Please use this identifier to cite or link to this item: https://doi.org/10.15480/882.4320
Title: Experimental investigation of the flow behavior of Lagrangian LED Particles in a 200 l bioreactor
Language: English
Authors: Kamp, Maximilian  
Keywords: Image processing; MATLAB; Calibration technique; Stirred tank reactor; Bioreactor agitation; Flow behavior; Lagrangian particle trajectories
Issue Date: 29-Apr-2022
Examination Date: 19-May-2022
Source: Technische Universität Hamburg (2022)
Abstract (german): 
Lagrange'sche Sensor-Partikel sind essenziell, um Informationen über Prozessbedingungen in Einwegbioreaktoren zu erlangen. Hierfür sollten die Partikel den Strömungen im Reaktor folgen. Bis jetzt war es jedoch nicht möglich, ihre internen Methoden zur Bestimmung ihrer Bewegungsbahnen zu validieren. Um dieses Problem zu lösen, werden in dieser Arbeit die Positionen von mit LEDs ausgestatteten Partikeln, LED-Motes genannt, in einem kontinuierlich gerührten 200-Liter-Tankreaktor bestehend aus Acrylglas visuell bestimmt und ihre Geschwindigkeiten und Beschleunigungen berechnet.

Zu diesem Zweck werden LED-Motes entworfen und hergestellt. MATLAB Skripte zur LED-Mote-Erkennung sowie ein Skript zur Beseitigung von Bildverzerrungen mit Hilfe einer geometrischen Kalibrierung werden entwickelt und mit Skripten zur Berechnung von Geschwindigkeits- und Beschleunigungswerten aus Positionsdaten kombiniert.

Experimente mit zwei verschiedenen Rührerkombinationen werden durchgeführt. Die erste Rührerkombination besteht aus einem Rushton-Turbinen-Rührer und einem Schrägblattrührer. Die zweite Rührerkombination besteht aus zwei Schrägblattrührern. Die Experimente werden ohne Begasung und mit einer Begasungsrate von 15 l min^-1 und 20 l min^-1 unter Verwendung sowohl eines Mikro- als auch eines Makrobegasungstellers durchgeführt. Somit werden, von Variationen der Rührerdrehzahl abgesehen, 10 Kombinationen von Versuchsparametern umgesetzt. Experimente mit allen Parameterkombinationen werden mit Rührerdrehzahlen von 50, 70, 100 und 120 Umdrehungen pro Minute durchgeführt, was insgesamt 40 Experimente ergibt.

Ein hoher Anteil der theoretisch möglichen LED-Mote-Positionen wird erkannt. Nur Positionen, welche einem Positions-Track mit einer Länge von 5 oder mehr Positionen zugeordnet werden können, werden für die Berechnung von Geschwindigkeits- und Beschleunigungswerten verwendet. Bis zu 94 % der erkannten Positionen können einem solchen Positions-Track zugeordnet werden. Für den begasten Fall, bei welchem die Sichtbarkeit verringert ist, ist dieser Anteil geringer, mit einem Minimalanteil von 66 %. Für die meisten Experimente liegt der Anteil der für Berechnungen verwendeten Positionen zwischen 80 % und 90 %.

Die Ergebnisse zeigen, dass die Verfolgung der 2D-Positionen von LED-Motes zu einem guten Verständnis der vorherrschenden Strömungsphänomene in einem kontinuierlich gerührten Tankreaktor führen. Die höchsten berechneten durchschnittlichen Geschwindigkeitsmagnituden in einem einzelnen 62 mm mal 60 mm Untersuchungsfenster haben einen Wert von circa der Hälfte der Geschwindigkeit der Rührerspitzen. Die erwarteten Strömungsmuster für die verschiedenen Rührertypen werden nachgewiesen. Der Rushton-Turbinen-Rührer verursacht hohe radiale Geschwindigkeiten, während die Schrägblattrührer hohe axiale Geschwindigkeiten verursachen. Eine ausreichende Auflösung der Geschwindigkeits- und Beschleunigungsdaten kann selbst bei kurzen Versuchslaufzeiten von nur 120 s erreicht werden. Im begasten Fall kommt es jedoch zur Abschattung der LED-Motes, was zu einer Minderung der Ergebnisqualität führt. Durch eine längere Aufnahmezeit, oder eine Erhöhung der LED-Leuchtkraft kann die Qualität und Auflösung der Ergebnisse noch weiter verbessert werden.

Nützlichkeit und Qualität der Daten kann durch die Entwicklung von 3D-Tracking-Techniken erhöht werden, bei denen zwei Kameras oder ein Spiegelaufbau verwendet werden, um zwei verschiedene Blickwinkel auf den Reaktor zu erhalten, anstatt nur einen Blickwinkel zu evaluieren. Das entwickelte Skript schafft hierfür eine solide Grundlage.
Abstract (english): 
Lagrangian Sensor Particles are essential in gaining knowledge about process conditions inside of Single-Use Stirred Tank Bioreactors. To facilitate this, the particles should follow the flow of the fluids inside of the reactor.

However, so far it has not been possible to validate their internal means of trajectory determination. To address this problem, in this thesis the positions of LED-equipped tracking particles, called LED Motes, in a 200 L Continuously Stirred Tank Reactor made of acrylic glass are measured visually and their velocities and accelerations calculated.

To this end, LED Motes are designed and manufactured. A mote recognition script as well as a script for removal of distortions in the image through geometric calibration for MATLAB is developed to complement scripts for the calculation of velocity and acceleration values from positional data.

Experiments are performed utilizing two different stirrer setups, one consisting of a Rushton turbine impeller and a pitched blade impeller and the other consisting of two pitched blade impellers. The experiments are performed without aeration and with an aeration rate of 15 l min^-1 and 20 l min^-1 using both a micro and a macro sparger. Thus, a total of 10 combinations of experimental parameters are achieved not accounting for variations in stirrer speed. Experiments utilizing every combination of experimental parameters are performed at four different stirrer speeds of 50, 70, 100 and 120 RPM for a total of 40 experiments.

A high proportion of theoretically possible LED Mote positions are recognized. Only positions that can be assigned to a track of a length of more than 5 positions are evaluated for the calculation of velocity and acceleration values. Up to 94 % of the recognized positions are assigned to such a track. However, for the low-visibility, aerated, cases the percentage of positions assigned to tracks long enough to allow for evaluation is lower, reaching as low as 66 %. For the majority of experiments the percentage of positions used for calculations lies between 80 % and 90 %.

The results show that the tracking of the 2D positions of LED Motes can lead to a good understanding of the dominant flow phenomena inside of a CSTR. The highest calculated mean velocity magnitudes for a single 62~mm by 60~mm interrogation window are approximately half of the stirrer tip speed. The expected flow patterns for the different stirrer types are observed. The Rushton turbine impeller causes high radial velocities while the pitched blade impellers cause high axial velocities. A good resolution of velocity and acceleration data can be achieved even with short experimental run times of only 120~s. However, for the aerated case, obscuration of the LED Motes reduces the quality of the results. A longer experimental run time and an increase in LED-brightness can increase the quality and resolution of the evaluation results even further. Usefulness and quality of data can be increased by the development of 3D tracking techniques using two cameras or a mirror setup to achieve two different viewpoints of the reactors instead of evaluating a single point of view. For this, the produced script lays a solid foundation.
URI: http://hdl.handle.net/11420/12406
DOI: 10.15480/882.4320
Institute: Mehrphasenströmungen V-5 
Document Type: Thesis
Thesis Type: Bachelor Thesis
Advisor: Hofmann, Sebastian  
Referee: Schlüter, Michael 
Project: SPP 2170: Teilprojekt Experimentelle Multiskalenanalyse und Simulation von 'lifelines' in Bioreaktoren um deren Einfluss auf die Kultivierung von Chinese Hamster Ovary (CHO) Zellen zu untersuchen 
Funded by: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) 
Peer Reviewed: No
License: CC BY 4.0 (Attribution) CC BY 4.0 (Attribution)
Is supplemented by: 10.18419/darus-2811
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