АППАРАТ ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ Российский патент 1995 года по МПК C12M1/02 

Изобретение относится к микробиологической промышленности и может быть использовано в процессах культивирования микроорганизмов, в медицинской, фармацевтической и пищевой промышленности.

Известны аппараты для культивирования микроорганизмов, содержащие вертикальный цилиндрический корпус с теплообменной рубашкой, технологическими штуцерами и люком-лазом, с размещенными в корпусе аэратором, теплообменниками, валом с мешалкой, приводом вращения вала с мешалкой. Все известные аппараты имеют теплообменные рубашки, размещенные снаружи корпуса, либо секционного типа, либо в виде винтового канала из полутруб [1]
Конструкция известного аппарата с секционной рубашкой представлена в книге [1]
Наиболее близким по технической сути к предлагаемому техническому решению является принятый за прототип аппарат с рубашкой в виде винтового канала из полутруб, конструкция ИркутскНИИхиммаш для культивирования микроорганизмов объемом 300 м³ [2]
Известный аппарат содержит вертикальный цилиндрический корпус с наружной рубашкой, выполненной в виде винтового канала из полутруб, необходимые технологические штуцеры, размещенные внутри корпуса, аэратор, теплообменники и вал с мешалкой, привод для вращения вала с мешалкой, размещенный снаружи корпуса.

Известная технология культивирования микроорганизмов предусматривает перед каждым процессом культивирования стерилизацию аппарата, представляющую собой нагрев до температуры 120-140^оС с последующей выдержкой 1,5-2 ч. Нагрев аппарата осуществляется путем подачи острого пара внутрь корпуса. Иногда пар подают и в теплообменные рубашки. Охлаждение аппарата продолжается от 2 до 7 ч в зависимости от температуры охлаждающей воды, конструкции аппарата и др. Общее время простоя аппарата для осуществления стерилизации может достигать 9 ч. Сокращение времени, расходуемого на нагрев для стерилизации и последующее охлаждение, позволило бы повысить коэффициент технического использования аппаратов технологической линии, т.е. сократило бы время непроизводительного простоя.

Общие недостатки прототипа заключается в несовершенстве конструкций теплообменных рубашек, выполненных на корпусе аппаратов. Суть недостатков в том, что при подаче острого пара внутрь корпуса стенка корпуса прогревается, и соответственно происходит линейное расширение размеров корпуса, тогда как рубашка еще непрогрелась до той же температуры и соответственно отстает в удлинении линейных размеров. При этом за счет разности линейных удлинений возникают термические напряжения в сварных швах и в основном металлическом корпусе, которые превышают иногда допустимые. При подаче острого пара в рубашку рубашка прогревается значительно быстрее за счет того, что стенка ее тоньше чем стенка корпуса аппарата, вследствие чего возникают разность линейных изменений размеров и соответственно температурные напряжения. После нагрева до необходимой температуры, определенной выдержки аппарата при этой температуре аппарат необходимо охладить до исходной температуры. И в данном случае тонкостенная рубашка охлаждается быстрее, чем стенка корпуса. При многократном нагреве и охлаждении аппарата в стенках рубашки в стыках корпуса и сварных швах возникают усталостные разрушения.

Чтобы избежать разрушений элементов рубашки и корпуса, повысить надежность работы аппарата, нагрев и охлаждение ограничивают скоростью 30^оС/ч, т.е. до температуры 120^оС нагревают за 4 ч. Также 4 ч протекает и охлаждение. Это существенно снижает коэффициент использования аппарата и соответственно его экономические показатели. Для сокращения времени нагрева и охлаждения аппарата необходимо увеличить скорость этих процессов. Однако ограничение скорости изменения температуры обусловлено возникновением термических напряжений из-за перепада температуры в конструкции. Термические напряжения могут достичь таких значений, при которых корпус аппарата разрушится после однократного нагружения либо через определенное число циклов нагружений.

Целью предлагаемого изобретения является повышение общей производительности аппарата путем увеличения коэффициента заполнения его использования корпуса и увеличение теплосъема, а также его равномерности.

Цель достигается тем, что в аппарате, содержащем вертикальный корпус с теплообменной рубашкой, необходимыми технологическими штуцерами, люком-лазом, с размещенными в корпусе аэратором, теплообменником, валом с мешалкой, приводом для вращения вала, корпус аппарата выполнен в виде спирали из сваренных примыкающих плотно друг к другу труб или трубных колец из сваренных между собой и объединенных в секции с помощью перемычек. При этом необходимости аппарат для культивирования микроорганизмов может быть выполнен в других вариантах. Например, корпус может быть выполнен как целиком из труб, так и с цельноштампованными днищами, а обечайка корпуса может быть выполнена из секций в виде спирали из примыкаающих плотно друг к другу труб, сваренных между собой, а между секциями могут быть установлены кольца из цельнолистового металла.

Благодаря указанному выполнению корпуса аппарата для культивирования микроорганизмов предлагаемая конструкция обеспечивает следующие преимущества:
обеспечивается возможность быстрого нагрева и охлаждения корпуса со скоростью до 900^оC/ч (против 30^оС/ч известных аппаратов) благодаря исключению сопрягаемых деталей, имеющих существенно различную температуру в начальный период разогрева;
исключается необходимость в дополнительных внутренних теплообменных устройствах;
исключается неравномерность нагрева как вдоль, так и поперек корпуса, что повышает его несущую способность, статическую прочность и циклическую долговечность;
сокращается в 5-10 раз (в зависимости от объема аппарата) время непроизводительного простоя аппаратов при стерилизации.

В результате повышается коэффициент технического использования и увеличивается годовой выпуск продукции на 50-70%
уменьшается металлоемкость корпуса благодаря более прочной трубчатой конструкции;
обеспечивается возможность использования высокотемпературных (перегретая вода, высококипящие жидкости и т.д.) и низкотемпературных (холодильные рассолы, сжиженные газы, пары низкокипящих жидкостей и т.д.) теплоносителей.

На фиг. 1, 2, 3 показаны варианты выполнения предлагаемого технического решения аппарата, вертикальный разрез; на фиг. 4 конструктивные элементы предлагаемого технического решения.

Аппарат для выращивания микроорганизмов содержит цилиндрический корпус с верхним 2 и нижним 3 днищами, технологическими штуцерами 4, 5, 6, люком-лазом 7, секционными рубашками или рубашками из полутруб. Рубашки имеют штуцеры 10 и 11 для подвода и отвода теплоносителя или хладоагента.

Внутри корпуса расположены теплообменники 12, аэратор 13, вал 14 с мешалками 15. Вал соединен с приводом 16.

Предлагаемый аппарат для культивирования микроорганизмов содержит цилиндрический корпус 1, выполненный в виде спирали из примыкающих плотно друг к другу труб 17 с кольцами 18 или без них.

Аппарат работает следующим образом.

Перед ферментацией аппарат промывают и стерилизуют. Стерилизацию аппарата осуществляют посредством подачи пара в корпус аппарата и в спирали труб, из которых выполнен корпус.

При подаче теплоносителя в трубу происходят изменение температуры стенки и расширение или сужение ее как по окружности, так и по длине. Расширение или сужение окружности происходит свободно без возникновения температурных напряжений, расширение же или сужение по длине трубы происходит с возникновением температурных напряжений сдвига в зоне приварки соседней трубы или оболочки. Причем эти напряжения при разнице температур в 140^оС между сопрягаемыми элементами не будут превышать допускаемых значений для применяемых материалов с учетом циклических нагрузок на базе 10⁵ циклов. По предварительным расчетам предлагаемая конструкция будет иметь вес примерно на 20% меньше, чем известная.

В известных аппаратах встречаются случаи, когда внутреннее давление снижается до нуля при охлаждении после стерилизации. При этом возникает потеря устойчивости оболочки. В предлагаемой конструкции это исключено, так как жесткость оболочки из труб значительно выше, чем простая цилиндрическая оболочка.

Предлагаемое техническое решение позволяет сократить в 5-10 раз (в зависимости от объема аппарата) время непроизводительного простоя аппаратов при стерилизации, в результате повышается коэффициент технического использования, и увеличивается годовой выпуск продукции на 50-70%
Создаются аппараты объемом 100 м³ со своими прочностными характеристиками, позволяющими осуществлять нагрев и охлаждение со скоростью порядка 900^оС/ч.

Предлагаемая конструкция аппарата для культивирования микроорганизмов обеспечивает необходимую теплообменную поверхность, исключая при этом использование дополнительных теплообменных устройства, сокращается в 5-10 раз (в зависимости от объема) время непроизводительного простоя аппарата при стерилизации; в результате увеличения коэффициента использования полезного объема аппарата увеличивается годовой выпуск продукции на 50-70% и при улучшении общих прочностных показателей значительно уменьшается металлоемкость аппарата.

Использование: микробиологическая промышленность, культивирование микроорганизмов в суспензионных культурах. Сущность изобретения: аппарат содержит вертикальный цилиндрический корпус с технологическими патрубками, аэратор и вал с мешалками. Корпус выполнен целиком из трубы, расположенной в виде змеевика, витки которого сварены один с другим и образуют стенку корпуса, днище и верхнюю его часть или только стенку, или корпус выполнен в виде отдельных змеевиковых секций из труб, скрепленных перемычками, при этом труба или трубы секций снабжены патрубками для подвода и отвода стерилизующего пара и хладагента. 4 ил.

АППАРАТ ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ, содержащий вертикальный цилиндрический корпус с технологическими патрубками, размещенные в нем у днища аэратор и вертикальный вал с мешалками и их привод, отличающийся тем, что корпус выполнен целиком из трубы, расположенной в виде змеевика, витки которого сварены один с другим и образуют стенку корпуса, днище и верхнюю его часть или только стенку, или корпус выполнен в виде отдельных змеевиковых секций из труб, скрепленных перемычками, при этом труба или трубы секций снабжены патрубками для подвода и отвода стерилизующего пара и хладагента.