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Mass transfer and mixing characteristics in an airlift-driven fibrous-bed bioreactor

Authors

  • Peter M. Kilonzo,

    1. Department of Chemical and Biochemical Engineering, University of Western Ontario, London, Ontario, Canada N6A 5B9
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  • Argyrios Margaritis,

    Corresponding author
    1. Department of Chemical and Biochemical Engineering, University of Western Ontario, London, Ontario, Canada N6A 5B9
    • Department of Chemical and Biochemical Engineering, University of Western Ontario, London, Ontario, Canada N6A 5B9.
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  • Maurice A. Bergougnou

    1. Department of Chemical and Biochemical Engineering, University of Western Ontario, London, Ontario, Canada N6A 5B9
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Abstract

An internal loop airlift-driven fibrous bed bioreactor (ILALFBB) was designed and developed with a high degree of flexibility to handle genetically engineered and fragile shear-sensitive cells. The mixing and oxygen mass transfer characteristics have been investigated. A cotton fibre was set in the downcomer of the ILALB to represent the fibrous packed bed and the outcome results were compared with those of the polyurethane foam (PUF) packed and unpacked ILALB systems. The effects of fibre, packing height, bed top and bottom clearances, spacing between adjacent fibre surfaces, and superficial gas velocity were investigated. The liquid phase mixing output variables included the liquid circulation velocity (ULc), circulation time (tLc), mixing time (tLm), Bodenstein number (BoL), and axial dispersion coefficient (EL), whereas the mass transfer out variable was the KLa. BoL and EL in the riser and downcomer regions of all packed systems increased with increasing in packing height, packing top clearance, and superficial gas velocity, except the overall BoL was independent of gas velocity at low gas velocities. The BoL was found highest in the riser of the large cotton and small PUF packed system with large spacing and the EL in the downcomer of PUF packed systems with smaller spacing between fibre surfaces. Increased amounts of packing in the ILALB, whether in the form of cotton or PUF decreased the ULc in the bioreactor because of the increased frictional resistance and tortuosity. The reduction in ULc was significant for large packing with smaller spacing between fibre surfaces and increased bottom clearances of the cotton packed system. High circulation times (tLc) and shorter mixing times (tLm) were achieved using small PUF packing with large top clearance. Relatively high KLa values were obtained using large packing with large top clearances and spacing between fibre surfaces. The boost in KLa was associated with increased gas holdup and/or interfacial area, due to bubble breakage by the shearing action of the fibrous-bed. Empirical correlation proposed for EL, BoL, and KLa gave a good fit of the experimental data.

Abstract

Un bioréacteur à boucle interne opérant par air-lift et à lit fibreux (ILALFBB) a été conçu et développé avec un niveau élevé de flexibilité pour la manipulation des cellules génétiquement modifiées, fragiles et sensible à l'effet de cisaillement. Les caractéristiques de mélange et de transfert de masse de l'oxygène ont été étudiées. Les effets de la structure de la garniture de remplissage ont été étudiés. BoL et EL dans les régions de canalisation montante et de la canalisation descendante de tous les systèmes garnis ont augmenté avec l'accroissement de la hauteur de remplissage, du dégagement supérieur de la garniture de remplissage et de la vitesse superficielle de gaz, sauf que le BoL global était indépendant de la vitesse de gaz à faible vitesses de gaz. Le BoL le plus élevé a été observé dans la canalisation montante du système constitué de larges garnitures de coton, des petites garnitures de mousse polyuréthane (PUF) et des grands espaces entre les garnitures et le EL le plus élevé dans la canalisation descendante des systèmes garnis de mousse polyuréthane (PUF) avec des petits espacements entre les surfaces de fibre. De plus grandes quantités de garniture dans l'ILALB, que ce soit sous la forme de coton ou de mousse polyuréthane (PUF) ont réduit le ULc dans le bioréacteur en raison d'un accroissement de la résistance de friction et de la tortuosité. La réduction de ULc était conséquente pour les garnitures importantes avec de plus petits espacements entre les surfaces de fibre et des dégagements inférieurs plus importants dans le système garni de coton. Des temps élevés de circulation (tLc) et des temps de mélange plus courts (tLm) ont été réalisés en utilisant une petite garniture en mousse de polyuréthane (PUF) avec de grands dégagements supérieurs. Des valeurs relativement élevées de KLa ont été obtenues en utilisant une garniture importante avec de grands dégagements supérieurs et d'espacement entre les surfaces de fibre. L'augmentation dans le KLa a été associée à un accroissement de la retenue de gaz et/ou de la surface interfaciale, dû à la rupture des bulles par l'effet de cisaillement du lit fibreux. La corrélation empirique proposée pour EL, BoL et KLa montre une bonne concordance avec les données expérimentales. Can. J. Chem. Eng. © 2010 Canadian Society for Chemical Engineering

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