Описання та обґрунтування використання інокулятору із механічним перемішуванням

Конструкцію реактора визначає ряд факторів: агрегатний стан реагуючих речовин, продуктів і консистенція реакційної маси, інтенсивність перемішування реаген­тів, температура реакції і тиск, тепловий ефект і інтенсивність теплообміну, хімі­чні властивості речовин, що переробляються, наявність чи відсутність каталізато­рів, задана продуктивність апарату, безперервність або періодичність процесу, зручність монтажу і ремонту апарата, простоту його виготовлення і т. д.

Реактори класифікуються:

1. За принципом організації процесу – періодичні, безперервні, на­півперіодичні;

2. За гідродинамічним режимом – апарати повного витіснення, пов­ного змішування, проміжного типу;

3. За тепловим режимом – ізотермічні, адіабатичні, політропічні;

4. За фазовим станом матеріалів, що переробляються – для прове­дення гомо­генних реакцій в газовій або рідкій фазі, для проведення реа­кцій в газовій фазі над твердим або рідким каталізатором, для прове­дення реакцій між газами і рідинами над твердими каталізаторами;

5. За конструктивними особливостями – апарат типу реакційної ка­мери, ко­лони, теплообмінника або печі [7].

Всі системи для перемішування в рідкому середовищі являють собою посудину, яка містить рідину, з механічним пристроєм для створення турбулентності. Важливу роль при виборі мішалки грають фізичні параметри рідини, що перемішується і, в першу чергу, в’язкість середовища [17]. На рис.3.1. показані рекомендовані межі в’язкості рідин для найбільш розповсюджених типів мішалок [15]. Для малов’язких рідин, звичайно, використають швидкохідні мішалки, для високов’язких – тихохідні [13]. Для перемішування рідин з низькою і середньою в’язкістю використовують турбінні мішалки з прямими лопатками або пропелерні мішалки [15].

Рис.3.1. – Рекомендовані межі в’язкості рідин для найбільш розповсюджених типів мішалок [15]

 

Загальне правило, що встановлює зв’язок між вибірковістю біотехнологічного про­цесу і його апаратурним оформленням: якщо залежність між ступенем перетво­рення і вибірковістю падає, то варто обирати реактор змішування періодичної дії або реактор витіснення, а для реакцій зі зростаючою залежністю – реактор змішу­вання безперервної дії [8].

Важливу роль у виборі реактора грають простота конструкції апарату і його економічна ефективність, тобто залежність собівартості продукту і його складо­вих, а також прибутку від величини питомої продуктивності.

Реактор, який розраховується, має перемішуючий пристрій. Тому, для вибору оптимальної мішалки для процесу підготовки посівного матеріалу, розглянемо основні типи мішалок, що використовуються в біотехнологічній промисловості:

1. Лопатеві (рис. 3.2.). Перемішування взаємно розчинних рідин, змішування твердих і волокнистих часток у рідині, змучування легких осадів, повільне розчинення кристалічних і волокнистих речовин.

Рис.3.2. Схема лопатевої мішалки

2. Якірні і рамні (рис.3.3.). Перемішування в’язких і важких рідин, інтенсифікація теплообмінних процесів, попередження випадіння осаду на стінках і на днищі, суспендування у в’язких середовищах.

а б

Рис.3.3. Схема: а) якірної; б) рамної мішалки;

3. Турбінні (рис.3.4). Зважування і розчинення твердих кристалічних часток (з масовим вмістом до 5%); емульгування рідин з великою різницею густин; перемішування ньютонівських рідин.

Рис. 3.4. Схема турбінної мішалки

4. Трьохлопатеві (пропелерні). Зважування твердих (з масовим вмістом до 50%) і волокнистих часток, змочування шламів, емульгування рідин, інтенсифікація теплообміну [1,10].

Рис. 3.5. Схема пропелерної мішалки

 

Створити однакову високу турбулентність по всьому об´єму апарату зазвичай не вдається. Тому намагаються зробити так, щоб вся рідина пройшла скрізь зони, де турбулентність найбільш інтенсивна. Тобто ефективність перемішування залежить як від ступеня турбулентності, так і від інтенсивності циркуляції, яка визначається часом, необхідним для того, щоб вся рідина пройшла скрізь відповідний переріз. Ідеальне перемішування можна визначити як стан, при якому вміст системи однаковий в усіх точках. Для цього процесу використовують реактор з перемішуючим пристроєм – турбінна мішалка з відбиваючими перегородками [1].

Турбінні мішалки бувають 2-х типів: відкриті та закриті, які мають лопасне колесо з каналами (подібно робочому колесу центробіжного насосу). Турбінні мішалки працюють при 100-350 об/хв. Та призводять інтенсивне перемішування рідини.

Відкриті турбінні мішалки, являють собою, вдосконалену конструкцію простих лопатних мішалок. Обертання декількох лопатей, розташованих під кутом до вертикальної площини, утворюють наряду з радіальними потоками осьові потоки рідини, що сприяє інтенсивному перемішуванні її в більших об´ємах. Інтенсивність перемішування зростає при установці в сосуді відображаючих перегородок.

Для покращення та прискорення перемішування (що особливо важливо в апараті непереривної дії) використовують турбінні мішалки з лопатями чи колесами, розташованими на різній висоті.

Переваги турбінних мішалок:

1. Швидкість перемішування та розчинення,

2. Ефективне перемішування в´язких рідин,

3. Придатність для непереривних процесів [11].

Для приведення в рух (обертання) турбінної мішалки в реакторі слугують приводи, де в якості рухомої сили використовуються головним чином електроенергія. Існує багато різних конструкцій приводів, які використовуються стандартні багато обертаючі електродвигуни та типові механічні редуктори, які встановлюються на кришці або на верхньому днищі ущільнення, якщо є надлишок тиску або вакууму в апараті. Ущільнення валу відбувається різними методами, які залежать від тиску середовища в апараті, потрібного ступеня герметизації та інших специфічних умов, виносяться до того чи іншого апарату. Хоча, будь-яке ущільнення валу в процесі експлуатації не забезпечує повну герметизацію вказаного вузла і тому є слабким місцем в такого роду приводах.

Найбільш широко використовується в біотехнологічній апаратурі з перемішуючими пристроями вертикальні виносні приводи.

Тобто, оптимальною конструкцією для нашого реактора, яка дозволить отримати потрібної якості перемішування та забезпечить максимальний ступіть підготовки посівного матеріалу є турбінна мішалка, що забезпечує ефективне перемішування при мінімальних затратах енергії в найкоротший термін. На кришку апарату встановлюємо виносний індивідуальний привід зі стандартним мотор-редуктором. Реактор має рубашку, у яку подається вода для нагрівання середовища і підтримання у реакторі постійної температури.