PL231104B1 - Mieszalnik do mieszania cieczy, zwłaszcza do biocieczy - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest mieszalnik do mieszania cieczy, zwłaszcza biocieczy. Przeznaczony jest on zwłaszcza do intensyfikacji procesów wymiany masy i ciepła realizowanych w biocieczach.

Głównym celem procesu mieszania cieczy zawierającej żywe kultury mikroorganizmów jest zapewnienie optymalnych warunków dla ich wzrostu, odpowiedn ie doprowadzenie substancji pokarmowych oraz odprowadzenie produktu przemiany materii. W praktyce proces mieszania biocieczy realizowany jest poprzez pracujące zazwyczaj w ruchu obrotowym mieszadło mechaniczne lub przez zastosowanie, charakteryzującego się wysoką energochłonnością, barbotażu. Pracujące w ruchu obrotowym pojedyncze mieszadło mechaniczne jest w stanie zapewnić odpowiednie warunki wzrostu hodowli mikroorganizmów jedynie w ograniczonym obszarze wsadu mieszalnika. Zwiększenie strefy oddziaływania mieszadła obrotowego w mieszalniku może być zrealizowane poprzez zwiększenie częstości jego obrotów, wywołując jednocześnie wzrost naprężenia ścinającego wpływającego destrukcyjnie na żywe organizmy. Nieodpowiednie warunki hydrodynamiczne panujące w bioreaktorze prowadzą do spadku wydajności prowadzonego procesu oraz mogą powodować zanieczyszczenie finalnego produktu. Dlatego też, w celu zwiększenia efektywności energetycznej oraz optymalizacji bioprocesów stosuje się różnego typu mieszadła w połączeniu z urządzeniami dostarczającymi fazę gazową do mieszanej cieczy.

Znane z patentu US2011229963 rozwiązanie konstrukcyjne bioreaktora wyposażono w mieszadło, którego budowa opiera się na połączeniu wału mieszadła z dnem zbiornika poprzez dwa płaskowniki i trzy zawiasy. Górna piasta mieszadła wykonuje ruch obrotowy oraz ma możliwość przemieszania się wzdłuż osi mieszadła. Dolna piasta mieszadła przytwierdzona do dna wykonuje wyłącznie ruch obrotowy. Taki system połączenia piast i płaskowników umożliwia zmianę średnicy mieszadła poprzez zmianę położenia górnej piasty przez co kontroluje się zakres bezpośredniej strefy oddziaływania przez mieszadło.

Znany z patentu US2010015696 bioreaktor wyposażono w mieszadło składające się z wału na końcu, którego zamontowano rozszerzającą się ku końcom łopatkę mieszającą. Mieszadło to posiada napęd mimośrodowy. Koniec osi mieszadła zatacza okręgi przy dnie zbiornika z jednoczesnym obrotem łopatki mieszadła wokół wału.

Znany z opisu patentowego US2011014689 bioreaktor wyposażono w zbiornik, który osadzono na pochyłej osi połączonej z napędem mimośrodowym. Napęd powoduje wychylanie się cylindrycznego zbiornika, natomiast ciecz przelewa się grawitacyjnie w zbiorniku. Rozwiązanie to eliminuje konieczność użycia mieszadeł obrotowych bezpośrednio w cieczy oraz zapewnia utrzymanie sterylności poprzez użycie wymiennych zbiorników na biociecz.

Znany z opisu patentowego US 2010035343 bioreaktor zaopatrzono w wirnik osadzony na obrotowym wale. Wirnik ten otoczony jest pionową przegrodą i wytwarza głównie przepływ osiowy, który tworzy cyrkulację w mieszalniku. Wytwarzana cyrkulacja w bioreaktorze ma za zadanie zredukować możliwość uszkodzenia materiału biologicznego.

Znane, opisane powyżej rozwiązania konstrukcyjne mieszalników mają te niedogodności, że pozwalają jedynie na uzyskanie zadawalającego stopnia wymiany masy w ograniczonej objętości aparatu. Zwiększenie cyrkulacji płynu w omówionych konstrukcjach wiąże się ze zwiększeniem wartości naprężenia ścinającego, które jest niepożądane w warunkach prowadzenia hodowli mikroorganizmów.

Mieszalnik do mieszania cieczy, zwłaszcza biocieczy, według wynalazku, zawierający zbiornik, płaszcz termostatujący, wał, mieszadło, charakteryzuje się tym, że ma osadzone na wale w osi zbiornika co najmniej jedno mieszadło, składające się z piasty, do której przymocowane są krótszymi krawędziami co najmniej dwie wewnętrzne łopatki, których dłuższe, przeciwległe krawędzie przymocowane są do wewnętrznej powierzchni cylindrycznej przegrody, zaś do zewnętrznej powierzchni cylindrycznej przegrody przymocowane są krótszymi krawędziami co najmniej dwie zewnętrzne łopatki. Wewnętrzne łopatki pochylone są w przeciwną stronę niż zewnętrzne łopatki. Pod wałem, przy dnie zbiornika, w jego osi, umieszczona jest bełkotka składająca się z cylindrycznej przegrody, do której wewnętrznej powierzchni przymocowana jest pierścieniowa, perforowana rura. Zadaniem bełkotki jest ukierunkowanie pęcherzyków rozproszonego gazu w taki sposób, aby przepływająca przez warstwę cieczy faza gazowa znajdowała się w cylindrycznej przegrodzie mieszadła. W przypadku mieszania płynów charakteryzujących się większą lepkością, wewnętrzne łopatki oraz zewnętrzne łopatki są perforowane. Korzystnie wewnętrzne łopatki oraz zewnętrzne łopatki rozmieszczone są naprzeciwko siebie. Mieszalnik może być wyposażony w element dystansowy, który stosuje się w celu zwiększenia wysokości mieszadła

PL 231 104 B1 osadzając element dystansowy na wale, pomiędzy mieszadłami. Element dystansowy zbudowany z piasty, do której za pomocą prętów przymocowana jest cylindryczna przegroda. Korzystnie mieszadło ma dwie wewnętrzne łopatki i dwie zewnętrzne łopatki rozmieszczone co 180° lub trzy wewnętrzne łopatki i trzy zewnętrzne łopatki rozmieszczone co 120°.

Zasada działania mieszalnika polega na wprawianiu w ruch obrotowy wału mieszadła, na którym zamontowano, w zależności od wariantu wykonania, określoną liczbę mieszadeł lub mieszadeł i elementów dystansowych. Zasada działania polega na wytworzeniu w każdym mieszadle strumieni o przeciwstawnym kierunku przepływu w wewnętrznej i zewnętrznej strefie cylindrycznej przegrody każdego z mieszadeł. Przykładowo, jeśli kierunek obrotów oraz kąt pochylenia łopatek przy piaście wywołuje spiralny ruch cieczy od dna zbiornika ku powierzchni swobodnej w obszarze wewnętrznym cylindrycznej przegrody to przeciwstawnie pochylone łopatki zamocowane na zewnątrz tej przegrody wywołują spiralny ruch cieczy w kierunku odwrotnym. Kolejne mieszadło umieszczone na wale kontynuuje kierunek przetłaczania cieczy nadany przez poprzednie mieszadło. Wytworzone strumienie wywołują cyrkulację płynu w obrębie mieszanej cieczy. W strefie wewnętrznej cylindrycznej przegrody ciecz przepływa spiralnie dominująco w kierunku osiowym. W strefie na zewnątrz cylindrycznej przegrody ciecz przepływa spiralnie dominująco w kierunku osiowo-promieniowym.

Mieszalnik według wynalazku umożliwia korzystne prowadzenie procesu wymiany masy (w osi aparatu) oraz procesu wymiany ciepła (płaszcz termostatujący aparatu) przy zachowaniu niewielkich wartości naprężenia ścinającego. Zaletą mieszalnika, w porównaniu z już istniejącymi mieszalnikami, jest uzyskanie rozwiniętej powierzchni wymiany masy w układzie gaz-ciecz oraz wytwarzanie niskich wartości naprężenia ścinającego podczas pracy mieszalnika. Mieszadło może również pracować, jako element intensyfikujący burzliwość w kolumnie typu air-lift.

Mieszalnik według wynalazku przedstawiony jest w przykładach wykonania i na rysunkach na których fig. 1 przedstawia mieszalnik z trzema mieszadłami oraz bełkotką przy dnie, fig. 2 - mieszadło z dwiema łopatkami wewnętrznymi i dwiema łopatkami zewnętrznymi, fig. 3 - takie samo mieszadło z łopatkami perforowanymi, fig. 4 - mieszadło z trzema łopatkami wewnętrznymi i trzema łopatkami zewnętrznymi, fig. 5 - takie samo mieszadło z łopatkami perforowanymi, fig. 6 - bełkotkę A, fig. 7 element dystansowy B, fig. 8 - mieszalnik z dwoma mieszadłami, pomiędzy którymi znajduje się element dystansowy oraz bełkotką przy dnie, fig. 9 przedstawia mieszalniki z czterema mieszadłami, przy czym dwa górne mieszadła stanowią lustrzane odbicie dwóch dolnych mieszadeł, pary mieszadeł są odsunięte od siebie na wale, pod którym znajduje się bełkotką.

P r z y k ł a d 1

Mieszalnik zawiera zbiornik 10, wyposażony w pionowe przegrody 9, płaszcz termostatujący 11, wał 8 usytuowany centralnie w zbiorniku 10. Na wale 8 mieszalnika osadzono trzy mieszadła obrócone, każde względem poprzedniego o kąt 60°. Mieszadło posiada piastę 1, do której przymocowane są krótszymi krawędziami dwie wewnętrzne łopatki 2, rozmieszczone, co 180°. Dłuższe, przeciwległe krawędzie łopatek 2 przymocowane są do wewnętrznej powierzchni cylindrycznej przegrody 3. Do zewnętrznej powierzchni cylindrycznej przegrody 3 przymocowane są krótszymi krawędziami dwie zewnętrzne łopatki 4 rozmieszczone co 180°. Wewnętrzne łopatki 2 pochylone są w przeciwną stronę niż zewnętrzne łopatki 4. Łopatki 2 przesunięte są względem osi piasty o kąt 90° względem łopatek 4. Pod wałem 8, przy dnie zbiornika 10, w jego osi, umieszczona jest bełkotka A składająca się z cylindrycznej przegrody 3, do której wewnętrznej powierzchni przymocowana jest za pomocą trzech prętów 7 pierścieniowa, perforowana rura 6. Zadaniem bełkotki jest ukierunkowanie wznoszenia się pęcherzyków rozproszonego gazu przez perforowaną rurę 6.

P r z y k ł a d 2

Mieszalnik jak w przykładzie 1 z tym, że na wale 8 osadzono dwa mieszadła wyposażone w trzy wewnętrzne łopatki 2 rozmieszczone co 120° i trzy zewnętrzne łopatki 4 rozmieszczone co 120°.

P r z y k ł a d 3

Mieszalnik jak w przykładzie 2 z tym, że na wale 8 osadzono dwa mieszadła, pomiędzy którymi umieszczono element dystansowy B zbudowany z piasty 1, do której za pomocą prętów 5 przymocowana jest cylindryczna przegroda 3.

P r z y k ł a d 4

Mieszalnik jak w przykładzie 2 z tym, że na wale 8 osadzono cztery mieszadła wyposażone w trzy wewnętrzne łopatki 2 rozmieszczone co 120° i trzy zewnętrzne łopatki 4 rozmieszczone co 120°, przy czym dwa górne mieszadła stanowią lustrzane odbicie dwóch dolnych mieszadeł. Pary mieszadeł są odsunięte od siebie na wale, pod którym znajduje się bełkotką.

PL 231 104 B1

Wykaz oznaczeń

1. - piasta

2. - wewnętrzna łopatka

3. - cylindryczna przegroda

4. - zewnętrzna łopatka

5. - pręt

6. - perforowana rura

7. - krótki pręt

8. - wał mieszadła

9. - pionowa przegroda

10. - zbiornik

- płaszcz termostatujący A - bełkotka B - element dystansowy

Claims (6)

Zastrzeżenia patentowe

1.

2.

3.

4.

5.

Mieszalnik do mieszania cieczy, zwłaszcza biocieczy zawierający zbiornik, płaszcz termostatujący, wał, mieszadło, znamienny tym, że ma osadzone na wale 8 w osi zbiornika 10 co najmniej jedno mieszadło, składające się z piasty 1, do której przymocowane są krótszymi krawędziami co najmniej dwie wewnętrzne łopatki 2, których dłuższe, przeciwległe krawędzie przymocowane są do wewnętrznej powierzchni cylindrycznej przegrody 3, zaś do zewnętrznej powierzchni cylindrycznej przegrody 3 przymocowane są krótszymi krawędziami co najmniej dwie zewnętrzne łopatki 4, przy czym wewnętrzne łopatki 2 pochylone są w przeciwną stronę niż zewnętrzne łopatki 4, przy czym pod wałem 8, przy dnie zbiornika 10, w jego osi, umieszczona jest bełkotka A składająca się z cylindrycznej przegrody 3, do której wewnętrznej powierzchni przymocowana jest za pomocą prętów 7 pierścieniowa, perforowana rura

6. Mieszalnik według zastrz. 1, znamienny tym, że wewnętrzne łopatki 2 oraz zewnętrzne łopatki 4 są perforowane.

Mieszalnik według zastrz. 1, znamienny tym, że wewnętrzne łopatki 2 rozmieszczone są naprzeciwko siebie.

Mieszalnik według zastrz. 1, znamienny tym, że zewnętrzne łopatki 4 rozmieszczone są naprzeciwko siebie.

Mieszalnik według zastrz. 1, znamienny tym, że ma osadzony na wale 8 element dystansowy B zbudowany z piasty 1, do której za pomocą prętów 5 przymocowana jest cylindryczna przegroda 3.