Массообменная ультразвуковая установка для лабораторных исследований

(51) 01 11/00 (2010.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ манометром и краном для отбора проб, а верхняя часть накопительной емкости для экстрагента соединена со штуцером вывода экстрагента трубопроводом, оснащенным расходомером, при этом накопительная емкость для экстрагента с встроенным нагревательным элементом и регулятором температуры смонтирована на раме таким образом, чтобы она находилась выше экстрактора,новым является то,что перемешивающее устройство выполнено из концентратора ступенчатой формы в виде дисков,которые в местах сопряжения с центральной частью концентрато имеют плавный закругленный переход, который присоединен к многослойному пьезоэлектрическому излучателю через трансформатор скорости колебаний, причем многослойный пьезоэлектрический излучатель состоит из пьезоке-рамики, излучающей и отражающей накладок, продольные размеры которых между собой связаны уравнением волновые сопротивления пьезокерамики, излучающей и отражающей накладок- плотность материала с,1, с 2 - скорости распространения звука в пьезокерамике,излучающей и отражающей накладках волновые числа пьезокерамики, излучающей и отражающей накладок, - частота колебаний,причем толщина излучающей накладки 1 определяется из данного уравнения путем подстановки в него толщины отражающей накладки(72) Алтайулы Сагымбек Спанбаев Айдар Демеубаевич Шахов Сергей Васильевич Торопцев Василий Владимирович Алтаева Алия Сагымбековна(73) Республиканское государственное предприятие на праве хозяйственного ведения Евразийский национальный университет им. Л.Н. Гумилева Министерства образования и науки Республики Казахстан(56) Патент РФ на полезную модель 83426, кл. 0111/00, 10.06.2009(54) МАССООБМЕННАЯ УЛЬТРАЗВУКОВАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ(57) Изобретение относится к технике лабораторных исследований процесса обработки биотехнологических сред и может быть использовано в биотехнологической, масложировой и других отраслях промышленности Технической задачей изобретения является интенсификация процесса обработки биотехнологических сред путем направленного и регулируемого воздействия на биотехнологические среды в процессе обработки, в результате использования возвратно-поступательного движения среды. Техническая задача изобретения достигается тем,что в массообменной ультразвуковой установке для лабораторных исследований, содержащей блок управления с таймером и секундомером, экстрактор,выполненный из нержавеющей стали в форме цилиндра со съемной крышкой, снабженной штуцерами для ввода и вывода экстрагента, внутри которого коаксиально установлен цилиндрический фильтрующий элемент с днищем в виде усеченного конуса и соосно размещенным в нем перемешивающим устройством, при этом боковая поверхность фильтрующего элемента выполнена перфорированной и установлена с возможностью ее замены, а днище соединено трубопроводом со штуцером для ввода экстрагента, который связан с нижней частью накопительной емкости для экстрагента трубопроводом, снабженным насосом, 25263, а трансформатор скорости акустических 4 колебаний выполнен в форме конуса толщиной равнойгде волновое число,- отношение входного диаметраторца трансформатора к его выходному диаметруторца, при этом трансформатор скорости колебаний имеет для крепления перемешивающего устройства к съемной крышке экстрактора фланец,установленный на расстоянии трансформатора, где 1/(-1) - коэффициент наклона образующей конического волновода к его продольной оси, при этом излучающая и отражающая накладки, трансформатор скорости акустических колебаний и концентратор колебаний изготовлены из титанового сплава. Преимущества экстракционной установки для лабораторных исследований процесса выделения целевых компонентов из биотехнологических сред по сравнению с существующими аналогами заключаются в том,что выполнение перемешивающего устройства из концентратора ступенчатой формы в виде дисков, имеющих в местах сопряжения с центральной частью концентратора плавный закругленный переход,присоединеный через трансформатор скорости колебаний к многослойному пьезоэлектрическому излучателю, который состоит из пьезокерамики,излучающей и отражающей накладок, позволяет интенсифицировать процесс обработки биотехнологических сред путем направленного и регулируемого воздействия на биотехнологические среды в процессе обработки в результате использования возвратно-поступательного движения среды и тем самым позволяет осуществлять качественное выделение целевого компонента из измельченного продукта в активном гидродинамическом режиме и последующее эффективное отделение фильтрованием от твердых частиц продукта экстрагента,обогащенного целевым компонентом. 4 ил. Изобретение относится к технике лабораторных исследований процесса обработки биотехнологических сред и может быть использовано в биотехнологической, масложировой и других отраслях промышленности. Известен ультразвуковой массообменный аппарат Патент 2312130 (Российская Федерация),МКИ 11 В 1/00, В 01 11/00, С 12 С 13/02 Ультразвуковой массообменный аппарат / С.Т. Антипов, СВ. Шахов, Л.А. Мирошниченко, А.Г. Небольсин, Д.Х. Канбар, А.И. Кряккиев - Заявл. 19.05.2006,2006117276/13, опубл. в Б.И., 200734, содержащий цилиндрический сосуд со сферическим днищем, перемешивающее устройство в виде осевого насоса, расположенное соосно внутри сплошного неподвижного цилиндра в нижней части аппарата, патрубки для загрузки и технического обслуживания, фильтрующий элемент в виде перфорированного цилиндра, установленного на штоке с возможностью возратно-поступательного движения по оси неподвижного цилиндра с перекрытием части последнего в нижнем положении, и коаксиально входящим в сплошной цилиндр в верхнем положении, размещенный в верхней части аппарата, причем нижняя торцевая часть фильтрующего элемента состоит из чередующихся перфорированных и сплошных участков в виде жалюзи, верхние сплошные лепестки которого выполнены подвижными и установлены с возможностью периодического закрывания и открывания торцевой поверхности перфорированного участка фильтрующего элемента,кроме этого в нем установлены гидродинамические ультразвуковые излучатели, расположенные соосно в верхней части фильтрующего элемента с возможностью перемещения с ним, а также с его внешней перфорированной стороны. Недостатком является то, что ультразвуковой массообменный аппарат не приспособлен для лабораторных исследований обработки пищевых сред,а применение гидродинамических ультразвуковых излучателей не позволяет обеспечить эффективное и прогнозируемое воздействие на продукт из-за взаимного наложения ультразвуковых волн от различных излучателей. Известны лабораторные экстракторы серии ПЭ(.-.),имеющие фторопластовые турбинные мешалки, которые предназначены для создания в делительных воронках, круглодонных,плоскодонных колбах и бутылях радиальных скоростных потоков жидкости и обеспечения эффективного перемешивания по всему объему сосуда, при этом экстрактор оснащен блоком управления с цифровым тахометром, таймером и секундомером. Недостатком известных лабораторных экстракторов являются ограниченные функциональные возможности моделирования технологических процессов экстракции целевых компонентов из пищевых сред, идентичных в промышленности, так как отсутствует контур рециркуляции экстрагента с датчиками расхода, давления и пробоотборником, нагрев экстрагента термо-регулирующим нагревательным элементом в выносной накопительной емкости, а также не предусмотрено отделение от твердых частиц продукта фильтрованием экстрагента, обогащенного целевым компонентом. Наиболее близкими по технической сущности и достигаемому эффекту к предполагаемому является экстракционная установка для лабораторных исследований процесса выделения целевых компонентов из пищевых сред Патент ПМ 10.06.2009, 83426 (Российская Федерация), МКИ В 01 11/00 Экстракционная установка для лабораторных исследований процесса выделения целевых компонентов из пищевых сред / Л.А. Мирошниченко, С.В. Шахов, А.Г. Небольсин, В.В. Торопцев, М.Н. Бирюкова - Заявл. 01.12.2008,2008147287/22, опубл. в Б.И., 200916,содержащая блок управления с цифровым тахометром,таймером и секундомером,накопительную емкость для экстрагента с нагревательным элементом и регулятором температуры,экстрактор выполненый из нержавеющей стали в форме цилиндра со съемной крышкой, снабженной штуцерами для ввода и вывода экстрагента, внутри которого коаксиально установлен цилиндрический фильтрующий элемент с днищем в виде усеченного конуса и соосно размещенной в нем мешалкой, при этом боковая поверхность его выполнена перфорированной и установлена с возможностью ее замены, а днище соединено трубопроводом со штуцером для ввода экстрагента, который соединен с нижней частью накопительной емкости для экстрагента трубопроводом, снабженным насосом, манометром и краном для отбора проб, а верхняя часть накопительной емкости для экстрагента соединена со штуцером вывода экстрагента трубопроводом,оснащенным расходомером,при этом накопительная емкость для экстрагента смонтирована на раме таким образом, чтобы она находилась выше экстрактора. Недостатком известной экстракционной установки для лабораторных исследований процесса выделения целевых компонентов из пищевых сред является отсутствие направленного и регулируемого воздействия на пищевые среды в процессе обработки, а также использования возвратнопоступательного движения среды, обеспечивающей интенсификацию процесса обработки пищевых сред. Технической задачей изобретения является интенсификация процесса обработки биотехнологических сред путем направленного и регулируемого воздействия на биотехнологические среды в процессе обработки, в результате использования возвратно-поступательного движения среды. Техническая задача изобретения достигается тем, что в массообменной ультразвуковой установке для лабораторных исследований, содержащей блок управления с таймером и секундомером, экстрактор,выполненный из нержавеющей стали в форме 3 цилиндра со съемной крышкой, снабженной штуцерами для ввода и вывода экстрагента, внутри которого коаксиально установлен цилиндрический фильтрующий элемент с днищем в виде усеченного конуса и соосно размещенным в нем перемешивающим устройством, при этом боковая поверхность фильтрующего элемента выполнена перфорированной и установлена с возможностью ее замены, а днище соединено трубопроводом со штуцером для ввода экстрагента, который связан с нижней частью накопительной емкости для экстрагента трубопроводом, снабженным насосом,манометром и краном для отбора проб, а верхняя часть накопительной емкости для экстрагента соединена со штуцером вывода экстрагента трубопроводом, оснащенным расходомером, при этом накопительная емкость для экстрагента с встроенным нагревательным элементом и регулятором температуры смонтирована на раме таким образом, чтобы она находилась выше экстрактора,новым является то,что перемешивающее устройство выполнено из концентратора ступенчатой формы в виде дисков,которые в местах сопряжения с центральной частью концентратора имеют плавный закругленный переход, который присоединен к многослойному пьезоэлектрическому излучателю через трансформатор скорости колебаний, причем многослойный пьезоэлектрический излучатель состоит из пьезокерамики, излучающей и отражающей накладок, продольные размеры которых между собой связаны уравнением, 111 , 222 волновые сопротивления пьезокерамики, излучающей и отражающей накладок - плотность материала с,с 1, с 2 - скорости распространения звука в пьезокерамике,излучающей и отражающей накладках волновые числа пьезокерамики, излучающей и отражающей накладок, частота колебаний,причем толщина излучающей накладки 1 определяется из данного уравнения путем подстановки в него толщины отражающей накладки а трансформатор скорости акустических колебаний выполнен в форме конуса толщиной равной волновое число,- отношение входного диаметраторца трансформатора к его выходному диаметруторца, при этом трансформатор скорости колебаний имеет для крепления перемешивающего устройства к съемной крышке экстрактора фланец,установленный на расстоянии от входного торца 1/(-1) - коэффициент наклона образующей конического волновода к его продольной оси, при этом излучающая и отражающая накладки,трансформатор скорости акустических колебаний и концентратор колебаний изготовлены из титанового сплава. Технический результат заключается в интенсификации процесса обработки биотехнологических сред путем направленного и регулируемого воздействия на биотехнологические среды в процессе обработки в результате использования возвратно-поступательного движения среды. На фиг.1 показан общий вид экстракционной установки для лабораторных исследований процесса выделения целевых компонентов из биотехнологических сред, на фиг. 2 - трехмерная модель экстракционной установки для лабораторных исследований процесса выделения целевых компонентов из биотехнологических сред,на фиг. 3 - разрез экстрактора, на фиг. 4 - общий вид ультразвукового излучателя. Экстракционная установка для лабораторных исследований процесса выделения целевых компонентов из биотехнологических сред (фиг.1 2 ) содержит экстрактор 1 и оснащена блоком управления 2 с таймером 3 и секундомером 4. Корпус экстрактора 1 (фиг.1 - 3 ) выполнен из нержавеющей стали в форме цилиндра со съемной крышкой 5, снабженной штуцерами для ввода 6 и вывода 7 экстрагента. Внутри экстрактора 1 коаксиально установлен цилиндрический фильтрующий элемент 8 с днищем 9 в виде усеченного конуса, соединенным трубопроводом 10 со штуцером 6 для ввода экстрагента. Соосно фильтрующему элементу 8 в его внутренней полости размещен ультразвуковой излучатель 11(фиг. 4),соединенный с генератором ультразвуковых колебаний 12 (фиг. 1, 2) и состоящий из следующих частей многослойного пьезоэлектрического излучателя 23, трансформатора скорости 24 с фланцем для крепления к экстрактору и концентратора механических колебаний 25. Между пьезоэлектрическим излучателем 23 и трансформатором скорости 24 размещены пьезокерамические элементы 26, прижимающиеся кольцом 28 и чередующиеся с токоподводящими пластинами 27, подключенными к генератору ультразвуковых колебаний 12 (фиг. 1, 2). Концентратор механических колебаний 25 соединен с трансформатором скорости 24 посредством шпильки 29. Боковая поверхность 13 фильтрующего элемента 8 (фиг. 1 - 3 ) выполнена перфорированной,например, из сетки, и установлена с возможностью ее замены. Экстракционная установка (фиг. 1, 2) содержит накопительную емкость для экстрагента 14, которая оснащена нагревательным элементом 15 со встроенным регулятором температуры (не показан). При этом верхняя часть накопительной емкости 14 соединена трубопроводом 16,оснащенным расходомером 17, со штуцером вывода экстрагента 7, а нижняя часть накопительной емкости 14 соединена со штуцером 6 для ввода экстрагента трубопроводом 18, снабженным насосом(например,шестеренчатым) 19,манометром 20 и краном 21 для отбора проб. Накопительная емкость для экстрагента 14 смонтирована на общей раме 22 таким образом,чтобы она находилась выше экстрактора 1. Экстракционная установка для лабораторных исследований процесса выделения целевых компонентов из биотехнологических сред (фиг. 1 4 ) работает следующим образом. Экстрагент из накопительной емкости 14 по трубопроводу 18,давление в котором контролируется манометром 20, подается с помощью насоса 19 (например, шестеренчатого) в экстрактор 1, где через коническое днище 9 поступает в фильтрующий элемент 8. Здесь происходит процесс обогащения экстрагента целевым компонентом из измельченного продукта экстракцией с последующим удалением его через боковую сетчатую поверхность 13. Это позволяет обеспечить фильтрованием отделение от твердых частиц продукта экстрагента,обогащенного целевым компонентом. При этом распределение продукта в фильтрующем элементе 8 и активизация процесса экстракции достигается ультразвуковыми колебаниями излучателя 11. Прошедший через перфорированную боковую поверхность фильтрующего элемента во внутреннюю кольцевую полость между корпусом экстрактора 1 и фильтрующим элементом 8 обогащенный целевым компонентом экстракт вытесняется из нее в трубопровод 16, где с помощью расходомера 17 определяется его расход. После возвращения экстракта, обогащенного целевым компонентом в накопительную емкость 14 его цикл рециркуляции повторяется до достижения заданного содержания целевого компонента в экстрагенте. Получение кинетических зависимостей процесса обогащения целевым компонентом экстрагента осуществляется с помощью таймера 3 и секундомера 4, а отбор проб при этом через заданные промежутки времени производится через кран 21. Преимущества массообменной ультразвуковой установки для лабораторных исследований по сравнению с существующими аналогами заключаются в том,что выполнение перемешивающего устройства из концентратора ступенчатой формы в виде дисков, имеющих в местах сопряжения с центральной частью концентратора плавный закругленный переход,присоединеный через трансформатор скорости колебаний к многослойному пьезоэлектрическому излучателю, который состоит из пьезокерамики,излучающей и отражающей накладок, позволяет интенсифицировать процесс обработки биотехнологических сред путем направленного и регулируемого воздействия на биотехнологические среды в процессе обработки в результате использования возвратно-поступательного движения среды и тем самым позволяет осуществлять качественное выделение целевого компонента из измельченного продукта в активном гидродинамическом режиме и последующее эффективное отделение фильтрованием от твердых частиц продукта экстрагента,обогащенного целевым компонентом. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Массообменная ультразвуковая установка для лабораторных исследований, содержащая блок управления с таймером и секундомером, экстрактор,выполненный из нержавеющей стали в форме цилиндра со съемной крышкой, снабженной штуцерами для ввода и вывода экстрагента, внутри которого коаксиально установлен цилиндрический фильтрующий элемент с днищем в виде усеченного конуса и соосно размещенным в нем перемешивающим устройством, при этом боковая поверхность фильтрующего элемента выполнена перфорированной и установлена с возможностью ее замены, а днище соединено трубопроводом со штуцером для ввода экстрагента, который связан с нижней частью накопительной емкости для экстрагента трубопроводом, снабженным насосом,манометром и краном для отбора проб, а верхняя часть накопительной емкости для экстрагента соединена со штуцером вывода экстрагента трубопроводом, оснащенным расходомером, при этом накопительная емкость для экстрагента с встроенным нагревательным элементом и регулятором температуры смонтирована на раме таким образом, чтобы она находилась выше экстрактора,отличающаяся тем,что перемешивающее устройство выполнено из концентратора ступенчатой формы в виде дисков,которые в местах сопряжения с центральной частью концентратора имеют плавный закругленный переход, который присоединен к многослойному пьезоэлектрическому излучателю через трансформатор скорости колебаний, причем многослойный пьезоэлектрический излучатель состоит из пьезокерамики, излучающей и 5 отражающей накладок, продольные размеры которых между собой связаны уравнением, излплощади пластин и излучающей поверхности керамики, 111 , 222 волновые сопротивления пьезокерамики,излучающей и отражающей накладок - плотность материала с, с 1, с 2 скорости распространения звука в пьезокерамике, излучающей и отражающей накладках 1 2 волновые числа пьезокерамики, излучающей и отражающей накладок,- частота колебаний,причем толщина излучающей накладки 1 определяется из данного уравнения путем подстановки в него толщины отражающей накладки, а трансформатор скорости акустических 4 волновое число,отношение входного диаметраторца трансформатора к его выходному диаметруторца, при этом трансформатор скорости колебаний имеет для крепления перемешивающего устройства к съемной крышке экстрактора фланец,установленный на расстоянии трансформатора, где 1/(-1) - коэффициент наклона образующей конического волновода к его продольной оси, при этом излучающая и отражающая накладки, трансформатор скорости акустических колебаний и концентратор колебаний изготовлены из титанового сплава.