кожухотрубный струйно-инжекционный ферментатор

Формула изобретения

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.

Описание изобретения к патенту

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.