КОЖУХОТРУБНЫЙ СТРУЙНО-ИНЖЕКЦИОННЫЙ ФЕРМЕНТАТОР Российский патент 2007 года по МПК A23L2/54 B01F5/04 

Изобретение относится к микробиологической и пищевой отраслям промышленности и, в частности, к аппаратам для проведения аэробного культивирования хлебопекарных дрожжей и иных одноклеточных микроорганизмов.

Известен кожухотрубный струйно-инжекционный аппарат (а.с. СССР №1741873). Известное устройство содержит теплообменник-аэратор, включающий корпус, опускную, подъемную и сливную вертикальные трубы, соединенные верхней и нижней трубными решетками, верхнюю и нижнюю крышки, которые образуют с корпусом верхнюю и нижнюю камеры. Также устройство содержит основное сопло, установленное в верхней камере соосно с опускной трубой, дополнительное сопло, установленное над сливной трубой соосно с ней, патрубки для подвода культуральной жидкости, газа, хладоносителя и патрубки для отвода насыщенной газом жидкости и хладоносителя.

Целью изобретения является повышение производительности ферментатора по газовой фазе за счет более эффективного распределения подводимой энергии к газожидкостной смеси.

Отличие завленного устройства состоит в том, что оно содержит емкость-накопитель, расположенную под теплообменником-аэратором, циркуляционный насос, а нижний конец сливной трубы выступает за нижнюю крышку не менее чем на 0,5 длины подъемной трубы и соединен с емкостью-накопителем соосно с ней в верхней ее части, диаметр дополнительного сопла меньше диаметра основного не менее чем в 1,2 и не более чем в 1,8 раза, а соотношение длины проходной части сопел L_о к их проходному диаметру d_о выполнено равным не менее 10, причем выходной срез основного сопла расположен не ниже оси патрубка для подвода газа.

На фиг.1 изображен кожухотрубный струйно-инжекционный ферментатор повышенной производительности по газовой фазе (КСИФ), состоящий из теплообменика-аэратора 1, емкости-накопителя 2 и циркуляционного насоса 3. Теплообменник-аэратор содержит вертикально расположенную опускную 4, подъемную 5 и сливную 6 трубы, соединенные верхней 7 и нижней 8 трубными решетками, соответственно, и размещенные соосно корпусу 9 внутри него. Над верхней трубной решеткой 7 расположена горизонтальная перегородка 13, образующая совместно с ней и корпусом 9 верхнюю газовую емкость 14. Над перегородкой 13, параллельно ей, размещена верхняя крышка 10, образующая с корпусом 9 верхнюю жидкостную емкость 20. Под нижней трубной решеткой 8 расположена нижняя крышка 16, образующая, совместно с ней и корпусом 9, нижнюю жидкостную емкость 19. Верхняя газовая емкость 14 разделена вертикальной перегородкой 18 на две камеры - основную и дополнительную 15, каждая из которых имеет патрубок для подвода газа 25 и 26, соответственно.

В горизонтальной перегородке 13, над опускной и сливной трубами, соосно им, размещены основное 11 и дополнительное 12 сопла, соответственно.

Сливная труба 9 имеет продолжение, параллельно собой себе и проходит через нижнюю трубную решетку 8, нижнюю жидкостную камеру 19, нижнюю крышку 16 до приемного патрубка 21, расположенного соосно с емкостью-накопителем 2 в верхней его крышке 22. Нижний конец сливной трубы выступает за нижнюю крышку не менее чем на 0,5 длины подъемной трубы.

Кожухотрубный струйно-инжекционный ферментатор работает следующим образом. Емкость-накопитель 2 заполняют культуральной жидкостью и включают насос 3. Культуральная жидкость поступает в теплообменник-аэратор 1 через патрубок, размещенный в верхней крышке 10, и заполняет верхнюю жидкостную емкость 20. Из емкости 20 жидкость распределяется по соплам 11 и 12, вытекая из которых, образует свободные жидкостные струи. Струя жидкости, вытекающая из основного сопла 11, инжектирует воздух, находящийся в камере 14, в опускную трубу 4. Образовавшаяся мелкодисперсная газожидкостная смесь движется нисходящим потоком по опускной трубе 4 к нижнему ее концу, поступает в нижнюю жидкостную емкость 16 и далее в подъемную трубу 5. В подъемной трубе 5 газожидкостная смесь движется восходящим потоком к верхней ее части и поступает в дополнительную газовую емкость 15, в которой поток вновь меняет свое направление и поступает в сливную трубу 6. При входе газожидкостного потока в сливную трубу происходит взаимодействие его со свободной струей, вытекающей из дополнительного сопла 12, которая дополнительно инжектирует в него газ, увеличивая тем самым его содержание в культуральной жидкости, и, повторно, интенсивно диспергирует находящуюся в нем газовую фазу. Под напором этой струи газожидкостной поток движется нисходящим потоком в сливной трубе 6 к емкости-накопителю 2, а точнее, к приемному патрубку 21, расположенному в верхней крышке 22 емкости-накопителя 2 соосно ей. Из патрубка 21 газожидкостной поток поступает в рабочий объем емкости-накопителя 2, где происходит частичное отделение отработанного воздуха от культуральной жидкости, который отводится через патрубок 23, а дегазированная культуральная жидкость вновь поступает в циркуляционный насос 3. Отвод биологического тепла осуществляется путем подачи и отвода хладоносителя в межтрубное пространство теплообменника аэратора 1 через патрубки 17 и 24, соответственно.

Установка дополнительного сопла 12 над сливной трубой 6 позволяет решить две проблемы: проблему увеличения подачи газовой фазы в аппарат и проблему дополнительного диспергирования газовой фазы по ходу движения газожидкостного потока по трубам 4, 5, 6 от основного сопла 11 до выхода его из теплообменника-аэратора 1. Оптимальным диапазоном диаметров основного сопла считается диапазон от 5 мм до 9 мм. При этом диаметр проходного сечения дополнительного сопла должен быть меньше диаметра проходного сечения основного сопла не менее чем в 1,2 и не более чем в 1,8 раза. Уменьшение диаметра проходного сечения дополнительного сопла, по отношению к диаметру основного сопла, позволяет при одинаковом давлении жидкости на входе (давление жидкости в верхней жидкостной камере 20) получать большую скорость истечения жидкости, а следовательно, большее количество инжектируемого газа и большую кинетическую энергию струи, которая в дальнейшем идет на диспергирование и перемешивание фаз в газожидкостном потоке.

Рекомендуемый диапазон уменьшения диаметра проходного сечения дополнительного сопла определяется следующими соображениями. При уменьшении диаметра менее чем в 1,2 раза скорость истечения жидкости из дополнительного сопла будет приближаться к скорости истечения из основного сопла, т.е. скорость инжекции, а следовательно, и расход инжектируемого газа будут уменьшаться, что нежелательно для культивирования микроорганизмов при высоких концентрациях биомассы. При уменьшении диаметра более чем в 1,8 раза струя, выходящая из сопла, будет разрушаться и терять свой импульс, что может привести к прекращению инжекции, т.к. струя перестает быть компактной. Кроме того, подвод дополнительной энергии в зону входа газожидкостной смеси в сливной трубе позволит произвести дополнительное редиспергирование газовой фазы и получить мелкодисперсную газожидкостную смесь с высокой удельной поверхностью контакта фаз, достигающей в области входа струи в газожидкостную смесь порядка 10⁴ м²/м³. Теплообменник-аэратор 1 соединен с емкостью-накопителем 2 через сливную трубу 6. При этом емкость-накопитель 2 располагается непосредственно под теплообменником-аэратором 1, таким образом, чтобы соединительная магистраль являлась естественным продолжением сливной трубы, без изменения диаметра и направления движения газожидкостной смеси (с целью снижения гидравлических сопротивлений). Нижний конец сливной трубы выступает за нижнюю крышку 16 не менее чем на 0,5 длины подъемной трубы. В таком исполнении сливного трубопровода в дополнительной газовой емкости 15 возникает эффект сифона, приводящий к повышению величины разрежения в ней, что ведет к повышению подачи газа в эту камеру. Более того, инжекция газа струей, вытекающей из дополнительного сопла 12, резко увеличивается, т.к. происходит совместный унос газа двумя однонаправленными потоками - струйным потоком из дополнительного сопла и газожидкостным потоком, перетекающим из подъемной трубы 5 в сливную 6. Понижение давления в верхней дополнительной газовой емкости 15 приводит к увеличению скорости движения газожидкостной смеси в опускной 4 и подъемной 5 трубах и понижению давления в основной газовой емкости 14 и, как следствие, к увеличению подачи газа в эту камеру.

Основное и дополнительное сопла должны иметь соотношение длины проходной части сопел L_о к их диаметру d_о не менее 10 (фиг.2), т.к. при этом наблюдается максимальный унос газа струями, которые вытекают из сопла конкретного диаметра и при сопоставимом расходе жидкости [1].

Установка выходного среза основного сопла не ниже оси входного патрубка газа 25 гарантирует наличие свободной струи жидкости при возможном заполнении жидкостью верхней газовой емкости и максимально возможную длину свободной струи жидкости.

Проведенные экспериментальные исследования показали, что в конструкции КСИФ, выполненной согласно приведенному выше описанию, инжектирующая способность струй i (i=Q_г/Q_ж) возросла в 8 раз у основного сопла и в 14 раз у дополнительного [2], что позволило проводить процесс культивирования хлебопекарных дрожжей при концентрации биомассы в культуральной жидкости до 480 кг/м³ [3].

Эффект резкого увеличения инжектирующей способности струй, вытекающих из обоих сопел, был получен только при совокупном выполнении всех условий, отраженных в формуле изобретения.

Источники информации

1. Ohkawa A., Kusabaraki D., Sakai N. Effekt of nozzle length on gas entrainment characteristics of vertical liquid jet. - J.Chem.Engng.Jap, 1987, v.20, №3, p.295-299.

2. Гуляева Ю.Н., Новоселов А.Г. Увеличение производительности кожухотрубного струйно-инжекционного ферментатора по газовой фазе. - Теоретические, экспериментальные исследования процессов, машин, агрегатов, автоматизации, управления и экономики пищевой технологии. Сборник статей. - СПб, СПбТИХП, 1994, с.51-59.

3. Меледина Т.В., Новоселов А.Г., Тишин В.Б. Пути повышения клеточной массы при выращивании Saccharomyces cerevisiae Hansen, 1883, в ферментаторе струйно-инжекционного типа. - Микология и фитопатология, М., 1994, т.28, вып.3, с.45-50.

Изобретение относится к микробиологической и пищевой отраслям промышленности и, в частности, к аппаратам для проведения аэробного культивирования хлебопекарных дрожжей и иных одноклеточных микроорганизмов. Кожухотрубный струйно-инжекционный ферментатор состоит из теплообменника-аэратора, емкости-накопителя, расположенной под ним, и циркуляционного насоса. Теплообменник-аэратор содержит корпус, опускную, подъемную и сливную вертикальные трубы, а также основное сопло, установленное над опускной трубой. Над сливной трубой соосно ей установлено дополнительное сопло. Нижний конец сливной трубы выступает за нижнюю крышку не менее чем на 0,5 длины подъемной трубы и соединен с емкостью-накопителем соосно с ней в верхней ее части. Диаметр дополнительного сопла меньше диаметра основного не менее чем в 1,2 и не более чем в 1,8 раза, а соотношение длины проходной части сопел L_о к их диаметру d_о выполнено равным не менее 10, причем выходной срез основного сопла расположен не ниже оси патрубка для подвода газа. 2 ил.

Кожухотрубный струйно-инжекционный ферментатор, содержащий теплообменник-аэратор, который включает корпус, опускную, подъемную и сливную вертикальные трубы, соединенные верхней и нижней трубными решетками, верхнюю и нижнюю крышки, образующие с корпусом верхнюю и нижнюю камеры, основное сопло, установленное в верхней камере соосно с опускной трубой, дополнительное сопло, установленное над сливной трубой соосно с ней, патрубки для подвода культуральной жидкости, газа, хладоносителя и патрубки для отвода насыщенной газом жидкости и хладоносителя, отличающийся тем, что он снабжен емкостью-накопителем, расположенной под теплообменником-аэратором, циркуляционным насосом, при этом нижний конец сливной трубы выступает за нижнюю крышку не менее чем на 0,5 длины подъемной трубы и соединен с емкостью-накопителем соосно с ней в верхней ее части, диаметр дополнительного сопла меньше диаметра основного не менее чем в 1,2 и не более чем в 1,8 раза, а отношение длины проходной части сопел L_о к их диаметру d_о выполняется равным не менее 10, причем выходной срез основного сопла расположен не ниже оси патрубка для подвода газа.