Influence of Impeller Type and Geometry on Particle Stress in a Stirred Fermenter by Means of Particle Image Velocimetry

In molteplici processi chimici e biotecnologici, la miscelazione rappresenta una delle operazioni unitarie fondamentali ed è spesso esercitata nei serbatoi agitati. L’efficienza del mixing è un parametro importante per quei processi in cui questa operazione è coinvolta e dipende dal design e dalle condizioni operative scelte. L’indagine sul flusso risulta essere uno strumento utile per affrontare e comprendere i meccanismi che avvengono nel fluido all’interno del serbatoio agitato, nonché per effettuare una caratterizzazione delle proprietà del flusso, le quali possono essere misurate attraverso l’impiego di diverse tecniche di analisi. In particolar modo nelle biotecnologie, dove i microrganismi rivestono un ruolo fondamentale per la realizzazione e lo sviluppo dei processi, i fenomeni idromeccanici generati dalla miscelazione meccanica possono influenzare negativamente la produttività del processo, in quanto potenzialmente dannosi per gli agglomerati di cellule che fluiscono all’interno del brodo; per questo motivo risulta fondamentale procedere con un’analisi mirata a conoscere meglio l’influenza dei vari elementi in gioco, quali ad esempio la geometria dell’agitatore utilizzato nella miscelazione. In un contesto così ampio, questo lavoro sperimentale è centrato sull’analisi del flusso in un serbatoio agitato, mediante l’utilizzo di una tecnica di analisi fotografica, la particle image velocimetry (PIV). L’attenzione è particolarmente rivolta ai fenomeni di stress che si verificano all’interno del fluido. Il setup sperimentale consiste in un serbatoio agitato, dove una sola fase viene messa in agitazione. Gli esperimenti vengono condotti con tre fluidi, ovvero acqua, una soluzione acquosa di glicerina e una di xantano; questi sono dei fluidi modello non biologici, intenzionalmente definiti per facilitare l’indagine sperimentale e pensati per simulare le proprietà reologiche di un brodo di coltura. Nell’indagine, l’avviamento preliminare della tecnica di misurazione rende possibile il confronto dei diversi approcci alla PIV, qui utilizzata per misurazioni in due e in tre dimensioni. Successivamente, l’indagine sistematica implica l’utilizzo di nove agitatori di diverse geometrie, tra cui due propeller, due pitched-blade turbines, un anello “bionico” e tre agitatori a nastro ondulato (Möbius). Con le misurazioni effettuate tramite PIV, il gradiente di sforzo di taglio e l’energia cinetica turbolenta sono calcolati direttamente dai gradienti di velocità, con l’obiettivo di osservare e determinare l’influenza della geometria dell’agitatore sulla dinamica del flusso.