CC BY
2ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА СВОЙСТВА ВОДНЫХ РАСТВОРОВ
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ДИНАМИЗАЦИИ РАСТВОРА НА РОТАЦИОННОМ ВСТРЯХИВАТЕЛЕ
Дектерев Ар.А.1,2, Дектерев А.А.1,2, Минаков А.В.1,2
1 Сибирский федеральный университет, Россия, 660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 79 2Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, Россия, 630090, г. Новосибирск, проспект Академика Лаврентьева, д. 1
Ротационные встряхиватели — это устройства, которые широко применяются для обеспечения перемешивания, аэрации и формирования напряжений сдвига в жидкостях [1]. Ротационные встряхиватели широко используются при производстве лекарств в соответствии с биофармацевтическими требованиями, которые могут варьироваться от простого смешивания различных компонентов [2], до обеспечения определенных уровней напряжений сдвига для ускорения деградации белка [3].
Исследования подобных процессов наряду с экспериментальными методами проводятся с помощью методов вычислительной гидродинамики (CFD). В последние десятилетия эти методы зарекомендовали себя как надежный инструмент исследования широкого класса многофазных и многокомпонентных течений со сложной структурой потока. В сравнении с экспериментальными методами, CFD-модели-рование при наименьших финансовых и временных ресурсах позволяет получить наиболее полную информацию об исследуемых процессах.
В настоящем исследовании рассматривается процесс перемешивания 10 мл водного раствора в ви-але на 20 мл при динамизации на ротационном встряхивателе IKA MS 3 basic в течение 10 секунд. Ротационный встряхиватель совершает колебательные движения стола по круговой орбите диаметром 4.5 мм, с частотой 3000 об/мин. В модели было сделано допущение, что виала плоско стоит на ротационном столе и совершает движение по орбите вместе со столом.
Модель основана на численном решении уравнений Навье-Стокса. В качестве подхода к моделированию турбулентности выбран зарекомендовавший себя метод крупных вихрей (LES) с моделью подсеточной вязкости WALE. Для моделирования границы раздела фаз жидкость-воздух применяется метод Volume of Fluid (VOF). Для расчета распределения концентрации вещества в воде жидкая фаза рассматривается двухкомпонентной, и, соответственно, решаются уравнения переноса компонентов.
В ходе работы проведено моделирование процесса динамизации для двух вариантов допущения о начальном распределении концентрации вещества - в виде плоского слоя в верхней части объема воды и в виде сферической капли в центре объема воды. Получены картины распределения фаз, концентрации вещества, скорости и давления от времени процесса. Результаты расчетов показали, что на начальном этапе процесса происходит резкое перестроение структуры распределения фаз, формирование воздушного ядра в центре и кольцевого течения воды возле стенок на высоте всей виалы, далее подобное квази-установившееся-периодическое течение сохраняется на всем протяжении процесса вплоть до остановки виалы. Анализ структуры течения, показывает наличие вихрей в кольцевом зазоре воды, так как процесс колебательный, то локализация вихревых структур динамически изменяется. Характерная скорость потока составила около 3 м/с, ширина кольца течения - примерно 6 мм, число Рейнольдса - 18000, большую часть времени процесса уровень диссипации энергии составлял около 0,24 Вт. Анализ диссипации энергии позволил выполнить оценку нагрева раствора за время процесса, нагрев составил около 0,057°C. Разработанная методика может быть использована для оптимизации процесса динамизации.
[1] P. Alpresa, S. Sherwin, P. Weinberg, M. van Reeuwijka Orbitally shaken shallow fluid layers. I. Regime classification. PHYSICS OF FLUIDS 30, 032107 (2018)
[2] S. Tissot, M. Farhat, D. L. Hacker, T. Anderlei, M. K'uhner, C. Comninellis, and F.Wurm, "Determination of a scale-up factor from mixing time studies in orbitally shaken bioreactors," Biochem. Eng. J. 52, 181-186 (2010).
[3] G. Bai, J. S. Bee, J. G. Biddlecombe, Q. Chen, and W. T. Leach, "Computational fluid dynamics (CFD) insights into agitation stress methods in biopharmaceutical development," Int. J. Pharm. 423, 264-280 (2012).
