Спосіб інтенсифікації дифузійних процесів, наприклад, екстракції інсуліну з підшлункової залози забійних тварин

Спосіб інтенсифікації дифузійних процесів, наприклад, екстракції інсуліну з подрібненої підшлункової залози забійних тварин, що включає подрібнення сировини, безперервне перемішування подрібненої сировини в розчині екстрагента, відділення отриманого екстракту від за лишку, повторні безперервні перемішування залишку в нових порціях екстрагента, який відрізняється тим, що подрібнену сировину розміщують на закріпленій в екстракторі решітці, а розчин екстрагента подають під решітку з швидкістю, що відповідає оптимальній долі пустот є, яку знаходять за формулою 38 Винахід відноситься до фармацевтичної і хімічної промисловості, а саме до способів інтенсифікації дифузійних процесів, зокрема до способів екстракції інсуліну, сировиною для яких виступає подрібнена підшлункова залоза сільськогосподарських забійних тварин, і може бути використаний для інтенсифікації дифузійних процесів у фармацевтичній і ХІМІЧНІЙ промисловостях для зменшення енерговитрат, пришвидшення і здешевлення проведення дифузійних процесів ВІДОМІ способи проведення дифузійних процесів, зокрема виробництва інсуліну [Патент США №3720657, 1975р, А с СРСР №№83089, 194260, 332832, 570364, 579992, 626779], в яких дифузійні процеси проводяться шляхом екстракції частинок речовини в розчині екстрагенту при безперервному перемішуванні протягом певного часу Недоліками цих способів є ускладнений доступ екстрагенту до частинок подрібненої речовини і великі енерговитрати на безперервне перемішування Найбільш близьким за технічною суттю до запропонованого способу є спосіб екстракції інсуліну з підшлункової залози забійних тварин [Гуров В А Иноземцева М А , Замиховский А Б Справочник по производству органопрепаратов Изд-во "Пищевая промышленность М , 1970, стор 41], де екстракцію здійснюють шляхом подрібнення сиро вини, безперервного перемішування подрібненої сировини в розчині екстрагенту, відділення отриманого екстракту від залишку, повторних безперервних перемішувань залишку в нових порціях екстрагенту Недоліками цього способу є ускладнений доступ екстрагенту де сировини і великі енерговитрати на безперервне перемішування Запропонований нами спосіб дає можливість усунути вказані недоліки і за рахунок створення можливості кращого доступу екстрагенту до сировини зменшити енерговитрати і здешевіти здійснення дифузійних процесів В основу винаходу поставлено завдання зменшити енерговитрати на проведення дифузійних процесів і пришвидшення їх приведення Технічний результат досягають тим, що подрібнену сировину розміщують на закріпленій в екстракторі решітці, а розчин екстрагенту подають під решітку з швидкістю, яка відповідає оптимальній долі пустот s , що вираховується за формулою 38 38 + К т 2 ' де Кт - коефіцієнт турбулізації ламінарної плівки, а для умов екстракції інсуліну з підшлункової залози великої рогатої худоби оптимальна доля пустот є становить 0,75-0,85 38+Кт2 ' де Кт - коефіцієнт турбулізації ламінарної плівки, а для умов екстракції інсуліну з підшлункової залози великої рогатої худоби оптимальна доля CO (О сч о> ю 59263 s пустот становить 0,75 0,85 При проведенні патентно-інформаційного пошуку заявником виявлено технічне рішення, яка містить найбільшу КІЛЬКІСТЬ суттєвих ознак, спільних з заявленим способом [Гурев В А , Иноземцева М А , Замиховский А Б Справочник по производству органопрепаратов -Изд-во Пищевая промышленность М , 1970, стр 41] У відомому способі екстракцію інсуліну з подрібненої підшлункової залози забійних тварин здійснюють шляхом подрібнення сировини, безперервного перемішування подрібненої сировини в розчині екстрагену, відділенні отриманого екстракту від залишку, повторних безперервних перемішувань залишку в нових порціях ектсрагену Однак наявність зазначених, спільних з прототипом ознак, недостатня для одержання технічного результату, який забезпечує заявлений спосіб Технічних рішень, які б за сукупністю ознак повністю співпадали з заявленим - не виявлено Це дозволяє зробити висновок про ВІДПОВІДНІСТЬ заявленого технічного рішення критерію винаходу "новизна" В патентній і науково-технічній літературі не знайдено технічних рішень, в яких були б описані ВІДОМОСТІ про ознаки, що відрізняють запропонований спосіб від прототипу і забезпечують досягнення технічного результату подрібнену сировину розміщують не закріпленій в екстракторі решітці, й розчин екстрагенту подають під решітку з швидкістю, яка відповідає оптимальній долі пустот s , що вираховується за формулою 38 38+К-г 2 ' де Кт - коефіцієнт турбулізації ламінарної плівки, а для умов екстракції інсуліну з підшлункової залози великої рогатої худоби оптимальна доля пустот s становить 0,75 0,85 Отже заявлене технічне рішення не випливає явним чином з рівня техніки, що дозволяє зробити висновок про його ВІДПОВІДНІСТЬ критерію "винахідницький рівень" Запропонований винахід відноситься до фармацевтичної і медичної промисловості, а саме до способів інтенсифікації дифузійних процесів, зокрема до способів екстракції інсуліну, сировиною для яких виступає подрібнена підшлункова залоза забійних тварин, може бути використаний для інтенсифікації дифузійних процесів у фармацевтичній і ХІМІЧНІЙ промисловості для зниження енерговитрат, пришвидшення і здешевлення проведення дифузійних процесів Отже відповідає критерію винаходу "промислова придатність" Таким чином, запропоноване технічне рішення є новим, має винахідницький рівень, є промислове придатним, тобто відповідає всім умовам патентоспроможності винаходу ВІДПОВІДНО до статті 7 розділу II Закону України "Про охорону прав на винаходи і корисні моделі" № 1771 - III На фіг 1 представлена крива псевдозрідження з характерними точками, а на фіг 2 - схема розміщення твердих частинок з ламінарними плівками в псевдозріджєному шарі, де 1 - тверда частинка, 2 - ламінарна плівка У фармацевтичній і ХІМІЧНІЙ промисловості проводять велику КІЛЬКІСТЬ дифузійних процесів, які займають велику частину технологічного часу Наприклад, процес екстракції інсуліну з підшлункової залози забійних тварин займає 80 % технологічного часу [Гуров В А , Иноземцева М А , Замиховский А Б Справочник по производству органопрепаратов Изд-во Пищевая промышленность М , 1970, стр 41] Проведені нами дослідження виявили, що процеси екстракції проходять більш інтенсивно, коли частинки сировини піддають екстракції в умовах псевдозрідженого стану Крім того, відомо, що дифузійні процеси (екстракція, кристалізація, адсорбція, сушіння і т п) в умовах псевдозрідження суттєво посилюються [Процессы и аппараты пищевых производств - М , Агропромиздат -1991, стр 94] Псевдозріджений шар зернистого твердого матеріалу існує в досить широкому діапазоні критерію Рейнольдса, критичні значення якого наочно описує крива псевдозрідження (фіг 1), де АР перепад тиску рідини чи газу по обидві сторони псевдозрідженого шару (Па), Re - критерій Рейнольдса Критичні значення критерію Рейнольдса ReK і ReB характеризують межі існування стану псевдозрідження, де перепад тиску є величина постійна, їх розраховують за відомими формулами [Кавецкий Г Д , Королев A 3 Процессы и аппараты пищевых производств - М , Агропромиздат, -1991, стр 98] а) 1400 + 5,22VAr Аг R. (2) 18 + 0,575 де Аг - критерій Архімеда Однак інтервал між значеннями ReK і Ree досить широкий Виходячи з формул (1) і (2) при A r « 6 0 0 ] ReK=0,39, ReB= 16,7 Тобто верхня критична швидкість подачі екстрагенту для існування псевдозрідженого шару більша від нижньої у майже 48 разів (47,95) Завдання способу - визначити оптимальний діапазон значень критерію Рейнольдса в псевдозріджєному шарі, при якому інтенсивність дифузійних процесів максимальна при мінімальних енергетичних затратах Перепад тиску рідини, що проходить через псевдозріджений зернистий шар можна визначити з рівності (3) [Бородуля В А , Ганжа В Н , Кавецкий В И Гидродинамика и теплообмен в псевдоожиженом слое под давлением Минск, "Наука и техника", 1982, с 33] AP = q ( p T - p p ) ( 1 - 8 ) h , (3) де q - прискорення вільного падіння (м/с2), РР густина твердих частинок зернистого матеріалу і рідини ВІДПОВІДНО (кг/м ), s - (неоднорідність) доля пустот у псевдозріджєному шарі, h - висота шару у стані псевдозрідження при заданому значенні s /м/ Враховуючи, що псевдозріджений шар є су 59263 мою капілярів (багатьох), де діють сили поверхневого натягу, можна записати аналогічно, як для процесу фільтрування, рівність (4) [Ю Л Білонога Інтенсифікація процесу фільтрування при використанні поверхнево-активних речовин Інтегровані технології і енергозбереження М , №1, 2001 р, стор 35-38] ,_ 4а cos Є -п AP = s — ~ 2 "екв (4) 4аcos6-s q(pT (5) 9,42а cos Є q ( p T Р Р ) (6) К де ° - товщина ламінарної плівки (м), Кт - коефіцієнт турбулізації ламінарної плівки ч R ер > 0,65К (8) На фіг 2 зображена схема розміщення твердих частинок з ламінарними плівками в псевдозрідженому шарі, де 1 - тверда частинка, 2 ламінарна плівка У псевдозрідженому шарі мінімальне значення долі значення долі пустот ° ~ , а робоче значення критерію Рейнольдса визначають за формулою (9) [Бородуля В А , Ганжа В Н Кавецкий В И Гидродинамика и теплообмен в псевдоожиженном слое под давлением Минск, Наука и техника 1982, с 50] Виходячи з виразу (8) для граничної умови В умовах псевдозрідженого шару твердого зернистого матеріалу в турбулізованому середовищі навколо кожної частинки, як і в процесі осадження, існує ламінарна плівка [Ю Л , Білонога, Б Р Ціж, Д М Білонога, Ю Ю Варивода Про технікоекономічну ДОЦІЛЬНІСТЬ використання псевдозрідженого шару при виробництві інсуліну Науковий вісник Львівської державної академії ветеринарної медицини їм С 3 Гжицького Том 4 (№1), - 2002 р , с 156 - 159] Товщина цієї ламінарної пківки /фіг 2/ може бути розрахована за формулою (6) 5= ^ s ст де - коефіцієнт поверхневого натягу (Н/м), d eKB - еквівалентний діаметр каналів у псевдозрідженому шарі (м), cos6 . гідрофільність зернистого матеріалу З рівностей (3) і (4) отримуємо формулу (5) d. 6 них перетворень, записуємо вираз (8) U) екр де Rep - робоче значення критерію Рейнодьдса, ReKp критичне значення критерію Рейнольдса, Для ефективної масопередачі у псевдозрідженому шарі середовище повинно рухатися при турбулентному чи перехідному режимі В такому випадку маємо максимальні значення коефіцієнтів масопередачі, які при турбулентному чи перехідному режимах значно перевищують значення коефіцієнтів масовіддачі при ламінарному режимі Виходячи з того, що псевдозріджений шар в залежності від зміни швидкості подачі середовища в діапазоні ReK ReB розширюється або звужується, тобто ВІДПОВІДНО зростають або зменшуються величини s і h (доля пустот і висота псевдозрідженого шару), еквівалентний діаметр каналів у псевдозрідженому шарі dKB повинен бути достатнім для того, щоб режим руху рідини в цьому каналі був не ламінарним Згідно геометричних залежностей (фіг 2), а також за аналогією з процесом абсорбції для граничних умов е к в и Для умов псевдозрідження d e K B > 45 [Кавецкий Г Д , Королев А В Процессы и аппараты пищевых производств М , Агропромиздат, 1991, с 236] Враховуючи граничні умови, а також формули (5) і (6) і зробивши ряд математич d, = 4, запи суємо рівність (10) Ar-s 4,75 R ер (9) 1 8 + 0,6V A r - s 4 ' 7 5 38 (10) 38+ де Кт - коефіцієнт турбулізації ламінарної плівки Отже для оптимального проведення технологічних процесів дифузії, тобто їх інтенсифікації, s повинно бути розраховане за формулою (10) 5 Конкретний приклад використання способу Використаємо отримані формули (8), (9) і (10) для умов екстракції інсуліну з підшлункової залози великої рогатої худоби Розчинником при екстракції інсуліну є розчин етилового спирту С2Н2ОН (85%)+Н3РО4 (2%) Для цього розчину фізичні характеристики є такими густина Р =940кг/м3, коефіцієнт поверхневого натягу ст =0,0318Н/м, динамічна в'язкість М =0,00134Па с, густина твердих-частинок подрібненої підшлункової залози Р т = 1060кг/м3, діаметр твердих частинок d « 1мм, критерій Архімеда „ _j3 j (р т -Рр)р р Аг = — 9,8-(1-10" 3 ) 3 (1060-940)-940 = 615,6 (0,00134)* За отриманою формулою (8), враховуючи (9), dei обчислюємо значення для екстракції інсуліну Згідно З результатами вищенаведених теоретичних і практичних досліджень зроблено висновок, що суттєва інтенсифікація дифузійних процесів у псевдорозрідженому шарі буде проходити не відразу в критичній точці ReK (фіг 1), а в точці ReKfl При цьому оптимальне значення s для максимальної інтенсивності дифузійних процесів можна отримати за формулою (10) Для процесу екстs > 0,75 ВІДПОВІДНО ракцм інсуліну 59263 8 су, наприклад, екстракції інсуліну для значення A Ar-s 4,75 R критерію Аг=615,6 повинна бути більшою приблиз4 75 но в 15 разів від швидкості для початку псев18 + 0,6VAr-s ' дозрідження 4 75 615,6-0,75 ' Отже, для оптимізацм параметрів псевдозрі=6 4 75 дженого стану при екстракції інсуліну з підшлунко18 + 0,6-v/615,6-0,75 ' вої залози забійних тварин оптимальний критерій fl Рейнольдса ReK (фіг 1), який є прямопропорцій615,6 ним швидкості подачі екстрагену під решітку, має R = 0,402, s відповідати максимальній долі пустот в діапазо1400 + 5,22^615,6 ні 0,75 0,85 Згідно З представлених розрахунків, мінімальна критична швидкість подачі середовища при проходженні ефективного дифузійного проце Комп'ютерна верстка Н Лисенко Підписано до друку 05 09 2003 Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ТОВ "Міжнародний науковий комітет", вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна