CS228350B1 - Zařízení pro zpracování tekoucích řídkých i velmi viskózních médií zvláště pro fermentaci mikroorganismů - Google Patents

Abstract

Předmětem vynálezu je zařízení pro zpracování tekoucích, řídkých i velmi viskózních médií, zvláště pro fermentaci mikroorganismů, Jehož součástí je nádoba nebo těleso, z kterého se čerpá, nebo ve kterém se míchá médium a dále prvky pro čerpání nebo míchání tohoto média. Obsahuje svislý, válcový, dutý rotor tvořený pláštěm, dnem, případně víkem, spojený alespoň jedním vstupním otvorem ve dnu rotoru s nádobou, ve které je zpracovávané médium, poháněné hnací jednotkou a dále s výstupním otvorem média v plášti, víku, případně dnu rotoru. Vstupní a/nebo výstupní otvory jsou umístěny buď v části dutého rotoru ponořené do média, nebo v části dutého rotoru mimo médium, případně jsou opatřeny prvky usměrňujícími tok, množství a tvar vtékajícího nebo vytékajícího média do rotoru nebo z rotoru. Vynález je založen na novém poznatku bezlopatkového principu míchání a čerpání tekutin jakéhokoliv druhu a hustoty, jehož hlavní výhodou je vysoká účinnost. Zpracováním tekoucích (tekutých) médií se rozumí zejména míchání (homogenizace), zvedání vzhůru (čerpání), rozstřikování nebo rozprašování do kapalné nebo plynné fáze (difúze, extrakce, sušení nebo fermentace mikroorganismů apod.).

Description

Vynález se týká zařízení pro zpracování tekoucích řídkých i velmi viskózních médií zvláště pro fermentaci mikroorganismů.

Zpracováním tekoucích (tekutých) médií se rozumí zejména jejich míchání (homogenizace), zvedání vzhůru (čerpání), rozstřikování nebo rozprašování do kapalné nebo plynné fáze (difúze, extrakce, sušení) nebo fermentace mikroorganismů např. submerzní.

Zařízení podle vynálezu může plnit tyto funkce buď samostatně, nebo může být uzpůsobeno tak, že plní několik těchto funkcí současně (např. u fermentačního zařízení).

Zařízením podle vynálezu mohou být zpracovávány uvedeným způsobem zejména tato média: kapaliny newtonské i nenewtonské, sypké pevné hmoty á plyny v kombinaci s kapalnou fází nebo média obsahující tuhé, např. vláknité částice apod.

Je známo zařízení pro fermentaci zejména viskózních aerobních médií (a. o. čís. 228 221), které sestává z fermentační nádoby, ve které je umístěn dutý rotor ve tvaru válce s hnanou hřídelí, vytvořený pláštěm a dnem. Ve dnu je centrální otvor pro vstup fermentačního média do rotoru. Dutý rotor je dále opatřený víkem, přičemž ve víku nebo v plášti pod víkem jsou výstupní otvory. Uvnitř fermentační nádoby mohou být zarážky, které brání vytvoření kapalinového centrálního víru.

Dno rotoru se vstupním otvorem je ponořeno do fermentačního média ve fermentační nádobě a druhá část rotoru, ve které jsou výstupní otvory, vyčnívá nad hladinu tohoto média.

Zařízení pracuje tak, že kapalné médium je nasáváno vstupním otvorem ve dnu rotoru, v rotoru vlivem odstředivé síly je zvedáno vzhůru nad hladinu média až k výstupním otvorům, které jsou umístěny v plášti nebo víku rotoru a těmito otvory je rozstřikováno do plynného prostoru nad hladinou média ve formě drobných kapiček. Kapičky padají plynným prostorem zpět na hladinu média nebo na hladinu stékají po stěnách nebo zarážkách ve formě tenkého filmu.

Nyní bylo zjištěno, že princip, na kterém je založeno uvedené zařízení, určené podle uvedení PV jen pro fermeintace ve fermentační nádobě, má univerzální charakter a že lze jej tudíž použít i pro jiné účely a jiné způsoby zpracování tekutých médií než pouze pro fermentace.

Toto rozšíření umožňuje zařízení pro zpracování tekoucích řídkých i velmi viskózních médií zvláště pro fermentace mikroorganismů podle vynálezu, obsahující svislý, válcový dutý rotor tvořený pláštěm, dnem případně víkem, spojený alespoň jedním vstupním otvorem ve dnu rotoru, s nádobou, ve které je zpracovávané médium, poháněný hnací jednotkou a dále s výstupním otvorem média v plášti, víku, případně dnu rotoru, jehož podstatou je, že vstupní a/nebo výstupní ptvory jsou umístěny buď v části dutého rotoru ponořené do média nebo v části dutého rotoru mimo médium, případně jsou opatřeny prvky usměrňujícími tok, množství a tvar vtékajícího nebo vytékajícího média do rotoru nebo z rotoru.

Kombinací význakových částí vynálezu, tj. ponořením nebo neponořením vstupních a/ /nebo výstupních otvorů pod hladinu zpracovávaného média a dále spojení těchto otvorů s dalšími prvky, které usměrňují tok, množství a tvar vtékajícího a vytékajícího média otvory se získá několik druhů zařízení pro zpracovávání kapalin.

Tak například jsou-li vstupní i výstupní otvory dutého rotoru ponořeny, tj. je-li celý rotor ponořen do média, pracuje zařízení podle vynálezu jako ponorné míchadlo klasického typu.

Jsou-li vstupní i výstupní otvory dutého rotoru mimo médium a médium je přiváděno do rotoru nejen pomocí difuzoru otvorem ve dnu rotoru, pracuje zařízení podobně jako klasické odstředivé čerpadlo.

V tomto případě výstupní otvor (centrální) ve víku může být opatřen difusorem, odvádějícím kapalinu dále do výtlačného potrubí čerpadla nebo výstupní otvory mohou být opatřeny tryskami, které rozstřikují vytékající médium ve formě drobných kapiček do okolí.

Dutý rotor, ať již je ponořen čl nikoliv, může pracovat i bez víka, difusoru nebo jiného nástavce. V tomto případě je médium rostřikováno do okolí jen horním okrajem dutého rotoru.

Je-li rotor potopen jen částečně, má současně dvojí funkci, funkci čerpadla a míchadla zároveň. Vnější stěny pláště „míchají^:‘ médium v nádobě, vnitřní stěny pláště ,,čerpají“ médium dutým rotorem vzhůru.

Jedna z alternativ zařízení, určená zejména pro zvedání a čerpání tekoucích médií, je, že dno i víko rotoru má tvar mezikruží s jedním centrálním otvorem pro přívod a odvod tekutého média do rotoru a z rotoru, přičemž tyto otvory jsou opatřeny difusory pro usměrnění toku do rotoru vstupujícího a z rotoru vystupujícího média.

Jiná alternativa zařízení podle vynálezu je určena k míchání média a umožňuje vzájemnou disperzi- a dokonalé promíchání. Např. u polymeraci lze dosáhnout vyšší konverze a zvýšení molekulové váhy polymeru. Přitom se uplatní funkce mechanického míchadla i funkce čerpadla; u některých systémů zpracovaných tekutých médií tyto funkce splývají a kombinují se s vyšším účinkem.

Zařízení podle vynálezu lze tedy použít jednak jako samostatné míchadlo média i jako samostatné čerpadlo na zvedání jakýchkoliv tekutých médií, zejména velmi viskózních a nahradit v některých případech běžné typy odstředivých lopatkových nebo jiných čerpadel apod., které jsou konstrukčně složité228350

Výhodné je, jsou-li v míchací nádobě umístěny zarážky nebo jiná vestavba v prostoru pod hladinou a/nebo nad hladinou média. Důvodem je, aby v míchací nádobě, a to jak v dolní kapalné části, tj. pod hladinou, tak v horní části nad hladinou nastalo takové víření nebo tříštění média, které by zaručovalo dokonalou disperzi a difúzi složek. Hřídel dutého rotoru bývá uložena v základním rámu, míchací nádobě nebo ve stacionární skříni dutého rotoru. Součástí stacionární skříně dutého rotoru mohou být i zarážky, sací koš nebo jiná vestavba.

Jiná alternativa využití zařízení podle vynálezu k zvedání tekutiny a rozstřiku nebo čerpání je, že dolní část dutého rotoru určená k ponoření do média je obklopena stacionárním krytem a trubicí pro přívod média na dno dutého rotoru. Kryt může být připevněn k základnímu rámu zařízení, k míchací nádobě nebo je součástí stacionární skříně, ve které je uložen dutý rotor.

V tomto případě nemusí být instalovány žádné zarážky nebo jiná vestavba v míchací nádobě, v základním rámu nebo ve stacionární skříni dutého rotoru a centrální vír v míchací nádobě se netvoří a médium pod hladinou není vůbec mícháno, ale jen nasáváno trubicí stacionárního krytu pro přívod média na dno rotoru.

Zařízení pro zpracování tekutých, zejména viskózních médií podle vynálezu je založeno na dvou principech, a to na principu bezlopatkového míchání a bezlopatkového čerpání jakýchkoliv tekoucích médií. To umožňuje tekoucí média současně různým způsobem zpracovávat, např. homogenizovat a zároveň čerpat vzhůru a vějířovitě rozstřikovat do plynného prostředí nebo zvedat vzhůru sypký materiál a zároveň sušit nebo chladit rozprašováním nebo fluidní technikou atd.

Popsaný dutý rotor může být základním prvkem pro řadu konstrukčních obměn, jejichž konstrukční prvky jsou již samy o sobě známé a umožňují v kombinaci s tímto zařízením zpracovávat různým způsobem tekutá média všech druhů pro nejrůznější technické účely a obory.

Podle toho, která část dutého rotoru je ve styku s tekutou fází, jsou možné dvě základní aplikace tohoto rotoru.

Prvý případ nastane, vstupuje-li tekuté médium do otáčejícího se válcového rotoru vstupním otvorem ve dnu rotoru, např. tangenciálním difusorem a podobným difusorem je i odváděno výstupním otvorem ve středu víka. V tomto případě je médium, např. kyselina, ve styku jen s vnitřní stěnou válcovitého pláště rotoru, takže rotor má převážně funkci čerpadla. Kyselina, vstupující na dno rotoru, je zvedána odstředivou silou vzhůru, a to vzestupnou spirálou až k víku rotoru, kde je např. tangenciálním difusorem odváděna z rotoru. Vnější stěny pláště nebo dna rotoru nejsou tedy v tomto případě ve styku s médiem, ale jen např. ve styku s vnější atmosférou.

Druhý případ nastává, přijde-li uvedený dutý rotor do styku s kapalinou z obou stran pláště, dna, případně i víka rotoru. Potom tyto vnitřní stěny pláště, dna, případně i víka mají funkci čerpadla jako v prvém případě a vnější stěny těchto částí rotoru, způsobující tření o vnější kapalinu, tj. fungují jako míchadlo kapaliny.

V takovém případě musí být dutý rotor alespoň částečně ponořen do kapaliny, to jest je nutné, aby dno se vstupním otvorem se nacházelo pod hladinou kapaliny v míchací nádobě.

Dutý rotor je ponořen buď zcela do kapaliny, pak pracuje jako klasická známá míchadla (míchání nastává jen pod hladinou kapaliny) nebo je ponořen jen částečně, tj. část rotoru vyčnívá nad kapalinu. Posledně uvedený případ je vhodný zejména pro fermentace mikroorganismů, zvláště aerobních kultivačních médií, dále pro chemické reakce a difúze kapalné a plynné fáze, polymerace, extrakce apod. V těchto případech je využito všech hlavních význaků zařízení podle vynálezu (čerpání, míchání, rozstřik).

Další míchací účinky mohou vzniknout, není-li příčný řez dutým rotorem kruhový, ale čtvercový, elipsovitý, trojúhelníkovitý nebo plášť rotoru je např. z vlnitého plechu, který tvoří střídavě vlnovité výstupky. Potom hrany dutého rotoru nebo výstupky v jeho plášti mohou pracovat jako vnější, případně vnitřní lopatky míchadla, zcela nebo zčásti ponořené do tekutého média. V části nad kapalinou, tj. v plynném prostoru, např. ve vzduchu mohou mít tyto prvky funkci dmychadla, ventilátoru vzduchového rozháněče kapek, odpěňovače při biochemických procesech apod. Např. dutý rotor může mít i několik profilů, např. v části potopené profil kruhu, v části nad kapalinou profil obdélníka nebo naopak apod.

Výstupní otvory např. v plášti rotoru, který pracuje jako míchadlo, mohou být uspořádány různým způsobem, např. v několika řadách pod sebou apod.

Tvarem a polohou výstupních otvorů může se měnit charakter rozstřiku (vějířovitý, křížový rozstřik, ve tvaru šroubovic směrem vzhůru atd.).

Rychlost a množství vystupující kapaliny z rotoru lze regulovat v závislosti na otáčkách rotoru, na průměru a výšce rotoru a na velikosti vstupních otvorů, a dále na vzdálenosti vstupních otvorů nebo vstupního otvoru od hladiny např. /ermentačního média ve fermentorů apod.

Za účelem zvýšení Tlaku a rychlosti rozstřiku média je možno uzavřít rotor víkem a zmenšit patřičně výstupní otvory ve víku nebo plášti, případně v jeho dnu.

Výstupní otvory ve víku umožňují rozstřik média směrem vzhůru, výstupní otvo228350 ry v plášti směrem do stran, ve dnu pak směrem ke dnu míchací nádoby.

Aby se zabránilo vzniku centrálního víru, který by např. kultivační tekutina uvnitř nádoby vlivem tření otáčejícího se rotoru ve středu nádoby mohla vytvořit, jsou umístěny ve fermentační nádobě s výhodou po obvodě nádoby, zarážky bránící vzniku tohoto víru. Zarážky zároveň vytvářejí zde předpoklady pro dokonalé míchání média.

Tak např. míchání kapaliny je při fermentaci rozděleno do třech pracovních prostorů fermentační nádoby, které jsou jednak v kapalině (pod hladinou) a jednak v plynné části nad kapalinou. Z prvního pracovního prostoru, tj. uvnitř míchané kapaliny, kde se vytváří centrální vír, který je tříštěn na lokální víry, např. zarážkami, je kapalina nasávána do druhého pracovního prostoru, tj. dovnitř rotoru, kde se míchání provádí prostřednictvím odstředivého pole, které jednak rozděluje kapalinu na těžší a lehčí fázi a tím opět míchá, jednak ji zvedá vzhůru vzestupnou spirálou, načež kapalina je volně vějířovitě rozstřikována do třetího, plynného pracovního prostoru nad kapalinou, kterým poté buď volně padá ve formě drobných kapiček zpět na hladinu kapaliny, nebo do ní stéká zpět, např. po stěnách fermentační nádoby ve formě tenkého kapalného filmu.

V plynném prostoru, ve kterém tekuté médium nabylo tvaru drobných kapiček, mlhy nebo tenké vrstvy (filmu), dochází k intenzivnímu styku tekuté a plynné fáze bez ohledu na charakter kapaliny uvnitř fermentoru a tím dochází i k maximálnímu růstu kultivovaných mikroorganismů, které v prostoru pod hladinou pak maximálně produkují.

Intenzitu procesů v obou případech můžeme ovlivňovat zejména otáčkami rotoru, jeho rozměry, velikostí vstupních a výstupních otvorů a mírou ponoření celého rotoru pod hladinu.

Fermentor může být vybaven i obvyklým příslušenstvím. Například dalším míchadlem (vrtulovým apod.) nebo odpěňovadlem, regulátorem teploty, teploměrem, analyzátorem média, např. pH metrem, vzorkovací sondou, dávkovačem živin, O2, CO2 apod. Na rotoru může být instalován i mechanický rozbíječ pěny, např. tyče procházející skrze stěny pláště pod víkem rotoru nebo rozšířené víko motoru, které vyčnívá ven z rotoru do plynného prostoru míchací nádoby nad kapalinou).

Zařízení podle vynálezu umožňuje dokonalou recirkulaci kapalného média ve fermemtoru bez ohledu na viskozitu, zaručuje velký stykový povrch kapaliny s plynem, a to i u velmi viskózní kapaliny, dále umožňuje rozstřik tohoto média do prostoru nad fermentační kapalinu (do plynné fáze) a automaticky omezuje pěnění v prostoru nad kapalinou fází do výše rozstřiku. Další výhodou je, že zajišťuje vznos tuhé fáze i ve vysokoviskózních médiích vlivem sacího účinku vstupního otvoru rotoru.

Náhon rotoru může být spodní i vrchní, to jest ze dna nebo víka fermentoru.

Fermentor podle vynálezu vykazuje značnou energetickou úsporu proti dosavadním fermentorům (až 30 % úspor).

Výhodou dále je, že ve srovnání s dosavadními typy fermentorů, ve kterých buňky mikroorganismů rostly jen v míchané dolní kapalné fázi, rostoucí médium v zařízení podle vynálezu prochází postupně třemi pracovními prostory, které vyplňují beze zbytku celý objem fermentační nádchy (velká styková plocha).

Fermentační zařízení podle vynálezu umožňuje dokonalou difúzi plynné fáze (např. Oj) i do médií, které mají již gelovitý nebo pudingovitý charakter, ale ještě tečou v gravitačním poli.

To umožňuje např, dokonalé okysličování rostoucích buněk mikroorganismů (bakterií, kvasinek, hub, řas apod.j. Má to za následek zkrácení doby fermentace a dosažení vyššího zahuštění konečného produktu ve srovnání s dosavadními známými typy podobných zařízení.

Výhcdou je dále snadná regulovatelnost režimů fermentace v různých fázích fermentace a šetrné míchání buněk mikroorganismů (např. při výrobě antibiotik), neboť nedochází ke značnému poškozování těchto buněk, jako např. u vrtulových lopatkových nebo turbínových míchadel instalovaných do fermentačních tanků.

Sledujeme-li pouze čerpací funkci zařízení (prvý případ viz výše), je výhodné, aby dno i víko rotoru mělo tvar mezikruží s jedním centrálním otvorem pro přívod a odvod tekutého média do rotoru a z rotoru, přičemž tyto otvory jsou opatřeny difusory pro usměrňování teku do rotoru vstupujícího a z rotoru vystupujícího média.

Dutý rotor bezlopatkového čerpadla, který má obvykle tvar nízkého nebo vysokého dutého válce se svislou rotační osou a vodorovným dnem, je v podstatě rotující nádoba s otvory. Tvar takovéto nádoby může být opět libovolný (rotující kužel, válec, vícestěn apod.), podobně jako směr rotaění osy (svislý, šikmý, vodorovný).

Rotcr zde má podobnou funkci jako lopatkové oběžné kolo u známých odstředivých čerpadel, tj. má za úkol předávat kinetickou energii čerpanému médiu, ale tato funkce je založena na jiném hydrodynamickém principu, tedy nikoliv na hydrodynamickém účinku lopatek oběžného kola, které je uzavřeno ve stacionární skříni čerpadla.

Zatímco lopatkové kolo je na obvodě otevřené a pohybová energie se ztrácí třením na vnitřní nepohyblivé stěně skříně čerpadla, turbulencí kolem lopatek a dále prokluzem kapaliny v mezeře mezi stěnou skříně a lopatkami, tyto nedostatky nemá dutý rotor podle vynálezu.

Tekuté médium, např. kapalina, která vstupuje s nulovou úhlovou rychlostí na dno dutého rotoru, dostává se v zařízení podle vynálezu odstředivou silou téměř okamžitě do rotujícího kapalinového prstence (kapalinového paraboloidu), jehož výška odpovídá výšce rotoru, který zde byl již vytvořen odstředivými silami z předchozí na dno vstupující kapaliny. Současně získává kinetickou energii a úhlovou rychlost odpovídající plášti rotoru, a to i když vnější stěny pláště rotoru jsou zcela hladké (mohou být však i zdrsněny, opatřeny výčnělky, drážkami, lištami apod.).

Kapalinový prstenec představuje jakýsi umělý centrální vzestupný vír, který se zde vytvořil až do výše čerpané kapaliny. Vírové vlákno zde vytváří stabilní stoupající kapalinové vřeteno. Následkem velkých odstředivých sil nenastávají v tomto víru téměř žádné rušivé hydrodynamické momenty vlivem turbulence, třením o nehybné stěny, neproduktivním vířením apod. Jde o přirozený pohyb. Centrální vír tvaru kapalinového prstence je zcela symetrický a pravidelný a jeho tok lze snímat v herní části rotoru výstupním difusorem, např. do výtlačného potrubí čerpadla apod., přičemž ztráty ve výstupním stacionárním difusoru jsou relativně malé (cca 7 %).

Příklady praktických aplikací různých funkcí zařízení pro zpracovávání tekutých médií podle vynálezu jsou schematicky zobrazeny na přiloženém výkrese.

Na obr. 1 je znázorněn celkový pohled na zařízení podle vynálezu, které má funkci bezlopatkového čerpadla, a to v nárysném pohledu.

Na obr. 2 je znázorněn celkový pohled na zařízení podle vynálezu, které má funkci klasického míchadla, dispergátoru, emulgátoru, homogenizátoru apod. ponořeného do média ve stejném pohledu.

Na rozdíl od předchozího „čerpadla“ tekuté médium není ve styku jen s vnitřními stěnami zařízení, ale současně i s vnějšími stěnami dutého rotoru, zejména pláštěm a dnem a je zcela ponořeno pod hladinu média v míchací nádobě.

Na obr. 3 je znázorněn další typ míchadla podle vynálezu v nárysu, které míchá kapalinu pod hladinu, ale současně ji rozstřikuje ve tvaru kapiček do prostoru nad kapalinou (kde se např. kapalina okysličuje apod.).

Na obr. 4 je v půdorysu znázorněno dno dutého rotoru tvaru mezikruží s jedním centrálním otvorem uprostřed, na obr. 5 dno s více vstupními otvory, které jsou umístěny symetricky kolem středu dna mimo obvodovou část dna.

Na obr. 6 je znázorněn schematicky v nárysu příklad typického zařízení pro fermentaci mikroorganismů. U tohoto zařízení je využito všech hlavních funkcí dutého rotoru — bezlopatkového míchání, čerpání i rozstřiku tekutého média.

Obr. 7 zobrazuje přenosné míchadlo podle vynálezu, které na rozdíl od míchadla zobrazeného na obr. 6 je uleženo ve stacionární skříni, jejíž součástí js u též zarážky ve tvaru tyčí.

Na obr. 8 je znázorněno bez,lopatkové čerpadlo uložené ve stacionární skříni, jejíž dolní část tvoří stacionární kryt, k'orý obklopuje dolní, pod hladinou ponořenou část dutého rotoru.

Obr. 1 představuje celkový schematický pohled na zařízení podle vynálezu v nárysném řezu, které má funkci samostatného bezlopatkového čerpadla.

Čerpadlo sestává z dutého rotoru 1, jehož hnací hřídel 2 je v horní čási spojena s hřídelí hnacího elektromotore· 19, pom cí kterého se rotor 1 otáčí. Elektromotor 12 je upevněn na základním rámu 3 čerpadla. Rotor 1 je svými ložisky uložen v rámu 3, má tvar dutého válce a je spojen s hřídelí 2 prostřednictvím vzpěr 19. Rot r 1 je dále opatřen na dolním konci dnem 4 n na horním konci víkem 5, které mají uprostřed kruhový otvor B a 7, takže obé íyio části mají tvar mezikruží.

Na dolní i horní části rámu 3 je upevněn dolní a horní usměrňovači tangenciální difuzor 8 a 9. Dolní difuzer 8 má vsinp 10 a výstup 11, horní difuzor 9 má vstup 12 a výstup 13. Oba usměrňovači dimzory S a 9 jsou tvořeny stoupající trubicí kieráraá tvar smyčky a jejíž průměr je zvolen podle žádaného výkonu čerpadla. U dolního nsměrňovacího difuzoru 8 je smyčka vedena z pode dna 4, prochází kruhovým otvorem B a těsně nade dnem 4 ústí vějířovitě zúženým výstupem 11 na dno 4.

U horního difuzoru 9 je vstup 12 média rotujícího v rotoru 1 do smyčky difuzoru 9 těsně pod víkem 5. Tato smyčka pak je vedena kruhovým otvorem 7 směrem vzhůru a vystupuje z horního difuzoru 9 výstupem

13.

Čerpaná kapalina, např. voda přitéká přívodním potrubím do dolního difuzoru vstupem 10 a poté vstupuje teoreticky s nulovou rychlostí na dno 4 rotoru 1 tangenciálně vějířovitým výstupem 11. Během krátké doby se vytvoří v důsledku rotace kapaliny uvnitř rotoru kapalinový prstenec (hladinový paraboloid), jehož úhlová rychlost rotace odpovídá zhruba rychlosti rotace pláště rotoru.

Jakmile se vstupující proud vody smísí s rotujícím kapalinovým prstencem v dutém, rotoru 1 a získá potřebnou energii a tím i odstředivý tlak, je voda zvedána podél vnitřní stěny rotoru 1 výtlačnou spirálou postupně až do horní části rotoru 1, kde vstupuje těsně pod víkem 5 vstupem 12 do smyčky horního difuzoru 9 a výstupem 13 opouští horní difuzor 9.

Podmínkou kontinuálního čerpání kapaliny je, že kapalina prochází oběma dliuzory 8 a 9 ve směru rotace rotoru 1.

Na obr. 2 je znázorněn celkový pohled na zařízení podle vynálezu v nárysu, které má funkci klasického zcela ponořeného míchadla, ale na kterém se podílí i funkce čerpadla a splňuje tedy kombinaci obou.

Toto míchadlo sestává z dutého rotoru 1, jehož příčný řez je kruh a jehož dno 4 je opatřeno čtyřmi kruhovými vstupními otvory 6.

Rotcr 1 nemá víko, ale je nahoře otevřený. V plášti 14 rotoru 1 jsou výstupní kruhové otvory 28, případně jsou do nich vsazeny trysky 15. Spodní řada trysek 15 má boční výtokový otvor v opačném směru nebo ve stejném směru jako je rotace rotoru 1.

V míchací nádobě 16 jsou dále svislé zarážky 17, které jsou umístěny též pod hladinou podélně jako rotor a jsou upevněny k plášti míchací nádoby 16.

Dutý rotor vytváří v tomto případě dva pracovní prostory — v míchací nádobě 16 a v rotoru 1. Kapalina je nasávána do rotoru 1 čtyřmi vstupními otvory 6 ve dnu 4 rotoru 1 a je-li celkový průtočný profil všech čtyř otvorů malý vůči průtočné ploše samotného rotoru 1 v okrajové horní části, vstupuje kapalina do rotoru 1 i horní otevřenou částí rotoru 1, jejím středem.

Kapalina nacházející se v rotoru 1 je odstředivou silou přitom zvedána (čerpána] po vnitřních stěnách pláště 14 vzestupnou spirálou vzhůru a vystupuje buď přes okraj rotoru 1, nebo výstupními otvory 28, 29 v plášti 14 nebo ve dnu 4, nebo tryskami 15 v plášti 14 z rotoru 1 zpět do kapaliny. Výstupní otvory 28, 29 trysky 15 apod., umístěné pod hladinou média zdokonalují míchání kapalné fáze, neboť umožňují vstřikovat médium pod tlakem zpět do média pod hladinou. Současně v rotoru může nastat dělení těžší a lehčí frakce média. Pokud jsou takové různě těžké frakce v médiu, potom se opět smíchají po výtoku z rotoru 1. Mimo rotor 1 pak kapalina se míchá třením vnějších stěn pláště 14 rotoru 1 o kapalinu, nacházející se v míchací nádobě 1S. Rotor 1 je umístěn v nádobě 16 excentricky, dochází k excentrickému víru v nádobě, který se však tříští o zarážky 17, kolem kterých vznikají ve směru rotace lokální vírová pole. V případě, že příčný řez rotoru 1 měl by tvar obdélníka, trojúhelníka, čtverce, elipsy apod., nebyl tedy kruhový, jako je tomu u válcového rotoru (stejného tvaru by bylo i dno 4, případně i víko 5], potom hrany, případně celkový tvar rotoru 1 by způsobil pod hladinou média další míchací efekt, podobný jaký mají např. lopatková míchadla.

Na obr, 3 je zobrazeno v nárysu míchadlo podle vynálezu ponořené zcela do tekutého média, které se má homogenizovat.

Od předchozí varianty (na obr. 2) se liší tím, že víko 5 rotoru 1 se dvěma tryskami na obvodu víka 5, se nachází v úrovni hladiny média v míchací nádobě 16 a v plášti 14 nebo dnu 4 rotoru 1 nejsou umís12 těny žádné trysky 15 nebo výtokové otvory 28, 29, takže dolní potopená část míchadla vytváří v médiu tříštěný centrální vír, čímž vznikají drobné lokální víry kolem zarážek 17, kdežto médium vystupující z nitra rotoru 1 je rozstřikováno nad kapalinou tryskami 15 ve víku 5 ve formě rotujícího spirálovitého kapičkovitého víru.

Míchadlo je umístěno uprostřed míchací nádoby 16 a má spodní systém míchání. Svislá hřídel 2 míchadla je vyvedena dnem míchací nádoby 16 a je těsněna ve dnu. Pomocí vzpěry 19 a víka 5 je hřídel 2 spojena s dutým rotorem 1. V míchací nádobě 16 jsou svislé zarážky 17 připevněné k plášti míchací nádoby 16, které zabraňují vytvoření centrálního víru v míchací nádobě. V jednom zařízení je zde kombinováno několik funkcí, bezlopatkové míchání, bezlopatkové čerpání a rozstřik média do plynného prostoru nad hladinou média.

Na obr. 4 je v půdorysu znázorněno dno tvaru mezikruží s jedním centrálním vstupním otvorem 6 uprostřed, na obr. 5 dno 4 s více vstupními otvory 6, které jsou umístěné symetricky kolem středu dna 4 mimo obvodovou část dna 4.

Na obr, 6 je znázorněn příklad zařízení pro fermentaci nebo kultivaci mikroorganismů, u kterých s nárůstem buněk houstne kultivační médium a ke konci fermentace se z původně řídké kapaliny stává tekutina medovitá nebo pudinkovité konzistence.

Zařízení sestává z fermentační nádoby 20 opatřené dnem a víkem, ve kterých jsou uložena ložiska 21 dutého válcového rotoru 1 se svislým hřídelem 2. Část rotoru 1 pod dnem 4 rotoru 1 vytváří sací nástavec 24, ve kterém jsou vstupní otvory 27.

Rctor 1 sestává dále z válcového pláště 14, dna 4 ve tvaru mezikruží se středovým vstupním otvorem 6 pro vstup média do rotoru 1. V plášti 14 je několik řad otvorů 28 pro výstup média z rotoru 1. Horní otvory 28 mají tvar trysek 15. Hřídel 2 je poháněna elektromotorem 18 s regulátorem otáček.

pláštěm 14 rotoru 1 je hřídel 2 spojena pomocí křížových vzpěr 19.

Uvnitř fermentační nádoby 20, na jejím obvodě, jsou symetricky k ose umístěny čtyři zarážky 17 ve tvaru svislých tyčí. Jsou upevněny ke dnu a k víku fermentační nádoby 20. Zarážky 17 brání vzniku centrálního víru, jenž by se ve fermentační nádobě vytvořil vlivem otáčejícího se rotoru 1.

Fermentační nádoba 20 má dva základní pracovní prostory, spodní kapalný a horní plynný a třetí pracovní prostor je uvnitř rotoru 1. Při otáčení válcového rotoru 1, který je dolní částí poncřen do kapaliny v kapalinovém prostoru, vstupuje kapalné médium centrálním otvorem 6 ve dnu 4 do rotoru 1. Odstředivou silou je kapalné médium v rotoru 1 zvedáno výtlačnou spirálou a výstupními otvory 28 v plášti 14 netm tryskami 15 je kapalné médium rozstřikováno ve formě kapek zpět z rotoru 1 do fermentační nádoby 20, a to do jejího plynného horního pracovního prostoru. Zde při dopadu na pevnou zarážku 17 uvnitř nádoby 20 nebo na vnitřní stěnu fermentační nádoby 20 dochází ke tříštění kapek, načež kapalina stéká ve formě tenkého filmu po stěnách fermentační nádoby 20 a hladinou vstupuje opět do kapaliny nacházející se v dolním kapalinovém prostoru fermentační nádoby 20.

V plynném pracovním prostoru dochází přitom k intenzívní difúzi plynu do kapalného média, např. k intenzivnímu okysličování rostoucích buněk mikroorganismů, fermentovaných ve fermentační nádobě 20.

V kapalinovém prostoru dochází vlivem rotace dolní části rotoru 1, která je v kapalině ponořena, též k dokonalému míchání kultivačního média.

Při určitém nastavení trysek 15 nebo výstupních otvorů 28 v plášti 14 a při vhodné úhlové rychlosti otáčení rotoru 1, vytvoří se v kapalině, nacházející se uvnitř rotoru 1, potřebný odstředivý tlak, takže výtok kapalného média pod tímto tlakem může být nad hladinou média použit například i k rozrušení vytvořené pěny nad kapalinou během fermentace, což napomáhá k vyšší účinnosti fermentace a též ke snížení energetických nároků a zjednodušení celého zařízení, takže není třeba používat odpěňovací tekutinu nebo instalovat další energetický náročné mechanické odpěňovací zařízení.

Fermentační nádoba 20 má specifický tvar dna. Uprostřed jejího dna je prohlubeň, do které je dutý rotor 1 zasunut svojí spodní částí, která tvoří dolní nástavec 24. Nástavec 24 zajišťuje dokonalejší sání tekutého média ze dna fermentační nádoby

20.

Zařízení pro fermentaci podle vynálezu lze použít pro fermentaci všech typů médií, a to nízkoviskózních, vysokoviskózních, dále těch, která během fermentace mění viskozitu nebo vytvářejí suspenze s kusovými i vláknitými produkty a všech kapalin nenewtonského typu.

Na obr. 7 je znázorněno přenosné míchadlo, které je uloženo ve stacionární skříni 23. V plášti skříně 23 jsou zarážky 17, a to v dolní části skříně 23, pro vytvoření lokálních vírů a turbulencí v kapalné části míchaného média a v horní části skříně 23 pro tříštění média vytékajícího z výstupních otvorů 28 v prostoru nad hladinou na drobné kapičky. Zarážky 17 v horní i dolní části skříně 23 jsou spojeny sloupky 22.

Dolní část dutého rotoru 1 je ponořena do kapaliny v míchací nádobě 20, horní část vyčnívá nad kapalinou. Horní okraj rotoru 1 je uzavřen víkem 5. Hřídel 2 je upevněna na víku 5 rotoru 1 a dále pomocí vzpěry 19 je spojena s pláštěm 14 rotoru 1.

Činnost míchadla je obdobná jako u zařízení podle obr. 6, zarážky 17 (vestavba) jsou však součástí skříně 23 rotoruu 1, nikoliv součástí míchací nádoby 20.

Zařízení je vhodné zejména pro polymerace a jiné chemické reakce řídkých i velmi viskózních tekutých médií, úpravu kalových a odpadních průmyslových vod apod.

Na obr. 8 je znázorněno bezlopatkové čerpadlo, které rozstřikuje zvednuté médium do stran, uložené ve stacionární skříni 23, jejíž dolní ěást tvoří stacionární kryt 25, který obklopuje dolní pod hladinou ponořenou ěást dutého rotoru 1, čímž zabraňuje styku vnějších stran pláště 14 a dna 4 rotujícího dutého rotoru 1 s tekutým médiem pod jeho hladinou. Zarážky 17 jsou jen v horní části skříně 23. Kryt 23 má vstupní trubici 26.

Kryt 23 má pod hladinou podobnou funkci jako zarážky 17 nebo jiná vestavba prostoru pod hladinou média, neboť zabraňuje vzniku centrálního víru uvnitř tekutého média. V tomto případě se médium v dolní části nepromíchává následkem styku vnějších stěn pláště 14 s médiem a rotor 1 má především funkci samonasávacího ponorného čerpadla, u kterého se zvednuté médium v příslušné výši rozstřikuje do okolí. V dolní části skříně 23 může být umístěn sací koš, který má funkci filtrační.

Zařízení podle obr. 8 může být použito např. ve fluidní technice, k chlazení kapalin, sušení práškových médií, zavlažování půdy, k pěstování řas apod.

Zařízení je univerzální. Záleží na tom, v jakém prostředí zařízení podle vynálezu pracuje, zda není ponořeno např. v kapalině (jako čerpadlo), zda je ponořeno zcela v kapalině (zcela ponořené míchadlo), nebo zda je v kapalině ponořeno jen částečně (např. fermentor pro kultivaci mikroorganismů). Může být použito při různých způsobech zpracovávání tekoucích nebo tekutých médií jakékoliv konzistence, zejména v chemii, farmakologii, strojírenství, tepelné technice (výměníky tepla), v čistírnách vod, vodárnách, při výrobě barev, laků, ale i v jiných průmyslových oborech a v zemědělství (zavlažovaní, sušení krmiv, obilovin, dávkování krmiv, tekutých hnojiv apod.).

Zařízení podle vynálezu lze využít vzhledem k jednoduché konstrukci s výhodou i ke zpracování agresivních tekutin (kyselin, louhů), případně plynů. V uvedených oborech se uplatní jako provozní i jako laboratorní zařízení.

Zařízení může pracovat v libovolných podmínkách, např. teplotách, tlacích nebo ve vakuu, v elektrickém, magnetickém nebo jiném silovém poli atd.

Další výhodou je, že zařízení je jednoduché konstrukce a jeho zhotovení je méně pracné a náročné ve srovnání s podobnými zařízeními. Sériová výroba by mohla být napr. zajištěna z vhodné plastické hmoty na stříkacím lise.

Claims (8)

1. PREDMET

   1. Zařízení pro zpracování tekoucích řídkých i velmi viskózních médií, zvláště pro fermentaci mikroorganismů, obsahující svislý, válcový dutý rotor tvořený pláštěm, dnem, případně víkem, spojený alespoň jedním vstupním otvorem ve dnu rotoru s nádobou, ve které je zpracovávané médium, poháněný hnací jednotkou a dále s výstupním otvorem média v plášti, víku, případně dnu rotoru, vyznačený tím, že vstupní a/nebo výstupní otvory (6, 7) jsou umístěny buď v části dutého rotoru (lj ponořené do média nebo v části dutého rotoru (1) mimo médium, případně jsou opatřeny prvky (8, 9, 15, 24) usměrňujícími tok, množství a tvar vtékajícího nebo vytékajícího média do rotoru nebo z rotoru.
2. 2. Zařízení podle bodu 1 vyznačující se tím, že dno (4) má tvar mezikruží s jedním centrálním vstupním otvorem (6) nebo ve dnu (4j je více vstupních otvorů (6) mimo obvodovou část dna (4) s výhodou umístěných symetricky kolem středu dna (4).
3. 3. Zařízení podle bodů 1 a 2 vyznačující se tím, že dno (4) i víko (5) rotoru (1) má tvar mezikruží s jedním centrálním otvorem (6, 7) pro přívod a odvod tekutého média

   VYNALEZU do rotoru (1) a z rotoru (1), přičemž otvory (6, 7) jsou opatřeny difuzory (8, 9) pro usměrnění toku do rotoru (1) vstupujícího a z rotoru vystupujícího média.
4. 4. Zařízení podle bodů 1 až 3 vyznačující se tím, že uvnitř fermentační nebo míchací nádoby (16, 20) jsou upevněny zarážky (17) nebo jiná vestavba v prostoru pod hladinou, nad hladinou nebo mimo ní.
5. 5. Zařízení podle bodů 1 až 4 vyznačené tím, že hřídel (2) rotoru (1) je otočně uložena v základním rámu (3), v míchací nádobě (16, 20) nebo ve stacionární skříni (23) rotoru (1).
6. 6. Zařízení podle bodu 5 vyznačené tím, že součástí stacionární skříně (23) jsou zarážky (17) nebo sací koš.
7. 7. Zařízení podle bodů 1 až 6 vyznačené tím, že dolní část rotoru (1) určená k ponoření do média je obklopena stacionárním krytem (25) s trubicí (26) pro přívod média na dno (4) rotoru (1).
8. 8. Zařízení podle bodu 7 vyznačené tím, že stacionární kryt (25) je připevněn k základnímu rámu (3) zařízení, k míchací nádobě (16, 20) nebo je součástí stacionární skříně (23), ve které je uložen rotor (1).