CFD flow characterization comparing different mixing systems

Abstract

Das Mischen ist ein wichtiger Prozess in vielen industriellen Anwendungen, einschließlich der chemischen und pharmazeutischen Industrie und der Biotechnologie. Der wichtigste Zweck des Mischens ist es, die Homogenität im gemischten Fluid zu erreichen, die Temperatur- und die Konzentrationsgradienten zu reduzieren und den Wärmeübergang zu verbessern. Reaktoren, die in der Biotechnologie verwendet werden, haben oft die Form eines Rührkessels, der aus einem Reaktionsgefäß und einem Mischsystem mit einem Rührer und einem Motor bestehen. Sie werden dazu verwendet, den Produktionsorganismen eine optimale Umgebung für das Wachstum und die Produktion zu gewährleisten. Darunter versteht man eine ausreichende Mischeffizienz, beziehungsweise einen ausreichend hohen Sauerstoffübertragungskoeffizient, gepaart mit geringen Scherkräften. Gleichzeitig sollte wegen der Prozesskosten der Energieverbrauch möglichst niedrig gehalten werden.Das Ziel dieser Arbeit war es, neue Rührer für die Biotechnologie zu empfehlen. Basierend auf einer Literaturstudie, in der Daten zum Einfluss von verschiedenen Rührparametern auf die Mischeffizienz und zu den neusten Trends in der Forschung und Entwicklung von Rührern für die Biotechnologie gesammelt wurden, wurden drei Rührer ausgesucht und sowohl experimentell als auch mit CFD-Berechnungen untersucht. Die Rührer wurden mit der Moving Reference Frame (MRF)-Methode simuliert, um ihre Leistungskennzahl und ihren Strömungsverlauf im Wasser und im Glycerin zu ermitteln. Die Ergebnisse wurden durch experimentell ermittelte Daten validiert. Zusätzlich wurden im Labor die Rührleistungen bei konstantem Lufteintrag untersucht. Außerdemwurden verschiedene Modellierungsansätze getestet, erstens die Moving Reference Frame (MRF)- und die Sliding Mesh (SM)-Methoden für die Modellierung der Bewegung des Rührers, und zweitens die Turbulenzmodelle k-ε and k-ω SST. Die Simulationseinstellungen wurden durch den Vergleich mit Literaturwerten für die Leistungskennzahl, die radiale Geschwindigkeit und diekinetische Energie der Turbulenz in der Rührernähe validiert. Es konnte gezeigt werden, dass das Turbinenrad den höchsten Grad der Durchmischung vonallen vorgeschlagenen Rührern und gleichzeitig den radialen Strömungsverlauf, welcher für die Durchmischung des ganzen Reaktors sehr günstig ist erreichen konnte. Dieser Rührer weist allerdings auch den höchsten Energieverbrauch von allen Rührern auf. Der Schrägblattrührer hat dagegen zwar einen sehr geringen Stromverbrauch, produziert aber einen ungünstigen axialenStrömungsverlauf, der keine effektive Durchmischung des Reaktorbodens ermöglicht und zu Totzonen führt. Mit dem Balkenrührer lässt sich zwar ebenfalls eine gute Durchmischung mit dem günstigen radialen Strömungsverlauf bei geringerem Energieverbrauch als beim Turbinenrad erreichen, allerdings könnten die von ihm produzierten starken Ströme für Anwendungen mitempfindlichen Organismen problematisch sein. Berücksichtigt man alle Faktoren, die für die Mischung in Bioreaktoren von Bedeutung sind, erscheint der Balkenrührer als der am meisten geeignete Rührer.Diese Arbeit war auf die grundlegenden Schritte in der Auswahl von neuen Rührern für Bioreaktoren fokussiert, da die meisten Untersuchungen in Einphasensystemen durchgeführt wurden. Bevor die Rührer tatsächlich industriell eingesetzt werden, wären Berechnungen für Gas-Flüssig-Systeme, beispielsweise die Berechnung vom Gasgehalt im Reaktor oder vom Stoffübertragungskoeffizient interessant.

Mixing is an important process in many industrial sectors, including chemical and pharmaceutical industry and biotechnology. The purpose of mixing is to achieve homogeneity in fluids, to reduce gradients in concentration and temperature, and to enhance heat transfer. Mixing systems and reactors used in bioprocessing are typically designed as stirred tank reactors, consisting of a vessel, a motor, and an impeller connected to the motor via a shaft. They are used to provide an optimal environment for the cells, which includes sufficient mixing efficiency and oxygen mass transfer along with low shear stress and limited power consumption. The aim of this thesis is to recommend new agitators for application in biotechnology. Based on a literature study on the influence of the different agitator parameters on mixing performance and the newest trends in the impeller design, three impellers were selected and studied experimentally and computationally. The agitator behavior was simulated via CFD with the moving reference frame method to determine the impeller power number and the flow pattern of each impeller. These results were validated by laboratory measurements in water and glycerin and under aeration. Additionally, different CFD modeling approaches were tested and compared, firstly the moving reference frame and the sliding mesh approaches for modelling impeller rotation, and secondly the k-ε and k-ω SST turbulence models. The suggested simulation setup was validated by comparison with theoretical results, both regarding power number and the value of radial velocity and turbulent kinetic energy. The study determined that the Cage impeller, providing the highest grade of mixing along with the advantageous radial flow pattern, also requires the highest power input. The four-pitched-blade impeller on the other hand requires very low power input but produces an upward pumping axial flow pattern with dead zones in the lower part of the tank. The anchor blade impeller produces strong streams in the radial flow pattern despite a significantly lower power number than the Cage impeller, however, due to its large surface it may not be suitable for bioreactors with shear-sensitive cells. Considering overall mixing performance, the cage impeller is most suitable for use in stirred tank bioreactors out of all three available impellers.This thesis covered the fundamentals of selecting and testing new stirring systems. In further work, calculating the gas holdup and mass transfer coefficient via simulations would be necessary before implementing the impeller into industrial use.