Карачун В.В., Мельник В.М., Косова В.П.

Національний технічний університет України «КПІ»

ГАЗЛІФТНИЙ БАРБОТАЖНИЙ АПАРАТ НА ОСНОВІ ЕФЕКТУ РЕЗОНАНСА СПІВПАДАННЯ

Пропонуєма конструкція відноситься до газліфтних барботажних апаратів, і може бути використана для культивування мікроорганізмів в рідинних середовищах при виготовленні біологічно-активних речовин і вакцин.

Відомий газліфтний барботажний апарат (ГБА) для культивування мікроорганізмів, який містить циліндричний корпус з технологічними патрубками і розміщеними в його порожнині перфорованими тарілками (дисками) з переточними отворами, розташованими зовні корпусу циркуляційні труби, а також дисковий аератор.

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

Відомий також ГБА, який містить розміщені по спільній осі вертикально розташований корпус з технологічними патрубками і встановлену з зазором відносно стінок корпусу в його порожнині циркуляційну трубу, а також розташований під циркуляційною трубою спіральний трубчастий аератор.

Недолік цього ГБА полягає у відносно невисокій продуктивності внаслідок пасивного перемішування (масообміну) робочої рідини із-за її переміщення лише в одному напрямку, паралельно осі корпусу.

В основу пропонуємої конструкції поставлена задача вдосконалення ГБА, в якому шляхом обладнання барботажного апарату додатковим елементом, забезпечується, окрім осьового (висотного), також колове і радіальне (об’ємне) на всіх рівнях висоти корпусу переміщення робочої рідини, що інтенсифікує процес перемішування, а отже прискорює ріст мікроорганізмів і призводить до зростання продуктивності.

Поставлена задача вирішується тим, що в ГБА, 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, згідно корисної моделі новим є те, що ГБА обладнаний іззовні бічної поверхні циліндричного корпусу на спільній з корпусом рамі ультразвуковим випромінювачем.

Вказані відмітні ознаки при коловому і радіальному рухові робочої рідини по всій висоті корпусу, додатково до осьового її переміщення, що відсутнє в прототипі, інтенсифікує процес перемішування. Інтенсифікація процесу перемішування прискорює ріст мікроорганізмів і призводить до зростання продуктивності.

Рис.1 Рис. 2

На рис.1 схематично зображений заявляємий ГБА, загальний вигляд; на рис.2 – переріз А-А на рис. 1.

ГБА 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 “δ” встановлена циркуляційна труба 5 та розміщується під нею аератор 6. Від зміщень в корпусі 1 труба 5 забезпечена фіксуючими її положення, наприклад, радіально вгвинченими в неї шпильками 7, або іншими відомими способами (не показано). Корпус 1 розміщений на спільній рамі 8 разом з ультразвуковим випромінювачем 9.

Працює ГБА наступним чином.

У попередньо простерилізований корпус 1 крізь патрубок 2 вводять робочу рідину, після чого в аератор 6 впускають стиснений газ (повітря) і одночасно включають ультразвуковий 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 в середині циркуляційної труби і навколо неї породжує 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 звуковими хвилями 12 бічну поверхню корпусу 1 генеруючи в матералі корпусу поздовжні (колові) і поперечні (радіальні) хвилі, які будуть випромінювати в рідину досить широкий пучок звукових хвиль, який викличе “резонанс співпадання” у декількох видів звукових хвиль, внаслідок чого виникнуть зони збудження, де відбудеться різка концентрація енергії звукових хвиль на циліндричних поверхнях 13, 14 радіуса r1 і r2 в проміжку “δ” між внутрішньою поверхнею корпуса і зовнішньою поверхнею циркуляціної труби, а також на циліндричних поверхнях 15, 16 радіуса r3 та r4 всередині циркуляційної труби, так звані зони каустик (зображені фрагментарно, у вигляді обмежених дуг колових каустик), яка збільшить амплітуди коливань культуральної рідини інтенсивно турбулізуючи її по всій висоті корпусу двома циліндричними каустиками, що виключає появу застійних зон. Оскільки зони концентрації звукової енергії призведуть до інтенсивного просторового перемішування робочої рідини поряд із висотною циркуляцією 11, замість одновимірного руху в прототипі, інтенсивність процесу перемішування і, відповідно, масообміну виросте, а це прискорить ріст мікроорганізмів і підвищить продуктивність.