ПЛЕНОЧНЫЙ АППАРАТ
FILM APPARATUS

Изобретение относится к пленочным аппаратам для культивирования автотрофных микроскопических организмов и может быть использовано в микробиологической и других отраслях промышленности, предусматривающих применение продукции культивирования (например, в комбикормовой промышленности при альголизации комбикормов, в фармацевтической и косметической промышленности).
Наиболее близким по технической сущности является пленочный аппарат [А.с. СССР, 1801540, В01D 3/26. Пленочный аппарат /Н.А.Воинов, Н.А.Николаев, Н.М.Коновалов  - 4918978/26; Заявлено 14.03.91. Опубл. 15.03.93. Бюл. №10// Открытия. Изобретения. - 1993. - №32.], содержащий корпус со штуцерами для ввода и вывода жидкости, ввода и вывода газа-теплоносителя, разделенный горизонтальными перегородками на секции для ввода и вывода жидкости, теплообменную и дополнительную секции, через которые пропущены цилиндрические трубы, снабженные распределителем жидкости и винтовой спиралью.
Однако данное устройство не может быть использовано для культивирования автотрофных микроорганизмов (микроскопические водоросли, цианобактерии), для роста и размножения которых необходима световая энергия в силу следующих причин:
- не позволяет снабжать автотрофный микроорганизм световой энергией, так как в конструкции не предусмотрена установка источника световой энергии для освещения суспензии в дополнительной секции, а цилиндрические трубы в зоне освещения выполнены непрозрачными;
- отсутствует возможность оптимальных компоновочных решений путем чередования дополнительных и теплообменных секций, что могло бы повысить выход готовой биомассы и произвести рациональный выбор высоты аппарата;
- не позволяет осуществлять интенсивный теплоотвод для компенсации нагрева при освещении, так как в дополнительную секцию подается воздух с низким коэффициентом теплопроводности;
- не предусматривает теплоизоляции в теплообменной секции, что может привести к неэффективному использованию аппарата при высокой температуре окружающей среды;
- не создает равных условий культивирования в каждой из цилиндрических труб, поскольку не обеспечивается равномерная подача углекислого газа;
- не предусмотрено создание объема суспензии автотрофного микроорганизма в секции вывода жидкости с ее непрерывным барботажем, повышающим суммарный коэффициент массообмена в аппарате.
Техническая задача изобретения заключается в создании пленочного аппарата, позволяющего эффективно проводить культивирование автотрофных микроорганизмов за счет повышения эффективности тепло- и массообмена с высоким выходом готовой биомассы.
Поставленная техническая задача достигается тем, что в предлагаемом пленочном аппарате, содержащем корпус со штуцерами для ввода и вывода жидкости, ввода и вывода газа-теплоносителя, разделенном горизонтальными перегородками на секции для ввода и вывода жидкости, теплообменную и дополнительную секции, через которые пропущены цилиндрические трубы, снабженные распределителем жидкости и винтовой спиралью, новым является то, что в дополнительной секции на ее нижней горизонтальной перегородке установлен источник света, например лампа накаливания дневного света для освещения пленки жидкости, в качестве которой используют суспензию автотрофного микроорганизма, а внутренняя боковая поверхность этой секции выполнена зеркальной, через штуцера ввода и вывода дополнительной секции осуществляют подачу и отвод газа-теплоносителя, теплообменная секция снабжена штуцерами для подачи и отвода охлаждающей воды и наружной теплоизоляцией, цилиндрические трубы выполнены разъемными с набором прозрачных и непрозрачных цельнотрубных элементов, на внутренней поверхности которых нанесена винтовая спираль в виде канавки полукруглого сечения, при этом прозрачные цельнотрубные элементы цилиндрических труб установлены в дополнительной секции, а непрозрачные - в теплообменной, прозрачные и непрозрачные цельнотрубные элементы цилиндрических труб соединены муфтами с уплотнениями, в секции для вывода жидкости установлены барботажное устройство и изогнутые патрубки со штуцерами для ввода смеси углекислого газа с воздухом в цилиндрические трубы, при этом вертикальные части изогнутых патрубков входят в цилиндрические трубы на 20…30 мм, а их горизонтальная часть погружена в жидкость, причем отверстия на выходе изогнутых патрубков снабжены конической поверхностью в виде раструба с углом 30° для разгона потока газа по длине цилиндрической трубы, а внутри выходного отверстия изогнутого патрубка установлена коническая пробка с углом 30° при вершине с образованием кольцевого конического канала; в штуцере для вывода жидкости установлен регулируемый вентиль.
На фиг.1 представлен общий вид пленочного аппарата, предназначенного для культивирования автотрофных микроорганизмов, на фиг.2 - увеличенный вид соединения прозрачного и непрозрачного цельнотрубных элементов цилиндрической трубы, на фиг.3 - увеличенный вид зоны ввода изогнутых патрубков в цилиндрические трубы.
Пленочный аппарат состоит из корпуса 24, на котором размещены штуцера для ввода жидкости (суспензии автотрофного организма) 3 и вывода жидкости (готовой биомассы) 21, штуцера для ввода и вывода газа-теплоносителя 10 и 12, штуцера для ввода и вывода охлаждающей воды 14 и 17, штуцера для ввода и вывода смеси углекислого газа с воздухом 18 и 2. Корпус аппарата разделен горизонтальными перегородками 9 на секции для ввода жидкости 1, вывода жидкости 20, теплообменную секцию 15 и дополнительную секцию 5, предназначенную для освещения суспензии автотрофного микроорганизма. В горизонтальных перегородках 9 установлены цилиндрические трубы 11, состоящие из цельнотрубных элементов 6 и 16 с распределителями жидкости 4, а по длине цельнотрубных элементов на их внутренней поверхности нанесена винтовая спираль, представляющая собой канавку полукруглого сечения. При этом прозрачные цельнотрубные элементы установлены в дополнительной секции, непрозрачные - в теплообменной. Прозрачные и непрозрачные цельнотрубные элементы соединены муфтами 8, снабженными уплотнениями 23. В центре дополнительной секции 5, на нижней горизонтальной перегородке, установлена цилиндрическая лампа дневного света 7, а внутренняя боковая поверхность этой секции выполнена зеркальной. Теплообменная секция пленочного аппарата снабжена наружной тепловой изоляцией 13. В секции для вывода жидкости 20 имеется барботажное устройство 22, а к штуцерам для ввода смеси углекислого газа с воздухом 18 присоединены изогнутые патрубки 19. Внутри изогнутых патрубков, на выходе, на трех штырях 26 установлена коническая пробка 25. В штуцере 21 для вывода готовой биомассы предусматривается установка регулируемого вентиля 27.
Пленочный аппарат работает следующим образом.
Суспензия автотрофного микроорганизма поступает через штуцер 3 в камеру для ввода жидкости 1, проходит через кольцевой зазор, образованный полыми распределителями жидкости 4 и внутренней поверхностью цилиндрических труб 11, и в виде жидкостной пленки стекает по внутренней поверхности цилиндрических труб 11. Обтекая витки винтовой спирали, выполненной в виде канавки полукруглого сечения на внутренней стороне цилиндрических труб 11, жидкостная пленка в противотоке со смесью углекислого газа и воздуха интенсивно перемешивается. При этом подача смеси углекислого газа с воздухом осуществляется через штуцера 18 и изогнутые патрубки 19, а ее вывод - через отверстия в распределителях жидкости 4 и штуцер 2. Смесь углекислого газа с воздухом вводится в каждую цилиндрическую трубу 11 через кольцевой конический канал, образованный изогнутым патрубком 19 и коаксиально вставленной в него конической пробкой 25 с углом 30° при вершине, закрепленной на трех штырях 26, расположенных под углом 120° друг к другу. Ввод изогнутых патрубков в цилиндрические трубы на 20…30 мм, коническая поверхность на внутренней стороне отверстий изогнутых патрубков и коническая пробка позволяют обеспечить распределение потока газовоздушной смеси в цилиндрической трубе 11 с интенсивным массообменом газовой и жидкой фаз и предотвратить срыв пленки с внутренней поверхности цилиндрических труб.
Ввод вертикальных частей изогнутых патрубков 19 в цилиндрические трубы 11 на 20…30 мм обусловлен данными экспериментальной проверки работы пленочного аппарата. Превышение данного диапазона значений приводит к тому, что в нижней части цилиндрических труб пленка суспензии не продолжает насыщаться углекислотой, что приводит к снижению эффективности использования рабочих зон цилиндрических труб. При расположении изогнутых патрубков ниже уровня 20 мм нарушается гидродинамический режим истечения пленки по внутренней поверхности цилиндрических труб вследствие возможных потерь газовоздушной смеси и ее утечки через кольцевой зазор между цилиндрической трубой и изогнутым патрубком. Кроме того, нарушается ламинарный режим истечения суспензии в нижней части цилиндрических труб (20…30 мм от их нижней кромки), где суспензия не подвергается воздействию противотока газовоздушной смеси, под действием сил гравитации.
Погружение горизонтальных частей изогнутых патрубков в жидкость необходимо для того, чтобы исключить возможность нарастания клеток автотрофного микроорганизма с прогрессирующим увеличением толщины слоя по мере культивирования. Невыполнение данного условия может привести к накоплению слоя сухой биомассы на верхней поверхности горизонтальной части изогнутых патрубков, бактериальному загрязнению сухой биомассы и, как следствие, ухудшению санитарных условий культивирования.
При этом в дополнительной секции освещения суспензия автотрофного микроорганизма подвергается воздействию световой энергии посредством установленной в центре дополнительной секции 5 на нижней горизонтальной перегородке 9 цилиндрической лампы накаливания дневного света 7 и одновременному кондуктивному теплоотводу охлаждающим воздухом через поверхность прозрачного цельнотрубного элемента. Для наиболее полного использования световой энергии цилиндрической лампы дневного света 7 внутренняя боковая поверхность дополнительной секции 5 выполнена зеркальной.
В секции теплообмена 15 производится охлаждение суспензии автотрофного микроорганизма водой. Температура охлаждающей воды в секции теплообмена поддерживается в процессе культивирования благодаря тому, что данная секция снабжена наружной теплоизоляцией 13.
Подвод и отвод теплоносителей (охлаждающего воздуха и охлаждающей воды) производится посредством штуцеров 10, 12, 14, 17. Муфты 8 с уплотнениями 23 предотвращают проникновение охлаждающей воды из теплообменной секции 15 в дополнительную 5.
На выходе из цилиндрических труб 11 насыщенная углекислым газом суспензия автотрофного микроорганизма поступает в секцию для вывода жидкости 20, где дополнительно насыщается углекислым газом с помощью барботажного устройства 22, при этом повышается суммарный коэффициент массообмена и тем самым интенсифицируется процесс культивирования. Из секции для вывода жидкости 20 суспензия автотрофного организма выводится в качестве готовой биомассы, для чего предусматривается установка регулируемого вентиля 27 в штуцере для вывода жидкости 21.
В зависимости от требуемой производительности, компоновка пленочного аппарата предусматривает установку более одного комплекта чередующихся теплообменной и дополнительной секций. В этом случае процесс культивирования происходит при попеременном чередовании участков освещения и охлаждения, при этом число дополнительных секций равно числу теплообменных.
Предлагаемый пленочный аппарат по сравнению с прототипом позволяет
- использовать пленочный аппарат для культивирования автотрофных микроорганизмов (микроскопические водоросли, цианобактерии) за счет применения лампы накаливания дневного света и прозрачных цельнотрубных элементов в дополнительной секции, а также выполнения внутренней боковой поверхности этой секции зеркальной;
- интенсифицировать процесс теплоотвода от пленки суспензии в цилиндрических трубах вследствие чередования двух видов теплоносителей: воздуха в дополнительной секции и воды в теплообменной, причем для стабилизации температуры охлаждающейся воды при повышенных температурах окружающей среды предусмотрена наружная теплоизоляция теплообменной секции;
- создать в камере для вывода жидкости объем суспензии автотрофного микроорганизма с целью его дополнительного насыщения углекислым газом посредством барботажа за счет подвода потока смеси углекислого газа и воздуха через цилиндрические изогнутые патрубки в цилиндрические трубы;
- обеспечить рациональное распределение потока газовоздушной смеси за счет ввода вертикальных частей изогнутых патрубков внутрь цилиндрических труб, а также наличия на внутренней поверхности изогнутых патрубков конусности с углом 30° и установки в отверстиях изогнутых патрубков на выходе конических пробок с углом 30° при вершине;
- создать оптимальные условия для компоновки аппарата в зависимости от требуемого выхода биомассы с использованием более одного комплекта чередующихся теплообменной и дополнительной секций, при этом культивирование происходит при попеременном чередовании участков освещения и охлаждения;
- повысить на 35-45% точность распределения потока газа (смеси углекислого газа и воздуха) по цилиндрическим трубам.