أساسيات تدفق السوائل وخلطها ونقل الكتلة في المفاعلات الحيوية أثناء توسيع المفاعل الحيوي وتأثيراتها على نمو الخلايا والتمثيل الغذائي وإنتاج البروتين

https://www.sinotechmachinery.com/products/two-stage-multi-stage-fermenter-10l-100l-automatic-sip/

عادة ما ينطوي الإنتاج التجاري للبروتينات العلاجية المؤتلف على زراعة تعليق خلايا الثدييات في المفاعلات الحيوية بأحجام تصل إلى ~ L. مع التقدم في هندسة الخلايا ، وتطوير الوسائط الأساسية والتغذية ، وهندسة العمليات الحيوية على مدار الثلاثين عامًا الماضية ، التتر التعبيري ~ 10 جم/لتر ، كثافة خلية قابلة للحياة> 3 × 10 ^ 7 خلايا/مل ، ووحدة إنتاجية الخلية> 20 بيكوغرام/خلية/يوم شائعة الآن. تزيد هذه الكثافة العالية للخلايا (التي يحتمل أن تكون أعلى) من متطلبات الخلط والتهوية وقد تعرض الخلايا لبيئة قاسية تخضع لضغوط هيدروديناميكية عالية. سابقًا في هذا الجزء من سلسلة دورات رفع مستوى المفاعل الحيوي ، توفر هذه الدفعة فهمًا أساسيًا لتدفق السوائل وخلطها ونقلها الجماعي في المفاعلات الحيوية ، وكيف يخلق تفاعل هذه المعلمات البيئة التي توجد فيها الخلايا. هذا يمكن أن يؤثر بشكل كبير على نمو الخلايا ، التمثيل الغذائي وإنتاج البروتين.

تدفق السوائل في المفاعل الحيوي:

السوائل (السوائل أو الغازات) هي مواد تتشوه باستمرار عند تعرضها لقوى القص. يسبب القص التشوه ، وهو تغيير في المواضع النسبية لمكونات السوائل. يجب تطبيق هذه القوة لخلق تدفق السوائل. يصنف العلماء السوائل بناءً على كثافتها ولزوجتها

• قابلة للانضغاط (أو غير قابلة للضغط)-ما إذا كانت كثافتها تتغير مع الضغط ، والغازات قابلة للضغط بشكل عام ، والسوائل غير قابلة للضغط

• اللزوجة (جميع السوائل لها لزوجة محدودة ، والتي تسبب "الاحتكاك الداخلي" أثناء التدفق ، أو يعبر عنها بأنها مقاومة السوائل للحركة)

• النيوتونية أو غير النيوتونية ، اعتمادًا على ما إذا كانوا يطيعون قانون نيوتن من اللزوجة.

يتم حساب إجهاد القص عن طريق تقسيم قوة القص التي تمارس على السائل بمنطقة المقطع العرضي حيث يتم تطبيق القوة. بالمعنى الدقيق للكلمة ، إجهاد القص هو واحد من اثنين من ديناميات السوائل الأساسية ، والآخر هو "الإجهاد الطبيعي". يتم تحديد كل منهما عادة بضرب اللزوجة في التدرج السريع ، حيث يكون اتجاه التدفق عموديًا لإجهاد القص والموازي للإجهاد الطبيعي. لذلك ، بالنسبة لإجهاد القص ، يتم كتابة التدرج السريع كما dUx/dy والإجهاد الطبيعي ، يتم كتابة التدرج السريع كما dUx/dx ، حيث U هي سرعة السائل وx و y تمثل اتجاه القوة/الإجهاد.

عندما يتدفق السائل عبر أنبوب أو جسم صلب ، تتغير سرعة السائل حسب الموقع. على سبيل المثال ، يُفترض أن تكون الطبقة السائلة الملامسة لجدار الأنبوب بنفس سرعة الجدار أو الجسم الصلب (سرعة صفر). بسبب الحركة المائعة الكلية ، فإن طبقة السوائل القادمة إلى الداخل لها سرعة أعلى قليلاً ، والطبقة الداخلية أكثر سرعة ، وما إلى ذلك. في كل سائل ، يتم تبادل الجسيمات باستمرار بين هذه الطبقات ، مما يؤثر على سرعة تدفقها. تقل سرعة الجسيمات التي تتحرك من طبقة بطيئة الحركة إلى طبقة أسرع ؛ الجسيمات التي تتحرك من طبقة سريعة إلى طبقة أبطأ لها تأثير التسارع. وبالتالي ، يخلق تدفق السوائل إجهاد القص بسبب الاختلافات في السرعة.

اعتمادًا على سرعة المائع ، يمكن تصنيف التدفق على أنه صفائحي أو مضطرب. عندما تكون حركة السوائل الإجمالية بطيئة ، تتحرك الطبقات المجاورة من السوائل في حركة منظمة (متوازية إلى حد ما) ، وتسمى التدفق الصفحي. في السوائل سريعة التدفق ، غالبًا ما تتدفق جزيئات السوائل وتكتلات السوائل بشكل عشوائي وفوضوي عبر الطبقات في تدفق مضطرب.

رقم رينولدز (إعادة) هو متغير بلا أبعاد يستخدم لوصف ما إذا كانت حركة السوائل صفحية أو مضطربة. المعادلة 1 تحسب إعادة تدفق السوائل في أنبوب مقطع عرضي دائري:

R = DUρ/μ ، حيث D هو قطر الأنبوب ، U هي سرعة المائع ، و ρ و μ هما كثافة ولزوجة السائل ، على التوالي.

لأن صناعة المستحضرات الصيدلانية البيولوجية تهتم في المقام الأول بتدفق السوائل فيتخمير أثار ميكانيكيا، يتم تعريف رقم رينولدز ذي الصلة بواسطة المعادلة 2:

Rei = Ni Di2ρ/μ ، حيث Ni هي سرعة المكره ، Di هي قطر المكره ، و ρ و μ هما كثافة ولزوجة السائل ، على التوالي.

من الناحية النظرية ، يمثل عدد رينولدز نسبة قوى القصور الذاتي إلى القوى اللزجة. خلال الصفحيالتدفق (أرقام رينولدز منخفضة) ، تسيطر القوى اللزجة ويتحرك السائل ببطء. ومع ذلك ، مع زيادة عدد رينولدز ، تصبح قوى القصور الذاتي أكثر سيطرة وينتقل التدفق من الصفحي إلى المضطرب-ومن ثم إلى مضطربة بالكامل عند قيم إعادة عالية بما فيه الكفاية.

إذا كان Re> ، فإن تدفق الأنبوب يكون صفحي. بالنسبة لقيم إعادة تقدير من من من من من من صفائحي إلى مضطرب. مرة واحدة Re> ، يكون التدفق مضطربًا بالكامل. في خزان التقليب ، تعتمد قيمة إعادة التشغيل التي تحدد الانتقال من التدفق الصفحي إلى التدفق المضطرب على هندسة الخزان والمكره.

الاضطراب في المفاعلات الحيوية:

الاضطراب هو نظام التدفق الذي واجهته الخلايا فيالمفاعلات الحيوية الحيوية الحيوية. يعد الاضطراب ضروريًا للخلط الفعال (نقل الكتلة والحرارة في السائل) ، لذا فإن تحقيق الظروف المضطربة في المفاعل الحيوي أمر بالغ الأهمية لنجاح الثقافة. كما ذكر أعلاه ، يمثل رقم رينولدز الوقت الذي يتطور فيه الاضطراب. مع زيادة هذا العدد ، تبدأ قوى القصور الذاتي في السيطرة على القوى اللزجة في السائل ، والتغلب على ميل التأثيرات اللزجة لكبح عدم استقرار التدفق. وبالتالي يمكن النظر إلى الاضطراب على أنه حركة سائلة مضطربة للغاية ناتجة عن نمو عدم الاستقرار في حقل تدفق رقائقي في البداية.

الاضطراب معقد للغاية بطبيعته ، وفهمنا له بعيد عن الاكتمال. يوجد اتجاه عام للتدفق ، ولكن علاوة على ذلك ، يتم فرض حركات فوضوية ثانوية لجزيئات السوائل ، مما يسبب انحرافات تدفق وتوليد دوامات بأشكال وأحجام وسرعات واتجاهات دوران مختلفة. هذه الحركات الثانوية غير النظامية في الاضطراب لها تأثير كبير على كفاءة الخلط ، وفقدان الطاقة ، وكثافة القص. يشكل الاضطراب هياكل سائلة دوارة تسمى الدوامات ، والتي يمكن أن تمتد ، تتجمع ، وتتفكك. سرعة السوائل داخل الدوامة تخضع لتغيرات كبيرة في الحجم والاتجاه على مسافات وأوقات قصيرة نسبيا.

الدوامات ذات الأحجام المختلفة تحدث في التدفق المضطرب. حجم أكبر الدوامات محدود بحدود نظام التدفق. وبالتالي ، فإن قطر أكبر الدوامات في المفاعل الحيوي يشبه (ولكنه أصغر قليلاً) قطر وعاء المفاعل. الدوامات الكبيرة غير مستقرة وتثير الدوامات الصغيرة ، والتي بدورها تؤدي إلى الدوامات الصغيرة ، وما إلى ذلك. في مفاعل حيوي محرك ، تأتي طاقة الدوامات الكبيرة من التدفق السائب الناتج عن الدفاعات ، لذلك فهي تحتوي على معظم الطاقة الحركية المضطربة. أصغر الدوامات غير قادرة على الحفاظ على الحركة الدورانية وفقدان الطاقة كحرارة بسبب تأثيرات اللزوجة واحتكاك السوائل. لذلك ، يتطلب الحفاظ على الاضطراب إمدادات مستمرة من الطاقة لتحل محل الطاقة المفقودة كحرارة.

تشتيت هو عملية كسر تدفق السائبة إلى الدوامات الصغيرة والأصغر لتسهيل النقل السريع للمواد في جميع أنحاء السفينة. درجة التماثل التي يمكن أن تنتج عن طريق التوزيع محدودة بحجم أصغر الدوامة التي تشكل. بافتراض وجود اضطراب متناهي الخواص في الوعاء المحرك وأن التدفق مضطرب (NRei>) ، فإن حجم أصغر دوامة يساوي تقريبًا مقياس خلط كولموغوروف (λ) أو مقياس الاضطراب ، تم التعريف بالمعادلة 3:

Λ = (ν3/ε)

حيث λ هو الطول المميز لأصغر eddy ، ν هي اللزوجة الحركية للسائل ، وε هو معدل تبديد الطاقة المضطرب المحلي لكل وحدة كتلة السائل.

في حالة ثابتة ، فإن متوسط معدل تبديد الطاقة المضطربة في جميع أنحاء المفاعل الحيوي يساوي مدخلات الطاقة إلى سائل الخزان بواسطة المكره. لذلك ، كلما زادت مدخلات الطاقة إلى المكره ، كلما كانت الدوامات أصغر. بما أن λ يعتمد على اللزوجة ، لمدخل طاقة معين ، يتم إنشاء الدوامات الصغيرة في وسائط منخفضة اللزوجة. بالنسبة لمدخلات الطاقة التي تبلغ + وات/كغ (تعتبر حالياً عالية في زراعة الخلايا الحيوانية) ، يُقدر الحد الأدنى لقطر الدوامة بحوالي ، ، ، حوالي حوالي ، ، ، ، ، λ (60 ميكرومتر). وهذا يمثل الحد الأدنى لمقياس الخلط الذي يمكن تحقيقه عن طريق التوزيع في ظل هذه الظروف.

الطول المميز (λ) لأصغر دوامة غالبًا ما يكون مؤشرًا لإمكانية تلف الخلايا بسبب القص السائل. وقد أظهرت التجارب أنه إذا كانت الكيانات البيولوجية (مثل خلايا الثدييات) في مفاعل حيوي أصغر من λ ، فلن يحدث تلف القص لهذه الكيانات. Minow et a المزج ونقل الكتلة في اثنين من المفاعلات الحيوية المختلفة بالاستخدام الواحد مقارنة بـ ، ولتر. حسب المؤلفون مقياس كولموغوروف لأصغر دوامة موجودة في كل نوع مفاعل حيوي.

كما هو مبين في الجدول 1 ، كانت القيم الحسابية وλ لكل نوع مفاعل حيوي قريبة من 80 ميكرون-أكبر بكثير من حجم 15 ميكرون من مبيض الهامستر الصيني (CHO) الخلايا المستخدمة في هذه الدراسة. بشكل مشابه, Godoy-SilvA et وصف خلايا CHO التي يمكن أن تصمد ≤ من مصدر الطاقة إلى al. w/kg. عند معدلات تبديد الطاقة> ، والتي لا تزال أعلى بكثير من كثافة الطاقة لمفاعلات زراعة الخلايا التجارية ، كان التأثير الوحيد الذي لوحظ هو نمط تكوين الغليكوسيل للبروتين المعبر عنه ، لكن الخلايا لم تتأثر. على الرغم من أن هذه النتائج تنطبق فقط على النظام المدروس ، إلا أنها لا تزال تشير إلى أن الضرر الناتج عن القص قد تم المبالغة في العقود الأخيرة. جاء Nienow إلى نفس النتيجة في ورقتين مختلفتين. لذلك ، من الآمن القول أن الدوامات الأصغر من 10-20 ميكرومتر (أصغر من حجم خلية الثدييات النموذجية) لديها القليل من الطاقة الحركية المضطربة ، في حين أن الدوامات الكبيرة تحمل الخلايا فقط في الحمل الحراري.

الجدول 1: مقارنة المعلمات لحساب الإجهاد الديناميكي للسوائل في مفاعلات حيوية مختلفة 1000 لتر تستخدم مرة واحدة. * القيم القصوى في حجم المفاعل الحيوي الحالي * محسوبة من متوسطات EDR

الخلط هو عملية فيزيائية تقلل من تجانس السوائل عن طريق إزالة التدرجات في درجة الحرارة والتركيز والخصائص الأخرى. أثناء الخلط ، يؤدي تبادل المادة بين مواقع مختلفة في وعاء (على سبيل المثال ، وعاء خلط أو مفاعل حيوي) إلى خلط المكونات. يستخدم الخلط على نطاق واسع في المعالجة البيولوجية ، على سبيل المثال

• خلط المكونات القابلة للذوبان لوسائط استزراع المسحوق بالماء استعدادًا لزراعة الخلايا • تشتيت الغازات مثل الهواء والأكسجين من خلال سائل في شكل فقاعات • الحفاظ على تعليق الجسيمات الصلبة مثل الخلايا أو مجاميع الخلايا (e. ز. ، على الناقلات الدقيقة) • تسهيل نقل الحرارة من أو إلى السائل.

الخلط هو واحد من أهم عمليات الوحدات في المعالجة الحيوية. لا يكفي ببساطة تحميل aتخمير المفاعل الحيويمع وسائل الثقافة الغنية بالمغذيات والخلايا. ما لم يتم خلط محتويات المفاعل الحيوي جيدًا ، ستستقر الخلايا وستتشكل مناطق استنزاف المواد الغذائية لأنها تستهلك بسرعة المواد التي تحتاجها في بيئتها المحلية. يتحكم الخلط في وصول الخلايا إلى العناصر الغذائية والأكسجين الذائب ، كما يلعب دورًا رئيسيًا في التحكم في درجة حرارة الثقافة. معدات الخلط لها تأثير كبير على كفاءة الخلط ، مما يؤثر بشكل مباشر على متطلبات الطاقة وتكاليف التشغيل. تطور ديناميكا السوائل في وسط الثقافة والسوائل الأخرى التي تدفع عمليات التهوية مثل انهيار الفقاعات ، واحتباس الغاز ، وتشتت الفقاعات الموحد. لذلك ، يمكن للخلط تحديد نجاح العملية الحيوية.

هندسة المفاعل الحيوي: معظم المفاعلات الحيوية الكبيرة من الفولاذ المقاوم للصدأ (أو القابلة لإعادة الاستخدام) أسطوانية مع نسبة ارتفاع الخزان إلى القطر (H/T) >1. يتم تثبيت حواجز (شرائط معدنية أسطوانية) على جدران المفاعل الحيوي لتقليل الدوامات والدوامات في السائل. يتم تحقيق الخلط بواسطة دفاعات مثبتة على عمود محرض مركزي مدفوع بمحرك. مضخة الدفاعات الدوارة وإجبار السائل على التشتت داخل المفاعل ، مما يخلق نمط تدفق منتظم يدور عبر الوعاء ويعود بشكل دوري إلى منطقة المكره. للتهوية ، يتم إدخال الغاز (عادة الهواء و/أو الأكسجين) في الوعاء من خلال غاز موجود أسفل المروحة. بالنسبة للمفاعلات الحيوية الأسطوانية ، يبلغ مساحة الرأس عادة 20-من إجمالي حجم الوعاء.

يؤثر شكل قاع الخزان المقلب على كفاءة الخلط. معظم المفاعلات الحيوية المقذَّبة لها قاع مدورة بدلاً من تلك المسطحة لتجنب الزوايا الحادة والمنخفضات التي يمكن أن يدخل إليها تدفق السوائل ، وبالتالي منع تشكيل المناطق الراكدة. الطاقة اللازمة للحفاظ على المواد الصلبة (مثل الخلايا) معلقة في خزان تحريك يعتمد أيضًا على شكل قاع الوعاء. للخلط الفعال مع دافعة واحدة ، يجب أن يكون قطر المكره دي) بين (من قطر الخزان T) وارتفاع السائل (هلوهل) يجب أن يكون بين ، من T. هذا لأن كثافة الخلط تتناقص بسرعة حيث يترك السائل منطقة المكره ، لذلك كميات كبيرة من السائل في الجزء العلوي من الوعاء (بعيدًا عن المكره) يصعب الخلط-لذلك يجب تجنب ذلك. جانب آخر من هندسة السفينة التي تؤثر على كفاءة الخلط هو الفجوة (ج) بين المكره وقاع الخزان ، مما يؤثر على التعليق الصلب ، تشتتات الغاز ، والاستقرار الهيدروديناميكي. بالنسبة لمعظم أنظمة المفاعل الحيوي للدبابات ذات المحرك ، تكون الفجوة إلى نسبة ارتفاع السوائل (C/thr) عادة في نطاق:-ange.

نوع المكره مهم لتصميم المفاعل الحيوي. يجب أن يكون نظام المكره قادرًا على توصيل طاقة كافية إلى وسط زراعة الخلية لتحقيق كفاءة خلط جيدة وتوحيد ونقل كتلة كافية لتلبية متطلبات الأكسجين للخلايا. الشكل 3 يبين اثنين موتصميمات المكره الشائعة المستخدمة في المفاعلات الحيوية القابلة لإعادة الاستخدام والاستخدام الفردي: دفاعة روشتون والمكره الناري. بينما تدور شفرات المكره ، فإنها تدفع ضد السائل المجاور. هذا الإجراء يخلق مناطق من الضغط العالي على السطح الأمامي ومناطق الضغط المنخفض خلف الشفرات. هذه المناطق مسؤولة عن حركة السوائل داخل المفاعل الحيوي ، وفي النهاية ، عن خلط السوائل. السوائل بعيدا عن المكره يحافظ عموما على الضغط المستمر.

تستخدم شفرات الملعب ودفاعات روشتون عادة في المفاعلات الحيوية.

سرعة السائل أعلى عند طرف النصل وتنخفض بسرعة بعيدا عن المكره. كما يدور المكره ، فإنه يخلق سرعة دوران في السائل المحيط ، والتي يمكن ملاحظتها كمنطقة سرعة عالية بجانب المكره. شفرة روشتون المكره أيضا يحفز تدفق شعاعي الخارج في المنطقة المجاورة. فإنه يستمد السوائل من المناطق العلوية والسفلية للمفاعل الحيوي ، مما يخلق حركة دائرية داخل السفينة. هذه الحركة تعزز خلط السوائل. في المقابل ، تخلق دفاعات النصل الضارية تدفقًا محوريًا بشكل أساسي.

تصميم المكره المفضل للمفاعلات الحيوية لزراعة الخلايا هو استخدام شفرات ضارية (بقطر شفرة مثالي وسرعة التحريك) لأن الشفرات عرضة للتلف. تخلق دفاعات الشفرة الضارية تدفقًا محوريًا في المقام الأول ، ولكنها يمكنها أيضًا تحقيق التوازن بين أنماط التدفق المحورية والشعاعية إذا تم تكوين الشفرات بشكل مناسب.

التدفق المحوري ضروري للخلط من الأعلى إلى الأسفل في المفاعلات الحيوية للدبابات المقلوبة ، ودفاعات النصل الضارية (حيث تكون الشفرات بزاوية أقل من 90 درجة إلى مستوى الدوران) يمكن أن تخلق هذا التدفق بشكل فعال. يتم دفع السائل الخارج من المكره إلى الأسفل حتى ينحرف من قاع الوعاء. ثم ينتشر السائل ويتدفق لأعلى على طول جدار الوعاء قبل سحبه مرة أخرى نحو المكره. تدفق دوامة يتطلب يحير لتفريق الدوامات التي تشكل على طول جدران الوعاء.

عندما يتم تحريك دواسات النصل بسرعة عالية بما فيه الكفاية في الوسائط منخفضة اللزوجة مثل وسائط زراعة المياه والخلية ، تنتج منطقة مضطربة من القص العالي والخلط السريع بالقرب من المكره. هذه المنطقة القص العالية هي المسؤولة عن انهيار الفقاعات في المفاعلات الحيوية باستخدام spargers. لا يتم توزيع الطاقة الحركية المضطربة بالتساوي في جميع أنحاء الخزان ، حيث تحدث أعلى القيم في الغالب في المنطقة بالقرب من المكره. مستويات الطاقة الحركية المضطربة في بقية الخزان ، بعيدًا عن المكره ، هي ترتيب بحجم أقل من القيم القصوى المقاسة.

التدفق المحوري مفيد عندما يكون التدفق الرأسي القوي مطلوبًا-على سبيل المثال ، لتعليق المواد الصلبة أو الخلايا في السائل. تعد القدرة على تشغيل دفاعات شفرات الملعب إما في وضع التدفق العلوي أو التدفق الهبوطي مطلبًا مهمًا ، ويمكن للمحركات ثنائية الاتجاه توفير هذه القدرة. بالنسبة لمعظم أنظمة زراعة الخلايا الحيوانية ، يتم تعيين هذه الدفاعات إلى وضع ضخ upflow. ومع ذلك ، يمكن استخدام خيار التدفق الهبوطي لتعليق مزارع الخلايا الملتصقة على الناقلات الدقيقة بسرعات منخفضة ومدخلات طاقة محددة منخفضة لمنع الخلايا من السقوط من الناقلات.

تنتج الدفاعات المثبتة على القرص مع ست شفرات مستقيمة ، والمعروفة باسم توربينات روشتون ، تدفق شعاعي. تستخدم بشكل متكرر في التخمير الميكروبي لأنها يمكن أن تولد قوى قص عالية جدا ، وبالتالي توفير كفاءة تشتيت الغاز. تنتج توربينات روشتون تدفقًا سائلاً عالي السرعة إلى الخارج من المكره باتجاه جدار الخزان.

ينقسم السائل إلى نصفين ، حيث يتدفق واحد إلى الأعلى والآخر يتدفق إلى الأسفل نحو قاع الخزان. وبالتالي يتكون التدفق الكلي في الوعاء من دوامتين حلقيتين كبيرتين ، أحدهما فوق المكره والآخر تحته.

ميزة أخرى لدواسات روشتون هي أنها تنتج دوامة زائدة في السائل خلف الحافة الأفقية لكل شفرة دافعة مسطحة. تلعب الدوامات دورا حاسما في تحديد أداء الخلط ، لأن معظم الخلط يحدث في محيط الدوامات التي تنتجها شفرات المكره. كما توفر هذه الدوامات المتحركة توزيع الغاز في أنظمة توزيع الغاز. التدرجات السريعة الحادة المرتبطة بها هي مصدر رئيسي للاضطراب. أحد أسباب استخدام دواسات روشتون على نطاق واسع في أجهزة التخمير الميكروبية هو قدرتها على التعامل مع معدلات تدفق الغاز العالية وتوفير توزيع فعال للغاز.

تعتمد الطاقة المطلوبة لتحقيق سرعة محرض معينة على الاحتكاك وسحب الشكل (بسبب اختلاف الضغط بين شفرات المكره الأمامية والخلفية) ، والتي تقاوم المروحة من الدوران. ينتج الاحتكاك وسحب الشكل عزم دوران على عمود المحرض. يمكن تحديد مدخلات الطاقة تجريبيًا عن طريق قياس عزم الدوران المستحث (المعادلة 4):

P = 2 πNiM

حيث P هي القوة ، Ni هي سرعة المكره ، و M هي عزم الدوران.

تعتمد الطاقة المطلوبة لخلط السوائل بدون غازات على المحرضالسرعة ، وشكل وحجم المكره ، وهندسة الخزان ، وكثافة السائل واللزوجة. عادة ما يتم التعبير عن العلاقة بين هذه المتغيرات كقوة بلا أبعاد (المعادلة 5):

NP = P/ρNi3Di5

حيث NP هو رقم الطاقة ، و P هو القوة ، و Ni هو سرعة المكره ، و Di هو قطر المكره.

رقم الطاقة مشابه لمعامل السحب لنظام التقليب. عادة ما يتم تحديد العلاقة بين NP و Re تجريبيًا لمجموعة متنوعة من تكوينات المكره والدبابات. بمجرد أن يصبح التدفق مضطربًا ، يصبح رقم الطاقة لتصميمات الدفع المختلفة ثابتًا. في ظل الظروف المضطربة في الخزانات المقلوبة ، يكون رقم الطاقة لدفاعة روشتون ثابتًا عادة عند 5 ، في حين أن رقم الطاقة لدفاعة النصل المحورية هو 1 تقريبًا. لذلك ، فإن المكره روشتون لديه سحب قوي الشكل ، وينتج عزم دوران عالي ، وينقل المزيد من الطاقة بنفس سرعة التشغيل مقارنة بمكره النصل الضارية.

تدفق السوائل: تضخ الشفرات الدوارة السائل في وعاء المفاعل الحيوي. معدل تدفق حجم السائل الذي يترك المكره هو سمة من سمات تصميم المكره ويختلف مع معايير التشغيل مثل سرعة المكره وحجم المكره. يشير رقم التدفق بلا أبعاد إلى فعالية عملية الضخ (المعادلة 6):

Nflow = Q/NiDi3

حيث Q هو معدل تدفق حجم السائل الذي يترك شفرات المكره ، Ni هي سرعة المكره ، و Di هو قطر المكره.

لنفس قوة الإدخال ، تنتج المكره النحيف ما يقرب من 3 إلى 4 أضعاف معدل تدفق المكره روشتون. هذا هو السبب في أن التصميم السابق يتمتع بقدرة ضخ عالية وكفاءة تشغيل الخلط ، في حين يعتبر الأخير ذو كفاءة ضخ أقل.

للخلط الجيد في وعاء محرك ، يجب أن تكون سرعة السائل الذي يترك المكره كافية لحمل المادة إلى أبعد مناطق السفينة. يجب أيضًا أن يكنس السائل الدوار الوعاء بأكمله في فترة زمنية معقولة. يجب أن يكون تدفق السوائل مضطربًا لتحقيق خلط جيد ، والذي يمكن وصفه بأنه مزيج من ثلاث عمليات فيزيائية (1): التوزيع والتبديد والانتشار. يسمى التوزيع أيضًا "macromixing" ويسمى الانتشار "micromixing". يمكن تصنيف تشتتها على أنها إما مزج ماكروميكس أو ميكروميكسينج ، اعتمادًا على حجم حركة السوائل.

التوزيع هو العملية التي يتم من خلالها نقل السائل إلى جميع مناطق الوعاء المحرك عن طريق تدفق الدورة السائبة. إنها عملية مهمة في عملية الخلط وعادة ما تكون الخطوة الأبطأ لأن السائل لديه مسافة طويلة للسفر في مسار دوران طويل. تشتت يكسر تدفق السائبة إلى أصغر وأصغر الدوامات ، مما يساعد على نقل المواد بسرعة من خلال السفينة. درجة التماثل التي يمكن أن تنتج عن التشتت محدودة بحجم أصغر الدوامة التي يمكن أن تتشكل في سائل معين. لتحقيق خلط أصغر من أصغر الدوامة ، يصبح الانتشار عملية مهمة. يحدث هذا الميكرومكس بسرعة نسبيا وعلى مسافات أقصر من تلك المشاركة في التوزيع.

وقت الخلط (tm) هو معلمة مفيدة لتقييم معدل الخلط الكلي في وعاء محرك. هو الوقت اللازم لتحقيق درجة معينة من التوحيد تبدأ بمواد منفصلة تمامًا. يمكن قياس وقت الخلط عن طريق حقن مادة التتبع (عادة ما يكون محلول حمض أو قاعدة أو ملح مركز) في الوعاء وتتبع تركيزه عند نقطة ثابتة في الوعاء.

عند إضافة نبضة التتبع الصغيرة إلى سائل في خزان محرك يحتوي بالفعل على تركيز معين (Ci) من مادة التتبع ، ويمكن توقع حدوث منحنى استجابة للتركيز مثل المنحنى الوارد في الشكل 6. يتم الكشف عن التركيزات العالية نسبياً في كل مرة يحمل فيها التدفق السائب التتبع إلى نقطة القياس قبل اكتمال الخلط. الوقت بين القمم في التركيز يساوي تقريبًا متوسط الوقت اللازم للسائل لاجتياز حلقة دوران شاملة واحدة ، تسمى زمن الدورة (tc ). بعد عدة دورات ، سيتم تحقيق التوحيد المطلوب.

بعد حقن صبغة التتبع في الخزان المقلب ، يتم تحديد وقت الخلط (tm) بناءً على استجابة التركيز (ج) ؛ Cf = التركيز النهائي ، Ci = التركيز المتوسط ، tc = زمن الدورة.

عادة ما يتم التعبير عن زمن الخلط على أنه الوقت الذي يختلف فيه تركيز التتبع عن تركيزه النهائي (Cf) بأقل من 5-من فرق التركيز الكلي (Cf -Ci ). عند tm ، يكون تركيز التتبع مستقرًا نسبيًا وتكوين السوائل قريب من الزي الرسمي. بالنسبة للمفاعلات الحيوية على النطاق الصناعي ، يستغرق ذلك عدة دقائق.

خلط الطور السائل أمر بالغ الأهمية في البيولوجيا واسعة النطاقأجهزة التحكم لأنه ، في معظم الحالات ، تضاف مكونات التغذية أو القواعد أو العوامل المضادة للرغوة على السطح العلوي للسائل. يجب توزيع هذه الإضافات بسرعة في جميع أنحاء الثقافة لتحقيق التوحيد دون تحفيز تدرجة التركيز المحلية. تخضع عملية التجانس لنمط التدفق السائد ويمكن الحصول على معلومات حول ظروف الخلط الشاملة في المفاعل الحيوي من قياس tm.

دراسة حول مفاعل حيوي واسع النطاق

تم الإبلاغ عن استخدام تقنية إزالة اللون باليود من قبل Sieblist et al. توضح البيانات الواردة في الشكل 7 أن أنماط إزالة اللون المكاني وسرعات إزالة اللون لأنواع المكره المختلفة تختلف اختلافًا كبيرًا في نفس مدخلات الطاقة ، باستخدام ثلاثة دفاعات روشتون وثلاثة دفاعات ذات شفرات ضارية. توفر هذه النتائج دليلًا تجريبيًا على أن الدفاعات التي تحفز التدفق المحوري يمكن أن تقلل tm بنحو عامل من اثنين. والسبب هو أن دفاعات النصل الضارية التي تضخ إلى الأسفل بشكل محوري تحفز بنية تدفق أكثر اتساعًا ، مما يحسن بشكل كبير الخلط من الأعلى إلى الأسفل ؛ دفاعة روشتون تسبب إقليمية التدفق ، مما يؤدي إلى انخفاض في كفاءة الخلط الكلي ، وبالتالي فإن وقت الخلط أطول.

وقت الخلط (tm) محدد في مفاعل حيوي صغير مجهز بثلاث دفاعات لشتون (دوائر) أو ثلاث دفاعات شفرات ضارية (مثلثات) ؛ تناسب البيانات الارتباط الذي أبلغ عنه Ruszkowski ؛ D = قطر المكره ، H = ارتفاع الوعاء ، T = قطر الوعاء ، E = معدل تبديد الطاقة المضطرب المحلي لكل وحدة كتلة السائل ، θ95 ٪ = الوقت اللازم للوصول إلى التجانس في المفاعل الحيوي.

اكتشاف مذهل لهذه الدراسة هو أن وقت الخلط يعتمد فقط على هندسة المفاعل الحيوي وليس على نظام التحريك. تؤثر تشكيلات مختلفة للدافعة على العامل الثابت (من من من من خلال ارتباط روسزكوسكي التجريبي. تجربة أخرى أبلغ عنها Sieblist et al. أظهرت أن وقت الخلط يعتمد بشكل حاسم على الظروف التجريبية ، ولا سيما موقع إضافة التتبع في المفاعل الحيوي. يوضح الشكل 8 أن إضافة التتبع بالقرب من الدفاعات له تأثير أكبر بكثير من إضافته عند نقطة التحكم (سطح السائل) ، مما يقلل من وقت الخلط. هذا يدل على أهمية إضافة ركائز وعوامل تصحيحية (على سبيل المثال ، قواعد ومضادات الرغوة) إلى الثقافة القريبة من المجاذيف التحريك بحيث يمكن توزيعها بسرعة في جميع أنحاء الثقافة. لقد تم فهم الآثار المترتبة على ذلك منذ فترة طويلة ؛ ومع ذلك ، فهي ليست ممارسة عالمية.