PL231105B1 - Mieszadło do mieszania cieczy, zwłaszcza biocieczy - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest mieszadło do mieszania cieczy, zwłaszcza biocieczy. Mieszadło przeznaczone jest zwłaszcza do prowadzenia procesów z wykorzystaniem biocieczy oraz wytwarzania układów wielofazowych.

Mieszadło według wynalazku pracuje w ruchu obrotowym w układzie jedno bądź wielofazowym lub jako mieszadło statyczne w układzie ciecz-gaz. W przypadku hodowli mikroorganizmów intensyfikacja procesu wymiany masy i ciepła odgrywa kluczową rolę w zapewnieniu optymalnych warunków życiowych co bezpośrednio przekłada się na wydajność i selektywność prowadzonego procesu. Zarówno zbyt intensywne napowietrzanie jak i mieszanie mechaniczne powoduje często niepożądane efekty w postaci wzrostu wartości naprężenia ścinającego w płynie oraz energochłonności procesu. Duże wartości naprężenia ścinającego w płynie mogą działać destrukcyjnie na żywe organizmy prowadząc do niepożądanego zanieczyszczenia produktu przy jednoczesnym spadku wydajności prowadzonego procesu. Zapewnienie odpowiedniego sposobu mieszania medium zawierającego żywe mikroorganizmy ma kluczowe znaczenie dla jakości otrzymywanego produktu.

Znane z patentu US4919849 rozwiązanie mieszalnika przeznaczonego do układu ciecz-gaz wyposażono w pionowy spiralny wirnik w osi którego zainstalowano wydrążony wał doprowadzający gaz w obszar cieczy. Spiralny wirnik z wałem umieszczono wewnątrz pionowej cylindrycznej przegrody. Wirnik umieszczony w obszarze barbotażu wywołuje wirowy ruch cieczy i gazu oraz osiową cyrkulację cieczy w obszarze pionowej cylindrycznej przegrody a ścianą zbiornika.

Znane z patentu US2005174883 urządzenie mieszające wyposażono w mieszadło posiadające łopatki wewnętrzne zamocowane jedną stroną do piasty, drugą do pierścienia na którym przytwierdzono łopatki zewnętrzne. Pierścień mieszadła łączącego łopatki wewnętrzne oraz zewnętrzne stanowi jednocześnie element konstrukcyjny oraz aktywnie mieszający. Pierścień ten wyposażono w perforacje wywołujące dodatkowo zawirowania w mieszanej cieczy.

Znane z opisu patentowego US2007205523 mieszadło statyczne przeznaczone do układu ciecz-gaz charakteryzuje się modułową budową. W każdym module występuje podział na dwie strefy oddzielone cylindryczną przegrodą. W obu strefach zamontowano pochyłe perforowane łopatki rozmieszczone po promieniu. W zależności od wariantu wykonania łopatki w obu strefach pochylone są w kierunku zgodnym lub przeciwnym względem siebie.

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

Mieszadło do mieszania cieczy, według wynalazku, zawierające łopatki, piastę charakteryzuje się tym, że do piasty przymocowane są krótszymi krawędziami co najmniej dwie wewnętrzne łopatki, których dłuższe, przeciwległe krawędzie przymocowane są do wewnętrznej powierzchni cylindrycznej przegrody. Cylindryczna przegroda usztywnia łopatki oraz stanowi dla nich konstrukcję nośną. Do zewnętrznej powierzchni cylindrycznej przegrody przymocowane są krótszymi krawędziami co najmniej dwie zewnętrzne łopatki, przy czym wewnętrzne łopatki pochylone są w przeciwną stronę niż zewnętrzne łopatki. W przypadku mieszania płynów charakteryzujących się większą lepkością, wewnętrzne łopatki oraz zewnętrzne łopatki są perforowane. Zadaniem perforacji jest zmniejszenie energochłonności przy zachowaniu porównywalnej burzliwości układu. Korzystnie wewnętrzne łopatki są rozmieszczone naprzeciwko siebie i zewnętrzne łopatki rozmieszczone są naprzeciwko siebie. Wewnętrzne i zewnętrzne łopatki mogą być względem siebie przesunięte lub mogą być rozmieszczone bez przesunięcia względem siebie. 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 mieszadła polega na wytworzeniu strumieni o przeciwstawnym kierunku przepływu w wewnętrznej i zewnętrznej strefie cylindrycznej przegrody. 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. 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.

PL 231 105 B1

Zaletą mieszadła według wynalazku, w porównaniu z już istniejącymi, jest możliwość pracy mieszadła jako elementu intensyfikującego burzliwość w kolumnie typu air-lift lub elementu ruchomego w ruchu obrotowym. Oryginalna konstrukcja umożliwia uzyskanie rozwiniętej powierzchni wymiany masy w układzie gaz-ciecz niezależnie od warunków pracy. Dodatkowym atutem proponowanego rozwiązania konstrukcyjnego jest wytwarzanie niskich naprężeń ścinających podczas pracy w ruchu obrotowym.

Mieszadło według wynalazku przedstawiono w przykładach wykonania oraz na rysunkach-na których fig. 1 przedstawia mieszadło z dwiema wewnętrznymi łopatkami przesuniętymi o kąt 90° względem dwóch zewnętrznych łopatek, fig. 2 - takie samo mieszadło z łopatkami perforowanymi, fig. 3 - mieszadło z dwiema łopatkami wewnętrznymi i dwiema łopatkami zewnętrznymi przymocowanymi do cylindrycznej przegrody bez przesunięcia względem siebie, fig. 4 - takie samo mieszadło z łopatkami perforowanymi, fig. 5 - mieszadło z trzema łopatkami rozmieszczonymi co 120°, przesuniętymi o kąt 60° względem trzech zewnętrznych łopatek, fig. 6 przedstawia mieszadło z trzema łopatkami wewnętrznymi i trzema łopatkami zewnętrznymi przymocowanymi do cylindrycznej przegrody bez przesunięcia względem siebie.

P r z y k ł a d 1

Mieszadło ma piastę 1, do której przymocowane są krótszymi krawędziami dwie wewnętrzne łopatki 2, rozmieszczone co 180°, których dłuższe, przeciwległe krawędzie przymocowane są do wewnętrznej powierzchni cylindrycznej przegrody 3. Wewnętrzne łopatki 2 mają kształt fragmentu ślimaka odciętego prostopadle do osi piasty 1. Do zewnętrznej powierzchni cylindrycznej przegrody 3 przymocowane są krótszymi krawędziami dwie zewnętrzne łopatki 4, rozmieszczone co 180°, które mają kształt wstęgi odciętej prostopadle do osi piasty 1. Wewnętrzne łopatki 2 pochylone są w przeciwną stronę niż zewnętrzne łopatki 4. Wewnętrzne łopatki 2 przesunięte są względem osi piasty o kąt 90° względem zewnętrznych łopatek 4.

P r z y k ł a d 2

Mieszadło jak w przykładzie 1, z tym, że wewnętrzne łopatki 2 przymocowane są do cylindrycznej przegrody 3 bez przesunięcia względem zewnętrznych łopatek 4 przymocowanych na zewnętrznej powierzchni cylindrycznej przegrody 3.

P r z y k ł a d 3

Mieszadło jak w przykładzie 1, z tym, że ma trzy perforowane wewnętrzne łopatki 2 rozmieszczone co 120° i trzy perforowane zewnętrzne łopatki 4 rozmieszczone co 120°. Wewnętrzne łopatki 2 przesunięte są względem osi piasty o kąt 60° względem zewnętrznych łopatek 4.

P r z y k ł a d 4

Mieszadło jak w przykładzie 2, z tym, że trzy wewnętrzne łopatki 2 przymocowane są do cylindrycznej przegrody 3 bez przesunięcia względem trzech łopatek 4 przymocowanych na zewnętrznej powierzchni cylindrycznej przegrody 3.

Claims (5)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Mieszadło do mieszania cieczy, zwłaszcza biocieczy zawierające łopatki, piastę, znamienne tym, że do piasty 1 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.
2. 2. Mieszadło według zastrz. 1, znamienne tym, że wewnętrzne łopatki 2 oraz zewnętrzne łopatki

   4 są perforowane.
3. 3. Mieszadło według zastrz. 1, znamienne tym, że wewnętrzne łopatki 2 rozmieszczone są naprzeciwko siebie.
4. 4. Mieszadło według zastrz. 1, znamienne tym, że zewnętrzne łopatki 4 rozmieszczone są naprzeciwko siebie.
5. 5. Mieszadło według zastrz. 1, znamienne tym, że ma dwie wewnętrzne łopatki i dwie zewnętrzne łopatki rozmieszczone co 180° lub trzy wewnętrzne łopatki i trzy zewnętrzne łopatki rozmieszczone co 120°.