Дезинтегратор для разрушения клеток биомассы

Полезная модель относится к устройствам для разрушения оболочек клеток микроорганизмов с помощью микроволнового излучения, в частности к дезинтегрирующим устройствам.
Известно дезинтегрирующее устройство, которое включает корпус-статор, смонтированный в нем ротор, причем корпус-статор и ротор снабжены дезинтеграторными элементами в виде чередующихся выступов и впадин, а выступы корпуса-статора выполнены в виде стержней со свободным и вторым закрепленным концом, причем места закрепления чередуют в боковых стенках корпуса-статора (см. например, Заявка пат. РФ 94024601, МПК С12М 1/02, 1996 г.).
Однако такая конструкция сложна в изготовлении и недостаточно надежна из-за наличия вращающегося ротора.
Известен баллистический дезинтегратор, содержащий рабочую камеру, выполненную в виде полого диска, с размещенными в ней мелющими телами, входной и выходной каналы, расположенные в центре и на периферии камеры, и активатор перемешивания мелющих тел, причем полый диск камеры выполнен уплощенной формы с расширенной периферийной частью, образующей кольцевую полость, а канал вывода дезинтеграта расположен в нижней части камеры непосредственно перед кольцевой полостью, при этом отношение объема мелющих тел в камере к объему кольцевой полости составляет 0,9-1,2 (см. например, Пат. РФ 2021348, МПК С12М 1/33, 1994 г.).
Такая конструкция также сложна в изготовлении и недостаточно надежна из-за наличия движущихся приводного вала и дисков, что обусловлено известными признаками технического решения.
Известен дезинтегратор, содержащий цилиндрический корпус со всасывающим и нагнетательным патрубками, с размещенным в корпусе ротором с чередующимися продольными выступами и впадинами на его боковой поверхности, образующими с внутренней поверхностью корпуса кольцевой канал, отличающийся тем, что корпус снабжен прилегающей к его внутренней поверхности упругой пластиной с продольными выступами и впадинами, а внутренняя поверхность корпуса выполнена с коническими продольными впадинами, причем впадины корпуса и пластины образуют полости, в которых размещены конические штыри, закрепленные своими основаниями на соосном с ротором кольце, размещенном в корпусе с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль оси дезинтегратора (см. например, Пат. РФ 2086641, МПК С12М 1/33, C02F 3/00 1997 г.).
Такая конструкция также сложна в изготовлении и недостаточно надежна из-за наличия движущихся элементов, что обусловлено известными признаками технического решения.
Известен способ дезинтеграции биологических клеток и устройство для его осуществления, состоящее из кюветы с электродами, сопряженными с устройством формирования в среде ударно-волнового акустического импульса. При этом синхронное включение с требуемой временной задержкой генератора ударно-волновых акустических импульсов и генератора импульсного электрического поля осуществляется блоком синхронизации, (см. например, Пат. РФ 2117040, МПК С12М 1/33, 1998 г.).
Однако, такая конструкция обеспечивает недостаточную степень разрушения клеток тех видов микроводорослей, стенки которых включают жесткие компоненты, встроенные в более пластичную полимерную матрицу и способных к преодолению возникающих в результате действия ударно-волновых акустических импульсов.
Известен электромагнитный нагреватель для отопления емкостей произвольной формы, включающий емкость, в которую помещен электромагнитный излучатель микроволнового излучения и контроллер, осуществляющий управление мощностью микроволнового излучателя и, соответственно, режимом нагрева (см. например, Пат. США 9078298, МПК 1105В 6/74, 1105В 6/66 2015 г.).
Недостатком конструкции является неравномерность прогрева объема емкости из-за локального нагрева среды.
Известно устройство для уничтожения или обезвреживания микроорганизмов, содержащих нуклеиновые кислоты и/или белки, за счет использования микроволнового излучения, генерируемого излучателем. Устройство содержит несколько излучающих магнетронов, расположенных в стерилизационной камере и выполненных таким образом, чтобы обеспечить равномерный прогрев (см. например, Пат. США 5098665, МПК A61L 2/12 1992 г.).
Недостатком конструкции является возможность перегрева обрабатываемой среды из-за отсутствия перемешивания, что положительно при обезвреживании и уничтожении микроорганизмов, однако затрудняет использование устройства для создания щадящих режимов обработки.
Известно устройство для обработки флюида микроволновым излучением, включающее цилиндрическую камеру, в которой расположены трубопровод для протекания жидкости, магнетрон с антенной, при этом трубопровод проходит через первую торцевую стенку в направлении второй торцевой стенки камеры, а камера и трубопровод являются, соосными. Трубопровод прозрачен для микроволнового излучения, а камера представляет собой микроволновой резонатор, входное отверстие для микроволнового излучения которого смещено от центра относительно длины камеры, и свободный конец антенны расположен на заданном расстоянии выступа из боковой стенки камеры. Устройство позволяет эффективно переносить энергию микроволнового излучения к обрабатываемому потоку (см. например, Пат. РФ 2531622, МПК B01J 19/12, Н05В 6/78, A32L 3/01 1992 г.)
Недостатком данной конструкции является локализация СВЧ-излучения в ограниченной области камеры, что обеспечивает малое время пребывания обрабатываемой среды и, соответственно, низкую производительность устройства.
8
10
Известен дезинтегратор для разрушения клеток биомассы, содержащий корпус с входным штуцером и установленный в днище корпуса выходной штуцер, характеризующийся тем, что к корпусу через кольцевую прокладку примыкает крышка посредством болтового соединения, включающего болт, шайбу и гайку; к крышке через держатель посредством болтовых соединений примыкают модули, в полостях которых установлены магнетроны с помощью винтов, и модули, без установленных в них магнетронов, причем модули установлены последовательно на закрепленную на держателе винтом отражательную трубу, представляющую собой резонатор; соединение магнетронов с закрепленным на опоре с помощью винтов блоком питания и управления осуществляется посредством проводов, расположенных во внутреннем канале каждого модуля и сходящихся в пучок через закрепленный в резьбовом отверстии держателя и герметизированный в крышке с помощью кольцевых прокладок и прижимной втулки винтами резьбовой штуцер; при этом в отверстия отражательной трубы установлены пропеллеры, частота излучения, создаваемого магнетронами лежит в пределах от 3⋅10 до 3⋅10 Гц, а отношение высоты к диаметру дезинтегратора лежит в пределах от 3 до 6 (см. например, Пат. РФ 169598, МПК С12М 1/33 2017 г.).
Недостатком конструкции является сложность обеспечения равномерного количества энергии, получаемой биомассой из - за отсутствия возможности контроля времени пребывания биомассы в резонаторе при уменьшающейся плотности энергии СВЧ - излучения по мере удаления от внутренней стенки модуля к его центру.
Указанные недостатки также обусловлены конструктивными признаками известного технического решения.
Задачей изобретения является повышение эффективности функционирования дезинтегратора.
Решение технической задачи достигается путем обеспечения равномерной плотности энергии микроволнового излучения, получаемой обрабатываемой биомассой, за счет выполнения трубы, по которой движется обрабатываемая биомасса в резонаторе, из немагнитного материала в виде спирали, ось которой совпадает с осью симметрии резонатора, а витки равноудалены от внутренней стенки резонатора на расстояние 0,1-0,15 диаметра резонатора, причем отношение высоты емкости для биомассы к ее диаметру составляет не менее 4. Выполнение трубы в виде спирали позволяет увеличить путь, проходимый биомассой, тем самым увеличивая время ее пребывания в резонаторе (по сравнению с прямой трубой). Расположение витков спиральной трубы на расстоянии 0,1-0,15 диаметра резонатора от его внутренней стенки обеспечивает получение максимального количества энергии микроволнового излучения, плотность которого быстро падает по мере удаления от источника (магнетрона). Кроме того, принудительное перемещение биомассы по спиральной трубе обеспечивает, с одной стороны, регулирование времени пребывания (путем изменения расхода, создаваемого насосом), что позволяет создавать различные режимы обработки биомассы (в т.ч. щадящий); с другой стороны, при движении биомассы по спиральной трубе, обеспечивается гидродинамический режим, близкий к идеальному вытеснению, что исключает возможность образования застойных зон и выхода из резонатора необработанной биомассы.
Между отличительными признаками и достигаемым техническим результатом существует следующая причинно-следственная связь.
8
10
Технический результат достигается тем, что дезинтегратор содержит емкость для биомассы, соединенную трубами последовательно с одной стороны через трехходовой кран, насос с нижней частью корпуса для резонатора, с другой стороны через трехходовой кран с верхней частью корпуса для резонатора, в котором расположен резонатор с установленными неразъемно на его внешней поверхности магнетронами с частотой излучения от 3⋅10 до 3⋅10 Гц, соединенными проводами через одно из вентиляционных отверстий с блоком питания и управления через крышку, примыкающую к корпусу для резонатора посредством болтового соединения, причем внутри резонатора установлена спиральная труба, выполненная из немагнитного материала, проницаемого для микроволнового излучения, с витками, равноудаленными от внутренней стенки резонатора на расстояние 0,1-0,15 его диаметра, соединенная свободными верхним и нижним концами с трубами с помощью муфт, а отношение высоты емкости для биомассы к ее диаметру составляет не менее 4, в результате чего обеспечивается равномерная плотность и максимальное количество энергии микроволнового излучения, получаемое обрабатываемой биомассой при создании различных режимов ее обработки за счет регулирования времени пребывания в резонаторе и обеспечении гидродинамического режима, близкого к идеальному вытеснению.
Корпус для резонатора, резонатор, крышка, спиральная труба выполнены из полимерных немагнитных материалов.
В качестве полимерного немагнитного материала корпуса для резонатора, резонатора и крышки используется полиамид шестиблочный.
В качестве полимерного немагнитного материала труб и спиральной трубы используется полипропилен.
Внутренняя поверхность резонатора выполнена из нержавеющей стали с полированной поверхностью и имеет отверстия в местах установки магнетронов.
8
10
Принудительное перемещение биомассы по спиральной трубе в резонаторе обеспечивает: равномерную плотность и максимальное количество энергии микроволнового излучения, получаемое обрабатываемой биомассой; регулирование времени пребывания, что позволяет создавать различные режимы обработки биомассы (в т.ч. щадящий) для обеспечения полного разрушения клеток; гидродинамический режим, близкий к идеальному вытеснению, что исключает возможность образования застойных зон и выхода из резонатора необработанной биомассы. Кроме того, при рециркуляции биомассы по замкнутому кругу чередуются стадии нагрева и охлаждения биомассы, что обеспечивает щадящий режим ее нагрева, необходимый для минимальных изменений биохимического состава клеток и усиления действия предварительно введенных ферментов. Создание магнетронами частоты излучения в пределах от 3⋅10 до 3⋅10 Гц обеспечивает достижение резонансной частоты в стенке клетки. Выполнение емкости для биомассы с отношением высоты к диаметру не менее 4 также способствует обеспечению режима, близкого к идеальному вытеснению.
Выполнение корпуса для резонатора, резонатора, крышки, спиральной трубы из полимерных немагнитных материалов обеспечивает легкость конструкции, отсутствие нагрева микроволновым излучением и коррозии.
Использование в качестве полимерного немагнитного материала корпуса для резонатора, резонатора и крышки полиамида шестиблочного обеспечивает высокую прочность и жесткость.
Использование в качестве полимерного немагнитного материала труб дезинтегратора и спиральной трубы полипропилена обеспечивает легкость их соединения с помощью муфт методом низкотемпературной сварки, а также проницаемость спиральной трубы для микроволнового излучения.
Выполнение внутренней поверхности резонатора из нержавеющей стали с полированной поверхностью обеспечивает необходимый коэффициент отражения электромагнитных волн, создаваемых магнетронами, и свободу их прохождения внутрь резонатора через отверстия в местах установки.
По имеющимся у заявителя сведениям, совокупность существенных признаков заявляемой полезной модели не известна из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого объекта критерию "новизна".
Совокупность существенных признаков, характеризующих сущность полезной модели, может быть многократно использована в производстве различных модификаций дезинтеграторов с получением технического результата, заключающегося в повышении эффективности функционирования, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого объекта критерию "промышленная применимость".
Сущность заявляемой полезной модели поясняется примером конкретного выполнения, где:
На фиг. 1 показана принципиальная схема дезинтегратора.
На фиг. 2 показан резонатор (в разрезе).
На представленных чертежах изображены:
1 - емкость для биомассы;
2 - труба;
3 - трехходовой кран;
4 - насос;
5 - корпус для резонатора;
6 - трехходовой кран;
7 - резонатор;
8 - магнетрон;
9 - провод;
10 - вентиляционное отверстие;
11 - блок питания и управления;
12 - крышка;
13 - болтовое соединение;
14 - спиральная труба;
15 - муфта.
Дезинтегратор содержит емкость для биомассы 1, соединенную трубой 2 последовательно с одной стороны через трехходовой кран 3, насос 4 с нижней частью корпуса для резонатора 5, с другой стороны - через трехходовой кран 6 с верхней частью корпуса для резонатора 5. К корпусу для резонатора 5 прилегает резонатор 7 с установленными неразъемно на его внешней поверхности магнетронами 8, соединенными проводами 9 через одно из вентиляционных отверстий 10 с блоком питания и управления 11 через крышку 12, примыкающую к корпусу для резонатора 5 посредством болтового соединения 13 (показано условно). Внутри резонатора установлена спиральная труба 14, соединенная свободными верхним и нижним концами с помощью муфт 15 с трубами 2.
Сборка устройства осуществляется в вертикальном положении следующим образом.
Вначале собирается резонатор 7. В отверстия резонатора 7, расположенные на его цилиндрической поверхности устанавливаются неразъемно с помощью клея на основе полимеризующейся композиции магнетроны 8. Далее в отверстие резонатора 7, расположенное в его нижней части свободным концом устанавливается спиральная труба 14. Собранный резонатор 7 свободным концом спиральной трубы 14 в его нижней части устанавливается в отверстие днища корпуса для резонатора 5, таким образом, чтобы отверстия болтовых соединений 13, расположенные в корпусе для резонатора 5 и в резонаторе 7 совпали. При этом провода 9 (от магнетронов 8), предварительно собранные в пучок, выводятся наружу через одно из вентиляционных отверстий 10. Далее крышка 12 устанавливается отверстием, расположенным в ее центре на верхний свободный конец спиральной трубы 14, таким образом, чтобы отверстия болтовых соединений 13, расположенные в корпусе для резонатора 5, в резонаторе 7 и в крышке 12 совпали. В процессе установки крышки 12 пучок проводов 9 выводится через одно из вентиляционных отверстий 10 (совпадающим с отверстием 10 резонатора 7) крышки 12 наружу. Герметизация корпуса для резонатора 5 осуществляется путем болтовых соединений 13 (показаны условно). Пучок проводов 9, выведенный наружу, соединяется с блоком питания и управления 11, после чего блок питания и управления 11 фиксируется на наружней поверхности крышки с помощью клея на основе полимеризующейся композиции. Далее корпус для резонатора 5 нижним свободным концом спиральной трубы 14 с помощью муфты 15 соединяется с трубой 2, далее труба 2 соединяется с насосом 4, насос 4 соединяется трубой 2 с трехходовым краном 3. Трехходовой кран 3 одним концом соединяется с емкостью обработанной биомассы (условно не показана), другим концом - с помощью трубы 2 с нижней частью емкости для биомассы 1. Емкость для биомассы 1 верхним концом с помощью трубы 2 соединяется с трехходовым краном 6. Один конец трехходового крана 6 соединяется с емкостью исходной биомассы (условно не показана), другой конец с помощью трубы 2 соединяется с верхним свободным концом спиральной трубы 14 корпуса для резонатора 5 с помощью муфты 15.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Перед началом работы осуществляется заполнение емкости для биомассы 1 исходной биомассой микроводорослей через трехходовой кран 6, соединенный с емкостью исходной биомассы (условно не показана). Трехходовой кран 3 при этом находится в положении, соединяющем емкость для биомассы 1 с насосом 4. После заполнения емкости для биомассы 1 трехходовой кран переводится в положение, соединяющее емкость для биомассы 1 и корпус для резонатора 5. Далее с помощью блока питания и управления 11 осуществляется включение насоса 4, магнетронов 8 резонатора 7 и дезинтегратор начинает перекачивать биомассу микроводорослей по трубе 2 из емкости для биомассы 1 в корпус для резонатора 5 и обратно. В резонаторе 7, представляющему собой отражательную трубу, выполненную из металла с полированной внутренней поверхностью, магнетронами 8 создается электромагнитное поле сверхвысокой частоты, обеспечивающее достижение резонансной частоты и изменение стягивающих сил в клеточной стенке, что приводит к разрушению клеточных стенок биомассы микроводорослей, находящихся в спиральной трубе 14. Быстро нагреваемая в спиральной трубе 14 (выполненной из полимерного материала, проницаемого для СВЧ - излучения) среда поступает в верхнюю часть емкости для биомассы 1, где она остывая, опускается на дно. Непрерывный отбор биомассы из нижней части емкости для биомассы 1 обеспечивает отсутствие образования застойных зон. После достижения дна, остывшая биомасса насосом 4 вновь подается в резонатор 6, где процесс нагрева и разрушения клеточных стенок повторяется. Работа дезинтегратора осуществляется по времени (до достижения необходимой степени разрушения клеток), после чего магнетроны 8 и насос 4 отключаются, осуществляется слив биомассы разрушенных клеток через трехходовой кран 3 в емкость обработанной биомассы (условно не показана).
Устройство позволяет повысить эффективность функционирования дезинтегратора за счет обеспечения равномерной плотности и максимального количества энергии микроволнового излучения, получаемого обрабатываемой биомассой при создании различных режимов ее обработки за счет регулирования времени пребывания в резонаторе и обеспечении гидродинамического режима, близкого к идеальному вытеснению.