First-Principle Study of Gas Dispersion and Oxygen Transfer Efficiency in Non-Newtonian Fluids Using Coaxial Mixers
Notice bibliographique
Résumé
In 2021, the global market for bioreactors is expected to be around $4.3 billion. Improving the aeration efficiency is one of the important process objectives in bioreactors while providing sufficient oxygen for the cells with minimal energy input and shear rate. About 50-60% of the total operational cost in a wastewater treatment plant is associated with the aeration process. One of the major challenges in bioreactors for the applications of fermentation and wastewater treatment is maintaining a critical level of dissolved oxygen concentration in highly viscous fluids. In this perspective, we have devoted our efforts to better understand the challenges in the aeration process and develop the proof of principles to explain the oxygen transfer mechanism in the coaxial mixer setup. With both the central and anchor impellers attached to independent shafts, the coaxial mixer has more flexibility to operate at various speed ratios and rotation modes. Accordingly, for a coaxial mixer, we investigated how the aeration efficiency (gas holdup per unit power) can be impacted by the following conditions: 1) Operating the downward-pumping, high-solidity ratio, axial flow central impeller at a low critical speed with a slowly-rotating anchor impeller (10-30 rpm), and 2) Operating the radial flow impeller (Scaba) with slowly-rotating anchor impeller (10- 30 rpm). Electrical resistance tomography (ERT) and computational fluid dynamics (CFD) were extensively utilized to shed light on the hydrodynamics of coaxial mixer and its impact on the aeration efficiency in non-Newtonian fluids. The working fluid was carboxymethyl cellulose solution (CMC), which is a non-Newtonian fluid and obeys the power-law model. Our research findings challenge the paradigm that a high rotational speed of impellers can intensify the gas dispersion. Interestingly, we observed the deterioration in the gas holdup at the higher rotational speed with the Scaba-anchor coaxial mixer. The efficacy of impeller designs was evaluated using novel gas helicity analysis. The impeller design with fluctuating gas helicity sign led to poor gas holdup. Our research study also provided sufficient evidence to support that the oxygen transfer rate in non-Newtonian fluids is governed by shear rate and the coaxial mixer operating in co- rotation mode outperformed the counter-rotation mode.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,001 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,001 |
| Communication savante | 0,001 | 0,001 |
| Science ouverte | 0,001 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,001 | 0,001 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,001 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».