Blandning Projektlaboration i enhetsoperationer

Transkript

1 BLT 010 (0403) Processteknik för bioteknik och livsmedelsindustri Handledare: Marilyn Rayner Blandning Projektlaboration i enhetsoperationer Grupp 8b Adam Jomaa Kristin Persson Rohit Sachdeva Maria Thorén

2 Sammanfattning Grupp 8B har fått i uppdrag att hjälpa företaget Bioprod AB i deras processutveckling av omblandningen i deras tankar. Dessutom ska en kompetensutveckling av deras personal genomföras. Omblandning är en av de viktigaste enhetsoperationerna, det ger en jämn substratkoncentration i en tank samt fördelar och sönderdelar luftbubblor för att underlätta syreupptagningen. Dessutom utjämnas temperaturskillnader i tanken. Vilken typ av omrörare som ska användas i systemet beror på vätskans viskositet och cellernas skjuvningskänslighet. Normalt urskiljs två olika typer av omrörare; de som genererar axiellt respektive de som genererar radiellt flöde. I detta projekt har en propeller och en Rushtonturbin undersökts. En propeller genererar ett axiellt flöde, klarar av höga varvtal och är effektiv i stora tankar då de skapar långvariga strömmar. En Rushtonturbin genererar ett radiellt flöde, och är att föredra då gas ska dispergeras i vätska. Däremot skapar den stora skjuvningskrafter så risk för att celler skadas finns. För att spara både tid och pengar utförs tester i mindre skala, och därefter skalas systemet upp till produktionsstorlek. Vid uppskalning önskas förhållandena i den stora tanken efterlikna de i den lilla tanken så mycket som möjligt. Detta kan göras genom att hålla energiförbrukningen per vätskevolym konstant. Om blandningstiden hålls konstant vid uppskalning till riktigt stora tankar kan detta resultera i en orimlig energiförbrukning. Det var under försökets gång inte möjligt att mäta energiförbrukningen utan denna beräknades teoretiskt i efterhand. För att hålla nere kostnaden för försöket har inga cellösningar använts utan ast en lösning av vatten med tillsats av salt. Det antas att denna vattenlösning har egenskaper liknande de för en cellösning. Blandningstiden mättes med en konduktivitetsmätare och vätskan ansågs vara blandad då konduktiviteten låg inom ett visst snävt intervall. Våra försök visar att blandningstiden minskar med ökande varvtal till en viss gräns då en ökning av varvtalet inte längre ger någon effekt. Propellern ger generellt sett kortare blandningstider än vad Rushtonturbinen gör, detta på grund av att propellern har en större diameter och därför ger ett större flöde från omröraren. Luftning av en tank sänker densiteten hos mediet, vilket gör att det är enklare för omröraren att förflytta vätska, och mindre energi förbrukas. Vid låga varvtal visade sig detta ge en kortare blandningstid hos en luftad tank än hos en oluftad vid samma varvtal. Att luftningen ast påverkar vid låga varvtal kan bero på att luftbubblorna skapar större skillnad i turbulens då varvtalet och därmed Reynoldstalet är lägre.

3 Innehållsförteckning Uppdragsbeskrivning...1 Del A - Kompetensutveckling A-1. Inledning...2 A-2. Olika typer av omrörare...2 A-3. Blandningstid...5 A-4. Turbulent blandning och energiförbrukning...7 A-5. Viskositet...9 A-6. Skjuvningskänslighet...11 A-7. Luftning...11 A-8. Uppskalning...12 A-8.1 Konstant P/V...12 A-8.2 Konstant blandningstid...13 A-8.3 Konstant Reynoldstal...14 A-8. Skumbildning...15 Del B Prestanda och processutveckling B-1. Försöksplanering och hypoteser...16 B-1.1 Frågeställningar...16 B-1.2 Hypotes...16 B-1.3 Antaganden och förenklingar...17 B-1.4 Försöksplan...17 B-1.5 Riskanalys...18 B-2. Material och metod...18 B-2.1 Laboration...18 B-2.2 Simuleringsprogram för blandningstider och varvtal...20 B-2.3 Simuleringsprogram för uppskalning...20 B-3. Resultat och beräkningar...21 B-3.1 Beräkning av blandningstid...21 B-3.2 Beräkning av energiförbrukning...22 B-3.3 Blandningstider från de olika försöken...23

4 B-4. Diskussion...30 B-4.1 Blandningstider...30 B Stora tanken...30 B Lilla tanken...31 B-4.2 Luftningens påverkan på blandningstiden...31 B-4.3 Energiförbrukning...31 B-4.4 Användning av dubbla omrörare...32 B-4.5 Uppskalning...32 B-4.6 Jämförelse med teoretiska blandningstider...32 B-4.7 Felkällor...33 B-4.8 Förslag till förbättringar...34 B-5. Slutsatser...34 Referenser...35 Bilagor...36 Bilaga 1 Använda beteckningar i ekvationer...36 Bilaga 2 Rådata från försöken...37 Bilaga 3 Matlabprogram för filtrering av rådata...39 Bilaga 4 Simuleringsprogram för blandningstider och varvtal...40 Bilaga 5 Simuleringsprogram för uppskalning...49

5 Uppdragsbeskrivning Kunden Bioprod AB har gett grupp 8B i uppdrag att skapa underlag för en kommande processutveckling av deras blandningstankar. Energi- och tidsåtgång ska optimeras för att ge en så stor avkastning som möjligt. Bioprod AB vill dessutom att det genomförs en kompetensutveckling för deras personal. I dagens läge är personalen duktiga maskinoperatörer, men en bakomliggande förståelse för blandningsprocessen saknas. Bioprod AB har även beställt ett simuleringsprogram. Detta ska tas fram så att det blir enkelt för Bioprod AB att i fortsättningen genomföra processutveckling på egen hand. Bioprod AB använder sig av fyra olika blandningstankar; En 2000 l luftad fermentor med två radialpumpande turbiner En 1000 l oluftad fermentor med två axialpumpande turbiner En 1000 l utfällningstank för producerat enzym En 1000 l tank för beredning av fermentorlösning Bioprod AB är inte intresserade av att investera i nya tankar, utan vill ast optimera blandningen i de nuvarande. 1

6 Del A Kompetensutveckling A-1. Inledning Varför måste innehållet i en fermentor blandas om? Kan inte diffusionen ensam utföra blandningen, istället för att en energikonsumerande omrörare ska användas? Svaret är nej. Omrörning i en fermentor är nödvändig för att cellerna hela tiden ska ha tillgång till alla substrat och i en aerob odling även syre. Är fermentorlösningen inte tillräckligt blandad kan zoner med ojämn balans mellan substrattillgång och cellernas substratförbrukning uppstå, vilket självklart är ett slöseri med resurser. I en aerob fermentor ska omblandning även jämnt distribuera syre i form av små bubblor. Blandning utjämnar dessutom temperaturskillnader och genom att använda en kylare kan den optimala odlingstemperaturen upprätthållas i hela fermentorn. 1 I en utfällningstank omblandas istället för att få partiklar att klumpa ihop sig. Partiklarna kan till exempel vara celler, enzym eller andra protein. Detta sker med tillsats av ett speciellt ämne som får partiklarna att klistra fast i varandra då de kolliderar. Genom att blanda ökar chansen att två partiklar ska träffa på varandra och därmed klibba ihop. Då tillräckligt stora klumpar bildats stoppas omröraren och klumparna tillåts falla till botten. 7 Om den producerade produkten är extracellulär kan lösningen gå direkt till utfällningstanken. Om produkten produceras intracellulärt måste cellerna först slås sönder för att produkten ska fås i en lösning. I beredningstanken blandas fermentorlösningen som cellerna ska växa på. Det är viktigt att denna är väl omblandad för att alla celler ska ha samma tillgång på substrat. Se bilaga 1 för en fullständig förteckning av alla använda symboler i rapporten. A-2. Olika typer av omrörare Vätskor blandas vanligtvis i en omrörd cylindrisk tank och om möjligt används en rundad botten istället för skarpa kanter. Detta skapar en bättre flödescirkulation och förhindrar stagnanta regioner där vätskan inte blandas lika bra. 2 Omrörning i tanken skapas av en eller flera omrörare monterade på ett skaft som roteras av en drivande motor. Flödesmönstren kommer att se olika ut beroe på valet av omrörare, tankens storlek och geometri. Vilket mönster som eftersträvas beror på systemets och produktens egenskaper. Oavsett valet av omrörare kommer dess rotation ge ett cirkulärt flöde om tanken ses ovanifrån, (se figur A-1). 1 2

7 Figur A-1. Cirkulärt flöde (Doran, P - Bioprocess Engineering Principles - Academic Press (2000) s. 144) Cirkulärt flöde är generellt sett inte önskvärt, bland annat eftersom det kan bildas en virvel (se figur A-1). Vid höga omrörarhastigheter kan virveln nå ända ner till omröraren så att luft ovanför vätskeytan dras ner i vätskan. Den största nackdelen med cirkulärt flöde är dock den försämrade masstransporten. Omblandningen blir sämre eftersom vätskan flödar i samma riktning som omrörarbladen, den relativa hastigheten mellan dem blir mindre, och omröraren förmår inte skapa samma turbulens i tanken. Vid blandning av fasta partiklar i vätskan ser centrifugalkraften till att snarare koncentrera blandningen genom att samla de fasta partiklarna i samma region. 2 Figur A-2. Bafflar förhindrar cirkulärt flöde. (Doran, P - Bioprocess Engineering Principles - Academic Press (2000) s. 145) För att undvika det cirkulära flödet och virvlar monteras bafflar (se figur A-2) inuti tanken. Detta stoppar det cirkulära flödet utan att påverka det axiella eller radiella flödet. Vanligtvis räcker det med fyra bafflar, lodrätt monterade på tankväggen med en bredd 3

8 motsvarande knappt 1/10 av tankdiametern. Ett alternativ till bafflar är att montera omrörarskaftet lutande eller en bit ut från tankens mitt. 2 Valet av omrörare beror bland annat på vätskans viskositet och systemets skjuvningskänslighet. Om celler finns i tanken kan de ta skada vid för höga skjuvningskrafter. 1 Omrörare brukar vanligtvis delas in i två huvudklasser. De som genererar vätskeströmmar som rör sig längs med axeln av omrörarskaftet kallas axiella flödesomrörare och de som skapar strömmar i radiell eller tangentiell riktning kallas radiella flödesomrörare (se figur A-3). 2 Figur A-3. Den vänstra tanken visar flödesmönstret för en axiell flödesomrörare och den högra för en radiell flödesomrörare. (Doran, P - Bioprocess Engineering Principles - Academic Press (2000) s ) Två vanliga typer av omrörare för låg- och medelviskösa vätskor är propellrar och turbiner. För väldigt viskösa vätskor används oftast skruv- eller ankarformade omrörare. 2 Figur A-4. Olika typer av omrörare. (Doran, P - Bioprocess Engineering Principles - Academic Press (2000) s. 143) Propellrar genererar ett axiellt flöde, de klarar av höga motorvarvtal och brukar oftast monteras så att vätskan strömmar nedåt från propellern. Om lufttillförsel finns i tankens botten ser ett nedåtgåe flödesmönster till att förlänga luftbubblornas uppehållstid i tanken. Propellrar är effektiva i stora tankar eftersom de skapade vätskeströmmarna inte dör ut så snabbt. 2 4

9 Turbiner består av platta blad och kan skapa antingen axiella eller radiella flöden beroe på bladens lutning. En vanlig typ är en 6-blads diskturbin (se figur A-4), även kallad Rushtonturbin. Denna skapar zoner med extra stora skjuvningskrafter, och är speciellt effektiv för att sprida gas i en vätska. Pitched-blade turbinen (se figur A-5) används när god cirkulation i hela tanken är viktig. Turbiner används inte vid lika höga varvtal som propellrar. 2 Figur A-5. Pitched-blade turbin (Doran, P - Bioprocess Engineering Principles - Academic Press (2000) s. 145) A-3. Blandningstid Blandningstiden är tiden det tar från att någonting tillsats tills att tanken är perfekt blandad. Blandningstiden kan bestämmas genom att tillsätta salt, syra, bas eller färg. En vanlig metod är att tillsätta salt och sedan mäta konduktiviteten. Då salt injiceras som en sammanhållande mängd i tanken kommer det att transporteras runt i tanken. Innan fullständig blandning är uppnådd kommer det tillsatta saltet att röra sig som en samlad mängd, och därmed påverka konduktiviteten olika beroe på vart i tanken det befinner sig. Då saltet stöter på konduktivitetsmätaren, som hela tiden befinner sig på samma ställe, kommer det att ge upphov till en koncentrationstopp. Eftersom saltet med tiden blir mer och mer utspritt kommer dessa toppar att minska tills en jämn koncentration, och därmed en jämn konduktivitet erhålls 7 (se figur A-6). Figur A-6. Variationer i koncentration innan fullständig blandning har uppnåtts. Doran, P - Bioprocess Engineering Principles - Academic Press (2000) s. 148) 5

10 Det kan vara väldigt svårt att avgöra när en tank är perfekt blandad, och därför brukar en tank definieras som välblandad då konduktiviteten ast varierar inom ett litet intervall. Ofta eftersträvas istället 95 % eller 99 % blandning. De viktigaste faktorerna för effektiv blandning är att man har ett tillräckligt stort bulkflöde och att det är turbulens i vätskan. Blandningstiden beror även av hur mycket vätska omblandaren kan förflytta. Detta är i sin tur beroe av varvtalet, och självklart ger ett högre varvtal en kortare blandningstid. Hur mycket vätska som förflyttas beror även på omrörarens diameter och dess pumptal (N Q ). Blandningstiden kan beräknas med ekvation A-1. 2 V t 5 q (A-1) V/q motsvarar den tiden det tar för vätskan i tanken att röra sig ett varv, dvs. från omröraren, runt i tanken och tillbaka till omröraren. Fem sådana cirkulationstider anses ge 99 % omblandning. 2 V motsvarar alltså tankens volym och q är det flöde som omröraren ger upphov till. Olika omrörare skapar olika stora flöden i tanken. Detta karakteriseras av en konstanten N Q, som är omrörarspecifik. q = N imp D 3 imp N Q (A-2) Kombineras ekvation A-1 och A-2 kan alltså antingen blandningstiden eller varvtalet beräknas, om en av dem är känd. t 5 V 3 N imp Dimp N Q (A-3) N imp 3 Dimp 5 V N Q t (A-4) Blandningstiden multiplicerat med varvtalet plottat mot Reynoldstalet är ett annat vanligt förekommande sätt att illustrera blandning i omrörda tankar (se figur A-7). Vid hög turbulens, alltså höga Reynoldstal, planar kurvan ut och når ett konstant nt värde. Vilket värde beror på omröraren och proportionerna mellan omrörarens och tankens diametrar. 2 6

11 Figur A-7. Varvtal multiplicerat med blandningstid plottat mot Reynoldstal (McCabe: Unit Operations of Chemical Engineering - McGraw-Hill, 2001) A-4. Turbulent blandning och energiförbrukning Vätskeflöden kan delas in i två breda kategorier, laminärt flöde och turbulent flöde. Laminärt flöde innebär att vätska strömmar i parallella lager och nästan ingen blandning mellan lagren sker. Vätskepartiklarna rör sig på ett bestämt sätt. Denna typ av flöde är karakteristiskt för viskösa vätskor och låga flödeshastigheter. Turbulent flöde karakteriseras av ojämn rörelse av vätskepartiklar (se figur A-8). Partiklarna rör sig på ett oregelbundet sätt, utan ett fast mönster och utan definierade lager. Denna typ av flöde sker vid förhållandevis hög hastighet, stora friktionskrafter och låg viskositet. 2 Figur A-8. Laminärt respektive turbulent flöde. (College of engineering, The University of Iowa, Image gallery Laminar/Turbulent flows - Hämtad: ) Ett mer effektivt sätt att definiera laminärt och turbulent flöde är med Reynolds tal (Re). Reynoldstalet kan ses som ett dimensionslöst mått på viskositeten. För att omrörningen i 7

12 en tank ska bli effektiv måste volymen vätska som omröraren sätter i rörelse vara stor nog för att svepa igenom hela tanken inom en rimlig tid. Dessutom måste vätskeströmmens hastighet vara tillräckligt hög för att nå tankens mest avlägsna delar. De viktigaste faktorerna för effektiv blandning är turbulens i vätskan och ett tillräckligt stort bulkflöde. 2, 8 Reynoldstalet i en omrörd tank ( ), kan beräknas med hjälp av ekvation A-5. 2 Re imp N imp Dimp ρ Re imp = (A-5) μ N imp är omrörarens hastighet, Dimp är diametern på omröraren, ρ densiteten av vätskan, och μ dynamisk viskositet hos vätskan. Laminärt flöde i tanken klassas som ett Re imp under 10, och turbulent flöde då Re imp överstiger 10 4 (se figur A-9). 1 Systemets energiförbrukning beräknas på olika sätt beroe på typen av flöde som finns i tanken. Vid laminärt flöde kan effekten (P) beräknas enligt ekvation A P = N N D ρ (A-6) P imp N P är en proportionalitetskonstant, även kallad effekttalet, som beror på vilken typ av omrörare som används. Ett högre effekttal medför en större energiförbrukning. Vid turbulent flöde i tanken beräknas effekten enligt ekvation A-7. 2 imp 3 5 P = N N D ρ (A-7) P imp Figur A-9 visar proportionalitetskonstanten NP plottat mot Reynoldstalet för olika omrörare. Som kan ses i grafen ä r N P konstant vid fullständigt turbulent omrörning. Det betyder att effekten vid turbulent omrörning är direkt proportionellt mot densiteten hos vätskan om allt annat i formeln är konstant. imp Figur A-9. N P plottat mot Reynolds tal, där linje 1 motsvarar en turbinomrörare, 2 en paddelomrörare och 3 en propeller. (Doran, P - Bioprocess Engineering Principles - Academic Press (2000) s. 150) 8

13 Om den omrörda tanken är luftad minskar energiförbrukningen enligt ekvation A-8. 1 P 0, ,20 F g N imp Dimp 0,10 luftad = P (A-8) 2 / 3 N V g W V imp imp F g är luftflödet och W imp är en femtedel av omrörardiametern. A-5. Viskositet Viskositet är en parameter som används för att bestämma en vätskas egenskaper och är inom detta område en av de mest betydande. Detta gör att viskositet har stor betydelse vid blandning. Viskositet är ett mått på hur mycket en vätska påverkas av skjuvspänning. En trögflytande, tjock vätska har hög viskositet och är svårare att blanda än en mer lättflytande vätska. 1 Vätskor kan klassificeras som newtonska eller icke-newtonska. En newtonsk vätska, exempelvis vatten, följer alltid sambandet: dv τ = μ dy (A-9) Där τ är skjuvspänningen, dv/dy är skjuvningshastigheten och μ är viskositeten. Hur stor kraft som krävs för att en viss skjuvningshastighet ska uppnås beror alltså på viskositeten. Viskositeten är konstant vid ett givet tillstånd. Dock är den ofta beroe av temperatur, tryck och vätskans sammansättning. 1 Vätskors viskositet minskar då temperaturen ökar. Tryck påverkar inte viskositeten märkbart förrän vid tryck över 40 atm. 2 Därför är det viktigt att framför allt temperaturen kan regleras noggrant vid industriell blandning för att viskositeten inte ska ändras under processens gång. Detta skulle i sin tur påverka blandningstiden och energiförbrukningen. Icke-newtonska vätskor följer alltså inte sambandet ovan. Istället har andra samband införts som, istället för viskositet, använder den skenbara viskositeten μ A. Cellodlingar som innehåller mycket stärkelse, cellulosa eller andra kedjemolekyler är ofta icke-newtonska. 1 Vissa icke-newtonska vätskor är tidsberoe vilket innebär att deras viskositet avtar eller ökar med tiden. Ett exempel är ketchup vars viskositet minskar då den bearbetats ett tag. 6 För cellodlingar som är icke-newtonska gäller oftast att de är pseudoplastiska. Detta innebär att viskositeten minskar med ökande bearbetningskraft, de är dock inte tidsberoe. En hög skjuvningshastighet medför en stark kraft på vätskan. Pseudoplastiska vätskor kallas även power-law fluids eftersom de följer sambandet som ses i ekvation A n 1 dv μ A = K * (A-10) dy 9

14 I ekvation A-10 är n och K konstanter som beror på vätskan och fås från tabeller. 2 En jämförelse för hur skjuvspänningen varierar med skjuvningshastigheten ses i figur A newtonsk icke-newtonsk viskositet 0.03 skjuvspänning skjuvhastighet Figur A-10. Viskositet för en newtonsk och en icke-newtonsk, pseudoplastisk vätska. Många cellodlingar är däremot newtonska. Exempelvis sådana som är ganska utspädda och även odlingar av bakterier som inte bildar kedjemolekyler. Däremot kan lösningens egenskaper ändras under tillväxtens gång eftersom viskositeten påverkas av mängden celler, substrat och produkter i lösningen. Under tillväxten bildas nämligen mer fast material, det vill säga celler, vilket får viskositeten att öka. Ekvation A-11 är ett samband som kan användas i en newtonsk vätska. 1 2 μ μ (1 + 2,5ψ + 7,25ψ ) = L (A-11) Där μ L är viskositeten hos vätskan cellerna är lösta i och ψ är volymsandelen partiklar. Är däremot odlingen utspädd kan möjligen den ökande cellmassan försummas eftersom vätskan utgör en betydligt större volymsandel. 1 10

15 A-6. Skjuvningskänslighet Höga omrörningshastigheter ger kortare blandningstider, men samtidigt höga skjuvningskrafter. Hur stora krafterna blir beror även på omrörarens utsee. För hög skjuvning kan leda till cellskador, till exempel att cellerna förstörs. Även mindre uppenbara skador som långsammare tillväxt, denaturering av extracellulära proteiner, förändringar i morfologin och cellväggsförändringar kan uppkomma. 1 Cellerna kan ta skada genom att kollidera med omröraren eller varandra samt genom interaktion med turbulenta virvlar eller luftbubblor. Skjuvningskrafterna ökar när luft stiger genom odlingsmediet och än mer när bubblor spricker. 1 Olika celler är olika skjuvningskänsliga. Celler från insekter, däggdjur och växter är kända för att vara speciellt känsliga mot för höga skjuvningskrafter. 1 A-7. Luftning Om en fermentationslösning ska luftas eller inte beror på om odlingen är aerob eller anaerob. Vid aerob odling är det viktigt att luften når överallt i cellmassan. Tanken måste bli helt omblandad innan cellerna hinner dela sig, annars kan lokala områden med syrebrist uppstå. Detta gör luftning till en av de viktigaste processerna vid cellodling. 4 Mängden syre som når cellerna ökar normalt då omrörarhastigheten ökar. Syret som cellerna behöver för att växa kommer in i tanken som luftbubblor. Genom diffusion från en högre koncentration till en lägre kommer syret slutligen nå cellerna. I luftbubblorna finns mycket syre, som diffunderar ut till den omgivande vätskan. Bubblorna kommer att omges av ett stagnant vätskeskikt, som utgör det största motståndet mot syreöverföring. Syret blandas sedan ordentligt i vätskan med hjälp av mekanisk omrörning och når cellerna. Diffusion i vätskan är därför inget problem såvida inte vätskan är väldigt viskös. Slutligen diffunderar syret in i cellerna, vilket inte heller brukar utgöra ett problem för syreöverföringshastigheten. 1 Luft når tanken som bubblor via ett munstycke nära omröraren. Munstycket är ofta placerat under omröraren, och är antingen gjord av ett poröst material eller försett med ett flertal hål där luften kan strömma ut. 2 Flödeshastigheten för luften är normalt runt 1 vvm (volym gas per volym vätska per minut). 1 I luftade tankar används främst radiellt pumpande turbiner. Bubblor bildas längst ut på omröraren där skjuvspänningen är som högst, men kommer att koalescera. Små bubblor är bättre än stora eftersom ytan för massöverföring då blir större totalt. Syre diffunderar från luftbubblorna till den omgivande vätskan, och syreöverföringen sker enligt ekvation A q O x = k a *( C L * OL C OL ) (A-12) I ekvation A-12 är q O den specifika syreupptagningshastigheten, x är cellkoncentrationen, k L är massöverföringskoefficienten, a är den totala ytan, C AL * är lösligheten av syre och C AL är mängden löst syre. 1 Det vänstra ledet är ett mått på syreförbrukningshastigheten och det högra på syreöverföringshastigheten. Dessa kan normalt sett, vid steady-state, sättas som lika eftersom allt syre som överförs från bubblorna till vätskan omedelbart 11

16 kommer tas upp av cellerna. Anledningen till detta är att syre är svårlösligt i vatten och inget syre kommer att ackumuleras i tanken. För att cellerna ska kunna tillväxa optimalt måste syreöverföringshastigheten hela tiden vara större än eller lika med syreupptagningshastigheten. Om inte kommer cellerna dö. Om den totala ytan ökar medför detta att syreöverföringen också ökar. Då luft bubblas i vatten blir storleken på bubblorna små, ofta runt 2 5 mm. 2 Detta gör att gas hold-up ökar. Gas hold-up är ett mått på andelen av vätskans volym som upptas av gas. Mindre bubblor stiger långsammare till ytan än större och därför ökar volymen gas i vätskan då bubbelstorleken minskar, vilket kan ske bland annat genom högre varvtal på omröraren. Alltför små bubblor blir dock ett problem eftersom ytspänningen ökar och gör bubblan mindre 1 reaktiv. De bildade bubblorna kommer att påverka vätskans egenskaper. Inblandningen av gas gör att densiteten, och även viskositeten, minskar. 1 Detta sker eftersom gasen ger upphov till hålrum i vätskan. Förekomsten av hålrum är slumpvis och därmed svår att förutsäga. Därför är det svårt att teoretiskt bestämma hur en vätska påverkas av luftning. Energiåtgången för blandning kommer emellertid att minska då vätskan luftas eftersom den ökade andelen gas i blandningen medför att friktionsmotståndet för omröraren minskar. Då kommer även flödesmotståndet att minska. En alltför kraftig ökning av luftflödet är dock inte att rekommera. Då ett för högt luftflöde når fermentorn kommer inte omröraren att kunna fördela luften jämnt i tanken, istället kommer vertikala pelare av bubblor att bildas mellan bladen. 2 A-8. Uppskalning Ofta görs laborationsförsök med tankar i mindre skala för tester och optimering innan en process utförs på fullskalenivå. På så sätt går mindre material och energi åt, och både tid och pengar kan sparas under optimeringen av processen. Därefter görs en uppskalning till produktionsstorlek. Vid uppskalning till stor tank är det önskvärt att efterlikna den lilla försökstanken. Detta kan göras på olika sätt genom att hålla någon processparameter konstant. Till exempel kan samma energiförbrukning per vätskevolym (P/V), samma blandningstid eller samma Reynoldstal i de båda tankarna eftersträvas. 1, 2 A-8.1 Konstant P/V Energi per volymsenhet kallas för energitäthet och denna storhet styr fysikaliska parametrar i tankinnehållet. Om energitätheten är lika stor i två olika stora tankar kommer minsta virvelstorleken samt storleken på gasbubblor eller emulsionsdroppar vara lika stora. Därför är konstant energitäthet en vanlig uppskalningsmetod, speciellt inom livsmedelsindustrin, eftersom en viss storlek på partiklar eftersträvas för att få önskad smak och utsee. 9 Förutsatt att det råder fullständig turbulens i den omrörda tanken kan energiförbrukningen uppskattas med ekvation A-13. Volymen beräknas med ekvation A- 14, och genom att kombinera de båda uttrycken kan energiförbrukningen per volymsenhet uppskattas (ekvation A-15). 2 12

17 3 5 P = N N D ρ (A-13) P imp imp V = π (A-14) 2 0,25 H Dt P V = 3 5 N P N imp Dimp ρ 4 N D P ρ = 2 0,25 H D π t π Dt imp 2 D H imp N 3 imp D 2 imp (A-15) Uttrycket innanför hakparenteserna är samma för både den lilla och den stora tanken om försöksuppställningarna har samma storleksproportioner avsee tank- och omrörardiameter samt vätskehöjd. 2 P/V kan hållas konstant genom att ändra omrörarhastigheten. Det erfordrliga varvtalet kan beräknas genom att sätta: P V stor stor P liten = (A-16) V liten Om ekvation A-15 sätts in i uttrycket ovan fås ekvation A-17 för varvtalet i den stora tanken. N imp _ stor H stor Dt stor Dimp liten = N imp _ liten (A-17) 2 5 H liten Dt _ liten Dimp _ stor Om tankarna har samma storleksproportioner kan ekvation A-17 förenklas till ekvation A-18. 1/ 3 2 / 3 Dimp _ liten N = imp stor N imp liten (A-18) Dimp _ stor A-8.2 Konstant blandningstid I många processer är det önskvärt att hålla blandningstiden konstant vid uppskalning. Till exempel i aeroba fermentorer och fed-batchodlingar där det är viktigt att inga regioner i tanken har brist på syre eller substrat. 9 Att hålla blandningstiden konstant är ekvivalent med att hålla förhållandet mellan tankvolymen och vätskeflödet från omröraren konstant. Detta eftersom blandningstiden beräknas med ekvation A V t 5 q (A-19) Vätskeflödet från impellern beräknas med ekvation A

18 q = N imp D 3 imp N Q (A-20) Sätts sedan t = fås att: liten t stor N imp _ liten V D liten 3 imp _ liten N Q _ liten = N imp _ stor V D stor 3 imp _ stor N Q _ stor (A-21) Ur detta kan erfordligt omrörarvarvtal beräknas: N D N Q _ liten Vstor = (A-22) N 3 imp _ liten imp _ liten N imp _ stor 3 Vliten Dimp _ stor Q _ stor A-8.3 Konstant Reynoldstal En tredje uppskalningsvariant är att hålla Reynoldstalet konstant. Reynoldstalet beräknas med ekvation A-23. N imp Dimp ρ Re imp = (A-23) μ a 7 Sätts sedan Re = Re imp _ stor imp _ liten fås att: N imp _ stor N imp _ liten Dimp _ liten = (A-24) D imp _ stor Det optimala förhållandet mellan tankens diameter och omrörarens diameter är en viktig faktor vid uppskalning. Det kan dock vara svårt att öka omrörarens storlek i förhållande till tankstorlekens ökning eftersom en större omrörare ger en högre energiförbrukning. En stor omrörare ger dessutom en högre hastighet längst ut på omrörarbladen vid samma varvtal som en liten omrörare. Detta leder till en mycket större skjuvspänning där och därmed en större risk att skada eventuella celler i lösningen. 2 För att kunna hålla blandningstiden konstant måste flödeshastigheten ökas i proportion till storleksändringen. Eftersom P/V är proportionell mot flödeshastigheten i kvadrat ger detta en väldigt hög energiförbrukning som sällan är möjlig i praktiken. En annan metod är scale down. Då bestäms först vilka begränsningar som finns för energiförbrukningen i den stora tanken, och sedan räknas blandningstiden ut i det fallet. Därefter beräknas vilken energi som behöver användas i den lilla försökstanken för att uppnå samma blandningstid. Detta ger en bra simulering av omrörningsförhållandena i den stora tanken. 1 14

19 A-9. Skumbildning Skum bildas vid odling av de flesta cellkulturer, speciellt vid odling i en aerob 1 fermentor. Hur mycket skum som bildas beror främst på gasflödet och omrörningshastigheten. 3 Skum kan ställa till en hel del problem. Om skummet svämmar över blir det en väg in för föroreningar och skummet kan även blockera utgåe gasledningar. 1 5 Skum kan även göra så att diverse sensorer inte fungerar korrekt. För att förhindra översvämning kan reaktorn ej fyllas till toppen, vilket minskar den aktiva reaktorvolymen. 3 Celler som fastnar i skummet är också en förlust eftersom skummet troligtvis inte har optimala odlingsförhållanden. Dessutom kan ömtåliga celler ta skada av kollapsande skum. 1 Det första som kan göras för att förhindra skumbildning är att se över odlingsbetingelserna, kanske kan t.ex. temperatur eller ph ändras för att minska skumbildningen. I andra hand användes skumdämpare, antingen mekaniska eller kemiska. 10 Tillsats av en skumdämpande kemikalie är den vanligaste metoden, men kemikalien påverkar luftbubblornas ytor. De allra flesta sänker ytspänningen, vilket minskar bubblornas storlek, och därmed ger bättre syretransport. Skumdämpande kemikalier påverkar dock mobiliteten mellan gas och vätska negativt. Detta bidrag är oftast större vilket gör att syretransporten drastiskt minskar vid tillsats av antiskumkemikalier. 1 Dessutom gör tillsatsen av skumdämpare att det blir svårare att få en ren slutprodukt och en extra rening blir ett krav, vilket ökar produktionskostnaden. 3 Skumdämpande kemikalier verkar sämre på viskösa vätskor än till exempel på vatten. 4 Mekaniska skumdämpare kan till exempel vara en snabbt roterande disk på toppen av tanken. De påverkar inte syretransporten, men är däremot väldigt energikrävande och inte heller särskilt effektiva vid större skumbildning. 1 Skum med fin struktur och högt vätskeinnehåll är mer stabilt och kräver därför mer energi. Vätskeinnehållet är mindre ju högre skummet är. Därför ska skumdämparen inte placeras för nära vätskenivån utan en bit upp. 5 Mekaniska skumdämpare är att föredra före kemiska eftersom ingen extra tillsats av kemikalier sker

20 Del B Processutveckling B-1. Försöksplanering och hypoteser B-1.1 Frågeställningar Eftersom blandningstiden är den a parametern som kan undersökas experimentellt formuleras frågeställningarna främst kring denna. Vad som ska undersökas är framför allt hur blandningstiderna påverkas av olika varvtal och av olika omrörare. Två olika omrörare ska användas, en radiell och en axiell. Hur påverkas blandningstiden av olika omrörarhastigheter? Hur påverkas blandningstiden av olika omrörartyper? Hur påverkas blandningstiden av luftning? Stämmer simuleringsprogrammets beräknade blandningstider överens med de experimentellt uppmätta? Är blandningstiderna i den lilla tanken samma som i den stora om de har samma relativa dimensioner? Vilka faktorer påverkar energiförbrukningen? B-1.2 Hypoteser Vid projektets start formulerades ett antal hypoteser. De som rör energiförbrukning kommer bara att kunna undersökas genom litteraturstudier eftersom inga mätningar av energiförbrukningen kan göras under laborationen. Blandningstiden minskar då omrörarens varvtal ökar Luftning påverkar inte blandningstiden En propelleromrörare ger en något längre blandningstid än en Rushtonturbin vid samma varvtal, eftersom den har lägre N Q -värde Då två omrörare placeras i tanken kommer blandningstiden att minska jämfört med om ast en omrörare används Energiförbrukningen kommer att öka då omrörarhastigheten ökar Energiförbrukningen minskar då tanken luftas jämfört med om samma tank körs oluftad Vid uppskalning kommer det vara svårt att hålla blandningstiden konstant. Om samma tid vill uppnås i en större tank blir energiförbrukningen alltför stor Om den lilla uppskalningstanken har samma storleksproportioner som den stora (vätskehöjd, tankdiameter samt omrörardiameter i förhållande till varandra) ska samma blandningstid erhållas 16

21 B-1.3 Antaganden och förenklingar Försöken utfördes på tillgängliga tankar i livsmedelshallen; en stor tank på 800 liter och en liten på 50 liter. Förhållandena i dessa antas vara desamma som i Bioprod AB:s tankar. För att hålla nere kostnaden för försöket har inga celler använts, utan ast vatten med tillsats av en mättad saltlösning. Denna vattenlösnings egenskaper antas motsvara en cellösnings egenskaper. Eftersom inga celler finns utförs försöket med konstant viskositet och temperatur. I verkligheten ökar viskositeten något med tiden på grund av celltillväxten och tanken måste kylas av eftersom värme produceras. I uppdragsbeskrivningen framgår att Bioprod AB kommer använda två omrörare i varje fermentor. Eftersom de flesta formler för blandningstankar i litteraturen är med ast en omrörare är laborationsförsöket till större del utfört med ast en omrörare. På så sätt kan de teoretiska värdena jämföras med de uppmätta. Inga laborationsförsök har gjorts för att simulera processerna i en utfällningstank eller för en tank för beredning av fermentorlösning. Vid luftning av en tank ökar volymen av tankinnehållet och densiteten minskar eftersom luft är lättare än vatten. En kraftig omrörning minskar luftbubblornas diameter och ser dessutom till att de distribueras längre bort från luftmunstycket än annars. Detta leder till att bubblorna uppehåller sig en längre tid i tanken och därmed minskar densiteten ännu mer. Även viskositeten minskar något vid luftning om än inte lika mycket som densiteten. I denna försökslaboration har densiteten liksom viskositeten antag its vara konstant. Detta kan tyckas vara rimligt om en luftbubbla antas befinna sig i tanken fem sekunder. I ett sådant fall och med en luftning på 1 vvm innebär detta att densiteten ändras med ungefär 5/60 dvs. 1/12. B-1.4 Försöksplan För att undersöka om hypoteserna är rimliga ska en serie försök utföras. Vid försöken ska en mättad saltlösning injiceras i vatten, och därefter ska konduktiviteten mätas. När konduktiviteten ligger inom ett visst litet intervall anses vätskan vara blandad. Till den första delen av experimentet ska en öppen tank på 800 liter användas för att beräkna blandningstiderna. För att undersöka hur typen av omrörare påverkar blandningstiderna, görs tre olika försök. Vid de olika försöken ska omrörning med en Rushtonturbin, en propeller samt två Rushtonturbiner testas. Syftet med att testa just dessa t yper av omrörare är att analysera både radiell och axiell omrörning. Hastigheten hos omrörarna ska varieras för att se hur blandningstiden påverkas. Omrörarhastigheten påverkar förutom bulkflödet i tanken även graden av turbulens och påverkar därför också blandningstiden. För att undersöka luftningens effekt på blandningstiden ska alla försök utföras både med och utan luftning. I den andra delen av experimentet behandlas problemet med uppskalning eftersom de tankar som används i försöket inte är av samma storlek som de Bioprod AB använder. Till detta ska en mindre öppen tank på 50 liter användas. Experimentet ska utföras både med en Rushtonturbin och med en propeller. Även här ska tanken köras vid olika omrörningshastigheter. Resultatet ska sedan kunna användas för att undersöka hur blandningstid och energiförbrukning ändras med storleken på tanken. 17

22 B-1.5 Riskanalys I experimentet används inga farliga kemikalier, utan ast salt och vatten. Ändå finns vissa riskmoment som bör beaktas under försökets gång: Var försiktig med högtrycksluften. Öppna inte huvudventilen för snabbt och kontrollera att alla anslutningar sitter fast och inte läcker. Undvik att ha elektriska kablar på golvet om det är blött. Se till att hela försöksuppställningen är ordentligt hopmonterad innan experimentet startar. Stäng av strömmen vid byte av omrörare och vid tömning/påfyllning av tanken. B-2. Material och metod B-2.1 Laboration En stor tank med volymen 800 liter och diametern 80 cm och en liten tank med volymen 50 liter och diametern 30 cm användes. I båda tankarna fanns bafflar monterade. Försök gjordes med två typer av omrörare, Rushtonturbin och propeller. Två storlekar fanns tillgängliga, Rushtonturbiner med en diameter på 27 cm och 10 cm, och propellrar med en diameter på 40 cm och 15 cm. För utsee på omrörarna se figur A-4. Ett försök gjordes också med två Rushtonturbiner monterade på omrörarskaftet. Uppställningen i figur B-1 användes för försöken på den stora tanken. Tanken fylldes med vatten, därefter startades omröraren och varvtalet mättes med en optisk varvtalsmätare som hölls mot överdelen av omrörarens skaft. Varvtalet justerades med en transformator. Injicering av saltlösning i tanken skedde med hjälp av tryckluft. En slang som tidigare använts för liknande försök fanns kvar och användes även vid detta försök. Denna slang fylldes först med saltlösning, sedan öppnades en ventil in till tanken och all saltlösning injicerades snabbt med tryckluft. Vilken volym vattentankarna fylldes med berodde på deras diameter. För att kunna använda beräkningsformler från litteraturen eftersträvades en vätskehöjd som var lika med tankens diameter. 1 Detta innebar att den stora tanken fylldes till en vätskehöjd på 80 cm, vilket gav en vätskevolym på 400 l. Den lilla tanken fylldes till en vätskehöjd på 30 cm vilket innebar 21 l vatten. Då två omrörare används ska de placeras 1 till 1,5 omrörardiametrar ifrån varandra. 1 På omrörarskaftet i den stora tanken fanns tre skåror att välja på för placering av ytterligare en omrörare. Eftersom ett avstånd på 27 cm till 40 cm önskades, valdes ett passande avstånd på 35 cm då två Rushtonturbiner användes. För att även den övre omröraren skulle vara tillräckligt mycket under vätskeytan användes en större volym vatten, nämligen 600 l. För att mäta blandningstiden användes en konduktivitetsmätare. Denna monterades på tanken och sänktes ner i vattnet. Då salt tillfördes vattnet ändrades konduktiviteten och mätaren gav utslag. Mätaren var kopplad till en dator med ett program för mätning av just konduktivitet. Programmet registrerade mätvärden med en viss frekvens, som kunde väljas manuellt. För att uppnå bra värden krävdes en koncentration av salt i tanken på högst 0,6 g/l. Vid varje injektion ökade koncentrationen 18

23 med 0,1 g/l, därför kunde bara fem försök göras innan tanken fick tömmas och fyllas på med nytt vatten. Mättad saltlösning har en koncentration på 359 g/l. Saltlösningen som användes kan därför antas ha haft den koncentrationen och detta innebar att för att öka koncentrationen salt i tanken 0,1 g/l krävdes en tillsats av 110 ml. Både oluftad och luftad blandning testades. Vid luftad blandning kom luft in genom ett munstycke i botten av tanken. Flödet ställdes in med en mätare. Ett flöde på 1 vvm användes i alla försök. Då försök gjordes på den lilla tanken användes ingen luftning. Den mindre modellen omrörare användes. Försöksuppställningen för den lilla tanken liknade den för den stora förutom anordningen för luftning. Konduktiviteten mättes på samma sätt som i den stora tanken. Dock fanns ingen klar konstruktion motsvarande slangen i den stora tank en för injicering av saltlösning. Istället mättes rätt volym saltlösning upp i ett mätglas och hälldes sedan i tanken med hjälp av en tratt. För att få jämförbara resultat hälldes saltlösningen på ungefär samma ställe i tanken varje gång. Då volymen vätska i tanken var 21 l och saltkoncentrationen var 359 g/l i den mättade lösningen tillsattes 5,9 ml saltlösning vid varje injektion. Figur B-1. Försöksuppställning för den stora tanken. 19

24 B-2.2 Simuleringsprogram för blandningstider och varvtal Ett simuleringsprogram har tagits fram för att kunna räkna ut vilka varvtal som krävs för att uppnå bestämda blandningstider (se bilaga 4). Programmet kan även beräkna de blandningstider som ges av bestämda varvtal. För att den processansvariga ska ha kontroll över energiförbrukningen räknas även denna ut, både för luftad och oluftad tank om så önskas. Resultaten sparas i textfilen simuleringsfil_loggfil.txt efter varje körning så att resultaten kan jämföras i efterhand. Programmet är begränsat genom vissa gjorda antaganden och förenklingar. Till exempel antas bara en impeller finnas i tanken och vätskehöjden är densamma som tankdiametern. Vidare antas blandningstiden vara fem gånger cirkulationstiden vilket är kriteriet för 99 % omblandning. 2 Beräkningarna i simuleringsprogrammet bygger på formlerna under avsnitten A-7 Blandningstid samt A-3 Turbulent blandning och energiförbrukning. De, med simuleringsprogrammet, teoretiskt beräknade blandningstiderna jämfördes med de experimentellt uppmätta vid samma varvtal (se figur B-17 och figur B- 18). Tiderna skilde sig från varandra, men ett linjärt samband mellan dem kunde påvisas. Därför är blandningstiderna som räknas ut i simuleringsprogrammet korrigerade enligt resultaten från försökslaborationen. Korrigeringen åskådliggörs i tabell B-1. Tabell B-1. Linjära samband för korrigering av blandningstid Försöksuppställning Teoretisk tid (s) Korrigerad tid (s) Oluftad Rushton (99%) t * t Luftad Rushton (99%) t * t Oluftad propeller (99%) t * t Luftad propeller (99%) t * t Sist i bilaga 4 visas ett exempel på hur indata ges till simuleringsprogrammet och hur resultaten gestaltas. I exemplet visas resultat för jämförning av luftad och oluftad tank med avsee på blandningstid. Även energiförbrukningen räknas ut i de båda fallen, men eftersom inga experimentella mätningar på denna parameter gjorts används de teoretiska modellerna utan korrigeringar för beräkningarna. B-2.3 Simuleringsprogram för uppskalning Simuleringsprogrammet för uppskalning (se bilaga 5) ger den processansvariga möjligheten att uppskatta varvtal, blandningstider och energiförbrukning för den storskaliga processen. Programmet ger möjlighet till uppskalning med avsee på konstant blandningstid, konstant Reynoldstal eller konstant energiförbrukning per volymsenhet. Resultaten sparas i textfilen uppskalning_loggfil.txt efter varje körning så att resultaten kan jämföras i efterhand. Beräkningarna i simuleringsprogrammet bygger på formlerna under avsnitt A-8. Uppskalning. 20

25 B-3. Resultat och beräkningar B-3.1 Beräkning av blandningstid Som tidigare nämnts användes vätskans konduktivitet för att mäta blandningstiden. Då mätpunkterna når en jämn nivå anses vätskan vara fullständigt blandad. I detta försök registrerades omkring mätvärden i ett datorprogram för blandning och överfördes sedan till Matlab. Rådata plottades och uppvisade en kurva med mycket brus (se figur B-2). Som exempel har här använts rådata från försöket med oluftad Rushtonturbin vid varvtalet 180 rpm. Frekvensen på mätningarna var 400 Hz Konduktivitet Tid (s) Figur B-2. Plottad rådata, oluftad Rushtonturbin vid 180 rpm. Eftersom plotten är väldigt brusig är det svårt att avläsa när variationen i koncentration är mindre än 1 %. Därför behöver den erhållna kurvan jämnas till. Detta gjordes dels med Curve Fitting Toolbox i Matlab, men främst med ett specialskrivet program i Matlab, se bilaga 3. Ett medelvärde togs över ett visst antal närliggande punkter och på så sätt fick kurvan ett jämnare utsee. Hur många punkter som medelvärdet togs över kunde varieras. Ett exempel från samma försök som ovan ses i figur B-3. Här har ett medelvärde över 75 punkter använts. 21

26 Konduktivitet Tid (s) Figur B-3. Utjämnad kurva, oluftad Rushtonturbin vid 180 rpm I figur B-3 jämnas strecket ut mot höger i figuren och gör det möjligt att bestämma blandningstiden. Både tiden för 95- och 99 % blandning beräknades i den stora tanken. Blandningstiden bestämdes genom att läsa av i de plottade figurerna. Koncentrationen för tiden längst till höger i figuren ansågs vara den sanna koncentrationen vid fullständig blandning. För att få fram blandningstiden undersöktes när kurvan inte längre avvek med mer än 1 % respektive 5 % från denna slutliga koncentration. Anledningen till att både 95 % och 99 % användes var att det på grund av brus var svårt att noggrant bestämma 99 % blandning. I den lilla tanken användes dock bara 99 % omblandning. B-3.2 Beräkning av energiförbrukning Under försökslaborationen fanns inte möjlighet att mäta energiförbrukningen, istället har teoretiska värden beräknats. Till detta användes ekvation A-7 där energiförbrukningen P beräknas utifrån vätskans densitet, omrörardiametern, varvtalet och en energikonstant, N P. Om tanken är luftad minskar energiförbrukningen och den kan beräknas med ekvation A-8. I figur B-4 visas de teoretiskt beräknade energiförbrukningarna för olika varvtal. Resultaten är framtagna för både Rushtonturbin och propeller vid luftad samt oluftad tank. När varvtalet ökar, ökar energiförbrukningen proportionellt mot varvtalet i kubik. Eftersom Rushtonturbinen har ett högre effekttal än propellern har den en högre energiförbrukning. Luftningen verkar approximativt reducera energiförbrukningen till hälften. 22

27 Energiförbrukning (W) Oluftad propeller Oluftad Rushton Luftad propeller Luftad Rushton Energiförbrukning Impellerhastighet (varv/s) Figur B-4. Energiförbrukningens beroe av varvtalet. B-3.3 Blandningstider från de olika försöken Rådata från alla försöken finns i bilaga 2. Nedan presenteras alla resultaten i plottar. Figur B-5 visar varvtalet multiplicerat med blandningstiden (n*t) plottad mot Reynolds tal för 99 % omblandning med båda omrörartyperna vid både luftad och oluftad 800 literstank Stora tanken 99% Oluftad Rushton Luftad Rushton Oluftad propeller Luftad propeller 40 n*t Re x 10 5 Figur B-5. Stora tanken, omblandad med ett blandningskriterium på 99 %. 23

28 Figur B-6 visar varvtalet multiplicerat med blandningstiden (n*t) plottad mot Reynolds tal för 95 % omblandning med båda omrörartyperna vid både luftad och oluftad 800 literstank Stora tanken 95% Oluftad Rushton Luftad Rushton Oluftad propeller Luftad propeller 40 n*t Re x 10 5 Figur B-6. Stora tanken, omblandad med ett blandningskriterium på 95 %. Figur B-7 visar blandningstiden plottad mot omrörarhastigheten för 99 % omblandning med Rushtonturbinen vid både luftad och oluftad 800 literstank Stora tanken 99%, Rushton Oluftad Rushton Luftad Rushton Blandningstid (s) Omrörarhastighet (Varv/s) Figur B-7. Rushtonturbin i stora tanken, omblandad med ett blandningskriterium på 99%. Blandningstidens beroe av omrörningshastigheten. 24

29 Figur B-8 visar blandningstiden plottad mot omrörarhastigheten för 95 % omblandning med Rushtonturbinen vid både luftad och oluftad 800 literstank Stora tanken 95%, Rushton Oluftad Rushton Luftad Rushton 30 Blandningstid (s) Omrörarhastighet (Varv/s) Figur B-8. Rushtonturbin i stora tanken, omblandad med ett blandningskriterium på 95 %. Blandningstidens beroe av omrörningshastigheten. Figur B-9 visar blandningstiden plottad mot omrörarhastigheten för 99 % omblandning med propeller vid både luftad och oluftad 800 literstank. Stora tanken 99%, Propeller 30 Oluftad propeller Luftad propeller Blandningstid (s) Omrörarhastighet (Varv/s) Figur B-9. Propeller i stora tanken, omblandad med ett blandningskriterium på 99 %. Blandningstidens beroe av omrörningshastigheten. 25

30 Figur B-10 visar blandningstiden plottad mot omrörarhastigheten för 95 % omblandning med propeller vid både luftad och oluftad 800 literstank Stora tanken 95%, Propeller Oluftad propeller Luftad propeller Blandningstid (s) Omrörarhastighet (Varv/s) Figur B-10. Propeller i stora tanken, omblandad med ett blandningskriterium på 95 %. Blandningstidens beroe av omrörningshastigheten. Figur B-11 visar varvtalet multiplicerat med blandningstiden (n*t) plottad mot Reynolds tal för 99 % omblandning med båda omrörartyperna i den oluftade 30 literstanken. Eftersom dubbeltester gjordes vid varje varvtal plottas dessa värden bara som punkter, medan de värden som utgör de plottade linjerna är dubbeltesternas medelvärden. 70 Lilla tanken, 99% n*t Rushton, mätvärden Rushton, medelvärden Propeller, mätvärden Propeller, medelvärden Re x 10 4 Figur B-11. Lilla tanken, omblandad med ett blandningskriterium på 99 %. 26

31 Figur B-12 visar blandningstiden plottad mot omrörningshastigheten för 99 % blandning med Rushtonturbinen i den oluftade 30 literstanken Lilla tanken 99%, Oluftad Rushton Uppmätta värden Medelvärden 60 Blandningstid (s) Omrörarhastighet (Varv/s) Figur B-12. Rushtonturbin i lilla tanken, omblandad med ett blandningskriterium på 99 %. Blandningstidens beroe av omrörningshastigheten. Figur B-13 visar blandningstiden plottad mot omrörningshastigheten för 99 % blandning med propeller i den oluftade 30 literstanken Lilla tanken 99%, Oluftad Propeller Uppmätta värden Medelvärden 40 Blandningstid (s) Omrörarhastighet (Varv/s) Figur B-13. Propeller i lilla tanken, omblandad med ett blandningskriterium på 99%. Blandningstidens beroe av omrörningshastigheten. 27