Research of the homogenization process in the operation of a three-level closed turbine mixer

Abstract

Об'єктом дослідження є триярусна турбінна мішалка закритого типу, розроблена та виготовлена у натуральному розмірі за допомогою 3D принтера. Одним з найбільш проблемних місць процесу ферментації у біореакторі є гомогенізація середовища. Під час процесу перемішування у більшості ферментерів утворюються застійні зони, у цих зонах середовище є неоднорідним, гірше прогрівається, отримує недостатню кількість повітря (якщо середовище аеробне) та спричиняє відмирання мікроорганізмів, що культивуються. Таким чином, кінцевий продукт не на 100 % однакової структури, а відповідно, і якості, що для фармацевтичної продукції є критичним. В ході дослідження використовувалися 2 різні методи, що були покликані підтвердити або спростувати один одного, а саме: метод комп'ютерного моделювання та метод експерименту. Експеримент полягав у виготовленні розробленої моделі мішалки та проведенні процесу перемішування з її використанням. Перемішування проводилось на різних швидкостях, з різними типами мішалок та з використанням контрастного трассера для візуалізації виду потоків, що утворились. Графічне моделювання полягало у створенні аналогічної до експериментальної моделі мішалки та проведенні графічного моделювання у блоці CFX програми ANSYS. Цей метод дав змогу під різними кутами побачити створені потоки, знайти найбільш динамічні зони та зсередини дослідити фізику процесу. Отримано результат, який показує, що триярусна закрита турбінна мішалка показує кращі результати по швидкості гомогенізації, ніж типова закрита турбіна. Це пов'язано з тим, що запропоноване рішення має ряд особливостей, зокрема порожнисту структуру вала. Запропоновані розрахункові моделі в ANSYS дозволили отримати поля швидкостей та встановити величину і напрямок векторів швидкості. Подібна методика оцінки ефективності гомогенізації може бути використана при проектуванні нових конструкцій механічних перемішуючих пристроїв. Ключові слова: культивування мікроорганізмів в біореакторі, гомогенізуючі пристрої, закрита турбінна мішалка, гідродинаміка потоків.

Scientific foundations in research in Engineering

“…The shaft shank with a diameter d А1 perceives the torque spent on overcoming the friction forces in the supports A and C, in the seal and on the mixing of the liquid n 1a by the number of stirrers [490,491].…”