Optical measurement and assessment of liquid distribution in shake flasks

Aachen (2018, 2019) [Doktorarbeit]

Seite(n): 1 Online-Ressource (XIV, 192 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Kurzfassung

Die biotechnologische Entwicklung im Schüttelkolben erfordert wichtige Entwicklungsparameter, z.B. volumetrischer Leistungseintrag, Mischzeit, gas-flüssig Stoffübergangskoeffizient, hydromechanische Belastung und effektive Scherrate. Diese Arbeit liefert reichlich experimentelle Daten für zukünftige Validierungen, die Schüttelkolbenfluidströmungs-Hydrodynamik darstellen, das heißt In-Phase (IP) und Außer-Phase (AP) (Phasenphänomen). Das Phasenphänomen wurde früher auf der Grundlage des Leistungseintrags ausgedrückt und kann nun über die Flüssigkeitsverteilung ausgedrückt werden. Optische Fluoreszenz-Technik-Messung, die 7644 Datenkurven und 546 dreidimensionale (3D) Flüssigkeitsverteilungsdiagramme (hydrophil) ergab, resultierte aus der Analyse der Vorderkante der Bulk-Flüssigkeit (LB) und dem Schwanz der Bulk-Flüssigkeit (TB) bei einem Füllvolumen (VL) von 15-40 ml, einer Schüttelfrequenz (n) von 150-450 U/min, 0-120 g/L fluoreszierende Polyvinylpyrrolidonlösungen (Fluoreszenz-PVP) und einem Schütteldurchmesser von 25 mm. Die torusförmigen Formen von LB und TB sind eindeutig asymmetrisch, und der gemessene TB unterscheidet sich durch die Verlängerung der Flüssigkeit besonders zum Torusteil des Schüttelkolbens. Vier neue Bewertungskriterien, die aus 2184 ausgewerteten Fällen vorgeschlagen wurden, verdeutlichen, wie wir die 3D-Flüssigkeitsverteilung auf das Phasenphänomen beziehen. Die Bewertungskriterien für die gemessenen Daten sind die Filmdicke der rotierenden Bulk-Flüssigkeit, der relative Anstieg der LB-Kurven, der Kreiswinkel der LB-Positionen und der Peak-Form-Wandel der 3D-Bulk-Flüssigkeitsverteilung ($\geq$270$^\circ$ von 3D-Plot). Eine neue kompensierte kritische Phasennummer (Phcrit) von theoretischer zu gemessener IP und AP wird von 1,26 auf 0,91 überarbeitet. Somit tritt eine Phasenänderung des Flüssigkeitsstroms in einem 250-ml-Schüttelkolben bei 25 mm Schütteldurchmesser bei einem etwas höheren Viskositätsniveau der Fluoreszenz-PVP-Lösungen auf, als dies durch die theoretischen (berechneten) Phasenzahlwerte erwartet wird. Zusätzlich dazu wird das nicht-Viskositätsmodell, das als simulierte Daten dient, mit der untersuchten Flüssigkeitsverteilung verglichen, die einen Bereich von ähnlich zu variierender maximaler Flüssigkeitshöhe (Hmax) veranschaulicht. Der Einfluss von Hydrophobizität auf die Winkelposition der Flüssigkeitsverteilung verstärkt das Verlangen, die Film- und Bulk-Flüssigkeitsparameter weiter zu verstehen. Zusammenfassend sind die zahlreichen 3D-Flüssigkeitsverteilungsdaten, die bei unterschiedlichem Füllvolumina und Schüttelfrequenzen gesammelt wurden und LB- und TB-Werte in Bezug auf die Richtung der Zentrifugalbeschleunigung umfassen, für die Validierung zukünftiger numerischer Lösungen unter Verwendung von CFD erforderlich, um wichtige Ingenieurparameter im Schüttelkolben vorherzusagen.

Autorinnen und Autoren

Autorinnen und Autoren

binti Azizan, Amizon

Gutachterinnen und Gutachter

Büchs, Jochen
Spiess, Antje C.

Identifikationsnummern

  • REPORT NUMBER: RWTH-2019-05667

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