ЛАБОРАТОРНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ С УЧАСТИЕМ МИКРООРГАНИЗМОВ
LABORATORY UNIT TO ANALYSE HYDROMETALLURGY PROCESSES INVOLVING MICROORGANISMS

Лабораторная установка для исследования гидрометаллургических процессов с участием микроорганизмов относится к аппаратам для перемешивания в жидких средах. Может быть использована в научных и производственных лабораториях для исследований технологических процессов в гетерогенных средах с использованием микроорганизмов, например в биогидрометаллургическом производстве благородных металлов, а также в области добычи различных полезных ископаемых.
Известны классические промышленные химические реакторы для гетерогенных процессов. Например, известны реакторы с мешалкой в свободном объеме, выполненные в виде сосуда с крышкой. Реактор содержит мешалку на центральном валу с герметичным узлом ввода, барботер для подачи газа, теплообменный элемент в виде рубашки или внутреннего теплообменника [Новый справочник химика и технолога. Процессы и аппараты химических технологий. Ч.II. СПб.: НПО «Профессионал», 2006, с.559, 583]. Реакторы применяются в малотоннажных, крупнотоннажных и экспериментальных химических производствах.
Известен ферментатор для выращивания микроорганизмов в микробиологической промышленности [Уэбб Ф. Биохимическая технология и микробиологический синтез. М.: Медицина, 1969, с.203-204]. Ферментатор состоит из корпуса с крышкой, барботера, механической лопастной мешалки, расположенной над барботером, отбойных перегородок, змеевика с водяным или паровым теплоносителем. Вал мешалки соединен с крышкой через герметичное уплотнение, а также оборудован поддерживающими опорами внутри корпуса. Используется в промышленных технологических процессах.
Известен лабораторный настольный биореактор (ферментер) со сменными сосудами BioFlo 110, выпускаемый компанией New Brunswick Scientific Co., Inc, [http://www.lab-mstruments.ru/mode.15160-id.15392-type.html#1]. Биореактор представляет собой герметичный стеклянный цилиндрический сосуд с крышкой и подставкой, оборудованный механической мешалкой с приводом, теплообменником в виде водяной рубашки или термоманжеты, электронным модулем контроля и регулирования рН среды и количества растворенного кислорода. Датчики установлены в гнезда крышки.
Биореактор (ферментер) BioFlo предназначен для ферментации и культивирования микроорганизмов и культур в истинных растворах в стерильных лабораторных условиях. Это обусловливает ограничение технологических возможностей биореактора. Конструкция крышки биореактора обладает недостаточно высокими эргономическими характеристиками. Кроме того, биореактор BioFlo имеет высокую стоимость.

Прототипом изобретения является лабораторный автоклавный биореактор (ферментер) BIOSTAT, разработанный и выпускаемый концерном Sartorius Stedim Biotech GmbH Systems, например BIOSTAT Aplus. Биореактор включает цилиндрический корпус из прозрачного материала с крышкой, в которой размещены датчики контроля и управления скоростью вращения мешалки, температурой, рН среды, степенью аэрации и другими параметрами. Контроль и управление ведется при помощи портативного компьютера с программным обеспечением и пакетом программ [http://www.sartorius.com/biostat_aplus/pdf/BIOSTAT_Aplus.pdf].

Конструкция известного биореактора BIOSTAT с мешалкой, ось которой закреплена только на крышке, и с электроприводом, мощность которого предназначена для перемешивания гомогенных истинных растворов (т.е. растворов с низкой плотностью), а также незакрепленное положение крышки с датчиками при смене сосудов обусловливает, во-первых, ограничение технологических возможностей, снижение эксплуатационной надежности, во-вторых, снижение эргономических характеристик. Кроме того, биореактор BIOSTAT имеет высокую стоимость.
Задачей изобретения является расширение технологических возможностей лабораторной установки при исследовании процессов в гетерогенных системах, повышение эксплуатационной надежности при работе с суспензиями, улучшение эргономических характеристик установки, а также снижение стоимости установки.
Задача решается тем, что лабораторная установка для исследования гидрометаллургических процессов с участием микроорганизмов, содержащая корпус биореактора, соединенный герметично с крышкой, в которую вмонтированы мешалка, трубчатый аэратор, датчики контроля и регулирования параметрами процесса, согласно изобретению оборудована нижней опорной и верхней крепежной станинами с вертикальными стойками между ними. Крышка биореактора жестко закреплена на верхней крепежной станине посредством корпуса подшипникового узла. Вал подшипникового узла, расположенный внутри корпуса подшипникового узла, присоединен нижним концом к оси мешалки, верхним - связан через шкивоременную передачу с электродвигателем, закрепленным также на верхней станине. Внутри биореактора установлены трубчатый теплообменник и отбойники. Корпус биореактора для исследования процессов при температуре не более 60°С выполнен из полиметилметакрилата. Для проведения процессов при температуре выше 60°С корпус выполнен из титана со смотровым окном из термостойкого стекла. В стенках корпуса биореактора на высоте 1/3 и 2/3 от дна корпуса установлены две пары диаметрально противоположных штуцеров.
Технический результат изобретения заключается в расширении технологических возможностей лабораторной установки, во-первых, за счет возможности исследования процессов в гетерогенных системах, конкретно - в суспензиях; во-вторых, благодаря возможности исследования промежуточных технологических продуктов при различных объемах и режимах. Выполнение в стенках корпуса биореактора на высоте 1/3 и 2/3 от дна корпуса двух пар диаметрально противоположных штуцеров (нижних и верхних) обусловливает возможность соединения нескольких биореакторов, соответственно, по верхнему или по нижнему уровню и изменения объема исследуемого материала в проточном режиме без замены биореакторов. Соединение верхних штуцеров при закрытых нижних штуцерах дает возможность исследования в полном объеме биореакторов. Соединение нижних штуцеров при закрытых верхних - соответственно, обеспечивает исследование материала в половинном объеме. Для исследования процессов в перидическом режиме возможно использование одной или нескольких отдельных лабораторных установок с закрытыми верхними и нижними штуцерами биореакторов.
Технический результат изобретения также заключается в повышении эксплуатационной надежности лабораторной установки путем конструктивно-функционального соединения мешалки, крышки биореактора, электродвигателя и верхней крепежной станины при помощи подшипникового узла.
Технический результат изобретения также заключается в улучшении эргономических характеристик лабораторной установки за счет фиксированного положения крышки с датчиками на крепежной станине, что упрощает операции монтажа, демонтажа и замены корпуса биореактора, в том числе возможна установка корпусов биореакторов различной емкости к одной и той же крышке.
Технический результат изобретения заключается также в снижении стоимости лабораторной установки, что позволяет одновременно использовать несколько комплектов установок при проведении масштабных исследований.
Лабораторная установка для исследования гидрометаллургических процессов с участием микроорганизмов представлена на чертеже. Установка состоит из двух станин: нижней опорной 1 и верхней крепежной металлической (закрытой кожухом) 2. Станины 1 и 2 жестко соединены тремя вертикальными металлическими стойками 3. Между нижней 1 и верхней 2 станинами расположен биореактор, состоящий из корпуса 4 с крышкой 5. Корпус биореактора 4 присоединен к крышке 5 при помощи винтов 6 через уплотнительное кольцо. Корпус 4 выполнен цилиндрическим, например, из полиметилметакрилата, объемом 2-5 литра. В стенках корпуса 4 на высоте 1/3 и на высоте 2/3 от дна корпуса установлены две пары диаметрально противоположных штуцера 7. В нижней части корпуса 4 расположен сливной штуцер 8. Внутри корпуса 4 установлены мешалка 9 (лопастная, пропеллерная или турбинная) и отбойники 10, закрепленные на кольцевых обечайках.
Ось мешалки 9 соединена с подшипниковым узлом, состоящим из вала 11, двух разнесенных подшипников 12, установленных в трубчатом корпусе 13. Корпус подшипникового узла 13 с одной стороны жестко соединен с крышкой биореактора 5 через герметичную прокладку, с другой стороны также жестко - с крепежной станиной 2. Вал подшипникового узла 11 соединен через шкивоременную передачу (на эскизе не показана) с электродвигателем 14. Электродвигатель 14, например 3-фазный, мощностью 0,18 кВт установлен на крепежной станине 2.
В крышке биореактора 5 оборудованы не менее восьми герметичных штуцеров, в которые установлены следующие устройства:
теплообменник в виде U-образной трубки, например, из титана, соединенной в цикл с водным термостатом;
диспергатор воздуха в виде трубки, присоединенный к воздушному компрессору;
термометр;
а также рН электрод, Eh электрод, кислородный электрод, соединенные с иономером, например, марки ИПЛ 513 (на эскизе не показаны).
Лабораторная установка работает следующим образом. Необходимое количество установок располагают на лабораторных столах или других подставках. Готовят биореакторы, например, емкостью 3 литра. Для этого отвинчивают винты 6 и снимают корпус 4. При этом крышка 5 находится в зафиксированном (подвешенном) положении на корпусе 13 подшипникового узла. Готовят инокулят микроорганизмов по установленным методикам. Готовят твердое минеральное сырье, например пробу концентрата сульфидной золотосодержащей руды, подлежащей окислению, например, при помощи ассоциации микроорганизмов Sulfobacillus olympiadicus, Ferroplasma acidiphilum, Leptospirillum ferrooxidans. Плотность суспензии составляет 100-200 г/л. Загружают минеральное сырье с микроорганизмами в биореактор. Корпус биореактора 4 присоединяют к крышке 5 и завинчивают винты 6. Возможна загрузка через загрузочный штуцер.
Включают термостат, датчики, электродвигатель 14, компрессор. Мешалка 9 перемешивает содержимое биореактора. Отбойники 10 способствуют созданию турбулентного движения содержимого. Ведут наблюдение за показателями датчиков, термометра. По окончании процесса содержимое сливают через штуцер 8.
При исследовании в одном или в нескольких отдельных биореакторах штуцеры 7 закрыты. Возможно сравнительное моделирование различных технологических схем одновременно в нескольких установках или в комплектах установок. При исследовании процесса в проточном режиме несколько биореакторов соединяют в цепочку через верхние или нижние штуцеры 7, в зависимости от требуемого объема исследуемой массы, например, шлангами.