Аппарат для перемешивания и/или аэрации жидких и вязкотекучих продуктов при проведении биохимических процессов

Полезная модель относится к конструкциям контактных аппаратов, применяемых для проведения процессов в многофазных системах, и может быть использована в химической, пищевой, микробиологической и других отраслях промышленности. Создан эффективный многофункциональный газо-вихревой аппарат для перемешивания и/или аэрации как жидких, так и вязкотекучих продуктов (до 1300 градусов Энглера и выше) при осуществлении биохимических процессов. Аппарат содержит цилиндрическую емкость с крышкой и патрубками соответственно для подачи газа и отвода газообразной среды и устройство для перемешивания среды, включающее горизонтальное лопастное колесо, укрепленное на вертикальном валу и размещенное в верхней части емкости непосредственно под крышкой, кольцевую перегородку, установленную в емкости соосно лопастному колесу с образованием зазора между цилиндрической стенкой емкости и кольцевой перегородкой и механизм регулирования положения кольцевой перегородки по высоте относительно поверхности перемешиваемой жидкости. Кольцевая перегородка снабжена втулкой, расположенной над кольцевой перегородкой соосно последней и прикрепленной к этой кольцевой перегородке посредством наклонных стоек, механизм регулирования положения кольцевой перегородки относительно поверхности перемешиваемой жидкости выполнен в виде штанги, установленной вертикально в емкости соосно последней и прикрепленной одним концом через патрубок слива продукта к днищу, другой конец которой пропущен через втулку кольцевой перегородки с возможностью вращения последней и снабжен фиксатором положения кольцевой перегородки относительно штанги или фиксатором положения штанги относительно цилиндрической емкости.

Полезная модель относится к конструкциям контактных аппаратов, применяемых для проведения процессов в многофазных системах, и может быть использована в химической, пищевой, микробиологической и других отраслях промышленности для растворения порошков и проведения биохимических реакций в жидкостях различной вязкости, в том числе при проведении ферментативных и микробиологических процессов.

Известны механические перемешивающие устройства (мешалки), используемые в биохимических реакторах (Н.Н.Смирнов. Биохимические реакторы. - Ленинград «Химия», 1987. - с.21-27).

Механические перемешивающие устройства неэффективно использовать во многих биохимических процессах. Недостатком механических мешалок является, например, высокая степень травмируемости микроорганизмов и клеток при их суспензионном культивировании. При перемешивании вязкотекучих жидкостей образуются застойные зоны, ухудшающие качество перемешивания. При перемешивании густой массы до 70% энергии переходит в теплоту, что значительно повышает энергозатраты, а локальный перегрев перемешиваемой массы вызывает инактивацию ферментов, например, при биоконверсии крахмала в патоку, повышает их расход.

Известно устройство для перемешивания вязкотекучих жидкостей, например, при получении крахмальной патоки, включающее варочный котел и установленное в нем средство перемешивания, в качестве которого используют вибрационную насадку, содержащую полую штангу, укрепленную на ней тарелку с конусообразными отверстиями,

обращенными меньшими основаниями вниз. Впускной обратный клапан размещен внутри штанги в ее нижней части. Запорный вентиль установлен на отводном патрубке в верхней части штанги (Патент РФ №2061048, Кл. С 13 К 1/04, опубл. 27.05.1996 г.). В варочный котел заливается раствор серной кислоты и доводится до кипения. После чего приводится в действие вибрационная насадка, которая создает вибрационное перемешивание раствора с интенсивностью вибрации от 0,8 до 1,2 кВт/м². Затем в котел подается подкисленная серной кислотой водная суспензия крахмала. Происходит заваривание крахмала с последующим кипячением образовавшегося растворимого крахмала. После нейтрализации серной кислоты и упаривания патоки открывают запорный вентиль и осуществляют откачку готового продукта. Вибрационная насадка функционирует во время всего процесса изготовления крахмальной патоки, обеспечивая перемешивание раствора внутри котла. Это обусловлено тем, что из-за разницы гидравлических сопротивлений при диффузорном и конфузорном истечении раствора через конические отверстия при вибрации тарелки между ее поверхностями возникает перепад давлений (при истечении жидкости через сужающееся отверстие гидравлическое сопротивление выше, чем при истечении жидкости через расширяющееся отверстие), который приводит к возникновению циркуляции раствора и наряду с вибрационным полем обеспечивает его интенсивное перемешивание.

Такое перемешивающее устройство нельзя использовать во многих биохимических процессах: при ферментативной биоконверсии крахмала в патоку или при суспензионном культивировании микроорганизмов в связи с инактивацией ферментов или микроорганизмов ультразвуком.

Известен аппарат для газо-вихревого перемешивания и аэрации жидкости при суспензионном культивировании клеток тканей и микроорганизмов (авт. св. СССР N 1331888, кл. С 12 М 1/04, опубл. 1987), включающий закрытую емкость, к днищу которой присоединены патрубки для подачи аэрирующего газа. Одна группа патрубков расположена тангенциально, а другая

параллельно цилиндрической стенке емкости. В процессе культивирования аэрирующий газ вовлекается сразу в вихревое движение с одновременной циркуляцией в виде восходящих и нисходящих потоков вдоль оси аппарата.

Однако аппарат не пригоден для перемешивания вязкотекучих жидкостей. Кроме того, такой аппарат невозможно использовать для перемешивания и аэрации в процессе культивирования легко травмируемых клеток тканей животных и человека, так как в суспензии образуется множество пузырьков газа, при разрушении которых будет гибнуть значительное количество клеток. Аэрация продувкой газа вызывает пенообразование, которое также приведет к гибели части клеток. Для гашения пены потребуется введение дорогостоящих нетоксичных химических пеногасителей в питательную среду, в результате чего усложнится технологический процесс

культивирования, а использование пеногасителя приведет к ухудшению качества культурной среды.

Известен другой аппарат для газовихревого перемешивания и аэрации жидкостей при суспензионном культивировании клеток тканей или микроорганизмов (Заявка РСТ №92/05245, кл. С 12 М 1/04, опубликована 02.04.92), содержащий цилиндрическую емкость с крышкой и патрубками для подвода и отвода газа и устройство для аэрации и перемешивания среды. Устройство для аэрации и перемешивания содержит горизонтальное лопастное колесо, укрепленное на вертикальном приводном валу, размещенное в верхней части емкости непосредственно под крышкой, и расположенную под ним кольцевую пластину с центральным отверстием для отвода газа, прикрепленную по периферии к стенке емкости с образованием кольцевой полости вокруг колеса для подвода и отвода газа. В кольцевой перегородке выполнены щелевые отверстия для прохода газа, расположенные равномерно по окружности под наклоном к горизонтальной плоскости. Патрубок для подвода газа установлен в крышке соосно лопастному колесу, а патрубок для отвода газа подключен к указанной кольцевой полости и размещен на краю крышки.

Такой аппарат не обеспечивает эффективное перемешивание вязкотекучих жидкостей даже при высоких скоростях движения газа над их поверхностью. Другим недостатком аппарата является то, что при проведении в нем микробиологических процессов, формирование осесимметричного вихревого движения жидкости (потенциальный вихрь с осевым противотоком) в таком аппарате достигается при высоких скоростях движения газа (свыше 15-18 м/с) над поверхностью этой жидкости, т.е. связано с большими энергозатратами. При этом происходит захват капель жидкости с поверхности суспензии клеток с последующим выбросом их на стенку емкости. Клетки в каплях жидкости травмируются от удара о стенку аппарата, т.е. имеет место массовая гибель клеток. При снижении скорости движения газа (6-8 м/с) над поверхностью суспензии клеток наблюдается неустойчивое течение жидкости, т.е. периодическая смена режима осесимметричного вихревого движения жидкости на режим автоколебания жидкости, при котором возникает бегущая вдоль стенки емкости волна. Поверхность жидкости искривляется и представляет собой асимметричный параболоид вращения. Вся жидкость в аппарате колеблется как единое целое, раскачивая весь аппарат, что неблагоприятно сказывается на процессе культивирования клеток. Кроме того, конструкция аппарата позволяет культивировать клетки при высоте заполнения емкости, равной или менее одного диаметра этой емкости. Если высота заполнения емкости суспензией клеток более одного диаметра этой емкости, то у дна ее образуется застойная зона. При культивировании клетки неизбежно оседают в эту зону и гибнут от недостатка кислорода.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является аппарат для газовихревого перемешивания и аэрации жидкости, например, при суспензионном культивировании клеток тканей или микроорганизмов, содержащем цилиндрическую емкость с крышкой и патрубками соответственно для подачи аэрирующего газа и отвода газообразной среды и устройство для аэрации и перемешивания среды, включающее

горизонтальное лопастное колесо, укрепленное на вертикальном полом валу и размещенное в верхней части емкости непосредственно под крышкой, согласно изобретению устройство для аэрации и перемешивания среды снабжено кольцевой перегородкой, установленной в емкости соосно лопастному колесу с образованием зазора между цилиндрической стенкой емкости и кольцевой перегородкой и механизмом регулирования положения кольцевой перегородки относительно поверхности суспензии клеток. В соответствии с одним из вариантов выполнения изобретения механизм регулирования положения кольцевой перегородки относительно поверхности суспензии клеток выполнен в виде стоек, прикрепленных к крышке емкости и кольцевой перегородке посредством фиксаторов с возможностью изменения положения кольцевой перегородки относительно высоты емкости. Механизм при таком конструктивном выполнении наиболее прост в изготовлении. В соответствии с другим вариантом выполнения изобретения механизм регулирования положения кольцевой перегородки относительно поверхности суспензии клеток выполнен в виде поплавков с направляющими лопастями, прикрепленными к верхней поверхности кольцевой перегородки. Механизм при таком конструктивном выполнении позволяет автоматически поддерживать кольцевую перегородку в жидкости на определенной глубине независимо от высоты заполнения емкости суспензией клеток. Кроме того, плавающая кольцевая перегородка снижает или устраняет совсем трение между ее поверхностью и вращающимся потоком суспензии клеток, что снижает энергозатраты на аэрацию и перемешивание жидкой среды (Патент РФ №2099413, Кл. С 12 N 1/04, опубл. 20.12.97 г.).

Однако такой аппарат (прототип) не позволяет его использовать для перемешивания вязкотекучих жидкостей, например, при ферментативной биоконверсии крахмала в патоку. Кольцевая перегородка при ее неподвижном креплении на стойках, создает высокое сопротивление движению густой массы жидкости, тормозя процесс перемешивания.

В одном из вариантов выполнения фиксатор положения кольцевой перегородки относительно штанги выполнен в виде поплавков, прикрепленных к верхней поверхности кольцевой перегородки и выполненных в виде емкостей, герметично закрытых или открытых в нижней части со стороны перемешиваемой жидкости.

В другом варианте выполнения фиксатор положения кольцевой перегородки относительно штанги выполнен в виде дополнительной втулки с ограничителями хода кольцевой перегородки, установленной между штангой и втулкой кольцевой перегородки с возможностью вращения последней и одного или нескольких зажимных элементов, выполненных в виде пары «винт-гайка», для неподвижного крепления дополнительной втулки в кольцевом пазе штанги.

Причем, нижний конец штанги, размещенный в патрубке слива продукта, может быть пропущен через указанный патрубок слива и герметичное уплотнение в его торце и снабжен механизмом осевого перемещения штанги, включающий штурвал на нижнем конце штанги для ее вращения, резьбу, выполненную на боковой поверхности верхней части штанги и гайку, установленную на штанге на участке с резьбой и неподвижно закрепленную в патрубке слива продукта.

В предлагаемом аппарате для перемешивания и/или аэрации жидкостей конструкция обоих вариантов выполнения механизма регулирования положения кольцевой перегородки относительно поверхности перемешиваемой жидкости обеспечивает соосное стабильное положение кольцевой перегородки на определенном уровне над поверхностью перемешиваемой жидкости в цилиндрической емкости аппарата и беспрепятственное вращение кольцевой перегородки относительно оси этой емкости, что позволяет эффективно перемешивать как жидкие, так и вязкотекучие продукты без существенной потери энергии.

На фиг.1 представлена схема аппарата для перемешивания и/или аэрации жидкостей с первым вариантом выполнения фиксатора положения

кольцевой перегородки относительно штанги. На фиг.2 представлен второй вариант выполнения фиксатора положения кольцевой перегородки относительно штанги. На фиг.3 представлен второй вариант выполнения фиксатора положения кольцевой перегородки относительно штанги с механизмом осевого перемещения этой штанги.

Аппарат для перемешивания и/или аэрации жидких и вязкотекучих продуктов при проведении биохимических процессов содержит термостатированную цилиндрическую емкость 1 с крышкой 2 и патрубками 3, 4, 5, 6 и 7 соответственно для подачи и отвода газа, подачи сырья, отвода готового продукта или микроносителя и подачи и отвода теплоносителя. Устройство для перемешивания и/или аэрации среды включает горизонтальное лопастное колесо 8, укрепленное на вертикальном валу 9 и размещенное в верхней части емкости 1 непосредственно под крышкой 2. В емкости 1 установлена кольцевая перегородка 10 соосно лопастному колесу 8 с образованием зазора между цилиндрической стенкой емкости 1 и кольцевой перегородкой 10. Кольцевая перегородка 10 снабжена втулкой 11, расположенной над этой перегородкой соосно последней и прикрепленной к кольцевой перегородке 10 посредством наклонных стоек 12. Механизм регулирования положения кольцевой перегородки 10 относительно поверхности перемешиваемой жидкости выполнен в виде штанги 13, установленной вертикально в емкости 1 соосно последней и прикрепленной одним (нижним) концом через патрубок 5 слива продукта к днищу емкости 1, другой (верхний) вконец которой пропущен через втулку 11 кольцевой перегородки 10 с возможностью вращения последней и снабжен фиксатором положения кольцевой перегородки 10 относительно штанги 13.

В одном из вариантов выполнения (фиг.1) фиксатор положения кольцевой перегородки 10 относительно штанги 13 выполнен в виде поплавков 14, прикрепленных к верхней поверхности кольцевой перегородки 10 и

выполненных в виде емкостей, герметично закрытых (А) или открытых (Б) в нижней части со стороны перемешиваемой жидкости.

В другом варианте выполнения (фиг.2) фиксатор положения кольцевой перегородки 10 относительно штанги 13 выполнен в виде дополнительной втулки 15 с верхним и нижнем ограничителями 16 и 17 хода кольцевой перегородки 10, установленной между штангой 13 и втулкой 11 кольцевой перегородки 10 с возможностью вращения последней и одного или нескольких зажимных элементов 18, выполненных в виде пары «винт-гайка», для неподвижного крепления дополнительной втулки 15 в кольцевом пазе 19 штанги 13.

Причем, нижний конец штанги 13, размещенный в патрубке 5 слива продукта, может быть пропущен через указанный патрубок 5 слива и герметичное уплотнение 20 в его торце и снабжен механизмом осевого перемещения штанги 13 (фиг.3), включающий штурвал 21 на нижнем конце штанги 13 для вращения этой штанги, резьбу 22, выполненную на боковой поверхности верхней части штанги 13 и гайку 23, установленную на штанге 13 на участке с резьбой 22 и неподвижно закрепленную в патрубке 5 слива продукта.

Работа предлагаемого аппарата осуществляется следующим образом.

Пример 1. Работа аппарата для перемешивания и аэрации жидкости в условиях культивирования культур клеток микроорганизмов.

Цилиндрическую емкость 1 с установленной кольцевой перегородкой 10 в стерильных условиях заполняют питательной средой так, чтобы над поверхностью среды в верхней части емкости оставалась полость для движения аэрирующего газа, а кольцевая перегородка 10 с поплавками 14 располагалась в питательной среде у ее поверхности, например так, как показано на фиг.1. Далее устанавливают для культивирования клеток требуемый температурный режим, вводят посевную дозу клеток и включают привод вращения колеса 8. В зависимости от требований технологии устанавливают необходимое число оборотов лопастного колеса 8, при

вращении которого над поверхностью суспензии клеток создается разряжение в приосевой зоне емкости 1 и повышенное давление на периферии этой емкости. Под действием перепада давления между периферией и приосевой зоной газовой полости над поверхностью суспензии клеток формируется закрученный поток аэрирующего газа с полем скорости потенциального вихря на периферии емкости и осевым противотоком в приосевой зоне, который генерирует в жидкости аналогичное турбулентное вращательное движение с интенсивным перемешиванием вдоль оси емкости. Причем за счет кольцевой перегородки 10, которая вращается в жидкости за счет парусности поплавков 14 в ту же сторону и с той же угловой скоростью, что и суспензия клеток, и стабильно удерживается на штанге 13, повышается интенсивность и направленность восходящего и нисходящего потока в суспензии клеток при низкой скорости (3-6 м/с) движения аэрирующего потока газа (т.е. повышается КПД газового вихря). В процессе культивирования клеток аэрирующий газ взаимодействует с суспензией клеток через ее свободную поверхность над кольцевой перегородкой 10, не смешиваясь с жидкостью. Поэтому в суспензии клеток нет пузырьков газа, что исключает травмирование клеток и образование пены. Низкая скорость движения газового вихря (3-6 м/с) не вызывает отрыв капель суспензии с ее поверхности, что дополнительно уменьшает травмирование клеток, а увеличение интенсивности движения восходящего и нисходящего потоков суспензии клеток позволяет осуществлять культивирование клеток без застойных зон при высоте заполнения емкости 1 средой, равной или в несколько раз (2-3 раза) более диаметра этой емкости. При этом достигается поддержание оптимального соотношения компонентов аэрирующего газа для обеспечения нормальных условий культивирования клеток или микроорганизмов.

Для проведения гидролиза крахмала в патоку предварительно в цилиндрической емкости 1 устанавливают кольцевую перегородку 10 на штанге 13с фиксацией ее зажимными элементами 18 в одном из кольцевых пазов 19, как показано на фиг.2 или закрепляют на верхнем конце штанги 13 с последующей регулировкой положения кольцевой перегородки 10 в емкости 1 посредством вращения штурвала 21 для осевого смещения штанги 13, как показано на фиг.3. Заполняют емкость 1 крахмальным молоком так, чтобы над поверхностью жидкости в верхней части емкости оставалась полость для движения газа, а кольцевая перегородка 10 располагалась в жидкости у ее поверхности. Далее устанавливают для процесса гидролиза крахмала требуемый температурный режим подачей теплоносителя через патрубок 7, вводят фермент альфа-амилазу и включают привод вращения колеса 8. В зависимости от требований технологии устанавливают необходимое число оборотов лопастного колеса 8, при вращении которого над поверхностью крахмального молока создается разряжение в приосевой зоне емкости 1 и повышенное давление на периферии этой емкости. Под действием перепада давления между периферией и приосевой зоной газовой полости над поверхностью жидкости формируется закрученный поток аэрирующего газа с полем скорости потенциального вихря на периферии емкости и осевым противотоком в приосевой зоне, который генерирует в жидкости аналогичное турбулентное вращательное движение с интенсивным перемешиванием вдоль оси емкости. Причем, за счет кольцевой перегородки 10, которая вращается в жидкости в ту же сторону и с той же угловой скоростью, что и перемешиваемая жидкость, и стабильно удерживается на штанге 13, повышается интенсивность и направленность восходящего и нисходящего потока в перемешиваемой жидкости. Процесс гидролиза крахмала в карамельную патоку или глюкозо-фруктозный сироп

занимает до 20 часов и более. Наибольшая вязкость продукта, измеренная ротационным вискозиметром, в процессе его получения составляет 1,27 Па* сек или 1270 градусов Энглера.

Заявляемый аппарат отличается от традиционных устройств с механической мешалкой тем, что:

- осуществляет эффективное перемешивание с низкими энергозатратами без локальных перегревов жидкости, что устраняет инактивацию ферментов или микроорганизмов;

- работает, не меняя своих характеристик при заполнении от 10 до 90% объема;

- эффективно перемешивает особо вязкие жидкости (1270 градусов Энглера и выше) без застойных зон.

По сравнению с известными газовихревыми реакторами, в том числе и с прототипом) предлагаемый аппарат позволяет перемешивать особо вязкие жидкости (до 1300 градусов Энглера и выше).

Таким образом, создан эффективный многофункциональный газовихревой аппарат для перемешивания и/или аэрации как жидких, так и вязкотекучих продуктов (до 1300 градусов Энглера и выше) при осуществлении биохимических процессов.

1. Аппарат для перемешивания и/или аэрации жидких и вязкотекучих продуктов при проведении биохимических процессов, содержащий цилиндрическую емкость с крышкой и патрубками, соответственно, для подачи газа и отвода газообразной среды и устройство для перемешивания среды, включающее горизонтальное лопастное колесо, укрепленное на вертикальном валу и размещенное в верхней части емкости непосредственно под крышкой, кольцевую перегородку, установленную в емкости соосно лопастному колесу с образованием зазора между цилиндрической стенкой емкости и кольцевой перегородкой и механизм регулирования положения кольцевой перегородки по высоте относительно поверхности перемешиваемой жидкости, отличающийся тем, что кольцевая перегородка снабжена втулкой, расположенной над кольцевой перегородкой соосно последней и прикрепленной к этой кольцевой перегородке посредством наклонных стоек, механизм регулирования положения кольцевой перегородки относительно поверхности перемешиваемой жидкости выполнен в виде штанги, установленной вертикально в емкости соосно последней и прикрепленной одним концом через патрубок слива продукта к днищу, другой конец которой пропущен через втулку кольцевой перегородки с возможностью вращения последней и снабжен фиксатором положения кольцевой перегородки относительно штанги или фиксатором положения штанги относительно цилиндрической емкости.

2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что фиксатор положения кольцевой перегородки относительно штанги выполнен в виде поплавков, прикрепленных к верхней поверхности кольцевой перегородки и выполненных в виде емкостей, герметично закрытых или открытых в нижней части со стороны перемешиваемой жидкости.

3. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что фиксатор положения кольцевой перегородки относительно штанги выполнен в виде дополнительной втулки с ограничителями хода кольцевой перегородки, установленной между штангой и втулкой кольцевой перегородки с возможностью вращения последней и одного или нескольких зажимных элементов, выполненных в виде пары “винт-гайка”, для неподвижного крепления дополнительной втулки в кольцевом пазе штанги.

4. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что нижний конец штанги, размещенный в патрубке слива продукта, пропущен через указанный патрубок слива и герметичное уплотнение в его торце и снабжен механизмом осевого перемещения штанги, включающий штурвал на нижнем конце штанги для ее вращения, резьбу, выполненную на боковой поверхности верхней части штанги и гайку, установленную на штанге на участке с резьбой и неподвижно закрепленную в патрубке слива продукта.