Газліфтний барботажний апарат з керованим рухом стовпа повітряно-рідинної суміші

Реферат: Винахід належить до конструкції газліфтного барботажного апарата, який містить вертикально розташований циліндричний корпус з технологічними патрубками і розміщений в порожнині корпусу з радіальним зазором циркуляційний пристрій, а також встановлений під циркуляційним пристроєм аератор, причому циркуляційний пристрій має форму керованого парашута, з отвором в центрі купола та стропами, які приєднані нижніми кінцями до програмного пристрою, що регулює їх довжину та інтенсивність аерації, при цьому купол парашута виконаний із м'якої нелипкої матерії. UA 114053 C2 (12) UA 114053 C2 UA 114053 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. 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, який розміщений у верхній частині ємкості [1]. Апарат має можливість працювати за підвищеного барботування культуральної рідини в ємкості, тобто за інтенсивного постачання мікроорганізмів повітрям або киснем, отже і за енергійного споживання поживними речовинами. Це забезпечується усуненням стримуючого інтенсифікацію дріжджезростаючого 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 є 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 корпуса), 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 забезпечення 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 в постійно присутніх зонах пасивної енергетики культуральної рідини в придонному прошарку та на периферії внутрішньої поверхні корпусу, у невідповідності ступеня аерації і повноти тепломасообміну культурального середовища усередині циркуляційної труби та поза нею і у наявній небезпеці хімічної взаємодії поверхні циркуляційної труби з культуральним середовищем, а також у прояві ефекту налипання біомаси до поверхні циркуляційної труби. Цей газліфтний барботажний апарат є найбільш близьким до заявленого за технічною суттю та досягуваним ефектом і може бути визнаним за найближчий аналог. В основу заявленого винаходу поставлена задача підвищення продуктивності технологічного процесу шляхом зростання ступеня аерації і повноти тепломасообміну культурального середовища по всьому робочому об'єму апарата за допомогою штучного формування керованого просторового руху купола керованого парашута і прохідного крізь купол парашута стовпа повітряно-рідинної суміші. 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 з керованим рухом стовпа повітряно-рідинної суміші 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 винаходом, газліфтний барботажний апарат з керованим рухом стовпа повітряно-рідинної суміші обладнаний керованим парашутом, який розміщений на аераторі і виконує функції циркуляційної труби, купол керованого парашута виконаний з м'якої не липкої матерії, а довжина кожного із стропів може штучно змінюватися. 1 UA 114053 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Аналіз причинно-наслідкових зв'язків дає підстави для висновку, що наведені ознаки заявленого газліфтного барботажного апарата з керованим рухом стовпа повітряно-рідинної суміші належать до суттєвих, бо забезпечують досягнення нового технічного результату, вигідно відрізняючи заявлений винахід від відомих аналогів і найближчого аналогу. Технічний результат від використання заявленого газліфтного барботажного апарата з керованим рухом стовпа повітряно-рідинної суміші забезпечується обладнанням на аераторі керованого парашута з куполом із м'якої не липкої матерії і з штучною зміною довжини кожного із стропів. За умови, коли вихідна довжина стропів керованого парашута однакова, включення аератора сформує повітряно-рідинний стовп, який буде рухатися вертикально вгору, у бік кришки корпуса апарата, і за якусь мить наповнить купол керованого парашута повітрянорідинною сумішшю надавши йому сферичної форми. Висхідний потік повітряно-рідинної суміші, що піднімається до внутрішньої поверхні купола керованого парашута, надалі поділиться на дві частини. Одна, крізь отвір у центрі купола, продовжить поступальний рух вгору, інша заповнить простір під куполом у всіх напрямках, сформує певну підйомну силу і надалі буде утримуватися в такому стані натягнутими стропами. Підвищення інтенсивності аерації призведе до сферичного руху парашута відносно кріплення нижніх нерухомих кінців стропів (подібно до гальмуючих парашутів в авіації). Підвищення інтенсивності аерації призведе до росту частоти коливань купола парашута у сферичному рухові. Те ж саме буде коїтися за одночасного укорочення усіх стропів. Зменшення інтенсивності аерації, навпаки, призведе до збільшення амплітуди просторового руху купола парашута навколо нерухомої точки кріплення нижніх кінцівок стропів і, відповідно, утворить комфортне перемішування м'якою поверхнею купола усіх досягуваних шарів культуральної рідини. Програмна зміна довжини одного або декількох стропів порушить вихідну симетричну картину керованого парашута. Полотнище купола змінить вихідну сферу на невизначену складну динамічну форму і буде надалі то швидко, то повільно, рухатися у внутрішньому просторі корпуса апарата (подібно до того, як керує рухом парашутист), виконуючи функції лагідного перемішуючого елемента. Програмний пристрій забезпечить необхідну кінематичну структуру руху полотнища купола керованого парашута і, відповідно, здійснить повноту та якість процесу тепломасообміну і аерації культуральної рідини. Наявність зони пониженого тиску у висхідному потоку повітряно-рідинної суміші, а також під куполом парашута, в свою чергу, призведе до виникнення спрямованих плинних потоків з боку периферії і застійних зон і забезпечить повноту процесу тепломасообміну. Вибір нелипкої матерії купола керованого парашута виключить небезпеку хімічної взаємодії налипаючої біомаси з обладнанням. Сукупність наведених ознак заявленого газліфтного барботажного апарата з керованим рухом стовпа повітряно-рідинної суміші забезпечує досягнення нового технічного результату. Далі суть заявлюваного винаходу пояснюється відповідним описом та кресленнями, де: на фіг. 1 схематично зображений в поздовжньому перерізі заявлюваний газліфтний барботажний апарат з керованим рухом стовпа повітряно-рідинної суміші; на фіг 2 показаний переріз А-А на фіг. 1. Заявлений газліфтний барботажний апарат з керованим рухом стовпа повітряно-рідинної суміші (фіг. 1) використовується для культивування мікроорганізмів в рідинних середовищах 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 корпуса 1, співвісно з ним, на днищі розміщений аератор 5, у центрі аератора встановлений програмний пристрій 6 із з'єднаними з ним нижніми кінцями стропів 7, які утримують купол 8 керованого парашута. Робота заявленого газліфтного барботажного апарата з керованим рухом стовпа повітрянорідинної суміші здійснюється наступним чином. У попередньо простерилізований корпус 1 крізь патрубок 2 вводять робочу рідину, після чого, через аератор 5 впускають стиснений газ (повітря). Висхідний потік, що рухається вгору, підіймає купол 8 керованого парашута і натягує стропи 7. Включається програмний пристрій 6 і регулює інтенсивність аерації та довжину стропів таким чином, щоб пройти всі задані режими за визначений час і забезпечити повноту тепломасообміну і аерації, а потому і якість виготовлюваного продукту. Створення енергетично активного турбулентного стану робочої рідини, наявність повітрянорідинного стовпа усередині керованого парашута та на виході з його купола 8 через отвір 9, рух плинних потоків з боку днища корпуса 1 та з периферії циліндричної частини корпуса 1 разом із штучно створеним сферичним рухом керованого парашута відносно програмного пристрою 6 2 UA 114053 C2 5 створюють всі необхідні умови для підвищення продуктивності технологічного процесу і росту якості виготовлюваного продукту. Нарешті, значно зменшується матеріалоємкість обладнання. Таким чином, використання заявленого газліфтного барботажного апарата з керованим рухом стовпа повітряно-рідинної суміші, завдяки новим властивостям, забезпечить енергетичну активність робочої рідини у всьому об'ємі барботажного апарата та ліквідує зони пасивної енергетики культуральної рідини, забезпечить повноту і якість тепломасобміну і аерації культурального середовища, ліквідує ризик появи хімічної взаємодії робочої рідини з металевими елементами обладнання, усуне налипання біомаси на перемішуючі пристрої. Все зазначене буде слугувати росту продуктивності технологічного процесу. 10 15 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. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 20 25 Газліфтний барботажний апарат, який містить вертикально розташований циліндричний корпус з технологічними патрубками і розміщений в порожнині корпусу з радіальним зазором циркуляційний пристрій, а також встановлений під циркуляційним пристроєм аератор, який відрізняється тим, що циркуляційний пристрій має форму керованого парашута, з отвором в центрі купола та стропами, які приєднані нижніми кінцями до програмного пристрою, що регулює їх довжину та інтенсивність аерації, при цьому купол парашута виконаний із м'якої нелипкої матерії. 3 UA 114053 C2 Комп’ютерна верстка О. Гергіль Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4