der Schüttelfrequenzen in beiden deionied Wasser und viskose wässrige Polyvinylpyrrolidon (PVP)-Lösung. Die Mischzeit ist umgekehrt proportional zur Schüttelfrequenz. Die Bewegung der Flüssigkeit zeigte ein ähnliches Verhalten in beiden Lösungen. Darüber hinaus haben verschiedene Kolbensdurchmesser, also 25 mm und 50 mm, nicht signifikanten Einfluss auf die Mischzeit. Darüber hinaus wurde die Mischzeit ein wenig länger in der Flasche von großen Volumen als in den Kolben mit kleinem Volumen. Die Mischzeit blieb bis 0,8 kW/m3 Leistungsaufnahme konstant, sondern verringert reibungslos, wenn die Leistungsaufnahme weiter erhöht. Die Mischzeit in den Schüttelkolben wurden auch mit herkömmlichen Reaktoren verglichen. Die Mischzeit in den Schüttelkolben blieben in den Bereich der Reynoldszahl von 104 bis 105 konstant. In anderen Worten ist die Mischzeit in der Region von hoher Reynoldszahl unabhängig von der Geometrie der Kolben. Darüber hinaus erhöhte sich die Mischzahl mit Zunahme der Reynoldszahl. Der Einfluss der Phasezahl wurde ebenfalls untersucht. Es wurde festgestellt, dass die Mischzahl deutlich verringert, wenn die Bewegung von Flüssigkeit aus In-Phase Zustand zu Außer-Phase verändert. Dieser vereinbart, dass der Außer-Phase in den Schüttelkolben unerwünscht ist, weil der Mischvorgang noch schlimmer in der Außer-Phase Zustand wurde.

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