PL240730B1

PL240730B1 - Magnetically assisted airlift bioreactor with internal circulation

Info

Publication number: PL240730B1
Application number: PL425492A
Authority: PL
Inventors: Kamila Jastrzębska; Joanna Lechowska; Maciej Konopacki; Marian Kordas; Rafał Rakoczy
Original assignee: Univ West Pomeranian Szczecin Tech
Priority date: 2018-05-11
Filing date: 2018-05-11
Publication date: 2022-05-23
Also published as: PL425492A1

Abstract

Wspomagany magnetycznie bioreaktor airlift z cyrkulacją wewnętrzną, zawierający obudowę z pokrywą, kolumnę zewnętrzną z przymocowanym do niej generatorem wirującego pola magnetycznego, kolumnę wewnętrzną, bełkotkę, pokrywy oraz króćce, charakteryzuje się tym, że ma dodatkowy generator wirującego pola magnetycznego (1) zamocowany na szczycie kolumny wewnętrznej (4), umieszczony w komorze separacji (2) stanowiącej przedłużenie kolumny zewnętrznej (3) i przymocowanej kołnierzowo do pokrywy (5) obudowy (6). Do dna obudowy (6) przymocowana jest kołnierzowo, stanowiąca przedłużenie kolumny zewnętrznej (3), komora dolna (7), do której zamocowana jest pokrywa (8), wyposażona w otwór (9), w którym umieszczona jest bełkotka (10). Komora separacji (2) ma kształt cylindra przechodzącego w kształt ściętego stożka, przy czym mniejsza średnica ściętego stożka jest równa średnicy kolumny zewnętrznej (3). Dodatkowy generator wirującego pola magnetycznego (1) i generator wirującego pola magnetycznego (11) przymocowany do kolumny zewnętrznej (3) są wykonane z uzwojeń umożliwiających przepływ prądu trójfazowego. Generator wirującego pola magnetycznego (11) przymocowany do kolumny zewnętrznej (3) stanowi genarator sekcyjny.Magnetically assisted airlift bioreactor with internal circulation, comprising a housing with a lid, an external column with a rotating magnetic field generator attached thereto, an internal column, a bubbler, covers and connectors, characterized in that it has an additional rotating magnetic field generator (1) fixed on top of the inner column (4), placed in the separation chamber (2) constituting an extension of the outer column (3) and flanged to the cover (5) of the housing (6). To the bottom of the housing (6) there is a flange-mounted bottom chamber (7), which is an extension of the outer column (3), to which the cover (8) is attached, equipped with a hole (9) in which the bubbler (10) is placed. The separation chamber (2) has the shape of a cylinder turning into the shape of a truncated cone, where the smaller diameter of the truncated cone is equal to the diameter of the outer column (3). The additional rotating magnetic field generator (1) and the rotating magnetic field generator (11) attached to the outer column (3) are made of windings allowing the flow of three-phase current. The rotating magnetic field generator (11) attached to the outer column (3) is a sectional generator.

Description

PL 240 730 B1PL 240 730 B1

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest wspomagany magnetycznie bioreaktor airlift z cyrkulacją wewnętrzną, który może być stosowany w procesach biotechnologicznych prowadzonych z udziałem mikroorganizmów.The subject of the invention is a magnetically assisted airlift bioreactor with internal circulation, which can be used in biotechnological processes involving microorganisms.

Bioreaktor airlift jest przykładem bioreaktora heterofazowego ze zdyspergowaną fazą gazową. W tego typu bioreaktorze gaz nie jest tylko jednym z reagentów, ale zdyspergowany na pęcherze penetruje fazę ciekłą, wywołując w niej proces mieszania. Rozproszenie gazu na pęcherze zapewnia również uzyskanie dobrze rozwiniętej powierzchni między fazowej, co jest kluczowe podczas prowadzenia procesów z udziałem mikroorganizmów wykazujących zapotrzebowanie na tlen. Reaktory airlift mogą być również z powodzeniem stosowane do realizacji procesów chemicznych i biochemicznych w układach trójfazowych.The airlift bioreactor is an example of a dispersed gas phase heterophasic bioreactor. In this type of bioreactor, the gas is not only one of the reactants, but the dispersed on the bubbles penetrates the liquid phase, causing the mixing process in it. The dispersion of gas over the bubbles also provides a well-developed interfacial surface, which is crucial when conducting processes involving microorganisms showing the demand for oxygen. Airlift reactors can also be successfully used for the implementation of chemical and biochemical processes in three-phase systems.

Do zalet tego typu urządzeń należą: prosta budowa, intensywne mieszanie fazy ciekłej, eliminacja elementów mechanicznych w konstrukcji, łatwość w eksploatacji i utrzymaniu czystości, mniejsza energochłonność w porównaniu do bioreaktorów wyposażonych w mieszadło mechaniczne. Główną wadą bioreaktorów airlift jest brak jednorodnego wymieszania medium hodowlanego, co może wpływać na wydajność prowadzonego procesu oraz jakość otrzymywanego produktu. Dodatkową niedogodnością w stosowaniu tego typu aparatów jest występowanie w strefie napowietrzania dość znaczących sił ścinających, które niekorzystnie wpływają na żywe komórki. Dlatego też celowym jest poszukiwanie rozwiązania konstrukcyjnego bioreaktora airlift, w którym będzie możliwe osiągnięcie warunków procesowych pozwalających na zapewnienie mikroorganizmom właściwego zapotrzebowania na tlen (rozwinięta powierzchnia międzyfazowa) przy zminimalizowaniu występujących w mieszanym medium naprężeń ścinających.The advantages of this type of devices include: simple structure, intensive mixing of the liquid phase, elimination of mechanical elements in the structure, ease of use and cleaning, lower energy consumption compared to bioreactors equipped with a mechanical agitator. The main disadvantage of airlift bioreactors is the lack of homogeneous mixing of the culture medium, which may affect the efficiency of the process and the quality of the obtained product. An additional disadvantage in the use of this type of apparatus is the presence of quite significant shear forces in the aeration zone, which adversely affect living cells. Therefore, it is advisable to look for a design solution for the airlift bioreactor, in which it will be possible to achieve the process conditions that allow to provide the microorganisms with the appropriate oxygen demand (developed interface) while minimizing the shear stresses occurring in the mixed medium.

W literaturze przedmiotu opisanych jest wiele przykładów bioreaktorów airlift, jednak można zauważyć wzrost zainteresowania modyfikacjami konstrukcji tego typu urządzeń przy zastosowaniu różnego typu oddziaływań, w celu intensyfikacji procesów wymiany masy i pędu w medium hodowlanym. Powszechnie stosowanym przykładem bioreaktora airlift jest kolumna z koncentryczną rurą cyrkulacyjną, z gazem doprowadzanym do kolumny wewnętrznej lub zewnętrznej.In the literature on the subject, many examples of airlift bioreactors are described, however, an increased interest in modifications to the design of this type of devices using various types of interactions in order to intensify the processes of mass and momentum exchange in the breeding medium can be noticed. A common example of an airlift bioreactor is a column with a concentric circulation tube, with gas fed to the inner or outer column.

Znany z opisu patentowego US 20170182458 A1 aparat charakteryzuje się tym, że składa się z dwóch części: reaktora oraz separatora. Reaktor składa się z korpusu (rury oraz współosiowo umieszczonej w nim rury wlotowej, przy której dolnym końcu umieszczono przewód doprowadzający gaz. Wynalazek cechuje się tym, że korpus reaktora zwęża się ku górze oraz wprowadzony jest do wnętrza separatora w taki sposób, że górna część korpusu reaktora stanowi wewnętrzną rurę separatora.The apparatus known from the patent description US 20170182458 A1 is characterized in that it consists of two parts: a reactor and a separator. The reactor consists of a body (a pipe and an inlet pipe coaxially placed in it, at the lower end of which a gas supply conduit is placed. of the reactor constitutes the inner tube of the separator.

Wynalazek CN105983377 (A) dotyczy reaktora airlift z cyrkulacją wewnętrzną, składający się z dwóch cylindrycznych i współosiowo umieszczonych przewodów oraz bełkotki doprowadzającej gaz do aparatu. W sekcji separacji umieszczono przegrodę, której zadaniem jest zwiększenie efektu separacji poprzez zmniejszenie prędkości przepływającej przez aparat oraz uniknięcie efektu zawracania mieszaniny do aparatu. Zwiększenie procesu separacji może być również realizowane poprzez zastosowane przegrody nad wewnętrzną rurą cyrkulacyjnąThe invention CN105983377 (A) relates to an airlift reactor with internal circulation, consisting of two cylindrical and coaxially arranged conduits and a gas supply spout to the apparatus. A baffle was placed in the separation section, the task of which is to increase the separation effect by reducing the speed flowing through the apparatus and avoiding the effect of the mixture being returned to the apparatus. Increasing the separation process can also be realized through the use of baffles above the internal circulation pipe

Patent CN102476893A zawiera opis instalacji stosowanej do biologicznego procesu odsiarczania. Głównym elementem systemu jest reaktor składający się z strefy reakcyjnej oraz strefy separacji. Strefa reakcyjna składa się z zewnętrznego cylindra, cylindra doprowadzającego gaz do systemu oraz cylindra wewnętrznego. Strefa separacji składa się z zewnętrznego ściętego stożka oraz wewnętrznego ściętego odwróconego stożka. Konstrukcja reaktora airlift ma za zadanie utrzymanie na określonym poziomie procesu fluidyzacji poprzez zapobieżenie utraty elementów fazy stałej, stanowiącej nośnik katalizatora w prowadzonym procesie.The patent CN102476893A describes the installation used for the biological desulfurization process. The main element of the system is the reactor consisting of a reaction zone and a separation zone. The reaction zone consists of an outer cylinder, a gas supply cylinder and an inner cylinder. The separation zone consists of an outer truncated cone and an inner inverted truncated cone. The design of the airlift reactor is designed to maintain the fluidization process at a certain level by preventing the loss of solid phase elements, which are the catalyst support in the process.

W opisie patentowym CN102295320A przedstawiono rozwiązanie konstrukcyjne reaktora airlift zawierającego strefę separacji wyposażoną w przegrody mające za zadanie usprawnić proces oczyszczania ścieków. Podobne rozwiązanie opisano w patencie US2011045581 A1.The patent description CN102295320A presents a design solution of the airlift reactor containing a separation zone equipped with partitions to improve the wastewater treatment process. A similar solution is described in the patent US2011045581 A1.

Reaktory airlift stosowane są również w procesach produkcji biomasy, które wymagają odpowiednich warunków tlenowych do właściwego rozwoju mikroorganizmów. Przykładowo patent CN201250224Y zawiera opis aparatu z wewnętrzną cyrkulacją, który wyposażono w pręty grzejne w celu utrzymania odpowiedniej temperatury podczas hodowli drobnoustrojów. Patent US20170088860A1 zawiera przykład zastosowania reaktora airlift w procesie biokonwersji przy udziale fazy gazowej oraz w przypadku użycia płynnych surowców zawierających substrat. Patent CN204058054 opisuje wynalazek składający się z reaktora airlift wyposażonego w komorę separacji, w którym umieszczono biologiczne złoże. W opisieAirlift reactors are also used in biomass production processes that require appropriate oxygen conditions for the proper development of microorganisms. For example, the patent CN201250224Y describes an apparatus with internal circulation, which is equipped with heating rods in order to maintain the appropriate temperature during the cultivation of microorganisms. Patent US20170088860A1 contains an example of the use of the airlift reactor in a gas phase bioconversion process and in the case of using liquid feedstocks containing a substrate. Patent CN204058054 describes the invention consisting of an airlift reactor equipped with a separation chamber in which a biological bed is placed. In description

PL 240 730 B1PL 240 730 B1

US5426024A przedstawiono instalację wyposażoną w reaktor airlift z osiowo wprowadzonym do wnętrza aparatu mieszadłem. Reaktory airlift są również jednym z głównych aparatów stosowanych w realizacji procesów biotechnologicznych (np.: WO8804317A1).US5426024A shows an installation equipped with an airlift reactor with an axially inserted agitator inside the apparatus. Airlift reactors are also one of the main apparatuses used in the implementation of biotechnological processes (e.g. WO8804317A1).

Reaktory airlift z wewnętrzną cyrkulacją są również przedstawione w następujących wynalazkach: CN2841645Y, CN1762570A, CN20284915U, CN102674924B.Internal circulation airlift reactors are also disclosed in the following inventions: CN2841645Y, CN1762570A, CN20284915U, CN102674924B.

Znane są również rozwiązania dotyczące kształtu wewnętrznej rury cyrkulacyjnej (np.: CN102517212; CN102674924A; US4782024A; US4327042; US4748123); opisy patentowe w których podano rozwiązania konstrukcyjne reaktorów airlift polegające na wprowadzeniu do wewnętrznej rury cyrkulacyjnej mieszadeł mechanicznych (np.: CN102112595B; CN105219618A; CN2236493Y) oraz doprowadzeniem gazu do rury wewnętrznej (np.: CN105505749A; CN102166501 A). Znane są również rozwiązania konstrukcyjne polegające na zastosowaniu sekcyjnych rur cyrkulacyj nych umieszczonych współosiowo wewnątrz cylindrycznej kolumny (np.: CN102796650A). Dodatkowo w wewnętrznej rurze cyrkulacyjnej może być wprowadzona przegroda, która ma za zadanie zwiększyć burzliwość przepływającego płynu (np.: CN202415536U; CN10224915). Proponowane są również konstrukcje, w których zamiast jednej, centralnie umieszczonej rury cyrkulacyjnej, umieszczono ich pęk, co ma korzystnie wpłynąć na proces wymiany masy (np.: CN102068903A).There are also known solutions regarding the shape of the inner circulation pipe (e.g. CN102517212; CN102674924A; US4782024A; US4327042; US4748123); patents which provide design solutions for airlift reactors consisting in introducing mechanical agitators (e.g. CN102112595B; CN105219618A; CN2236493Y) into the internal circulation pipe and supplying gas to the internal pipe (e.g. CN105505749A; CN102166501 A). There are also known design solutions consisting in the use of circulation section pipes arranged coaxially inside a cylindrical column (e.g. CN102796650A). Additionally, a baffle may be introduced in the inner circulation pipe to increase the turbulence of the flowing fluid (e.g. CN202415536U; CN10224915). Designs are also proposed in which instead of one centrally located circulation pipe, a bundle of them is placed, which is to have a positive effect on the mass transfer process (e.g. CN102068903A).

Tradycyjna metoda intensyfikacji reakcji prowadzonych z zastosowaniem mikroorganizmów polega na zastosowaniu układów reakcyjnych wyposażonych w kolumny barbotażowe lub urządzenia mieszające o różnorodnej konfiguracji geometrycznej. Znane są również rozwiązania konstrukcyjne, w których zastosowano oddziaływania siłowe, na przykład zewnętrznie przyłożone pole magnetyczne, w celu uzyskania bioproduktu o pożądanych właściwościach i/lub zadawalającej wydajności prowadzonego procesu.The traditional method of intensifying reactions carried out with the use of microorganisms consists in the use of reaction systems equipped with bubble columns or mixing devices with various geometrical configurations. There are also design solutions that use force interactions, for example an externally applied magnetic field, in order to obtain a bioproduct with the desired properties and / or a satisfactory efficiency of the process carried out.

Opis zgłoszenia patentowego DE 102004026448 dotyczy mieszalnika wyposażonego w magnes stały oraz cząstki magnetyczne, stosowane w celu immobilizacji materiału biologicznego lub enzymów. Reaktor może być stosowany do: reakcji uwodornienia, reakcji katalitycznych (katalizator jest w tym przypadku unieruchomiony na nośnikach magnetycznych); procesów konwersji realizowanych w zadaniach biomedycznych, biologicznych, farmaceutycznych, spożywczych; w reakcjach z wymianą jonową; reakcjach polimeryzacji. Publikacja międzynarodowego zgłoszenia WO 2007032472 dotyczy mieszalnika wyposażonego w trzy uzwojenia, umieszczone wokół cylindrycznego zbiornika. Przepływający przez uzwojenia prąd elektryczny generuje wirujące pole magnetyczne, które oddziałując na płyn cechujący się przewodnością elektryczną wywołuje jego ruch i przepływ przez aparat. Znany z opisu patentowego PL 219386 mieszalnik magnetyczny zawiera zbiornik, zewnętrzne uzwojenie elektryczne oraz układ mieszadeł. Aparat charakteryzuje się tym, że jest wyposażony w wewnętrzne uzwojenia elektryczne usytuowane na dyfuzorach magnetycznych, zamocowanych współosiowo w zbiorniku oraz pionowe przegrody z turbinkami, umieszczone przy ściance zbiornika. Wytwarzane przez trójfazowe uzwojenie elektryczne wirujące pole magnetyczne napędza mieszadła (wykonane z materiału podatnego na tego typu oddziaływania) oraz wywołuje cyrkulację płynu wewnątrz aparatu. Z opisu patentu PL 227303 znany jest dwukomorowy reaktor do magnetycznego wspomagania procesów chemicznych, w których mogą brać udział gazy, ciecze i ciała stałe oraz reakcji chemicznych lub biochemicznych prowadzonych z zastosowaniem mikroorganizmów, wyposażony w dwie komory mieszania, generator wirującego pola magnetycznego, obudowę, pokrywę i dno z króćcami. Reaktor ten wyróżnia się tym, że ma centralną cylindryczną przegrodę, która tworzy wewnątrz reaktora dwie komory cylindryczną i pierścieniową, przymocowaną do stożkowego dna.Patent application DE 102004026448 relates to a mixer equipped with a permanent magnet and magnetic particles used to immobilize biological material or enzymes. The reactor can be used for: hydrogenation reactions, catalytic reactions (in this case the catalyst is immobilized on magnetic supports); conversion processes carried out in biomedical, biological, pharmaceutical and food tasks; in ion exchange reactions; polymerization reactions. International application WO 2007032472 relates to a mixer provided with three windings arranged around a cylindrical vessel. The electric current flowing through the windings generates a rotating magnetic field which, by affecting the electrically conductive fluid, causes it to move and flow through the apparatus. The magnetic stirrer known from the patent description PL 219386 comprises a reservoir, an external electric winding and a system of stirrers. The apparatus is characterized by the fact that it is equipped with internal electric windings situated on magnetic diffusers coaxially mounted in the tank and vertical partitions with turbines located at the wall of the tank. The rotating magnetic field generated by the three-phase electric winding drives the stirrers (made of a material susceptible to this type of influence) and causes the fluid to circulate inside the apparatus. Patent description PL 227303 describes a two-chamber reactor for magnetic support of chemical processes in which gases, liquids and solids can take part, as well as chemical or biochemical reactions carried out with the use of microorganisms, equipped with two mixing chambers, a rotating magnetic field generator, housing, cover and a bottom with nozzles. This reactor is distinguished by the fact that it has a central cylindrical baffle, which forms inside the reactor two cylindrical and annular chambers, attached to a conical bottom.

Opis zgłoszeniowy wzoru użytkowego CN 202157075 dotyczy bioreaktora typu airlift z wewnętrzną cyrkulacją płynu, do którego podłączono dodatkową zewnętrzną pętlę cyrkulacyjną w formie rurociągu, na którym zamontowano kolejno generator pola magnetycznego, wymiennik ciepła oraz pompę cyrkulacyjną. Zastosowanie stacjonarnego lub zmiennego pola magnetycznego umożliwia poprawę rozpuszczania tlenu w medium hodowlanym w celu poprawienia warunków procesowych w zbiorniku bioreaktora. W rozwiązaniu tym, zamontowanie generatora pola magnetycznego na zewnętrznej pętli cyrkulacyjnej uniemożliwia wprowadzenie gazu do strefy bezpośredniego oddziaływania pola magnetycznego przez co pole magnetyczne oddziałuje na fazę ciągłą a nie na układ gaz-ciecz. Cyrkulacja wewnątrz zbiornika zapewniona jest poprzez dostarczenie gazu pod cylindryczną przegrodę. Gaz wraz z cieczą wznosi się wewnątrz cylindrycznej przegrody w kierunku powierzchni swobodnej gdzie następuje odseparowanie gazu i dalej ciecz opada w przestrzeni pomiędzy cylindryczną przegrodą a ścianą zbiornika w kierunku dna zbiornika.The application description of the utility model CN 202157075 concerns an airlift type bioreactor with internal fluid circulation, to which an additional external circulation loop in the form of a pipeline is connected, on which a magnetic field generator, heat exchanger and a circulation pump are successively mounted. The use of a stationary or alternating magnetic field makes it possible to improve the dissolution of oxygen in the culture medium in order to improve the process conditions in the bioreactor vessel. In this solution, the installation of the magnetic field generator on the outer circulation loop prevents the introduction of gas into the zone of direct magnetic field impact, so that the magnetic field affects the continuous phase and not the gas-liquid system. The circulation inside the tank is ensured by supplying gas under the cylindrical partition. The gas and the liquid rises inside the cylindrical partition towards the free surface where the gas is separated and the liquid then falls in the space between the cylindrical partition and the tank wall towards the bottom of the tank.

PL 240 730 B1PL 240 730 B1

Zastosowanie pola magnetycznego w reaktorach airlift z zewnętrzną cyrkulacją zostało opisane w następujących zgłoszeniach patentowych P.414512 i P.414511. Zarówno w zgłoszeniu patentowym P.414512 jak i P.414511 wspomagane magnetycznie bioreaktory mają po dwie kolumny, wznoszącą i opadająca, które od góry połączone są z komorą o kształcie prostopadłościanu (P.414511) oraz komorą prostopadłościenną z dnem cylindrycznym (P.414512), a od dołu kolumny połączono łącznikami. Obie kolumny wznosząca i opadająca zaopatrzone są w osobne generatory wirującego pola magnetycznego z systemem chłodzenia. W obydwu rozwiązaniach zastosowanie generatorów pola magnetycznego na kolumnach wznoszących ma za zadanie intensyfikować zachodzące procesy w układzie wielofazowym gaz-biopłyn. Natomiast zastosowanie generatorów pola magnetycznego na kolumnach opadających poddać oddziaływaniu pola magnetycznego wyłącznie biopłyn. W zgłoszeniu patentowym P.414512 prostopadłościenna komora z dnem cylindrycznym została dodatkowo wyposażona w poziomy wał, na którym osadzone są pakiety obrotowych dysków w formie krążków lub stożków. W komorze, poprzez zastosowanie dysków obrotowych, uzyskuje się obszary cechujące się dodatkowym rozwinięciem powierzchni, lepszym natlenieniem z zachowaniem dobrej cyrkulacji mieszanego medium. W zgłoszeniu patentowym P.414511 wewnątrz kolumny wznoszącej w obszarze oddziaływania generatora pola magnetycznego znajduje się bełkotka, która jest połączona z pionową przegrodą zadaniem której, jest wprowadzenie dodatkowego zaburzenia przepływu wewnątrz generatora. Cyrkulacja medium hodowlanego wewnątrz obydwu bioreaktorów wywołana jest poprzez dostarczenie gazu do bełkotki zamontowanej w kolumnie wznoszącej, który wznosząc się w kierunku powierzchni swobodnej wymusza jego przepływ, następnie gaz oddziela się w komorze prostopadłościennej i dalej medium zasysane jest do kolumny opadającej i łącznika kolumn.The use of a magnetic field in airlift reactors with external circulation is described in the following patent applications P.414512 and P.414511. Both in patent application P.414512 and P.414511, magnetically assisted bioreactors have two columns, rising and falling, which are connected at the top with a cuboid-shaped chamber (P.414511) and a cuboidal chamber with a cylindrical bottom (P.414512) and from the bottom, the columns were connected with fittings. Both rising and falling columns are equipped with separate rotating magnetic field generators with a cooling system. In both solutions, the use of magnetic field generators on rising columns is to intensify the processes taking place in the multi-phase gas-bioliquid system. On the other hand, the use of magnetic field generators on descending columns subject only the bioliquid to the magnetic field. In the patent application P.414512, a rectangular chamber with a cylindrical bottom was additionally equipped with a horizontal shaft on which sets of rotating discs in the form of discs or cones are mounted. In the chamber, thanks to the use of rotating disks, areas are obtained that are characterized by an additional surface development, better oxygenation while maintaining good circulation of the mixed medium. In the patent application P.414511 inside the rising column, in the area of influence of the magnetic field generator, there is a spout which is connected to a vertical partition whose task is to introduce an additional disturbance to the flow inside the generator. The circulation of the culture medium inside both bioreactors is caused by the supply of gas to a bubbler mounted in the rising column, which, rising towards the free surface, forces its flow, then the gas is separated in a cuboidal chamber and the medium is further sucked into the descending column and the column connector.

Uwzględniając powyższe uwagi celowym jest opracowanie urządzenia wykorzystującego pole magnetyczne do realizacji procesów lub bioprocesów z udziałem układów wielofazowych z zastosowaniem aparatu typu airlift z wewnętrzną rurą cyrkulacyjną. Tego typu oddziaływanie może zwiększać aktywność substancji chemicznych lub wpływać na mikroorganizmy, co ma bezpośrednie przełożenie na otrzymywany z tych przemian produkt. Dodatkowym argumentem na zastosowanie pola magnetycznego w reaktorach jest pozytywny wpływ tego typu oddziaływania na proces wymiany masy w układzie gaz-ciecz, co znalazło potwierdzenie w pracy naukowej (Rakoczy et al. Chem Eng J 2017, 327:608-617).Taking into account the above remarks, it is advisable to develop a device that uses the magnetic field to carry out processes or bioprocesses involving multiphase systems with the use of an airlift apparatus with an internal circulation pipe. This type of interaction may increase the activity of chemical substances or affect microorganisms, which has a direct impact on the product obtained from these changes. An additional argument for the use of the magnetic field in reactors is the positive impact of this type of interaction on the mass exchange process in the gas-liquid system, which was confirmed in the scientific work (Rakoczy et al. Chem Eng J 2017, 327: 608-617).

Uwzględniając powyższe uwagi celowym jest opracowanie urządzenia wykorzystującego pole magnetyczne do realizacji procesów lub bioprocesów ze szczególnym uwzględnieniem procesów związanych z transportem masy w układach gaz-ciecz. Proces ten może być z powodzeniem realizowany w aparacie typu airlift z wewnętrzną cyrkulacją, który jest wyposażony w generatory wirującego pola magnetycznego. Pole tego typu może intensyfikować proces wymiany masy w układzie gaz-ciecz, co bezpośrednio przekłada się na wzrost ilości biomasy mikroorganizmów.Taking into account the above remarks, it is advisable to develop a device that uses the magnetic field to implement processes or bioprocesses, with particular emphasis on the processes related to mass transport in gas-liquid systems. This process can be successfully carried out in an airlift apparatus with internal circulation, which is equipped with rotating magnetic field generators. This type of field may intensify the mass exchange process in the gas-liquid system, which directly translates into an increase in the amount of microbial biomass.

Wspomagany magnetycznie bioreaktor airlift z cyrkulacją wewnętrzną, według wynalazku, zawierający obudowę z pokrywą, kolumnę zewnętrzną z przymocowanym do niej generatorem wirującego pola magnetycznego, kolumnę wewnętrzną, bełkotkę, pokrywy oraz króćce, charakteryzuje się tym, że ma dodatkowy generator wirującego pola magnetycznego zamocowany na szczycie kolumny wewnętrznej, umieszczony w komorze separacji. Komora separacji stanowi przedłużenie kolumny zewnętrznej i jest przymocowana kołnierzowo do pokrywy obudowy. Do dna obudowy przymocowana jest kołnierzowo komora dolna, stanowiąca przedłużenie kolumny zewnętrznej. Do komory dolnej zamocowana jest pokrywa, wyposażona w otwór, w którym umieszczona jest bełkotka. Komora separacji ma kształt cylindra przechodzącego w kształt ściętego stożka, przy czym mniejsza średnica ściętego stożka jest równa średnicy kolumny zewnętrznej. Dodatkowy generator wirującego pola magnetycznego i generator wirującego pola magnetycznego przymocowany do kolumny zewnętrznej są wykonane z uzwojeń umożliwiających przepływ prądu trójfazowego.The magnetically assisted airlift bioreactor with internal circulation according to the invention, comprising a housing with a cover, an outer column with a rotating magnetic field generator attached thereto, an inner column, a bubbler, covers and stub pipes, is characterized by having an additional rotating magnetic field generator mounted on the top internal column, placed in the separation chamber. The separation chamber is an extension of the outer column and is flange-mounted to the housing cover. The bottom chamber is flange-mounted to the bottom of the housing, which is an extension of the outer column. A cover is attached to the lower chamber, equipped with a hole in which a bubbler is placed. The separation chamber is shaped like a cylindrical truncated cone, the smaller diameter of the truncated cone being equal to the diameter of the outer column. An additional rotating magnetic field generator and rotating magnetic field generator attached to the outer column are made of windings that allow three-phase current to flow.

Generator wirującego pola magnetycznego przymocowany do kolumny zewnętrznej może być generatorem sekcyjnym.The rotating magnetic field generator attached to the outer column may be a section generator.

Bełkotka ma końcówkę w kształcie pierścienia wyposażonego w otwory, która jest umieszczona pomiędzy kolumną zewnętrzną a kolumną wewnętrzną, pod generatorem wirującego pola magnetycznego, co powoduje, że gaz dostarczany jest do przestrzeni pomiędzy kolumnami.The bubbler has a ring-shaped tip provided with holes, which is placed between the outer column and the inner column, under the rotating magnetic field generator, which causes gas to be delivered to the space between the columns.

Końcówka bełkotki w kształcie pierścienia, może być umieszczona w kolumnie wewnętrznej poniżej generatora wirującego pola magnetycznego. Wówczas gaz dostarczany jest do wnętrza kolumny wewnętrznej, co powoduje zamianę kierunku przepływu strumieni w komorze wewnętrznej i przestrzeni (pierścieniowej) pomiędzy kolumną zewnętrzną i kolumną wewnętrzną. Umożliwia to kontrolowanieThe ring-shaped bubbler tip can be placed in the inner column below the rotating magnetic field generator. The gas is then supplied to the interior of the inner column, which causes the flow direction of the streams in the inner chamber and the (annular) space between the outer column and the inner column to reverse. This makes it possible to control

PL 240 730 B1 składu i kierunku przepływu faz w strefie oddziaływania pola magnetycznego Kolumny zewnętrzna i kolumna wewnętrzna wykonane są z materiału nie wykazującego właściwości magnetycznych i nie tłumiącego zewnętrznie przyłożonego pola magnetycznego, na przykład silikonu, a średnica kolumny wewnętrznej jest dwa razy mniejsza niż średnica kolumny zewnętrznej.The composition and direction of the phase flow in the magnetic field impact zone The outer columns and the inner column are made of a non-magnetic material that does not suppress an externally applied magnetic field, for example silicone, and the diameter of the inner column is twice smaller than that of the column. external.

Zaletą proponowanego rozwiązania jest to, że pozwala ono na poddawanie przepływającego w aparacie płynu oddziaływaniom wirującego pola magnetycznego. Zastosowanie umieszczonego na kolumnie wewnętrznej generatora wirującego pola magnetycznego wpływa korzystnie na zatrzymanie gazu w płynie, co jest wskazane z punktu widzenia procesów prowadzonych z udziałem mikroorganizmów. Oddziaływanie tego typu wpływa korzystnie na proces mieszania w aparacie. Umieszczenie bełkotki pomiędzy kolumną zewnętrzną i wewnętrzną pozwala na wywołanie ruchu płynu w przestrzeni cylindrycznej od dołu aparatu ku komorze separacji. Wpływa to pozytywnie na intensyfikację procesu wymiany masy w układzie gaz-ciecz, co może się przekładać na ilość otrzymywanej biomasy lub kinetykę prowadzonej reakcji. W przypadku podania gazu do kolumny wewnętrznej uzyskuje się cyrkulację cieczy oraz przepływ cieczy bez obecności fazy gazowej w pobliżu generatora pola magnetycznego.The advantage of the proposed solution is that it allows the fluid flowing in the apparatus to be subjected to the effects of a rotating magnetic field. The use of a rotating magnetic field generator placed on the inner column has a positive effect on the gas retention in the liquid, which is advisable from the point of view of processes carried out with the participation of microorganisms. This type of interaction has a positive effect on the mixing process in the apparatus. Placing a bubbler between the outer and inner columns allows the fluid to move in the cylindrical space from the bottom of the apparatus towards the separation chamber. This has a positive effect on the intensification of the mass exchange process in the gas-liquid system, which may translate into the amount of biomass obtained or the kinetics of the reaction. When gas is fed to the inner column, liquid circulation and liquid flow are achieved without the presence of a gas phase in the vicinity of the magnetic field generator.

Wspomagany magnetycznie bioreaktor airlift z cyrkulacją wewnętrzną według wynalazku przedstawiony jest w przykładach wykonania oraz na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia bioreaktor w przekroju wzdłużnym z bełkotką umieszczoną pomiędzy kolumną zewnętrzną i wewnętrzną, Fig. 2 przedstawia bioreaktor w przekroju wzdłużnym z bełkotką umieszczoną w kolumnie wewnętrznej, Fig. 3 przedstawia bioreaktor w przekroju wzdłużnym z bełkotką umieszczoną w kolumnie wewnętrznej z sekcyjnym generatorem wirującego pola magnetycznego na kolumnie zewnętrznej.The magnetically assisted airlift internally circulating bioreactor according to the invention is shown in the examples and in the drawing, in which Fig. 1 shows the longitudinal section of the bioreactor with a bubbler placed between the outer and inner columns, Fig. 2 shows the bioreactor in longitudinal section with the bubbler placed in the column. Fig. 3 shows the longitudinal section of the bioreactor with a bubbler placed in the inner column with a rotary magnetic field generator section on the outer column.

P r z y k ł a d 1P r z k ł a d 1

Wspomagany magnetycznie bioreaktor airlift z cyrkulacją wewnętrzną, przedstawiony na fig. 1, zawiera obudowę 6, w której umieszczono kolumnę zewnętrzną 3, na której umieszczono generator wirującego pola magnetycznego 11, który jest wykonany z uzwojeń umożliwiających przepływ prądu trójfazowego. Wewnątrz kolumny zewnętrznej 3 usytuowana jest koncentrycznie kolumna wewnętrzna 4. Na szczycie kolumny wewnętrznej 4 zamocowany jest dodatkowy generator wirującego pola magnetycznego 1, umieszczony w komorze separacji 2. Generator 1 także jest wykonany z uzwojeń umożliwiających przepływ prądu trójfazowego. Komora separacji 2 przymocowana jest kołnierzowo do pokrywy 5 obudowy 6 i stanowi przedłużenie komory zewnętrznej 3. Komora separacji 2 ma kształt cylindra przechodzącego w kształt ściętego stożka, przy czym mniejsza średnica ściętego stożka jest równa średnicy kolumny zewnętrznej 3. Do dna obudowy 6 przymocowana jest kołnierzowo komora dolna 7, która stanowi przedłużenie kolumny zewnętrznej 3. Do komory dolnej 7 przymocowana jest pokrywa 8 wyposażona w otwór 9, w którym umieszczona jest bełkotka 10. Bełkotka 10 ma końcówkę w kształcie pierścienia, która jest umieszczona pomiędzy kolumną zewnętrzną 3 a kolumną wewnętrzną 4, pod generatorem wirującego pola magnetycznego 11, co powoduje, że gaz dostarczany jest do przestrzeni pomiędzy kolumnami. Komora dolna 7 wyposażona jest w króciec spustowy 12. Obudowa 6 wyposażona jest w króćce chłodziwa 13, 13’, które umożliwiają doprowadzenie i odprowadzenie chłodziwa do chłodzenia generatora wirującego pola magnetycznego 11. Kolumna zewnętrzna 3 i kolumna wewnętrzna 4 wykonane są z materiału nie wykazującego właściwości magnetycznych i nie tłumiącego zewnętrznie przyłożonego pola magnetycznego, z silikonu. Średnica kolumny wewnętrznej 4 jest dwa razy mniejsza niż średnica kolumny zewnętrznej 3.The magnetically assisted internally circulating airlift bioreactor shown in Fig. 1 comprises a casing 6 in which an outer column 3 is placed, on which a rotating magnetic field generator 11, which is made of windings allowing the flow of three-phase current, is located. Inside the outer column 3 is an inner column 4 concentrically arranged. On the top of the inner column 4 an additional rotating magnetic field generator 1 is mounted, placed in the separation chamber 2. The generator 1 is also made of windings allowing the flow of three-phase current. The separation chamber 2 is flange-mounted to the cover 5 of the housing 6 and is an extension of the outer chamber 3. The separation chamber 2 has the shape of a truncated-cone cylinder, with the smaller diameter of the truncated cone equal to the diameter of the outer column 3. It is flanged to the bottom of the housing 6. lower chamber 7, which is an extension of the outer column 3. A cover 8 equipped with a hole 9 in which a bubbler 10 is placed is attached to the lower chamber 7. The bubbler 10 has a ring-shaped tip, which is placed between the outer column 3 and the inner column 4 under the rotating magnetic field generator 11, which causes gas to be supplied to the space between the columns. The lower chamber 7 is equipped with a drain connector 12. The housing 6 is equipped with coolant connectors 13, 13 ', which enable the supply and discharge of coolant to cool the rotating magnetic field generator 11. The outer column 3 and the inner column 4 are made of a material that does not exhibit the properties of magnetic and non-suppressing an externally applied magnetic field, made of silicone. The diameter of the inner column 4 is twice smaller than the diameter of the outer column 3.

Zasada działania bioreaktora polega na wywołaniu ruchu płynu poprzez doprowadzenie do płynu gazu przez bełkotkę 10. Strumień mieszaniny gazowo-ciekłej wznosi się w przestrzeni pierścieniowej, to znaczy pomiędzy kolumną zewnętrzna 3 i kolumną wewnętrzną 4 oraz wpływa do obszaru poddawanemu oddziaływaniom wirującego pola magnetycznego wytwarzanego przez generator 11. Dalej mieszanina gaz-ciecz wpływa do komory separacji 2 i jest poddawana dodatkowemu oddziaływaniu wirującego pola magnetycznego, wytwarzanego przez dodatkowy generator 1. Płyn z komory separacji 2 wpływa następnie do kolumny wewnętrznej 4 (opada) oraz zostaje skierowany do komory dolnej 7, gdzie miesza się ze świeżą porcją gazu dostarczonego przez bełkotkę.The principle of operation of the bioreactor consists in causing the fluid to move by supplying the fluid with gas through the bubbler 10. The stream of the gas-liquid mixture rises in the annular space, i.e. between the outer column 3 and the inner column 4, and flows into the area subjected to the influence of the rotating magnetic field generated by the generator 11. Further, the gas-liquid mixture flows into the separation chamber 2 and is additionally subjected to the rotating magnetic field generated by the additional generator 1. The fluid from the separation chamber 2 then flows into the inner column 4 (falls) and is directed to the lower chamber 7, where mixed with a fresh portion of gas provided by a bubbler.

P r z y k ł a d 2P r z k ł a d 2

Wspomagany magnetycznie bioreaktor airlift z cyrkulacją wewnętrzną pokazany na fig. 2 jak w przykładzie 1, z tym, że końcówka bełkotki 10 w kształcie pierścienia umieszczona jest w kolumnie wewnętrznej 4. W układzie tym następuje zamiana kierunku przepływu strumieni w komorze wewnętrznej 4 i przestrzeni (pierścieniowej) pomiędzy kolumną zewnętrzną 3 i kolumną wewnętrzną 4. Pozwala to na poddanie oddziaływaniu magnetycznemu cieczy pozbawionej gazu.The magnetically assisted airlift bioreactor with internal circulation shown in Fig. 2 as in Example 1, except that the tip of the ring-shaped bubbler 10 is located in the inner column 4. This arrangement reverses the flow direction of the jets in the inner chamber 4 and the (annular) space. ) between the outer column 3 and the inner column 4. This allows the gas-free liquid to be subjected to a magnetic effect.

Claims

PL 240 730 B1

P r z k ł a d 3

The magnetically assisted airlift bioreactor with internal circulation shown in Fig. 3 is made in the same way as in example 1, the rotating magnetic field being produced by a section generator 11 located in the housing 1 and on the outer column 3.

Patent claims

1. A multi-functional multi-fuel boiler, equipped with closed retorts mounted in a casing above the furnace, characterized in that inside the closed solid casing (1) there is a chamber retort (3) closed with a door (4), each of the chambers (3 '). , 3 '') is equipped with gas discharge pipes (9) mounted in such a way that their outlets are located inside the housing (1) in the combustion chamber (6) located under the retort (3), and above the retort (3) in the housing (4) ) the flue pipe (14) is installed.

2. A multifunctional boiler according to claim A cylinder as claimed in claim 1, characterized in that the retort (3) has the shape of a horizontal cylinder divided by a transverse wall embedded in the side walls (2), where the formed chambers (3 ', 3 ") are in an opposite configuration to each other.

3. A multifunctional boiler according to claim The process of claim 1, characterized in that the chambers (3 ', 3 ") of the retort (3) are provided with loading cassettes (12).

4. A multifunctional boiler according to claim The combustion chamber as claimed in claim 1, characterized in that the combustion chamber (6) is equipped with a grate (8) and is closed with a door (7).

5. Multifunctional boiler according to claim A device as claimed in claim 1, characterized in that the retort (3) basin in the combustion chamber (6) is provided with a heat shield (5).

6. A multifunctional boiler according to claim A space for the flow of exhaust gas between the housing (1) and the retort (3) as claimed in claim 1.

7. Multifunctional boiler according to claim 3. The retort according to claim 1, characterized in that each of the chambers (3 ', 3' ') of the retort (3) is equipped with emergency conduits (11) with outlets located outside the casing (1) and outside the combustion chamber (6), and the conduits (9) are fitted with valves (10).

8. A multifunctional boiler according to claim A method as claimed in claim 1, characterized in that the flue pipe (14) in the housing (1) is surrounded by a shell heat exchanger (13).

9. Multifunctional boiler according to claim 3. The apparatus of claim 1, characterized in that the upper wall of the housing (1) has an insulating shell (15).

10. Multifunctional boiler according to claim The method of claim 1, characterized in that electric starters (18) are installed in the combustion chamber (6) above the grate (8).

11. A multifunctional boiler according to claim The method of claim 1, characterized in that temperature sensors (17) are installed in the combustion chamber (6) above the grate (8) and in the side walls of the housing (1) above the retort (3).

12. A multifunctional boiler according to claim The method of claim 1, characterized in that each of the chambers (3 ', 3' ') is equipped with independent electric heaters (16).