RU2021849C1

RU2021849C1 - Multi-phase media agitator

Info

Publication number: RU2021849C1
Authority: RU
Inventors: С.Г. Мухачев; Р.И. Валеев; Ш.Г. Еникеев; В.П. Верхорубов; В.А. Шушков
Original assignee: Мухачев Сергей Германович; Валеев Рустэм Искандерович
Priority date: 1991-04-09
Filing date: 1991-04-09
Publication date: 1994-10-30

Abstract

FIELD: microbiological, chemical and food industries. SUBSTANCE: agitator has horizontal perforated disks, secured to a vertical drive shaft, and a drive. The disks are made with radial corrugations and they are mounted on the shaft for rotation. The minimum number of corrugations on every disk is determined by relation given in the description. The correlations may be made by means of gauze stretched on a frame. EFFECT: enhanced agitating process. 2 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к биотехнологии и может быть использовано при проведении процессов микробиологического синтеза, в системах автоматизации научных исследований и при разработке новых технологических процессов, связанных с культивированием микроорганизмов, в медицинской и пищевой промышленности, а также в химической промышленности. Перемешивающее устройство в аппаратах с механическим перемешиванием является одним из основных узлов, обеспечивающих и массообменные условия получения биомассы микроорганизмов, продуктов их жизнедеятельности. The invention relates to biotechnology and can be used in microbiological synthesis processes, in research automation systems, and in the development of new technological processes associated with the cultivation of microorganisms in the medical and food industries, as well as in the chemical industry. A mixing device in devices with mechanical stirring is one of the main units that provide mass transfer conditions for the biomass of microorganisms, their metabolic products.

Известен аппарат, выполненный в виде емкости с центрально установленным, совершающим возвратно-поступательное движение валом, с многоярусно укрепленными на нем перфорированными тарелками и устройством для подвода газа. С целью обеспечения более равномерного распределения газа в аппарате и повышения эффективности перемешивания газа с жидкостью вал выполнен полым с отверстиями в нижней части и окнами в верхней, при этом на нем укреплен поршень, перфорированные тарелки, имеющие форму усеченного конуса, установлены попарно большим основанием вверх в верхней части емкости и большим основанием вниз в нижней части [1]. A known apparatus made in the form of a container with a centrally mounted, reciprocating shaft, with multi-tiered perforated plates and a gas supply device mounted thereon. In order to ensure a more uniform distribution of gas in the apparatus and increase the efficiency of mixing gas with liquid, the shaft is made hollow with holes in the lower part and windows in the upper one, while a piston is mounted on it, perforated plates having the shape of a truncated cone are installed in pairs with a large base up in the upper part of the tank and a large base down in the lower part [1].

Известно перемешивающее устройство, содержащее закрытый сосуд с подводящими и отводящими патрубками, герметизированный привод, который соединен с полым штоком и набором перфорированных тарелок, размещенных внутри сосуда. С целью повышения эффективности перемешивания жидкости и взвесей с газовой средой полый шток снабжен поршнем, установленным между тарелками и окнами в верхней части [2]. Known mixing device containing a closed vessel with inlet and outlet pipes, a sealed actuator that is connected to a hollow rod and a set of perforated plates placed inside the vessel. In order to increase the efficiency of mixing liquids and suspensions with a gaseous medium, the hollow rod is equipped with a piston installed between the plates and windows in the upper part [2].

Однако описанные выше конструкции аппаратов не могут обеспечить необходимые уровни концентраций и равномерное распределение компонентов по реакционному объему и характеризуются
малой скоростью циркуляции жидкости по всему объему емкости, следствием чего является медленное распределение компонентов питания, вводимых обычно в определенной зоне емкости;
малой интенсивностью массообмена по кислороду, не позволяющей проводить кинетические измерения и технологические процессы при высоких концентрациях биомассы, т. к. процесс протекает в диффузионной, а не кинематической области.However, the apparatus designs described above cannot provide the necessary concentration levels and uniform distribution of components over the reaction volume and are characterized by
low speed of fluid circulation throughout the entire volume of the tank, which results in a slow distribution of power components, usually introduced in a certain zone of the tank;
low oxygen mass transfer, which does not allow kinetic measurements and technological processes at high biomass concentrations, because the process proceeds in the diffusion rather than kinematic region.

Известен аппарат для выращивания микроорганизма, содержащий колонную емкость, разделенную по высоте горизонтальными перфорированными перегородками, закрепленными на стенке емкости, вертикальный шток, установленный по оси емкости с возможностью возвратно-поступательного движения по вертикали, диски с коническими отверстиями, укрепленные на штоке и размещенные по его высоте между перегородками, аэратор, расположенный в нижней части емкости, пенозаборник, установленный в ее верхней части. С целью повышения удельной производительности аппарата отверстия дисков имеют угол конусности 60-90^о, при этом отверстия в центральной части диска обращены меньшим основанием конуса вниз, а в периферийной части диска - вверх [3].A known apparatus for growing a microorganism, containing a column container, divided in height by horizontal perforated partitions mounted on the wall of the container, a vertical rod mounted along the axis of the container with the possibility of reciprocating movement vertically, disks with conical holes mounted on the rod and placed along it height between the partitions, an aerator located in the lower part of the tank, a foam inlet installed in its upper part. In order to increase the specific productivity drive apparatus holes have a taper angle ^of 60-90, wherein the openings in the central part of the disc facing the small base of the cone downward, and in the peripheral portion of the disk - up [3].

Данный аппарат сочетает гидродинамический режим идеального перемешивания в каждой секции и режим идеального вытеснения вдоль емкости, что приводит к интенсификации процесса массообмена, но не решает проблему малой скорости циркуляции жидкости по всему объему емкости. This apparatus combines the hydrodynamic regime of ideal mixing in each section and the regime of ideal displacement along the tank, which leads to the intensification of the mass transfer process, but does not solve the problem of a low rate of fluid circulation throughout the tank.

Для известного аппарата характерен недостаточно высокий коэффициент массообмена, т. к. осуществляемый в нем принцип перемешивания и аэрации за счет изменений давления требует сравнительно низкой частоты вращения приводного вала, что не позволяет осуществить непрерывную интенсивную циркуляцию жидкости как в пределах одной секции, так и по всем объеме аппарата. Осуществляемый принцип аэрирования и перемешивания требует значительного расхода аэрирующего воздуха. Это влечет за собой необходимость предотвращения выброса пены в линию отбора газа, а это в данном аппарате возможно только за счет применения химических пеногасителей, что вносит искажение в картину кинетики массообменных процессов в системе газ-жидкость, а следовательно, и в картину кинетики метаболизма аэробных микроорганизмов. Надо учитывать еще и то, что воздействие указанных искажающих факторов количественно возрастает с ростом концентрации биомассы микроорганизмов. The known apparatus is not characterized by a sufficiently high mass transfer coefficient, since the principle of mixing and aeration due to pressure changes requires a relatively low rotational speed of the drive shaft, which does not allow continuous intensive circulation of the fluid both within one section and throughout the volume of the apparatus. The current principle of aeration and mixing requires a significant flow of aerating air. This entails the need to prevent the release of foam into the gas extraction line, and this in this apparatus is possible only through the use of chemical defoamers, which introduces a distortion into the picture of the kinetics of mass transfer processes in the gas-liquid system, and, consequently, into the picture of the kinetics of metabolism of aerobic microorganisms . It should also be taken into account that the effect of these distorting factors increases quantitatively with an increase in the concentration of the biomass of microorganisms.

Целью изобретения является снижение удельных затрат энергии на межфазный перенос вещества. The aim of the invention is to reduce the specific energy consumption for interfacial transfer of matter.

Это достигается тем, что диски выполнены радиально гофрированными. У диска с двумя гофрами угол гофра 180^о, у диска с тремя гофрами угол гофра 120^о. При этом за один оборот вала на некоторый элемент жидкости будет оказано механическое воздействие с частотой, равной удвоенному числу гофр. При скорости вращения V об/с частота пульсации среды, возбуждаемой подобной мешалкой, будет равна 2V ˙n, где n - число гофр. Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое перемешивающее устройство отличается тем, что диски выполнены радиально гофрированными с числом гофр не менее чем 20/ω , где ω - угловая скорость вращения, с^-1, n - число гофр.This is achieved by the fact that the disks are made radially corrugated. U disk with two corrugations of the corrugation angle ^of 180, in a disc with three corrugations angle corrugation ^120. At the same time, in one revolution of the shaft, a mechanical effect will be exerted on some fluid element with a frequency equal to twice the number of corrugations. At a rotation speed of V r / s, the pulsation frequency of the medium excited by such a mixer will be 2V ˙n, where n is the number of corrugations. Comparative analysis with the prototype shows that the inventive mixing device is characterized in that the disks are made radially corrugated with a number of corrugations of at least 20 / ω, where ω is the angular velocity of rotation, with ^-1 , n is the number of corrugations.

На фиг. 1 изображен аппарат с перемешивающим устройством, продольный разрез; на фиг. 2 - устройство. In FIG. 1 shows a device with a mixing device, a longitudinal section; in FIG. 2 - device.

В аппаратах малого объема в целях упрощения конструкции мешалки и снижения трудоемкости ее изготовления гофры могут быть образованы путем отгиба секторов диска. In the apparatus of small volume in order to simplify the design of the mixer and reduce the complexity of its manufacture, the corrugations can be formed by bending the sectors of the disk.

На фиг. 3 показан элемент диска-гофра с перфорацией, где α - угол наклона поверхности сектора относительно плоскости установки мешалки, вид по стрелке А на фиг. 2; на фиг. 4 - элемент диска-гофра с сетчатой поверхностью. In FIG. 3 shows an element of a corrugated disk with perforation, where α is the angle of inclination of the sector surface relative to the installation plane of the mixer, view along arrow A in FIG. 2; in FIG. 4 - element of the disk-corrugation with a mesh surface.

Перемешивающее устройство состоит из радиально гофрированных дисков 1, закрепленных на вертикальном валу 2, отбойников 3 и смонтировано в емкости 4 аппарата, содержащего из верхней 5 и нижней крышек 6 и обечайки 7. The mixing device consists of radially corrugated discs 1, mounted on a vertical shaft 2, chippers 3 and is mounted in the tank 4 of the apparatus, comprising from the upper 5 and lower covers 6 and the shell 7.

Под нижним диском находится устройство 8 для подачи воздуха в аппарат (барботер). Перфорация (отверстия) 9, расположенная на диске 1 в шахматном порядке, имеет форму усеченного конуса, обращенного большим основанием в сторону набегания потока. Направление конусности на смежных секторах гофра противоположное, большее основание направлено в сторону вращения. Under the lower disk is a device 8 for supplying air to the apparatus (bubbler). Perforation (holes) 9, located on the disk 1 in a checkerboard pattern, has the shape of a truncated cone, facing a large base in the direction of flow. The direction of the taper on the adjacent sectors of the corrugation is opposite, the larger base is directed in the direction of rotation.

Возможен вариант рамной конструкции, в которой наклонные секторы гофра образованы натянутой на раму металлической сеткой 10, что упрощает изготовление изделия. A variant of the frame structure is possible in which the inclined corrugations are formed by a metal mesh 10 stretched over the frame, which simplifies the manufacture of the product.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

В емкость 4 заливают культуральную среду и производят засев микроорганизмов. После этого подается аэрирующий воздух. Вращение вала 2 приводит в движение укрепленные на нем гофрированные перфорированные диски 1. Так как перфорированные отверстия 9 в дисках 1 имеют форму усеченного конуса, причем расположены большим основанием конуса в разные стороны на разных секторах в пределах одной гофры, то при движении дисков 1 в жидкости гидравлическое сопротивление в секторах в пределах одной гофры различно. Например, при конусности отверстий в 90^о гидравлическое сопротивление его потоку жидкости в направлении от большего основания к меньшему на 30-35% меньше, чем при протоке жидкости в обратном направлении. Газожидкостная смесь подвергается попеременному воздействию то одного, то другого сектора одного гофра. Таким образом, создается не только интенсивный циркуляционный поток газожидкостной смеси по окружности, но и множество разнонаправленных микропульсаций потока, частота которых пропорциональна скорости вращения приводного вала и числу гофров. Наличие вертикально расположенных отбойников 3 ограничивает процесс образования воронки жидкости, возникающей при вращательном движении, и повышает массообменные характеристики за счет дополнительной турбулизации потока. Дополнительную турбулизацию потока обеспечивает применение сетки 10. При этом шаг сетки, как и диаметр отверстий 9 перфорации, определяет размеры турбулентных вихрей, генерируемых мешалкой.The culture medium is poured into the tank 4 and microorganisms are seeded. After that, aerating air is supplied. The rotation of the shaft 2 drives the corrugated perforated discs 1 mounted on it. Since the perforated holes 9 in the discs 1 have the shape of a truncated cone, moreover, they are located by the large base of the cone in different directions on different sectors within the same corrugation, then when the disks 1 move in liquid hydraulic resistance in sectors within one corrugation is different. For example, if the holes have a taper of 90 °, ^the hydraulic resistance to its fluid flow in the direction from the larger base to the smaller is 30-35% less than when the fluid flows in the opposite direction. The gas-liquid mixture is exposed alternately to one or the other sector of one corrugation. Thus, not only an intense circulating flow of the gas-liquid mixture is created around the circumference, but also many multidirectional micropulsations of the flow, the frequency of which is proportional to the speed of rotation of the drive shaft and the number of corrugations. The presence of vertically located fenders 3 limits the process of formation of a funnel of liquid that occurs during rotational motion, and increases mass transfer characteristics due to additional turbulization of the flow. An additional turbulization of the flow is ensured by the use of mesh 10. In this case, the mesh pitch, as well as the diameter of the perforation holes 9, determines the dimensions of the turbulent vortices generated by the mixer.

Claims

1. MIXING DEVICE FOR MULTI-PHASE MEDIA, containing horizontal perforated disks mounted on a vertical shaft, and a drive, characterized in that, in order to reduce the specific energy costs for the interphase transfer of medium components, the disks are made with radial corrugations mounted on the shaft with rotation , and the minimum number of corrugations on the disk is determined by the ratio
n ≥ 20 / ω,
where n is the number of corrugations;
ω is the given angular velocity of uniform rotation of the disk, s ^-1 .

2. The device according to claim 1, characterized in that the corrugations of the disks are formed by a mesh stretched over the frame.