Апарат для стерилізації рідини

Апарат для стерилізації рідини, наприклад поживного середовища, який містить вертикальну циліндричну ємність із технологічними патрубками, усередині якої розміщений теплопередавальний пристрій типу "теплова труба", що складається з випарної, транспортної й конденсаторної частин, який відрізняється тим, що нижня частина ємності обладнана оболонкою, що заповнена високотемпературним теплоносієм, у який занурені випарна частина теплопередавального пристрою у вигляді тора й джерело теплової енергії, а конденсаторна частина теплопередавального пристрою розміщена усередині циліндричної ємності й виконана у вигляді багатовиткового трубчастого змійовика, що складається із двох частин просторових спіралей із протилежним напрямком навивання витків і розташованих із частковим перекриттям одна іншої, причому кут нахилу витків спіралей трубчастого змійовика становить не менше 30° відносно вертикальної осі ємності. Винахід відноситься до мікробіологічної промисловості й може бути використаний в якості теплообмінних і термостатичних пристроїв у процесах культивування мікроорганізмів, а також у хімічній, медичній, харчовій і іншій галузях промисловості. Однією з умов, що найбільш істотно впливають на біосинтез біологічно активних речовин, наприклад мікробіопрепаратів є забезпечення стерильності виробничих процесів, у тому числі одержання стерильних поживних середовищ. Присутність сторонньої мікрофлори в поживному середовищі й особливо в культуральній рідині неприпустимо, тому що при цьому відбувається порушення нормального режиму росту й розвитку цільової мікрофлори. Видалення й деструкція сторонньої мікрофлори, яка звичайно міститься в поживному середовищі, досягається різними методами. На даний час застосовується, в основному, метод стерилізації із застосуванням теплової енергії. При цьому використовується насичена водяна пара (при атмос ферному або надлишковому тиску), інфрачервоне випромінювання, електронагрів, високочастотне й надвисокочастотне нагрівання [1]. У поживних середовищах, які потрібно стерилізувати, часто утримуються тверді частки або скупчення мікроорганізмів. Якщо усередині цих часток або скупчень є небажані мікроорганізми, то вони важче піддаються тепловій обробці й тому для їх стерилізації необхідне підведення теплової енергії із забезпеченням оптимального балансу між руйнуванням корисних компонентів середовища й загибеллю небажаних мікроорганізмів. При тепловій стерилізації складних середовищ необхідно також ураховувати, що деякі компоненти поживних середовищ найчастіше азотовмісні, вимагають більш м'якого режиму стерилізації. їх стерилізацію здійснюють у спеціальних апаратах (сателітах), обсягом від 30 до 50 м3, розрахованих для роботи при тиску 0, 2-0,3 МПа з дотриманням необхідного температурного режиму [2]. Періодичний режим стерилізації, здійснюваний у таких апаратах, має істотні недоліки: тривалість, нерівномі UA (11) 89116 (13) (21) a200805717 (22) 30.04.2008 (24) 25.12.2009 (46) 25.12.2009, Бюл.№ 24, 2009 р. (72) ДОБРОВ ВІКТОР ІВАНОВИЧ, ВАСЮТИНСЬКА ЛЮДМИЛА ОЛЕКСАНДРІВНА, ЛЕБЕДЄВА НАДІЯ СЕРГІЇВНА (73) ІНЖЕНЕРНО-ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ІНСТИТУТ "БІОТЕХНІКА" (56) Кантере В.М. Теоретические основы технологии микробиологических производств. - М.: Агропромиздат, 1990. - C. 78-101. SU 1070157 A, 30.01.1984 GB 475660 A, 15.11.1937 GB 100744 A, 19.06.1917 JP 2001191065 A, 17.07.2001 RU 964 U1, 16.10.1995 US 4131785 A, 26.12.1978 SU 57575 A, 30.07.1940 GB 579292 A, 30.07.1946 Калунянц К.А. и др. Оборудование микробиологических производств. - М.: Агропромиздат, 1987. С. 69-88. C2 2 (19) 1 3 рність температурного впливу на середовище, що особливо характерно при великих обсягах, значні втрати термолабільних компонентів, низька продуктивність, високі питомі витрати водяної пари й електроенергії. У зв'язку із цим більш раціональне використання безперервного режиму стерилізації. Установка для безперервної стерилізації складається з нагрівача, видержувача й фільтрів для середовища [2]. Видержувач являє собою трубчастий змійовик з об'ємом, що забезпечує тривалість знаходження в ньому рідини при температурі 140 °С не менш двох хвилин. Принцип роботи установки полягає у швидкому нагріванні середовища до температури стерилізації при безпосередньому контакті з водяною парою, витримуванні в безперервному потоці протягом 2-15 хв. і наступному охолодженні до 35-40°С. Трубчастий видержувач працює в режимі поршневої течії, що забезпечує стабільний і рівномірний ефект теплового впливу на рідину, яка стерилізується. Використовують також ємнісні видержувачі. Однак ємнісні видержувачі конструктивно більш складні, і в них важче досягти рівномірного теплового впливу на середовище в порівнянні із трубчастими видержувачами. Проведення процесів стерилізації по такій апаратурно-технологічній схемі доцільно для великомасштабного виробництва, у малотоннажних регіональних виробництвах біопрепаратів недоцільно здійснювати нагрівання й витримку середовища, яке стерилізується, послідовно й в окремих (різних) апаратах. Найбільш близьким по технічній сутності до пропонованого рішення є апарат, який містить теплообмінний пристрій типу "теплова труба", виконаний із двох вертикальних циліндричних обичайок, розміщених одна в іншій з утворенням герметичної кільцевої порожнини для робочого тіла (теплоносія) [3]. Недоліком такого апарата є низька ефективність процесу теплообміну в теплопередавальному пристрої, що цілком перебуває в однорідному рідкому середовищі й внаслідок цього функціонує при незначних температурних перепадах у зонах випару й конденсації. Це призводить до недостатньої ефективності роботи апарата в цілому. Крім того, теплообмінний пристрій такої конструкції не може бути використаний в апаратах, який періодично піддають профілактичної стерилізації без наявності в них рідини при температурі 135-140 °С, тому що при цьому в теплообмінному пристрої розвивається тиск порядку 0,2-0,25 МПа (2-2,5 кг/см2), що може привести до деформації й руйнування циліндричних обичайок, які утворюють кільцеву порожнину пристрою. Завданням пропонованого винаходу є стабілізація температурного режиму, підвищення надійності і якості процесу стерилізації, спрощення конструкції апарата. Це досягається підведенням теплової енергії безпосередньо в об'єм рідини, яка стерилізується, й створенням в апараті рівномірного температурного поля. У пропонованому апараті нижня частина вертикальної циліндричної ємності обладнана зовнішньою оболонкою, заповненою високотемперату 89116 4 рним теплоносієм (наприклад, гліцерином). Високотемпературні теплоносії при атмосферному тиску мають температуру кипіння 180-250 °С. Це дозволяє використовувати їх для одержання температур, необхідних у процесах стерилізації й інтенсифікувати процес теплопередачі. У теплоносій занурена випарна частина теплопередавального пристрою, яка виконана у вигляді тора й розміщена під днищем ємності, а також джерело теплової енергії (електричний нагрівач - ТЕН). Конденсаторна частина тепло передавального пристрою розміщена усередині вертикальної циліндричної ємності, заповненої рідиною, яка стерилізується, і виконана у вигляді багатовиткового трубчастого змійовика з кутом нахилу витків не менш 30°С щодо вертикальної осі ємності. Трубчастий змійовик складається із двох частин, що уявляють собою просторові спіралі із протилежним напрямком навивання витків і розміщених із частковим перекриттям одна іншої. Наявність оболонки, заповненої високотемпературним теплоносієм і яка охоплює нижню частину ємності, дозволяє одержати температури, необхідні в процесах стерилізації, і здійснити більше швидке й рівномірне підведення теплової енергії до середовища, яке стерилізується. Це дає можливість зменшити градієнт температурного поля в об'ємі рідини й скоротити час досягнення температури стерилізації. Виконання випарної частини теплопередавального пристрою у вигляді горизонтально розташованого тора зменшує вплив стовпа рідини. Підведення теплової енергії здійснюється за допомогою високотемпературного теплоносія до всієї зовнішньої поверхні тора, і процес паротворення у випарній частині інтенсифікується. При цьому кипіння відбувається без виникнення плівкового режиму кипіння, при якому може відбуватися зрив плівки з поверхні теплообміну через утворення пузирів і як результат - зниження теплообміну. Випарна й конденсаторна частини пристрою сполучені між собою транспортною зоною, що є продовженням трубчастого змійовика й утворюють загальну герметичну порожнину, частково заповнену робочим тілом - термомобільним теплоносієм з фазовим переходом у необхідному інтервалі температур (110-150 °С), наприклад водою або фреоном-11. Випарна частина теплопередавального пристрою має вигляд горизонтально розташованого тора й частково заповнена у якості робочого тіла дистильованою водою, попередньо підданої деаерації. Деаерація забезпечує видалення газів, які містяться у використовуваному робочому тілі. Це необхідно, тому що під час роботи теплопередавального пристрою гази, що перебувають у робочому тілі (воді), виділяються й накопичуються в конденсаторній частині пристрою, що призводить до порушення його нормальної роботи. Виконання конденсаторної частини теплопередавального пристрою з кутом нахилу витків змійовика не менш 30° стосовно вертикальної осі, ємності забезпечує стікання конденсату по нижнім внутрішнім поверхнях труб змійовика. Внаслідок 5 цього зменшується товщина конденсатної плівки на внутрішньої теплообмінної поверхні змійовика, і процес теплообміну протікає більш інтенсивно. При підведенні тепла до випарної й відведення від конденсаторної частин теплопередавального пристрою здійснюється тепло - і масоперенос зі зміною агрегатного стану робочого тіла При підведенні тепла до випарної частини робоче тіло (вода) інтенсивно випаровується й перетворюється в пару, на що затрачає тепло фазового переходу (прихована теплота пароутворення). Ця пара через транспортну зону надходить у конденсаторну частину, де конденсується на внутрішній поверхні трубчастого змійовика. Тепло фазового переходу, яке виділяється через зовнішню поверхню трубчастого змійовика, сприймається рідиною, яка стерилізується. Конденсат, що утворився усередині трубчастого змійовика, під дією сил гравітації, стікає у випарну частину пристрою по нижнім внутрішнім поверхнях похилих труб змійовика, що забезпечує постійне вивільнення його внутрішньої поверхні й сприяє інтенсифікації процесу теплообміну. Перенос тепла від випарної частини до конденсаторної частини теплопередавального пристрою відбувається при безперестанній зміні фазового стану робочого тіла, що забезпечує безперервність процесу стерилізації. Так як прихована теплота фазового переходу води, використовуваної як робоче тіло, досить велика, то реалізація цього процесу дає можливість передавати значні теплові потоки безпосередньо в об'єм середовища, яке стерилізується. Поверхня конденсаторної частини теплообмінного пристрою володіє досить важливим для процесу стерилізації поживного середовища властивістю: ізотермічністю, тобто ця поверхня практично працює при постійній температурі, близької до температури фазового переходу пара - рідина. Якщо на якійсь ділянці поверхні виникає локальна зміна температури, то кількість пари, що конденсується в цьому місці, також відповідно змінюється, і значення температури підтримується на попередньому рівні. Виконання конденсаторної частини теплопередавального пристрою у вигляді трубчастого змійовика, розміщеного усередині ємності, яка наповнена поживним середовищем, а також наявність оболонки, заповненої високотемпературним теплоносієм, сприяє виникненню конвективних потоків в обсязі середовища, яке стерилізується, що інтенсифікує теплообмін у цілому й дозволяє передавати потужніші теплові потоки. По суті, тепло передавальний пристрій функціонує як трансформатор теплового потоку з температурного рівня електронагрівальних елементів (350400°С) до необхідного рівня, що відповідає температурі стерилізації (130-140°С). Запропонований апарат для стерилізації рідини (фіг. 1) складається з вертикальної циліндричної ємності 1, усередині якої розміщена конденсаторна частина 2 теплопередавального пристрою у вигляді трубчастого змійовика, що складається із двох частин просторових спіралей із протилежною навиванням витків. Діаметр витків кожної спіралі 89116 6 становить 0,8-0,85 внутрішнього діаметра ємності 1, крок витків - 2,2-2,3 діаметр труби змійовика. Зовнішня оболонка 3 охоплює нижню частину ємності 1 і заповнена високотемпературним теплоносієм (гліцерином) 4, у який занурені джерело теплової енергії (ТЕН) 5 і випарна частина 6 теплопередавального пристрою. Випарна частина 6 виконана із труби діаметром 50-60 мм у вигляді тора, що має зовнішній діаметр, який становить не менш 0,8-0,9 діаметра циліндричної ємності 1. Ємність 1 і оболонка 3 мають теплоізоляцію 7, а також патрубки підведення 8 і відводу 9 середовища, яке стерилізується. Конденсаторна 2 і випарна 6 частини пристрою об'єднані в герметичну порожнину, що частково заповнена робочим тілом (деаерованою водою) 10. Робота апарата здійснюється таким чином. Циліндричну ємність 1 через патрубок 8 заповнюють середовищем 11, яке підлягає стерилізації, і герметично закривають. При включенні в роботу ТЕНів 5 відбувається нагрівання високотемпературного теплоносія 4 до температури 150-160 °С, що забезпечує рівномірне й швидке нагрівання нижньої частини ємності 1 і випарної частини 6 теплопередавального пристрою. При цьому в об'ємі випарної частини 6 відбувається інтенсивне паротворення з наступним надходженням пари, яка утворилася, крізь транспортну зону в конденсаторну частину 2 теплопередавального пристрою. У конденсаторній частині 2 пара, що надійшла, конденсується з виділенням теплоти фазового переходу, яка передається в об'єм рідини, яка стерилізується, забезпечуючи її рівномірне й без локальних „перегрівів нагрівання до заданої температури стерилізації. Конденсат робочого тіла, що утворився в трубчастому змійовику конденсаторної частини 2, під дією сили тяжіння стікає назад у випарну частину 6, де знову перетворюється в пару. Після досягнення заданої температури стерилізації здійснюють витримку протягом часу, необхідного для повного знищення сторонньої мікрофлори. Простерилізоване середовище 11 віддаляється з апарата через патрубок 9. Таким чином, у пропонованій конструкції апарата інтенсифікуються процеси теплообміну в зонах конденсації й випару теплопередавального пристрою, що дозволяє збільшити кількість переданої теплоти й забезпечити рівномірне й швидке нагрівання всього об'єму рідини, яка стерилізується. Пропонована конструкція дозволяє здійснювати нагрівання поживного середовища до температури стерилізації й стерилізаційну витримку при цій температурі в одному апараті. Це дозволяє суміщати за часом перераховані технологічні операції, істотно здешевіти і прискорити процес одержання поживних стерильних середовищ для наробітку мікробіопрепаратів у малотоннажних регіональних виробництвах. Джерела інформації 1. Кантере В.М. Теоретические основы технологии микробиологических производств. - Μ.: Агропромиздат, 1990. - 271 с. 7 89116 2. Калунянц К.А. и др. Оборудование микробиологических производств. - М.: Агропромиздат, 1987. - 398 с. Комп’ютерна верстка І. Скворцова 8 3. Авторське свідоцтво СРСР № 1070157, кл. С12М 1/02, 1984 -прототип. Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601