N-контурный аппарат с повышенным массообменом для проведения биотехнологических и химических процессов

 

Использование: относится к микробиологической, биотехнологической, медицинской, химико-фармацевтической, пищевой и косметической промышленности и может быть использовано для культивирования микроорганизмов, культуры клеток тканей, проведения химических реакций, получения многокомпонентных гомогенных и гетерогенных смесей. N-контурный циркуляционный аппарат представляет собой трубчатый контур, обеспечивающий подключение к нему реакторов различного объема и назначения, обеспечивающий мягкое перемешивание реагентов и высокие массообменные характеристики, что позволяет осуществлять на нем многостадийные непрерывные процессы в широком диапазоне задач. Аппарат выполнен в виде трубчатого контура, включающего в себя горизонтальные или наклонные, прямолинейные или произвольной конфигурации плавно переходящие в эрлифтную систему патрубки с расположенной на них запорно-переключающей и подсоединительной арматурой, устройством установки датчиков и элементов воздействия на среду, устройством перелива и деаэрации реагентов, выполненным в виде расширяющегося конусообразно патрубка, одним основанием переходящего в эрлифтную систему, а другим в вертикальный или наклонный патрубок, нижнее окончание которого плавно переходит в распределительную систему, а верхнее - в устройство деаэрации, ввода реагентов и вывода отработанной газовой смеси. 1 ил.

Изобретение относится к микробиологической, биотехнологической, медицинской, химико-фармацевтической, пищевой и косметической промышленности и может быть использовано для культивирования микроорганизмов, культуры клеток тканей, проведения химических реакций, получения многокомпонентных гомогенных и гетерогенных смесей.

Известен ферментер, представляющий собой закрытый сосуд цилиндрической формы, внутри которого коаксиально размещена циркуляционная труба, имеющая верхний конический участок, за счет чего обеспечивается циркуляция питательной среды внутри аппарата. Недостатком данного устройства являются низкие массообменные и циркуляционные характеристики.

Известны также ферментеры, циркулирование потока в которых осуществляется за счет подачи сжатого воздуха и барботажа реагентов. Недостатком указанных аппаратов является наличие застойных зон, низкие массообменные и циркуляционные характеристики, неизбежное засорение распылительной системы нерастворимыми компонентами в процессе ферментации.

Наиболее близким к предлагаемому устройству по техническому решению является лабораторный ферментер, в котором циркуляция реагентов осуществляется за счет использования эрлифтной системы, включенной непосредственно в циркуляционный контур, в котором и осуществляется сам процесс. Недостатком данного устройства является невозможность достижения, обусловленная конструктивными особенностями аппарата, максимального значения коэффициента заполнения эрлифта, что снижает его массообменные и циркуляционные характеристики, ограниченный, постоянный объем реактора, а также недостаточная деаэрация культуральной жидкости и ограниченные функциональные возможности.

Целью настоящего изобретения является улучшение массообменных и циркуляционных характеристик аппарата, его деаэрационных свойств и функциональных возможностей.

Указанная цель достигается тем, что для улучшения массообменных и циркуляционных характеристик /за счет достижения практически максимального значения коэффициента погружения эрлифта/ и деаэрационных свойств аппарата в циркуляционный контур введено, вместо наклонной перемычки, устройство перелива и деаэрации реагентов, реализующее поршневой эффект при работе эрлифтной системы, выполненное, например, в виде патрубка, состоящего из нескольких участков: расширяющегося /конусообразно, пирамидально и т.д./, одним основанием переходящим в эрлифт; вертикального или наклонного, примыкающего к другому основанию расширяющегося патрубка и имеющего в верхней части пеногасящее и деаэрирующее устройство, снабженное патрубком для ввода реагентов и вывода отработанной газовой смеси; горизонтального или наклонного, прямолинейного или произвольной конфигурации с установленной на нем запорно-переключающей и подсоединительной арматурой; а эрлифт выполнен в виде трубки с прямым или Г-образным верхним окончанием, нижний конец которого плавно переходит в горизонтальный или наклонный, прямолинейный или произвольной формы участок с установленной на нем запорно-переключающей и подсоединительной арматурой для подключения реакторов различного объема назначения, кроме того, на нижнем участке располагаются устройства подключения различных датчиков, отбора пробы и установки воздействующих элементов.

Сущность изобретения и его существенные отличия от прототипа заключаются в следующем: в замене наклонной перемычки на устройство перелива и деаэрации, реализующее поршневой эффект при работе эрлифта, позволяющего достигать максимального значения коэффициента заполнения эрлифта и как следствие этого значительно /на 15-20% / повысить массообменные и циркуляционные характеристики, улучшить деаэрацию реагентов; в наличии горизонтальных или наклонных патрубков с запорно-переключающей и присоединительной арматурой; в возможности изменения объема и конфигурации аппарата как до, так и непосредственно в ходе процесса; в возможности использования реакторов различного объема и назначения /например, имеющих внутри различные устройства для обеспечения протекания процесса/; в возможности проведения многостадийных процессов в непрерывном режиме и без нарушения его стерильности и чистоты.

Отличия от прототипа являются существенными, т.к. создают новую совокупность свойств.

По литературным источникам, эрлифтная система обеспечивает циркуляцию потока, определяемую по формуле:
Q=(0,758·S^3/2·L^1/2+0,119Б)·D^11/5
/cм. Спотт "Содержание рыбы в замкнутых системах", М. "Легкая и пищевая промышленность" 1983 г. с.92./
где: Q скорость циркуляции /л в минуту/;
S коэффициент погружения /заполнения/ эрлифта;
L высота эрлифта /см/;
D диаметр эрлифта /см/.

Согласно вышеприведенной формуле увеличение коэффициента погружения эрлифта только на 1% вызывает увеличение скорости циркуляции более чем на 2% а реализация поршневого эффекта и снижение пенообразования за счет деаэрации реагентов дополнительно увеличивают циркуляцию.

Многоконтурность и возможность замены реакторов при подготовке и проведении эксперимента позволяет проводить многостадийные процессы различного назначения, расширяя тем самым функциональные возможности аппарата.

Плавные переходы между составными частями аппарата полностью исключают возникновение застойных зон.

Устройство N-контурного аппарата представлено на чертеже: 1 реакторы различного объема и назначения; 2 запорно-переключающая и установочная арматура; 3 патрубок ввода реагентов и вывода отработанной газовой смеси; 4 патрубок ввода газовой смеси; 5 патрубок слива продукта и отбора проб; 6 -приспособление для установки датчиков и воздействующих элементов; 7 - деаэрирующие устройства; 8 устройство перелива и деаэрации.

Устройство работает следующим образом. В зависимости от проводимого процесса выбирается конфигурация аппарата, количество, тип и объем реакторов /1/. Запорно-переключающая арматура /2/ устанавливается в соответствующее положение, подключая необходимое количество реакционных контуров, затем через патрубок /3/ производится заполнение аппарата и включается эрлифтная система путем подачи воздуха или газовой смеси через патрубок /4/. Подаваемая газовая смесь, пройдя через распылитель, многочисленными пузырьками поднимается вверх, увлекая за собой заполняющую эрлифт жидкость, которая, протекая через устройство перелива и деаэрации, попадает в распределительную систему, а затем непосредственно в реактор, осуществляя тем самым циркулирование и перемешивание реагентов. Подключение и отключение соответствующих реакторов осуществляется изменением состояния запорно-переключающей и подсоединительной арматуры, обеспечивая замену реакторов, не прерывая технологического процесса. Введение дополнительных реагентов и отбор пробы осуществляется непосредственно во время проведения процесса через соответствующие патрубки /3, 5/.

Из вышеизложенного следует, что наличие устройства перелива и деаэрации в сочетании с изменяемой конфигурацией аппарата, с использованием различного количества, типа и объема реакторов, с исключением возможности возникновения застойных зон значительно улучшает массообменные и циркуляционные характеристики аппарата, снижает пенообразование, обеспечивает мягкое перемешивание, хороший газообмен и значительно расширяет его функциональные возможности.

Формула изобретения

1. N-Контурный аппарат с повышенным массообменом для проведения биотехнологических и химических процессов, содержащий циркуляционный контур, выполненный в виде замкнутой трубы, с установленными на ней патрубками для ввода-вывода реагентов и устройствами для подключения датчиков, отличающийся тем, что он выполнен в виде трубчатого контура, включающего горизонтальные или наклонные участки, плавно переходящие в эрлифтную систему, с расположенной на них присоединительной запорно-переключающей арматурой, устройствами для установки датчиков, нагревательного и охлаждающего элементов, приспособлением для титрования и отбора проб и снабженного устройством перелива в виде расширяющегося патрубка, одним основанием переходящего в эрлифт, а другим в вертикальный или наклонный участок, переходящий нижним концом в распределительную систему, а верхним в устройство деаэрации, ввода реагентов и вывода отработанной газовой смеси.

2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что циркуляционный контур выполнен в виде эрлифтной системы с подключенной к ней присоединительной запорно-распределительной арматурой для одновременного использования одного или нескольких реакторов и их замены при сохранении стерильности.

3. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что реакторы для выращивания микроорганизмов, культуры клеток тканей или химических процессов подключены к циркуляционному контуру посредством фланцевых или шлифовых соединений.

4. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что внутри реакторов, в зависимости от их типа и назначения, размещены дополнительные приспособления, представляющие собой полые волокна, полупроницаемые или иммобилизованные мембраны, катализаторы.

РИСУНКИ

Рисунок 1