Investigation of the impact of probes and internals on power and flow in stirred tank reactors
Investigation of the impact of probes and internals on power and flow in stirred tank reactors
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研究搅拌釜反应器中探头和内部构件对功率和流量的影响
DOI：
10.1016/j.ces.2023.119683
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发表时间：
2023
影响因子：
4.7
通讯作者：
Charalambidou A
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Charalambidou A
该研究表征了几种工作体积为60 mL至1 L的商业搅拌罐生物反应器的功率要求和流型，并研究了内部构件（即挡板和探针）对功率数P0的孤立影响。结果表明，探针的存在导致了湍流功率数P0的上升，相当于挡板的存在，随着内构件数量的增加，P0的变化变小，直到大探针数量和大体积堵塞时趋于平稳。内构件对径流式叶轮的流动有较大的影响，与轴流式叶轮相比，导致P0显著增加。还进行了实验和计算流动动力学研究，以调查探针尾流和叶轮尾涡之间的相互作用，并提供了从作用在探针上的压力分布的形状阻力的估计，与相应的功率数增加的良好协议。从传统的圆柱形和新颖的流线型探头配置获得的P0数据之间的比较表明，优化探头的几何形状和位置相对于来流可以是一种有效的方法，用于降低功率要求，局部值能量耗散率和应力水平内的坦克。这项研究提供了有价值的见解，内部组件和流量类型的影响，每单位体积的功率输入，P/V，在小规模生物反应器，并支持生物制药行业更强大的缩放程序的发展。
This study characterises the power requirements and flow patterns in several commercial stirred tank bioreactors with working volumes ranging from 60 mL to 1 L, and investigates the isolated impact of internals, i.e. baffles and probes, on the power number,P0. Results show that the presence of probes leads to a rise of the turbulent power number,P0, equivalent to the presence of baffles, and as the number of internals increases the variation ofP0gets smaller until it plateaus for large probe quantity and high-volume blockage. Internals have a greater impact on flow with radial flow impellers, causing a significant increase inP0in comparison to axial flow impellers. An experimental and computational flow dynamics study is also conducted to investigate the interaction between the probe wake and the impeller trailing vortices, and an estimate is provided of the form drag from the pressure distribution acting on the probe, with a good agreement to the corresponding power number increase. A comparison betweenP0data obtained from conventional-cylindrical and novel-streamlined probe configurations shows that optimising probe geometry and location with respect to the incoming flow can be an effective approach for reducing power requirements, local values energy dissipation rate and stress levelsinside the tank. This study provides valuable insights into the impact of internal components and flow type on power input per unit volume,P/V, in small-scale bioreactors and supports the development of more robust scaling procedures for the biopharma industry.
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