Газліфтний барботажний апарат з ультразвуковим перемішувачем

Реферат: Запропоновано 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 своєї бічної поверхні на спільній основі ультразвуковим перемішувачем, напрям проміння якого на означеній відстані і висоті регулюється кутами повороту випромінювача в горизонтальній і вертикальній площині. UA 106961 C2 (12) UA 106961 C2 UA 106961 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 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 дріжжезростаючого 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 матеріалоємність апарату, підвищене піноутворення, відносно невисока продуктивність технологічного процесу внаслідок пасивного перемішування і практично ламінарного поступального руху робочої рідини, і тільки паралельно осі апарату, І а також наявність неминучих при цьому застійних зон в придонному прошарку та на периферії апарату (на внутрішніх бічних стінках), що зумовлене обмеженими можливостями обраного 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 утворенням та накопиченням 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, збідненій кінематиці процесу тепломасообміну та постійно присутніх зон пасивної енергетики робочої рідини в придонному прошарку та наявність малорухомих шарів на периферії внутрішньої поверхні корпусу. 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 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 з ультразвуковим перемішувачем 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 заявляемого винаходу газліфтний барботажний апарат обладнаний ззовні своєї бічної поверхні на спільній основі ультразвуковим перемішувачем, напрям променя якого на означеній відстані і висоті регулюється кутами повороту випромінювача в горизонтальній і вертикальній площині. Аналіз причинно-наслідкових зв'язків дає підстави дійти висновку, що наведені ознаки заявленого газліфтного барботажного апарату з ультразвуковим перемішувачем 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 апарату з ультразвуковим перемішувачем забезпечується обладнанням газліфтного барботажного 1 UA 106961 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 апарату ззовні його бічної поверхні на спільній основі ультразвуковим перемішувачем, напрям проміння якого на означеній відстані і висоті регулюється кутами повороту випромінювача в горизонтальній і вертикальній площині. Регулювання напряму ультразвукового проміння має на меті визначити такий кут в (пеленг) і кут у/ (кут місця) між променем і нормаллю до поверхні корпуса в даній точці, коли слід генеруємої в поверхні корпуса колової (вздовж паралелі) швидкості сп і падаючої звукової хвилі співпадають, тобто має місце рівність , яка окреслює умову народження резонансного стану, тобто, хвильового співпадання (с0 швидкість падаючої звукової хвилі). Це означає, що механічний імпеданс корпусу газліфтного апарату стає рівним нулю і відбувається трансляція енергії звукового випромінювання всередину барботажного апарату за повної відсутності дисипації енергії, так зване явище "акустичної прозорості". Причому, виникнення хвильового співпадання не залежить від частоти випромінювання і може виявитися тільки за наявності відповідного кута падіння в [3]. При інших значеннях кута в, звукопередача крізь корпус апарату миттєво знижується. Ультразвукове випромінювання дозволяє докорінно збільшити хвильовий розмір внутрішньої циліндричної поверхні корпусу і забезпечити виконання обов'язкової нерівності Так, якщо матеріал корпусу сталь, радіус апарату R=1 м, швидкість звуку в повітрі со = 331 1 мс , а частота випромінювання f=42 кГц, хвильовий розмір корпусу буде дорівнювати 176, тобто стане набагато більшим від одиниці. За цих умов, колова швидкість сп буде випромінювати в робочу рідину звукову хвилю, яка з вектором ср швидкості звуку в рідині складе кут (явище аберації) В результаті, левова частка енергії звукової хвилі буде зосереджуватися в коловій циліндричній поверхні (зона каустики) радіуса тобто на відстані 3 см від внутрішньої поверхні корпусу. Таким чином, зони пасивної енергетики придонних шарів та на периферії, тобто поблизу внутрішньої поверхні корпуса апарату, активізуються і приймають енергійну участь в тепломасообміні по всьому об'єму апарату, внаслідок чого підвищується продуктивність і якість технологічного процесу. Сукупність наведених ознак заявленого газліфтного барботажного апарату з ультразвуковим перемішувачем забезпечує досягнення нового технічного результату. Далі сутність заявляемого винаходу пояснюється відповідним описом та кресленнями, де: на фіг. 1 схематично зображений в поздовжньому перерізі заявлюваний газліфтний барботажний апарат з ультразвуковим перемішувачем; на фіг. 2 показаний переріз А-А на фіг. 1. Заявлений газліфтний барботажний апарат з ультразвуковим перемішувачем (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 (робоча рідина), патрубком 3 для видалення культуральної рідини та патрубком 4 для відведення відпрацьованого газу. В порожнині корпусу 1, співвісно з ним, з радіальним зазором 8 встановлена циркуляційна труба 5, а під нею розміщується аератор 6. Від непередбачених технологічним процесом переміщень в корпусі 1 труба 5 забезпечена фіксаторами її положення, наприклад, радіально вгвинченими в неї шпильками 7, або іншими відомими способами (не показано). Корпус 1 розміщений на спільній основі 8 з ультразвуковим випромінювачем 9. Робота заявленого газліфтного барботажного апарату з ультразвуковим перемішувачем здійснюється наступним чином. У попередньо простерилізований корпус 1 крізь патрубок 2 вводять робочу рідину, після чого через аератор 6 впускають стиснений газ (повітря) і одночасно включають ультразвуковий 2 UA 106961 C2 5 10 15 20 25 30 35 випромінювач 9. Стиснений газ у вигляді бульбашок 10 надходить в циркуляційну трубу 5 і утворює з робочою рідиною рідинно-повітряну суміш, яка набагато легша від робочої рідини, що знаходиться в зазорі "δ" між трубою і корпусом 1. Доки надходить повітря, різна щільність (питома вага) робочої рідини всередині циркуляційної труби і навколо неї буде породжувати висотну циркуляцію 11 рідинного середовища в корпусі 1. Відпрацьоване повітря через патрубок 4 видаляється в навколишнє середовище. Одночасно з цим, ультразвуковий випромінювач 9 починає опромінювати звуковим променем 12 бічну поверхню корпусу 1 на відстані Н від основи, штучно генеруючи в матеріалі корпусу колові хвилі.  Змінюючи кут θ і кут ψ між нормаллю до зовнішньої поверхні корпусу 1 і напрямом n ультразвукового проміння, досягаємо хвильового співпадання у вигляді стрімкого росту енергетичної активності робочої рідини окресленої циліндром радіуса r, так звана зона каустики 13, поблизу внутрішньої поверхні корпусу 1 в проміжку "θ". Різка концентрація звукової енергії зумовлена ефектом аберації генеруємої корпусом 1 в рідину звукової хвилі (за відсутності аберації звукових хвиль зона каустики вироджується в пряму лінію, яка співпадає з віссю корпуса 1 апарату). Зона каустики збільшує амплітуду коливань культуральної рідини, інтенсивно турбулізуючи її по всім напрямкам в придонному шарі та на периферії, що ефективно ліквідує застійні зони. Оскільки зони концентрації звукової енергії додатково призведуть до інтенсивного просторового перемішування робочої рідини, разом із висотною циркуляцією 11, інтенсивність процесу перемішування, у порівнянні з одновимірним рухом в прототипі, і, відповідно, якість масообміну зростуть, штучне формування резонансного стану культурального середовища активізує роботу рідини, внаслідок чого зони пасивної енергетики робочої рідини в придонному прошарку і на периферії внутрішнього об'єму апарату щезнуть, а це прискорить ріст мікроорганізмів і підвищить продуктивність технологічного процесу. Таким чином, використання заявленого газліфтного барботажного апарату з ультразвуковим перемішувачем, за допомогою нових властивостей, забезпечить енергетичну активність робочої рідини по всьому об'єму, що кардинально підвищить продуктивність технологічного процесу. 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, СП. 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, СП. 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 40 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 своєї бічної поверхні на спільній основі ультразвуковим перемішувачем, напрям проміння якого на означеній відстані і висоті регулюється кутами повороту випромінювача в горизонтальній і вертикальній площині. 3 UA 106961 C2 4 UA 106961 C2 Комп’ютерна верстка І. Мироненко 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 5