Газліфтний барботажний апарат

Реферат: Запроповано газліфтний барботажний апарат, який містить вертикально розташований циліндричний корпус з технологічними патрубками і розміщену в порожнині корпусу з радіальним зазором циркуляційну трубу, а також встановлений під циркуляційною трубою аератор. При цьому апарат обладнаний ззовні корпусу, протилежно, двома ультразвуковими випромінювачами з регульованим напрямом променів, один з яких формує резонансні коливання з частотою вищою за граничну і функціонально замінює циркуляційну трубу циліндричною каустикою, а другий випромінювач формує резонансні коливання з частотою нижчою за граничну і будує більшого радіуса другу циліндричну каустику поблизу внутрішньої поверхні корпуса апарата. UA 106962 C2 (12) UA 106962 C2 UA 106962 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до біотехнології, а саме до газліфтних барботажних апаратів, і може бути використаний для культивування мікроорганізмів в рідинних середовищах при виготовленні вакцин та біологічно-активних речовин. Відомий апарат для вирощування мікроорганізмів, який містить ємкість з технологічними патрубками, розміщені в ємкості циркуляційний стакан і аератор, систему рециркуляції середовища, яка складається з відвідного трубопроводу, збудника розходу, підвідного трубопроводу і підключеного до нього пристрою для розбризкування культурального середовища, що розміщений у верхній частині ємкості [1]. Апарат має можливість працювати при підвищеному барботуванні культуральної рідини в ємкості, тобто за інтенсивного постачання мікроорганізмів киснем, отже і за енергійного постачання поживними речовинами. Це забезпечено усуненням стримуючої інтенсифікацію дріжджозростаючого процесу від'ємного зворотного зв'язку між газовмістом культурального середовища в ємкості і інтенсивністю тепломасообмінних процесів в апараті загалом. Зазначений від'ємний зв'язок ліквідується за рахунок введення в конструкцію апарата відвідного патрубка піни в складі гідроциклона та ежектора. Недоліком цього технічного рішення постає досить висока матеріалоємкість апарата, підвищене піноутворення, відносно невисока продуктивність технологічного процесу внаслідок пасивного перемішування і практично ламінарного поступального руху робочої рідини, і тільки паралельно осі апарата, а також наявність неминучих при цьому застійних зон в придонному прошарку та на периферії апарата (на внутрішніх бічних стінках), що зумовлене обмеженими можливостями вибраного технічного рішення. Відомий також газліфтний барботажний апарат, який містить вертикально розташований циліндричний корпус з технологічними патрубками і розміщену в порожнині корпусу з радіальним зазором циркуляційну трубу, а також встановлений під циркуляційною трубою аератор [2]. За рахунок більш рівномірного розподілення газу та підвищення його диспергування зростає продуктивність технологічного процесу. Для руху потоків газорідинної суміші використовується потенціальна енергія стиснутого повітря. Процес культивування мікроорганізмів, як і більшість гетерогенних хімічних реакцій, безпосередньо залежить від кількості розчиненого в рідині газу і утворення та накопичення цільового продукту, зокрема біомаси. Підвищення ступеня розчинення газу в рідинній фазі реакції призводить також до скорочення його розходу та зменшення енерговитрат на аерацію. Недолік цього технічного рішення полягає у відносно низькій продуктивності технологічного процесу, збідненій кінематиці тепломасообміну та постійно присутніх зонах пасивної енергетики робочої рідини в придонному прошарку та на периферії внутрішньої поверхні корпусу, невідповідність ступеня аерації і тепломасообміну культурального середовища усередині циркуляційної труби і поза нею, а також прояв ефекту налипання до її поверхні. Цей газліфтний барботажний апарат є найбільш близьким до заявленого за технічною суттю та досягуваним ефектом і може бути визнаним за найближчий аналог. В основу винаходу поставлена задача підвищення продуктивності технологічного процесу шляхом інтенсифікації тепломасообміну по всьому об'єму апарата за допомогою штучного формування резонансного стану культурального середовища і породженої цим станом енергетичної активності робочої рідини. Поставлена задача вирішується тим, що заявлюваний винахід усуває недоліки відомого рішення, прийнятого за найближчий аналог, і пропонує нове ефективне технічне рішення з новим технічним результатом. Заявлений газліфтний барботажний апарат містить вертикально розташований циліндричний корпус з технологічними патрубками і розміщену в порожнині корпусу з радіальним зазором циркуляційну трубу, а також встановлений під циркуляційною трубою аератор, згідно з заявлюваним винаходом, газліфтний барботажний апарат обладнаний ззовні корпусу, протилежно, двома ультразвуковими випромінювачами з регульованим напрямом променів, один з яких формує резонансні коливання з частотою вищою за граничну і функціонально замінює циркуляційну трубу циліндричною каустикою, а другий випромінювач формує резонансні коливання з частотою нижчою за граничну і будує більшого радіуса другу циліндричну каустику поблизу внутрішньої поверхні корпуса апарата. Аналіз причинно-наслідкових зв'язків дає підстави для висновку, що наведені ознаки заявленого газліфтного барботажного апарата належать до суттєвих, бо забезпечують 1 UA 106962 C2 5 10 15 20 25 досягнення нового технічного результату, вигідно відрізняючи заявлений винахід від відомих аналогів і найближчого аналога. Технічний результат від використання заявленого газліфтного барботажного апарата забезпечується обладнанням ззовні корпусу, протилежно, двома ультразвуковими випромінювачами з регульованим напрямом променів, один з яких формує резонансні коливання з частотою вищою за граничну і функціонально замінює циркуляційну трубу циліндричною каустикою, а другий випромінювач формує резонансні коливання з частотою нижчою за граничну і будує більшого радіуса другу циліндричну каустику поблизу внутрішньої поверхні корпуса апарата. Прийнявши стальний корпус газліфтного барботажного апарата радіусом R=1 м і товщиною 2 мм окреслюємо його граничну частоту у 7260 Гц. На частоті ультразвукового випромінювання вищу за граничну, згинні коливання, швидкість яких залежить від частоти  випромінювання, за певного кута c променя, породжують резонанс хвильового співпадіння (кожній частоті  відповідає свій кут співпадіння c ) с0 sin c сліду швидкості згинних коливань c зг  і падаючої хвилі випромінювання с 0 , що створює ефект акустичної прозорості, коли звукове випромінювання без втрати енергії надходить усередину корпуса апарата. Внутрішня поверхня корпусу випромінює в культуральну рідину звукові хвилі, які внаслідок аберації формують співвісно осі апарата циліндричну каустику, тобто зону підвищеної енергії, радіуса c r1  R 0  0,46 . c зг Відповідно, звуковий випромінювач, який генерує промінь, набагато нижчої за граничну частоти, формує в корпусі апарата поздовжні хвилі із швидкістю сП , які не залежать від частоти випромінювання і, в свою чергу, також породжують ефект хвильового співпадіння, який, на c зг   / відміну від згинних коливань, залежить тільки від кута  с співпадіння і не залежить від частоти  випромінювання сП  с0 . / sin c Ці хвилі утворюють також циліндричну каустику, але радіуса 30 35 40 45 50 c 02  0,97 м , cП2 яка знаходиться біля внутрішньої поверхні корпуса і створює енергетичну активність робочої рідини на периферії. Таким чином, формування хвильового співпадіння штучно генерованими згинними, а також поздовжніми хвилями корпуса апарата, приводить в резонансний стан культуральну рідину, збурює її по всьому об'єму, ліквідує малоактивні і застійні зони. Циліндричні каустики вздовж осі апарата і біля його стінок додатково турбулізують робочу рідину і сприяють подальшій інтенсифікації процесів тепломасообміну і аерації, що, в свою чергу, підвищує продуктивність і якість технологічного процесу. Сукупність наведених ознак заявленого газліфтного барботажного апарата забезпечує досягнення нового технічного результату. Суть винаходу пояснюють креслення. На фіг. 1 схематично зображений в поздовжньому перерізі заявлюваний газліфтний барботажний апарат; на фіг. 2 показаний переріз А-А на фіг. 1. Заявлений газліфтний барботажний апарат (фіг. 1) використовується для культивування мікроорганізмів в рідинних середовищах при виготовленні вакцин та біологічно-активних речовин і містить вертикально розташований циліндричний корпус 1 з патрубком 2 для введення живильної рідини і посівного матеріалу, патрубком 3 для видалення культуральної рідини та патрубком 4 для відведення відпрацьованого газу. В порожнині корпусу 1, співвісно з ним, на днищі, розміщений аератор 5. Робота заявленого газліфтного барботажного апарата здійснюється наступним чином. r2  R 1  2 UA 106962 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 У попередньо простерилізований корпус 1 крізь патрубок 2 вводять робочу рідину, після чого, через аератор 5 впускають стиснений газ (повітря) і послідовно включають, попередньо налаштовані на хвильовий резонанс, ультразвукові випромінювачі 6 і 7. Стиснений газ у вигляді бульбашок 8 підіймається вгору і утворює рідинно-повітряну суміш, яка набагато легша від робочої рідини на периферії внутрішньої порожнини корпусу 1. Різна питома вага рідини на осі корпусу і поблизу внутрішньої поверхні корпусу породжує досить повільний ламінарний процес, до того ж тільки висотного напрямку руху, робочої рідини. В той же час, просторовий резонанс, який створюють всередині корпусу ультразвукові випромінювачі 6 і 7, турбулізує всю рідиннофазову складову вмісту корпуса 1 і примушує газові бульбашки рухатися без перешкод не тільки спрямовано вгору, але і в інших різноманітних напрямках, утримуючи їх довше в робочій рідині, збагачуючи тим самим суміш киснем і створюючи умови для інтенсивного росту клітин. Налагодження циліндричної каустики радіуса r2 досягається швидше за умови збільшення хвильового розміру корпуса 1, тобто при виконанні співвідношення [3] 2f kR   1. cP Наприклад, для вибраних чисельних параметрів R  1м , швидкості звуку в рідині с Р  1500 мс 1 , при частоті f  42 кГц kR  176  1. Створення енергетично активного, турбулентного, стану в робочій рідині без додаткових механічних засобів, просторовий рух повітряно-рідинної суміші, штучне збільшення часу взаємодії бульбашок кисню з робочою рідиною та відсутність в порожнині корпусу додаткових елементів конструкції для регулювання технологічного процесу, забезпечують однорідність суміші по всьому об'єму, усувають зони пасивної енергетики в апараті, мінімізують ефект налипання до поверхні додатково введених елементів конструкції. Таким чином, використання заявленого газліфтного барботажного апарата, завдяки новим властивостям, забезпечить енергетичну активність робочої рідини по всьому об'єму апарата, що суттєво підвищить продуктивність технологічного процесу і його якість. Джерела інформації: 1. А.с. 1497208 А1 СССР, С12М1/04. Аппарат для выращивания микроорганизмов [Текст]/ Ю.Ф. Давыдов, В.М. Геллис, В.К. Погудкин, В.М. Крац, В.Н. Соловьев, С.П. Уткин (СССР). - № 4109725/28-13; заявл. 21.08.86; опубл. 30.07.89, Бюл. № 28. - 1 с: ил. 2. А.с. 1708829 А1 СССР, С12М1/04. Газлифтный барботажный аппарат [Текст]/ Ю.Г. Куляшов, В.И. Горячкин, С.П. Уткин, Ю.Н. Талызин, А.С. Васильев, В.М. Крац (СССР). - № 4612860/13; заявл. 01.12.88; опубл. 30.01.92, Бюл. № 4. - 1 с: ил. 3. Шендеров, Е.Л. Волновые задачи гидроакустики [Текст]/: моногр. Е.Л. Шендеров, - Л.: Судостроение, 1972. - 352 с. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Газліфтний барботажний апарат, який містить вертикально розташований циліндричний корпус з технологічними патрубками і розміщену в порожнині корпусу з радіальним зазором циркуляційну трубу, а також встановлений під циркуляційною трубою аератор, який відрізняється тим, що обладнаний ззовні корпусу, протилежно, двома ультразвуковими випромінювачами з регульованим напрямом променів, один з яких формує резонансні коливання з частотою вищою за граничну і функціонально замінює циркуляційну трубу циліндричною каустикою, а другий випромінювач формує резонансні коливання з частотою нижчою за граничну і будує більшого радіуса другу циліндричну каустику поблизу внутрішньої поверхні корпуса апарата. 3 UA 106962 C2 Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4