КОНТАКТНЫЙ КОНДЕНСАТОР С ЖИДКОСТНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ РАЗЪЕМНОЙ КОНСТРУКЦИИ Российский патент 2023 года по МПК F28B1/02 

Область техники

Область применения изобретения относится к биореакторным системам, а именно к конденсационным теплообменникам для лабораторных биореакторов малого объема.

Уровень техники

Любой биотехнологический процесс с участием культуры клеток (получение биомассы, метаболитов или биотрансформация) следует проводить в контролируемых условиях с использованием специализированного биореакторного оборудования. Данные процессы условно подразделяют на аэробные и анаэробные. При аэробном культивировании микроорганизмов необходимо обеспечить постоянную концентрацию растворенного кислорода в питательной среде. В свою очередь, анаэробные процессы являются бескислородными и не требуют непрерывной подачи стерильного воздуха в реакционную емкость. Следует отметить, что оба этих процесса характеризуются наличием газообразных выбросов. В случае аэробного культивирования это воздух, в избытке подаваемый в реактор. Для анаэробного культивирования значительную долю выбросов составляют газообразные продукты жизнедеятельности культивируемых микроорганизмов (углекислый газ, метан и т.д.). Потоки выхлопных газов могут содержать влагу, следствием чего может быть значительный унос жидкой фазы из биореактора. Данный процесс приводит к изменению условий культивирования (концентрирование питательной среды) и образованию конденсата в рабочих магистралях и на мембране фильтра отходящих газов.

В лабораторных биореакторах малого объема для предотвращения уноса жидкости используют конденсационные теплообменники с жидкостным охлаждением (конденсаторы). Возврат конденсата в них осуществляется под действием гравитации. Большинство конденсационных теплообменников представляют собой теплообменник змеевикового типа, представленного на фиг. 1. Простейшая конструкция данного теплообменника включает в себя цилиндрический корпус 1 и спиралевидный чиллер 2. Влажный газ поступает в конденсатор через входной штуцер 3. Охлаждающая жидкость подается в чиллер 2 через входной штуцер 4. Проходя через внутреннее пространство корпуса 1 и взаимодействуя с охлажденной поверхностью чиллера 2 влага в газовом выхлопе конденсируется и стекает обратно в емкость. Осушенный газ отводится через выходной штуцер 5, а охлаждающая жидкость - через штуцер 6. Недостатками данной конструкции являются неразъемность соединений деталей, а также форма чиллера, из-за которой капли конденсата могут задерживаться в ветках спирали из-за наклона охлаждающей поверхности относительно горизонта, что может снижать скорость возврата конденсата в емкость. Данный подход к осушению газовых выхлопов из биореактора повышает риск образования биопленки на внутренней поверхности конденсатора. Поэтому изменение формы чиллера, которая бы не содержала узких и труднодоступных мест, является актуальной задачей.

Известен конденсатор для биореакторных систем (CN107921327B). Данный конденсатор схематически представлен на фиг. 2 и состоит из охлаждающего канала 7, охлаждающих камер 8, фильтрующего устройства, состоящего из фильтра 9 и нагревательного элемента 10. Охлаждающий канал 7 имеет возможность гидравлического соединения с биореакторной емкостью через впускное отверстие 11. Охлаждающие камеры 8 находятся в непосредственном контакте со стенкой охлаждающего канала 7 и могут быть закреплены с помощью защелки. Охлаждающий агент поступает через входной штуцер 12, расположенный в верхней части охлаждающей камеры 8. В результате на стенках охлаждающей камеры 8 происходит конденсация паров. Осушенный газ проходит через фильтр 9 и может быть отведен с помощью выходного штуцера 13. Охлаждающий агент отводится через выходной штуцер 14. Стерилизация фильтра 9 осуществляется с помощью нагревательного элемента 10. Основным недостатком данной конструкции является взаимодействие влажного газа с охлаждающим агентом через две стенки, что снижает эффективность теплопередачи. Технология изготовления данного конденсатора подразумевает использование сварного неразъемного соединения, что в условиях повышенной влажности может привести к появлению очагов коррозии. Кроме того, в случае обработки оборудования проточным острым паром для стерилизации рабочих поверхностей, в частности охлаждающего канала 7, фильтрующее устройство не может быть временно отсоединено, вследствие чего возникает риск намокания фильтра 9 и снижение его пропускной способности. В то же самое время данный конденсатор не может быть подключен к биореактору после подобной процедуры, так как будет нарушена герметичность.

Конструкция контактного конденсатора, предлагаемая в данной заявке, лишена указанных недостатков и при этом обладает схожими функциональными характеристиками.

Сущность изобретения

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является эффективное предотвращение значительного уноса жидкости из реакционной емкости лабораторного биореактора малого объема. Технический результат, достигаемый за счет использования предложенного изобретения, заключается в снижении содержания водных паров в отходящих газах биореактора при проведении биотехнологического процесса.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - конструкция контактного конденсатора змеевикового типа;

Фиг. 2 - упрощенная схема конденсатора для биореакторных систем с гладким охлаждающим каналом (CN 07921327 В);

Фиг. 3 - сечение изометрической проекции контактного конденсатора для лабораторных биореакторов малого объема;

Фиг. 4 - схема работы контактного конденсатора, представленного на фиг.3.

Описание изобретения

Как показано на сопроводительных чертежах, представленных для иллюстрации настоящего изобретения и на которых аналогичными ссылочными номерами указаны элементы конструкции, в частности на фиг. 3 и фиг. 4 показаны сечение изометрической проекции и схема работы, соответственно, контактный конденсатор для лабораторных биореакторов малого объема представляет собой сборочный узел с разъемным соединением с возможностью промывки деталей отдельно, и состоит из корпуса 15 и крышки 16. Конденсатор гидравлически соединяется с биореакторной емкостью через впускное отверстие 17. В крышке 16 выполнены резьбовые отверстия для присоединения впускного и выпускного штуцеров 18 и 19, соответственно, для прокачивания охлаждающего агента и штуцера 20 для отвода осушенных отходящих газов. Стакан 21 является внутренним контактным охлаждающим элементом, взаимодействующим непосредственно с охлаждаемой средой. Конусообразное дно стакана 21, являясь концентратором капель конденсата, расположено над впускным отверстием 17, что обеспечивает эффективный возврат конденсата в реакционную емкость биореактора. Крышка 16 содержит удлинитель потока 22, за счет которого поддерживается наиболее эффективная температура конденсации в месте первичного контакта влажного газа из реакционной емкости с охлаждающей поверхностью.

Поставленная задача изобретения решается за счет того, что все элементы контактного конденсатора изготавливается из нержавеющей стали круглого сечения методами механической обработки. Для снижения смачиваемости поверхности, препятствующей возврату конденсата в реакционную емкость, и используя явление поверхностного натяжение жидкости, выполняется полировка внешней поверхности стакана 21 и внутренней поверхности корпуса 15. Угол наклона охлаждающей поверхности контактного конденсатора 90°, за счет чего скорость возврата конденсата в реакционную емкость максимальна.

Несмотря на то, что был показан и описан предпочтительный вариант осуществления изобретения, допускается внесение в него модификаций в рамках объема настоящего изобретения. Соответственно не предполагается, что настоящее изобретение ограничено чем-либо за исключением прилагаемой формулы изобретения.

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в контактных теплообменниках (конденсаторах) для лабораторных биореакторов малого объема. В контактном конденсаторе для лабораторных биореакторов малого объема, содержащем корпус с крышкой, размещенный внутри корпуса контактный охлаждающий элемент, впускной и выпускной штуцеры для охлаждающего агента и штуцер для отвода осушенных отходящих газов, крышка выполнена разъемно с корпусом и содержит удлинитель потока, а охлаждающий элемент выполнен в виде стакана с конусообразным дном, расположенным над впускным отверстием корпуса, гидравлически соединяющим конденсатор с биореакторной емкостью, при этом внешняя поверхность стакана и внутренняя поверхность корпуса выполнены полированными. Технический результат - создание устройства конденсации водяных паров из отходящих газов в биотехнологическом процессе. 4 ил.

Контактный конденсатор для лабораторных биореакторов малого объема, включающий корпус с крышкой, размещенный внутри корпуса контактный охлаждающий элемент, впускной и выпускной штуцеры для охлаждающего агента и штуцер для отвода осушенных отходящих газов, отличающийся тем, что крышка выполнена разъемно с корпусом и содержит удлинитель потока, а охлаждающий элемент выполнен в виде стакана с конусообразным дном, расположенным над впускным отверстием корпуса, гидравлически соединяющим конденсатор с биореакторной емкостью, при этом внешняя поверхность стакана и внутренняя поверхность корпуса выполнены полированными.