Modeling of mixing for stirred bioreactors: 3. Mixing time for aerated simulated broths

Abstract

This paper presents the experiments on mixing efficiency for aerated media for a laboratory stirred bioreactor with a double turbine impeller. The effects of stirrer rotation speed, air volumetric flow rate and stirrer position on the shaft on mixing time for aerated water and simulated broths (CMCNa solutions) were analyzed. Compared to non-aerated broths, the results indicated that the variation of mixing time with the considered parameters is very different, due to the complex flow mechanism of the gas-liquid dispersion, a mechanism which is changed by changing the broth properties or fermentation conditions. Using the Statistics Toolbox of MATLAB some correlations between the mixing time and rotation speed, air volumetric flow rate and stirrer position on the shaft were established. The proposed equations agree well with the experiments, the average deviation being ?9.02%.Vreme mesanja je znacajan parametar kojim se karakterise intenzitet mesanja fermentacionih medijuma i parametar koji se moze iskoristiti kod povecanja razmere biohemijskih procesa. On zavisi u najvecoj meri od reoloskih karakteristika fermentacione komine, konstrukcije bioreaktora i uslova pod kojima se izvodi biosinteza. U radu se prikazuju rezultati ispitivanja efikasnosti mesanja aerisanih medijuma u laboratorijskom reaktoru sa mesanjem sa dve turbinske mesalice postavljene na jednoj osovini. Analiziran je uticaj brzine rotacije, zapreminskog protoka gasa i pozicije mesalica na osovini na vreme mesanja aerisane vode i modela tecnosti koji odgovaraju fermentacionim kominama po svojim reoloskim karakteristikama (rastvor karboksimetilceluloze, CMCNa). Rezultati ukazuju da je, u poredjenju sa neaerisanim medijumima, promena vremena mesanja sa promenom navedenih radnih uslova veoma razlicita, pre svega zbog kompleksnog mehanizma promene osobina fermentacionog medijuma ili uslova fermentacije. Primenom funkcije "Nlinfit" iz programa Statistics Toolbox MATLAB izvedene su korelacije koje povezuju vreme mesanja sa brzinom obrtanja mesalice zapreminskim protokom gasa (intenzitet aeracije) i pozicijom mesalica na osovini. Predlozene korelacione zavisnosti pokazuju dobro slaganje vremena mesanja sa eksperimentalnim podacima (? 9.02%).