Пневматичний флотатор для концентрування каротиновмісної біомаси мікроводорості dunaliella salina

1. Пристрій для концентрування каротиновмісної біомаси мікроводорості Dunaliella salina з ропи, що складається з насоса, інжектора, вертикально розташованих двох циліндричних ємностей, встановлених одна в одній, розподільчого вузла на дні всередині внутрішньої ємності, колектора для збору відпрацьованої ропи, пристрою регуляції рівня та механізму збору піни, який відрізняється тим, що з метою підвищення розчинності повітря в ропі додатково містить сатуратор з дроселюючим краном, встановлені між інжектором та розподільчим вузлом, в якому суміш ропи і повітря піддається підвищеному тиску. 2. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що тиск у сатураторі встановлюється за допомогою насоса та дроселюючого крана на рівні не менше 10 атмосфер. 3. Пристрій за пп. 1, 2, який відрізняється тим, що з метою створення рівномірного ламінарного потоку всередині внутрішньої ємності розподільчий вузол виконано у вигляді трубки з отворами по U 2 39296 1 3 39296 період, що істотно позначиться на собівартості продукту. У літній період продуктивність і поновлення сировинної бази залежить від погодних умов: за похмурої погоди і температури ропи нижче за 18°С ріст культури практично повністю зупиняється. У штучних закритих фотобіореакторах в контрольованих умовах середовища вдається досягнути концентрації клітин в культурі до 10млн. на 1мл поживного середовища, але концентрація бета-каротину в клітинах в умовах культури (510пг на одну клітину) набагато нижче, ніж в природних водоймах (до 100пг на 1 клітину), тому ви хід продукту на одиницю площі фотобіореактора не перевищує такого для природних водойм в зимовий період. Природні відкриті водойми, в яких природно росте Dunaliella salina, мають перевагу перед штучними реакторами, яка складається не тільки у відсутності витрат на конструювання реактора і освітлення, але і у великих об’ємах ропи, доступної для переробки. Тому, за наявності великих площ солоних водойм, навіть з невисокою концентрацією клітин, застосування різних методів концентрування суспензії клітин перед екстракцією бета-каротину дозволить зробити виробництво високорентабельним незалежно від погодних умов і сезону, а також істотно збільшити його рентабельність в сприятливих погодних умовах. Флотаційний залишається найбільш придатним для концентрування біомаси Dunaliella salina, оскільки не потребує внесення додаткових реагентів. Використання повітря для флотації не привносить забруднення до природних екосистем солоних озер, не забруднює сам продукт, що буде використовува тися в фармацевтичній, харчовій або косметичній галузі, і не потребує додаткових коштів. Відомо декілька пристроїв для флотаційного концентрування біомаси Dunaliella salina, але всі вони мають суттєві недоліки. Перш за все це низька ефективність вилучення біомаси Dunaliella salina з ропи, що подається на флотацію, та низьке концентрування біомаси у флотоконцентраті, що отримується в процесі флотації. Відомий патент [US6000551, США, МПК6 C12N 1/06, C12N 1/12, A01G 7/00, B03D 1/02, заявл. 20.12.1996, опубл. 14.12.1999], що пропонує використання декількох послідовно встановлених флотаторів для здолання цієї проблеми. Ще однією проблемою при використанні флотації для концентрування біомаси Dunaliella salina з природних озер є залежність ефективності флотації від погодних умов. Природні місцезростання Dunaliella salina є приуроченими до арідної зони, що характеризується високими літніми температурами (більше за 40°С) та високою інтенсивністю випаровування води з природних розсолів, в яких росте ця мікроводорість. Як наслідок, висока концентрація солей та висока температура вдень призводять до низького ступеню розчинення газів у рідині, яка піддається флотації, що знижує ефективність цього процесу. Експлуатація флотатору за патентом на корисну модель UA29195 [Україна, МПК7 B01D 1/00, B01D 15/00, C07C 403/00, заявл. 4 23.07.2007, опубл. 10.01.2008, Бюл. №1] виявила ще низку недоліків відомих конструкцій цього пристрою для концентрування біомаси Dunaliella salina. У зв’язку з вищенаведеним відносно ефективне вилучення біомаси (60%) спостерігалося тільки вночі. Концентрування біомаси у флотоконцентраті не перевищувало 200 разів поріняно з вихідною ропою. Окрім того, висока в’язкість розсолу призводила до низької швидкості спливання бульбочок повітря з адсорбованою біомасою, внаслідок чого частина біомаси втрачалася з відпрацьованою ропою, що зливалася з флотатора. Самі бульбочки за умов високої температури виявилися нестійкими до механічних впливів і спадалися, зустрічаючись із дном пінозбірника запропонованої в патенті конструкції, що також призводило до втрати частини біомаси з відпрацьованою ропою і зниження ефективності флотації. Завданням передбачуваної корисної моделі є створення конструкції флотатора для концентрування каротиновмісної біомаси мікроводорості Dunaliella salina, який був би позбавлений вищенаведених недоліків, а саме: мав би високу ефективність вилучення біомаси з ропи (як мінімум 90%) та високе концентрування біомаси у флотоконцентраті порівняно з вихідною ропою (як мінімум 500 разів) незалежно від температури оточуючого середовища, концентрації та в’язкості ропи. У передбачуваній корисній моделі це завдання вирішується, по-перше, за допомогою включення в конструкцію флотатора вузла сатуратору. Відомо, що розчинність газів у рідині росте при підвищенні тиску. І, хоча, більшість спеціалістів відмовляється від використання сатураторів саме при флотації морської води та ропи, був виявлений неочевидний факт, що підвищення тиску дозволяє здолати зниження розчинності газів в ропі внаслідок підвищення температури влітку вдень. При цьому тиск в сатураторі повинен бути не менше 10 атмосфер. Наступним технічним рішенням в передбачуваній корисній моделі є змінення напрямку течії відпрацьованої ропи та спливання бульбочок повітря, що несуть біомасу, на протилежний, з метою перешкоджання втраті біомаси з бульбочками, що спливають пізніше за основну масу бульбочок. Для цього конструкція флотатору містить ємність, що встановлено у ємності. У передбачуваній корисній моделі, за рахунок оригінальної конструкції пінозбірного пристрою у вигляді двох лопатей, що обертаються, повністю видалено механічні перепони на шляху бульбочок, щоб запобігти їх спаданню та втраті біомаси. Таким чином, передбачувана корисна модель завдяки неочевидному використанню сатуратора, конструкції „ємність у ємності" та оригінальному пінозбірному пристрою, у сукупності з іншими заявленими ознаками пристрою, вирішує завдання підвищення ефективності вилучення біомаси з ропи щонайменше до 90% та її концентрування у флотоконцентраті в 500 разів мінімум. Найбільш близьким до заявленого пристрою (прототипом) є пристрій, заявлений в патенті PL162937 (Польща, МПК5 B03D 1/14, B03D 1/24, заявл. 28.11.1990, опубл. 31.01.1994). Пристрій складається головним чином з двох ємностей, що 5 39296 встановлені одна в одній, зовнішня з яких має конічне дно, сопел, що подають рідину у конічну частину зовнішньої ємності таким чином, що рідина приймає рух, що обертається, трубопроводів рециркуляції рідини, що дозволяють піддавати флотації ту ж саму рідину вторинно, пінозбірнику у вигляді спіралей Архімеда, інжектору, що подає повітря в рідину, що піддається флотації, пристрою регуляції рівня, що винесений за межі основних ємностей і має вигляд важелю, на одному кінці якого встановлений поплавець, а на іншому заслінка, що перекриває подачу рідини. Пристрій передбачає також диспергатори флотаційних реагентів і призначений для збагачення вугілля флотацією. Прототип не може бути прямо використаний з метою концентрування біомаси мікроводорості Dunaliella salina, оскільки має деякі надлишкові вузли, як то: диспергатори реагентів, трубопроводи вторинної рециркуляції рідини, конічне дно зовнішньої ємності, що призначене для відстоювання груби х часток. Деякі ознаки прототипу не відповідають особливостям флотації біомаси мікроводорості. Зокрема, спіральний рух бульбочок та турбулентні потоки всередині ємності флотації призведуть до спадання нестійких бульбочок і втрати біомаси. Збір бульбочок за допомогою спіралі Архімеда утворить занадто довгий шлях, протягом якого нестійкі бульбочки будуть спадатися, що призведе до втрати біомаси. Ме ханізм регуляції рівня рідини у флота торі на основі важелю не дозволяє тонкої регуляції, яка потрібна в умовах добової зміни температур при концентруванні біомаси мікроводорості. Прототип не передбачає використання сатуратору. Поставлене завдання вирішується таким чином, що у пристрої, що заявляється, для концентрування каротиновміщуючої біомаси мікроводорості Dunaliella salina, який складається з двох вертикально розташованих ємностей циліндричної форми з пласким дном, встановлених і закріплених одна в одній, подача ропи здійснюється у внутрішню ємність через трубу, що завершується розподільчим вузлом, що являє собою трубку з декількома невеликими отворами, і розташований на дні внутрішньої ємності. За рахунок цього досягається рівномірна ламінарна течія рідини у внутрішній ємності пристрою флотатора. У верхній частині внутрішньої ємності флотатора вздовж її верхнього краю зроблено прямокутні отвори для витікання відпрацьованої ропи у зовнішню ємність, що також відбувається рівномірними ламінарними потоками. При цьому, бульбочки, що не встигли виділитися і сплити у вн утрішній ємності, мають змогу сплити у зовнішній ємності. Відпрацьована ропа прямує у протилежному бульбочкам напрямку вниз до дна зовнішньої ємності, де встановлено колектор, що являє собою кільце з труб, що мають отвори для втікання відпрацованої ропи. Колектор завершується загальним трубопроводом, що спрямований в пристрій регуляції рівня рідини у флотаторі. Він являє собою ємність, розділену на дві частини заслінкою, що має верхню рухому у вертикальному напрямку частину, яка завершується гребінкою. Рідина спливає через гребінку до 6 зливу. За рахунок переміщення гребінчастої частини заслінки досягається плавна регуляція рівню рідини у флотаторі. Пінозбірний механізм складається з двох лопатей, довжина яких дорівнює радіусу зовнішньої ємності, скріплених у центрі кільцем. Лопатевий механізм повільно рухається за допомогою електричного мотору і згортає піну у кишеню пінозбірника, закріплену на зовнішній стінці зовнішньої ємності флота тора, причому відбувається збір піни, що сплила як у вн утрішній, так і в зовнішній за найкоротшим шляхом. Кращому збору піни сприяє шторка, що приводиться у рух рухом лопатей пінозбірника. Ропа, що подається до флотатору, проходить крізь інжектор, за рахунок якого відбувається введення повітря у потік, і потрапляє в ємність сатуратору, де створюється підвищений тиск за рахунок закачування ропи насосом. Насичена повітрям рідина через кран, що дроселює потік, спрямовується в трубопровід, що подає ропу в розподільчий вузол вн утрішньої ємності флотатора. Всі елементи пристрою, крім ежектора, сатуратора та їхньої обв’язки, можуть бути виконані з легкого, економічного, екологічного та дозволеного для використання в харчовій та фармацевтичній галузі пластику, зокрема, поліетилену. Ежектор, сатуратор та їхню обв’язку, що піддаються високому тиску та турбулентності, доцільно виготовляти з нержавіючої сталі. Можуть бути використані стандартні пластикові та нержавіючі вузли, що випускаються. На Фіг. 1 наведено схематичне зображення внутрішньої ємності 1 пристрою, на якому показано трубопровід подачі ропи 2, що завершується розподільчим вузлом 3 у вигляді тр уби з отворами. Внутрішня ємність 1 в верхній частині має ряд прямокутних отворів 4. Вона закріплюється в зовнішній ємності за допомогою чотирьох елементів кріплення 5. На Фіг. 2 наведено зображення флотатора в зборі, на якому внутрішня ємність 1 закріплена за допомогою елементів кріплення 5 всередині зовнішньої ємності 6. На дні зовнішньої ємності 6 розташований кільчастий колектор з отворами 7, що через трубопровід колектору 8 з’єднаний з пристроєм регуляції рівня 9, що містить гребінчасту заслінку 10. На зовнішній стінці зовнішньої ємності встановлено кишеню для збору піни 11. На Фіг. 3 показано розташування дволопатевого пінозбірника 12 зі шторкою 13 і приводом 14 у виді згори. На Фіг. 4 наведено інжектор 15, сатуратор 16, насос подачі ропи 17 та дроселюючий кран 18. Внутрішня ємність 1, та зовнішня ємність 6 пристрою флотатора виконані зі стандартних циліндричних плоскодонних поліетиленових ємностей, що спрощує їх виго товлення. Трубопровід подачі ропи 2 проходить крізь зовнішню ємність 6 до внутрішньої ємності 6, де завершується розподільчим вузлом 3, що являє собою розташовану перпендикулярно трубопроводу подачі трубу з отворами, довжина якої майже дорівнює діаметру внутрішньої ємності 1. Отвори розташовані з обох боків труби розподільчого вузлу таким чином, щоб 7 39296 забезпечити рівномірну подачу і розподілення ропи ламінарними потоками у внутрішній ємності 1 пристрою флотатора. Прямокутні отвори 4 розташовані вздовж усього краю ємності 1 і також слугують призначенню створення рівномірного ламінарного потока ропи із внутрішньої ємності в зовнішню. Елементи кріплення 5 протидіють спливанню ємності 1 в ємності 6. Колектор 7 лежить на дні ємності 6 і оточує ємність 1. Пристрій регуляції рівню 9 з’єднаний з колектором 7 за допомогою трубопроводу 8 таким чином, що утворює з ємностями флотатору систему сосудів, що сполучаються. Гребінчаста заслінка 10 складається з двох частин, що налягають одна на одну. Переміщення верхньої гребінчастої частини дозволяє регулювати рівень в ємностях флотатор у в залежності від потоку. Дволопатевий пінозбірник 12 обертається проти часової стрілки і згортає піну в напрямку від центру назовні до кишені пінозбірника 11. Коли кожна лопать проходить вздовж кишені пінозбірника 11, вона штовхає шторку 13 таким чином, щоб швидко і повністю зібрати піну, що зібралася над внутрішньою і зовнішньою ємностями пристрою флотатора. Шторка повертається на місце за рахунок пружини. Сатуратор 16 являє собою стійку до підвищеного тиску нержавіючу ємність. Тиск в сатураторі утворюється за допомогою насосу 17. Інжектор 15 має отвір в атмосферу, через який потік ропи вволікає повітря. Через кран 18 ропа, насичена повітрям, вивільняється в трубопровід подачі ропи 2. Відповідно до заявленої корисної моделі, пристрій працює таким чином. Ропа з каротинвміщуючою біомасою мікроводорості Dunaliella salina закачується насосом 17. При проходженні через інжектор 15 в ропу застосується повітря. Суміш ропи і повітря потрапляє в сатуратор 16, де завдяки підвищеному до мінімум 10 атмосфер тиску повітря розчиняється в ропі при температурі оточуючого повітря близько 40°С. Через дроселюючий кран 18 ропа вивільняється в трубопровід подачі ропи 2 і прямує через розподільчий вузол 3 до внутрішньої ємності флотатора 1. Вздовж цього шляху ропа піддається поступовому зниженню тиску. Завдяки зниженню тиску з ропи вивільняється розчинене повітря у вигляді дуже маленьких бульбочок. Біомаса мікроводорості Dunaliella salina має здатність сорбуватися на поверхні повітряних бульбочок. Бульбочки, що утворюються з розчиненого у ропі повітря мають мінімальний розмір і найбільшу площу поверхні, тому е фективно сорбують біомасу. У вн утрішній ємності 1 ропа з бульбочками спливає рівномірними ламінарними потоками. При цьому бульбочки спливають швидше і збираються у поверхні. Ропа перетікає через прямокутні отвори 4 у зовнішню ємність 6. Бульбочки, що продовжують спливати, збираються на поверхні ропи зовнішньої ємності 6. Відпрацьована ропа спливає вниз до дна ємності 6. При цьому, бульбочки, якщо вони продовжують виділятися або потрапили в ємність 6 з ємності 1 з потоком ропи, мають змогу сплити і не потрапляють в колектор 7, що лежить на дні ємності 6. Вільна від бульбочок повітря ропа рівномірно з усіх боків зо 8 внішньої ємності пристрою флотатора 6 збирається до колектору 7 і з нього потрапляє в тр убопровід 8 і пристрій регуляції рівню 9. Злив відпрацьованої ропи здійснюється через пристрій регуляції рівню 9. Переміщення заслінки 10 дозволяє прискорити або пригальмувати потік ропи, що зливається, і таким чином підвищити або знизити рівень рідини в ємностях пристрою флотатору. Гребінчастий край заслінки дозволяє дуже тонку повільну регуляцію рівню. Рівень в ємностях пристрою флотатора встановлюється таким чином, щоб границя між піною та ропою дорівнювала нижній граніці пристрою пінозбіриика 12. Цим запобігається спадання піни і втрата біомаси, а також потрапляння надлишкової ропи в кишеню збору піни 11. Пінозбірник 12 повільно обертається за допомогою мотору 14 і згортає піну в напрямку від центру ємностей до їхнього краю завдяки випуклій поверхні лопатей. Шторка 13, яка за допомогою пружини підтримується у положенні вздовж радіусу ємностей, ковзає по випуклій поверхні лопатей і також згортає піну до кишені 11. Після того, як кожна з лопатей проходить вздовж кишені, шторка виільняється і займає вихідне положення. Цим досягається швидке згортання піни в кишеню 11, що запобігає спаданню піни в ємностях пристрою флотатора і втраті біомаси. Таким чином, заявлений пристрій долає недоліки існуючих конструкцій флотаторів для концентрування біомаси мікроводорості Dunaliella salina шляхом примусового розчинення повітря в ропі, що піддається флотації та суттєвого зменшення втрат біомаси за рахунок відсутності механічних перешкод на шляху бульбочок, різнонаправлених потоків ропи і бульбочок, швидкого збору піни, тонкої регуляції рівня рідини у флотаторі. Це дозволяє підвисити ефективність збору біомаси Dunaliella salina до 90% і концентрування біомаси у фло токонцентраті до 500 разів порівняно з вихідною ропою. Використання принципу сатуратору робить роботу фло татора незалежною від сезону та погодних умов, зокрема, температурних змін протягом доби. Корисна модель ілюструється прикладом. Приклад 1. Для отримання концентрата каротиповміщуючої біомаси Dunaliella salina з ропи озера Змієво з концентрацією клітин 20тис. в 1мл, 50пг бета-каротину на клітину, 1мг/л бетакаротину, було зібрано установку відповідно до заявленої корисної моделі. У процесі експлуатації установки ропу з озера подавали зі швидкістю потоку 32м 3/год. Спостерігали за накопиченням і гасінням піни в пінозбірнику. Рідкий концентрат біомаси після гасіння піни зливали в окрему ємність. За годину було зібрано 57,5л флотоконцентрату. Визначали концентрацію бета-каротину в ропі, що зливалася. Вона становила 0,1мг/л бетакаротину. Таким чином, ефективність вилучення біомаси в концентрат становила 90%. У концентраті визначили вміст бета-каротину, який становив 500мг/л. Таким чином, каротиновміщуюча біомаса була сконцентрована в 500 разів. Таким чином, заявлений новий високоефективний пристрій по концентруванню каротиновміщу 9 39296 ючою біомаси мікроводорості Dunaliella salina, конструкція якої загалом і в окремих елементах технологічна у виготовленні, компактна і допускає установку на транспортні засоби, що дозволяє переміщувати пристрій в місця природного концентрування сировини, що додатково підвищує е фективність збору біомаси. Заявлений пристрій виготовлений з екологічно безпечних матеріалів, дозволених до застосування в харчовій і фарма Комп’ютерна в ерстка І.Скворцов а 10 цевтичній промисловості. У процесі роботи повітря використовується як єдиний агент, що привноситься. Тому, ні ропа, яка скидається назад в басейн, ні каротиновміщуюча біомаса, яка використовується цілком або для подальшої екстракції бета-каротину, не містять ніяких технологічних домішок. Технологія є екологічно безпечною, а продукт, що отримується, екологічно чистим. Підписне Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601