Карачун В.В.

Національний технічний університет України «КПІ»

ГАЗЛІФТНИЙ БАРБОТАЖНИЙ АПАРАТ З ЦИРКУЛЯЦІЙНОЮ ПІВСФЕРОЮ

Конструкція відноситься до біотехнології, а саме до газліфтних барботажних апаратів, і може бути використана в медицині і клінічних дослідженнях для вирощування мікроорганізмів або тканин.

Відомий газліфтний барботажний апарат (ГБА) для вирощування мікроорганізмів, який містить циліндричний корпус з технологічними патрубками і розміщений в його порожнині перфорованими тарілками (дисками) з переточними отворами, дисковий аератор, а також розташовані зовні корпусу циркуляційні труби (див. А.с. СССР № 1774654, С12М1/04, 1994).

Недоліки цього ГБА полягають у відносно великих габаритах та матеріалоємності внаслідок зовнішнього розташування циркуляційних труб.

Найбільш близьким до пропонуємої конструкції за технічним рішенням та досягаємим ефектом є прийнятий за найближчий аналог ГБА, який містить розміщені на спільній осі вертикально розташований циліндричний корпус з технологічними патрубками і встановлену із зазором відносно стінок корпусу в його порожнині циркуляційну трубу постійного діаметра, а також розташований під циркуляційною трубою спіральний трубчастий аератор (див. А.с. СССР № 1708829, С12М 1/04, 1992).

Недолік відомого ГБА полягає у відносно низькій продуктивності внаслідок помірного тепломасообміну і аерації (перемішування) культуральної рідини через сталі площі поперечних перетинів потоків, а отже, і швидкостей руху в них культуральної рідини по висоті апарату і в напрямку периферії.

В основу пропонує мого технічного рішення поставлена задача вдосконалення ГБА, в якому шляхом модифікації форми циркуляційної труби забезпечується активізація тепломасообміну і аерації культуральної рідини, що прискорює зростання мікроорганізмів і слугує росту продуктивності.

Поставлена задача вирішується тим, що в ГБА, який містить розміщені на спільній осі вертикально розташований циліндричний корпус з технологічними патрубками і встановлену із зазором відносно стінок корпусу в його порожнині циркуляційну трубу постійного діаметра, а також розташований під циркуляційною трубою спіральний трубчастий аератор, згідно корисної моделі новим є те, що циркуляційна труба має форму гладкої перекинутої півсфери з центральним коловим отвором на її вершині, меншим в діаметрі за аератор.

Надання циркуляційній трубі форми гладкої перекинутої півсфери з центральним коловим отвором на її вершині, меншим в діаметрі за аератор, на відміну від циліндричної форми забезпечує активізацію тепломасообміну і аерації культуральної рідини по висоті апарату і в напрямку периферії, а це додатково породжує турбулізацію культуральної рідини вихровими потоками, внаслідок чого стрімко росте інтенсивність перемішування. Інтенсифікація процесу перемішування слугує поліпшенню збагачення киснем біомаси, прискорює ріст мікроорганізмів і збільшує вихід пробіотиків, до складу яких входять живі клітини продуцентів, що забезпечує зростання продуктивності.

ГБА містить вертикально розташований циліндричний корпус 1 з патрубком 2 для введення живильної рідини і посівного матеріалу (культуральна рідина), патрубок 3 для видалення культуральної рідини та патрубок 4 для видалення відпрацьованого газу (фіг. 1). В порожнині корпусу 1, вздовж його осі, встановлена гладка перекинута півсфера 5 радіусом R (наприклад, з нержавіючої сталі) з центральним коловим отвором 6 на її вершині, меншим в діаметрі за аератор 7, та розміщений під нею аератор 7. Півсфера зафіксована від зміщень кріпленнями 8, або іншим відомим способом, і утворює з внутрішньою поверхнею корпусу 1 змінний по висоті радіальний зазор “δ” (фіг. 2).

Працює ГБА наступним чином.

В попередньо простерилізований корпус 1 крізь патрубок 2 вводять культуральну рідину 8, після чого в аератор 7 подають стиснений газ (повітря), який у вигляді численних бульбашок 10 надходить в культуральну рідину 9 утворюючи висхідні потоки 11 у вигляді газового стовпа, одні з яких, потоки 12, досягають півсфери 5 і, обтікаючи її поверхню ззовні, рухаються вгору, а інші, потоки 13, надходять до центрального отвору 6 півсфери 5 і теж рухаються вгору, але усередині півсфери. Висхідні потоки 11 утворюють в культуральній рідині 9 зону зниженого тиску, куди стрімко прямують потоки культуральної рідини 14 нижньої частини корпусу і удосталь збагачуються киснем. В центральній частині корпусу 1, обтікаючи висхідні потоки газу 12 утворюють по всій зовнішній поверхні півсфери 5 зону зниженого тиску, куди прямують потоки 15 культуральної рідини і теж інтенсивно збагачуються киснем. У верхній частині корпусу 1 висхідні потоки 13 утворюють газовий стовп на осі корпусу, а висхідні потоки 12 утворюють співвісну циліндричну оболонку. Потоки 16 культуральної рідини рухаються з периферії в бік газової оболонки, а потоки 17, 18 рухаються в порожнину між газовим стовпом і газовою циліндричною оболонкою в протилежних напрямках і теж інтенсивно збагачуються киснем. Усередині півсфери 5 потоки 19 культуральної рідини рухаються з периферії до центрального газового стовпа і збагачуються киснем. Циркуляція газових і рідинних потоків відбувається до тих пір, поки газ надходить з аератора до внутрішнього об’єму корпусу 1. Відпрацьований газ через патрубок 2 видаляється у навколишнє середовище.

Енергійна взаємодія потоків 14, 15, 16, 17 і 18 культуральної рідини в зонах підвищеного і зниженого тиску у всьому робочому об’ємі суттєво турубулізує рідину 9 і інтенсифікує процес перемішування, слугує поліпшенню збагачення киснем біомаси, прискорює ріст мікроорганізмів і збільшує вихід пробіотиків, до складу яких входять живі клітини продуцентів, що забезпечує зростання продуктивності.

По закінченні процесу вирощування мікроорганізмів, аератор 7 відключається, а готовий для подальшого використання продукт зливається назовні крізь патрубок 3.