Optical measurement and assessment of liquid distribution in shake flasks

binti Azizan, Amizon; Büchs, Jochen; Spiess, Antje C.

doi:HT020117424

Optical measurement and assessment of liquid distribution in shake flasks = Optische Messung und Auswertung der Flüssigkeitsverteilung in Schüttelkolben

binti Azizan, Amizon^RWTH*

2018 & 2019

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Amizon binti Azizan

ImpressumAachen 2018

Umfang1 Online-Ressource (XIV, 192 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule, 2018

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2019

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Büchs, Jochen (Thesis advisor)^RWTH* ; Spiess, Antje C. (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-12-20

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-05667
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/762545/files/762545.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik (416510)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
in phase (frei) ; liquid distribution (frei) ; out of phase (frei) ; shake flask (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

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.

Biotechnological development in shake flask necessitates vital engineering parameters e.g. volumetric power input, mixing time, gas-liquid mass transfer coefficient, hydromechanical stress and effective shear rate. This work provides ample experimental data for future validations representing shake flask fluid flow hydrodynamics i.e. in-phase (IP) and out-of-phase (OP) (phase phenomenon). Phase phenomenon was earlier expressed based on power input and that can now be expressed via liquid distribution. Optical fluorescence technique measurement producing 7644 data curves and 546 three-dimensional (3D) liquid distribution plots (hydrophilic), resulted from leading edge of bulk liquid (LB) and tail of bulk liquid (TB) analysis from 15-40 mL filling volume (VL), 150-450 rpm shaking frequency (n), 0-120 g/L of polyvinylpyrrolidone in fluorescent (fluorescent-PVP) solutions at 25 mm shaking diameter. The toroidal shapes of LB and TB are clearly asymmetrical and the measured TB differed by the elongation of the liquid particularly towards the torus part of the shake flask. Four new evaluation criteria proposed from 2184 evaluated cases, shed some light on how we closely relate 3D liquid distribution to phase phenomenon. The evaluation criteria on measured data are film thickness of the rotating bulk liquid, slope relative percentage of LB curves, circular angle of LB positions and 3D bulk liquid distribution’s peak shape change ($\geq$270$^\circ$ from 3D plot). A new compensated critical phase number (Phcrit) from theoretical to measured IP and OP has been revised from 1.26 to 0.91. Thus, phase change of liquid flow in 250-mL shake flask at 25 mm shaking diameter occurs at a little higher viscosity level of the fluorescent-PVP solutions than expected by the theoretical (calculated) phase number values. Additional to this, a non-viscosity model which serves as a simulated data is compared to measured liquid distribution investigated, illustrating range from similar to varying maximum liquid height (Hmax). Effect of hydrophobicity to liquid distribution angular position strengthen the fact to further understand the film and bulk liquid parameters. In conclusion, the 3D liquid distribution data collected at varying filling volume and shaking frequency, comprising of LB and TB values relative to the direction of the centrifugal acceleration are essential for validating future numerical solutions using CFD to predict vital engineering parameters in shake flask.

OpenAccess:
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