Мельник В.М.

Національний технічний університет України «КПІ»

БАРБОТАЖНИЙ АПАРАТ З ЦЕНТРАЛЬНИМ ПОРШНЕМ

Конструкція 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].

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].

В основу роботи пропонуємої конструкції поставлена задача підвищення продуктивності технологічного процесу шляхом інтенсифікації тепломасообміну по всьому об’єму апарата за допомогою штучного формування енергетичної активності культуральної рідини.

Поставлена задача вирішується тим, що усуваються недоліки відомих рішень і пропонується нове ефективне технічне рішення з новим технічним результатом.

Газліфтний барботажний апарат з центральним поршнем 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 заявляємого винаходу газліфтний барботажний апарат обладнано пустотілим приводним валом з реверсивним приводом і рухомою втулкою для забезпечення зворотно-поступального руху уздовж вала, яка становить з пустотілим приводним валом гвинтову пару, до втулки приєднаний перемішуючий елемент у вигляді колової форми поршня, який вільно переміщується усередині циркуляційної труби і убезпечений від обертання паралельною до осі пустотілого приводного валу напрямною, а бічна поверхня циркуляційної труби має рівномірно розташовані, заданого типорозміру, поздовжні прямокутні вікна.

Аналіз причинно-наслідкових зв’язків дає підстави для висновку, що наведені ознаки газліфтного барботажного апарату з центральним поршнем належать до суттєвих, бо забезпечують досягнення нового технічного результату, вигідно відрізняючи його від відомих конструкцій.

Технічний результат від використання заявленого газліфтного барботажного апарату з центральним поршнем забезпечується обладнанням усередині корпуса барботажного апарату пустотілого приводного валу з реверсивним приводом і рухомою втулкою для забезпечення зворотно-поступального руху уздовж вала, яка становить з пустотілим приводним валом гвинтову пару, а до втулки приєднаний перемішуючий елемент у вигляді колової форми поршня, який вільно переміщується усередині циркуляційної труби і убезпечений від обертання паралельною до осі пустотілого приводного валу напрямною, а бічна поверхня циркуляційної труби має рівномірно розташовані, заданого типорозміру, поздовжні прямокутні вікна.

За допомогою аератора, біля днища апарату утворюється повітряно-рідинна суміш, яка доволі швидко просувається вгору, у бік кришки апарату. Щільність повітряно-рідинної суміші усередині циркуляційної труби менша за щільність шарів культуральної рідини, яка знаходиться поза циркуляційною трубою, тобто в проміжку між трубою і корпусом апарату, тому потоки культуральної рідини линуть крізь вікна циркуляційної труби від нерухомої периферії усередину труби, де вдосталь збагачуються киснем газу, що надходить з аератора, а також здійснюють тепломасообмін з культуральною рідиною у внутрішньому об’ємі циркуляційної труби.

Поршень, що рухається, видавлює збагачену киснем культуральну рідину в бік днища апарату, де вона розходиться по всій поверхні дна і далі у бік стінок корпуса апарату, примушуючи рухатися мляві периферійні шари і збагачуючи їх киснем. У верхні частині вікон, культуральна рідина надходить від стінок корпуса усередину циркуляційної труби, в нижній частині вікон, навпаки, переважає рух культуральної рідини із циркуляціної труби до стінок корпуса. На цьому протиході формується турбулентність, яка створює потрібні умови для масообміну, аерації і розвитку клітин мікроорганізмів.

Таким чином, плинні горизотальні потоки культуральної рідини із збіднених киснем периферійних прошарків до центру апарату, а також енергійний рух потоків по висоті апарату, завдяки поршню, слугують підвищенню якості технологічного процесу та росту продуктивності.

Газліфтнй барботажний апарат з центральним поршнем (рис. 1) використовується для культивування мікроорганізмів в рідинних середовищах при виготовленні вакцин та біологічно-активних речовин і містить верткально розташований циліндричний корпус 1 з патрубком 2 для введення живильної рідии і посівного матеріалу, патрубок 3 з аератором 4, патрубок 5 для видалення культуральної рідини та патрубок 6 для відведення відпрацьованого газу.

Уздовж осі корпуса 1 розміщений приєднаний до мотор-редуктора 7 з командно-реверсуючим пристроєм 8 пустотілий приводний вал 9 з рухомою втулкою 10, контактуючі поверхні яких складають гвинтову пару. До рухомої втулки 10 приєднаний перемішуючий елемнт у вигляді колової форми поршня 11, який убезпечений від обертання паралельною до осі пустотілого приводного валу 9 напрямною 12, циліндричний корпус 1 апарату усередині обладнаний із зазором “” циркуляційною трубою 13 з рівномірно розташованими, заданого типорозміру, поздовжніми прямокутними вікнами 14. Поршень 11 вільно переміщується у циркуляційній трубі 13.

Робота газліфтного барботажного апарату з центральним поршнем здійснюється наступним чином.

Рис. 1

У попередньо простерилізований апарат до корпуса 1 уводять черз патрубок 2 живильну рідину і посівний матеріал, після чого, через патрубок 3 подають до аератора 4 газ для аерації культуральної рідини і вмикають командно-реверсуючий пристрій 8, за сигналами якого приходить в дію мотор-редуктор 7 і пустотілий вал 9, який в межах заданого командно-реверсуючим пристроєм 8 ходу “Н” надає зворотно-поступального переміщення рухомій втулці 10 і, приєднаному до неї і убезпеченому від обертання напрямною 12, перемішуючому елементу у вигляді колової форми поршня 11, який приєднаний до втулки 10.

Рухаючися поступально донизу, нижня поверхня 15 поршня видавлює розташовану під нею культуральну рідину через циркуляційну трубу 13 в бік днища апарату у вигляді потоків 16, та через вікна 14 до стінок корпуса 1 у вигляді потоків 17. В той же час, периферійні шари біля поверхні корпуса 1 починають рухатися через вікна 14 до центру апарату потоками 18, в зону зниженого тиску повітряно-рідинної суміші.

Висхідні потоки 19 газово-рідинної суміші створеної аератором рухаються вгору, у бік кришки апарату, і, зустрічаючися із потоками 17 від поршня, турбулізуються.

Якщо рух поршня 11 здійснюється в зворотному напрямку, картина руху потоків повторюється.

Відсутність в апараті обертаючихся елементів слугує зниженню зайвого ризику пошкодження оболонок клітин.

Таким чином, використання газліфтного барботажного апарату з центральним поршнем, за допомогою нових властивостей, буде підвищувати якість та інтенсивність тепломасообміну і аерації культуральної рідини протягом всього часу роботи апарату, забезпечує швидкий розвиток клітин і, відповідно, підвищує 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, 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.