[1]Полезная модель относится к устройствам для разрушения оболочек клеток микроорганизмов с помощью микроволнового излучения, в частности к дезинтегрирующим устройствам.
[2]Известно дезинтегрирующее устройство, которое включает корпус-статор, смонтированный в нем ротор, причем корпус-статор и ротор снабжены дезинтеграторными элементами в виде чередующихся выступов и впадин, а выступы корпуса-статора выполнены в виде стержней со свободным и вторым закрепленным концом, причем места закрепления чередуют в боковых стенках корпуса-статора (см., например, заявку на патент РФ 94024601, МПК C12M 1/02, 1996 г.).
[3]Однако такая конструкция сложна в изготовлении и недостаточно надежна из-за наличия вращающегося ротора.
[4]Известно дезинтегрирующее устройство, которое содержит цилиндрический корпус со ступенчатой в поперечном сечении внутренней поверхностью стенки с патрубками подвода дезинтегрируемой массы и отвода дезинтеграта, приводной вал с установленными на нем верхним и нижним дисками с образованием между ними кольцевого канала для прохода дезинтегрируемой массы, сужающегося к периферии, на сопряженных поверхностях которых размещены нагнетательные элементы и концентрические кольцевые канавки, причем сопряженные поверхности кольцевого канала имеют абразивное покрытие для дополнительного измельчения дезинтеграта, а концентричные кольцевые канавки на сопряженных рабочих поверхностях верхнего и нижнего дисков имеют абразивное покрытие для дополнительного измельчения и гомогенизации дезинтеграта (см., например, заявку на патент РФ 95100877/13, МПК C12M 1/33, 1997 г.).
[5]Такая конструкция также сложна в изготовлении и недостаточно надежна из-за наличия движущихся приводного вала и дисков.
[6]Известен баллистический дезинтегратор, содержащий рабочую камеру, выполненную в виде полого диска, с размещенными в ней мелющими телами, входной и выходной каналы, расположенные в центре и на периферии камеры, и активатор перемешивания мелющих тел, причем полый диск камеры выполнен уплощенной формы с расширенной периферийной частью, образующей кольцевую полость, а канал вывода дезинтеграта расположен в нижней части камеры непосредственно перед кольцевой полостью, при этом отношение объема мелющих тел в камере к объему кольцевой полости составляет 0,9-1,2 (см., например, патент РФ 2021348, МПК C12M 1/33, 1994 г.).
[7]Такая конструкция также сложна в изготовлении и недостаточно надежна из-за наличия движущихся приводного вала и дисков, что обусловлено известными признаками технического решения.
[8]Известен дезинтегратор, содержащий цилиндрический корпус со всасывающим и нагнетательным патрубками, с размещенным в корпусе ротором с чередующимися продольными выступами и впадинами на его боковой поверхности, образующими с внутренней поверхностью корпуса кольцевой канал, отличающийся тем, что корпус снабжен прилегающей к его внутренней поверхности упругой пластиной с продольными выступами и впадинами, а внутренняя поверхность корпуса выполнена с коническими продольными впадинами, причем впадины корпуса и пластины образуют полости, в которых размещены конические штыри, закрепленные своими основаниями на соосном с ротором кольце, размещенном в корпусе с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль оси дезинтегратора (см., например, патент РФ 2086641, МПК C12M 1/33, C02F 3/00 1997 г.).
[9]Такая конструкция также сложна в изготовлении и недостаточно надежна из-за наличия движущихся элементов, что обусловлено известными признаками технического решения.
[10]Известен способ дезинтеграции биологических клеток и устройство для его осуществления, состоящее из кюветы с электродами, сопряженными с устройством формирования в среде ударно-волнового акустического импульса. При этом синхронное включение с требуемой временной задержкой генератора ударно-волновых акустических импульсов и генератора импульсного электрического поля осуществляется блоком синхронизации (см., например, патент РФ 2117040, МПК C12M 1/33, 1998 г.).
[11]Однако такая конструкция обеспечивает недостаточную степень разрушения клеток тех видов микроводорослей, стенки которых включают жесткие компоненты, встроенные в более пластичную полимерную матрицу, и способных к преодолению возникающих в результате действия ударно-волновых акустических импульсов.
[12]Известен электромагнитный нагреватель для отопления емкостей произвольной формы, включающий емкость, в которую помещен электромагнитный излучатель микроволнового излучения и контроллер, осуществляющий управление мощностью микроволнового излучателя и, соответственно, режимом нагрева (см., например, патент США 9078298, МПК H05 B 6/74, H05 B 6/66 2015 г.).
[13]Недостатком конструкции является неравномерность прогрева объема емкости из-за локального нагрева среды.
[14]Известно устройство для уничтожения или обезвреживания микроорганизмов, содержащих нуклеиновые кислоты и/или белки, за счет использования микроволнового излучения, генерируемого излучателем. Устройство содержит несколько излучающих магнетронов, расположенных в стерилизационной камере и выполненных таким образом, чтобы обеспечить равномерный прогрев (см., например, патент США 5098665, МПК A61L 2/12 1992 г.).
[15]Недостатком конструкции является возможность перегрева обрабатываемой среды из-за отсутствия перемешивания, что положительно при обезвреживании и уничтожении микроорганизмов, однако затрудняет использование устройства для создания щадящих режимов обработки.
[16]Известно устройство для обработки флюида микроволновым излучением, включающее цилиндрическую камеру, в которой расположены трубопровод для протекания жидкости, магнетрон с антенной, при этом трубопровод проходит через первую торцевую стенку в направлении второй торцевой стенки камеры, а камера и трубопровод являются, соосными. Трубопровод прозрачен для микроволнового излучения, а камера представляет собой микроволновой резонатор, входное отверстие для микроволнового излучения которого смещено от центра относительно длины камеры, и свободный конец антенны расположен на заданном расстоянии выступа из боковой стенки камеры. Устройство позволяет эффективно переносить энергию микроволнового излучения к обрабатываемому потоку (см., например, патент РФ 2531622, МПК B01J 19/12, H05B 6/78, A32L 3/01 1992 г.)
[17]Недостатком данной конструкции является малая производительность и необходимость принудительной подачи среды для обработки, что обуславливает повышенные энергозатраты устройства.
[18]Указанные недостатки также обусловлены конструктивными признаками известного технического решения.
[19]Задачей изобретения является повышение эффективности функционирования дезинтегратора.
[20]Решение технической задачи достигается путем обеспечения рециркуляции биомассы в аппарате за счет естественной конвекции, что достигается созданием зоны повышенной температуры в резонаторе за счет воздействия на содержащуюся в биомассе воду микроволнового излучения и зоны остывания биомассы в кольцевом зазоре между внешней частью блока модулей и корпусом, что обеспечивает необходимое для полного разрушения клеток (в результате воздействия микроволнового излучения на клеточные стенки биомассы с достижением резонансной частоты и изменения стягивающих сил в клеточной стенке) время пребывания в аппарате наряду с созданием щадящего режима нагрева биомассы (не выше 65°C), необходимого для того, чтобы не происходило окисления целевого продукта - липидов, пониженными энергозатратами (за счет отсутствия дополнительных нагревательных элементов) и усилением действия ферментов, предварительно введенных в биомассу.
[21]Между отличительными признаками и достигаемым техническим результатом существует следующая причинно-следственная связь.
[22]Технический результат достигается тем, что дезинтегратор содержит корпус с входным штуцером с установленным в его днище выходным штуцером, к которому через кольцевую прокладку примыкает крышка посредством болтового соединения, включающего болт, шайбу и гайку, причем к крышке через держатель посредством болтовых соединений через кольцевые прокладки примыкают модули, установленные последовательно на отражательную трубу, закрепленную на держателе винтом, в полостях которых установлены магнетроны с помощью винтов, и модули без установленных в них магнетронов, а соединение магнетронов с блоком питания и управления, закрепленном на опоре с помощью винтов, осуществляется посредством проводов, расположенных во внутреннем канале каждого модуля и сходящихся в пучок через резьбовой штуцер, закрепленный в резьбовом отверстии держателя и герметизированный в крышке с помощью кольцевых прокладок и прижимной втулки винтами, а в отверстия отражательной трубы установлены пропеллеры, в результате чего создаются зона повышенной температуры в резонаторе и зона остывания биомассы в кольцевом зазоре между внешней частью блока модулей и корпусом; частота излучения, создаваемого магнетронами, лежит в пределах от 3⋅108 до 3⋅1010 Гц, а отношение высоты аппарата к его диаметру лежит в пределах от 3 до 6, что обеспечивает рециркуляцию биомассы в аппарате за счет естественной конвекции, отсутствие образования застойных зон в резонаторе, высокую эффективность разрушения клеток биомассы при обеспечении щадящего режима ее нагрева, пониженные энергозатраты и усиление действия предварительно введенных ферментов.
[23]Корпус, крышка, корпус модуля выполнены из полимерных немагнитных материалов.
[24]В качестве полимерного немагнитного материала корпуса и крышки используется полиамид шестиблочный.
[25]В качестве полимерного немагнитного материала корпуса модуля используется полипропилен.
[26]Отражательная труба выполнена из нержавеющей стали с полированной внутренней поверхностью и имеет отверстия в местах установки магнетронов.
[27]Площадь поперечного сечения резонатора равна площади поперечного сечения кольцевого зазора между внешней частью блока модулей и корпусом.
[28]Организация зоны повышенной температуры в резонаторе, полученном путем сборки отдельных модулей в блок, и зоны остывания биомассы в кольцевом зазоре между внешней частью блока модулей и корпусом обеспечивает рециркуляцию биомассы в аппарате за счет естественной конвекции, что позволяет не использовать устройства принудительной подачи биомассы (насосы), сокращая таким образом энергозатраты. Рециркуляция биомассы позволяет регулировать время ее пребывания в аппарате для обеспечения полного разрушения клеток. Кроме того, при рециркуляции чередуются стадии нагрева и охлаждения биомассы, что обеспечивает щадящий режим ее нагрева, необходимый для минимальных изменений биохимического состава клеток и усиления действия предварительно введенных ферментов. Модульное исполнение позволяет изменять рабочую высоту путем добавления или исключения однотипных модулей для обеспечения требуемой производительности аппарата. Создание магнетронами частоты излучения в пределах от 3⋅108 до 3⋅1010 Гц обеспечивает достижение резонансной частоты в стенке клетки. Выполнение дезинтегратора с отношением высоты к диаметру в пределах от 3 до 6 обеспечивает градиент температур в аппарате, необходимый для осуществления режима естественной конвекции.
[29]Выполнение корпуса, крышки, корпуса модуля из полимерных немагнитных материалов обеспечивает легкость конструкции, отсутствие нагрева микроволновым излучением и коррозии.
[30]Использование в качестве полимерного немагнитного материала корпуса и крышки полиамида шестиблочного обеспечивает высокую прочность и жесткость.
[31]Использование в качестве полимерного немагнитного материала корпуса модуля полипропилена обеспечивает возможность получения внутренней полости для размещения магнетрона методом низкотемпературной сварки отдельных частей корпуса модуля.
[32]Выполнение отражательной трубы из нержавеющей стали с полированной внутренней поверхностью обеспечивает необходимый коэффициент отражения электромагнитных волн, создаваемых магнетроном, и свободу их прохождения внутрь резонатора через отверстия в местах установки.
[33]Выполнение площади поперечного сечения резонатора равным площади поперечного сечения кольцевого зазора между внешней частью блока модулей и корпусом обеспечивает равномерную рециркуляцию биомассы в аппарате и отсутствие дополнительного гидравлического сопротивления.
[34]По имеющимся у заявителя сведениям, совокупность существенных признаков заявляемой полезной модели не известна из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого объекта критерию "новизна".
[35]Совокупность существенных признаков, характеризующих сущность полезной модели, может быть многократно использована в производстве различных модификаций дезинтеграторов с получением технического результата, заключающегося в повышении эффективности функционирования, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого объекта критерию "промышленная применимость".
[36]Сущность заявляемой полезной модели поясняется примером конкретного выполнения, где:
[37]На фиг. 1 показан общий вид установки в разрезе.
[38]На фиг. 2 показан магнетрон, закрепленный на центральной трубе (в разрезе).
[39]На фиг. 3 показан общий вид держателя в разрезе (вид сверху).
[40]На фиг. 4 показан общий вид держателя в разрезе (вид сбоку).
[41]На представленных чертежах изображены:
[45]4 - кольцевая прокладка;
[52]11 - отражательная труба;
[55]14 - блок питания и управления;
[58]17 - резьбовой штуцер;
[59]18 - прижимная втулка;
[61]Дезинтегратор содержит корпус 1 с входным штуцером 2 с установленным в его днище выходным штуцером 3, к которому через кольцевую прокладку 4 примыкает крышка 5 посредством болтового соединения, включающего болт 6, шайбу 7 и гайку 8 (показаны условно). К крышке 5 через держатель 9 посредством болтовых соединений 6-8 (показаны условно) примыкают модули 10, установленные последовательно на отражательную трубу 11, закрепленную на держателе 9 винтом 13, в полостях которых установлены магнетроны 12 с помощью винтов 13, и модули без установленных в них магнетронов. Соединение магнетронов 12 с блоком питания и управления 14, закрепленном на опоре 15 с помощью винтов 13, осуществляется посредством проводов 16, расположенных во внутреннем канале каждого модуля и сходящихся в пучок через резьбовой штуцер 17, закрепленный в резьбовом отверстии держателя 9 и герметизированный в крышке 5 с помощью кольцевых прокладок 4 и прижимной втулки 18 винтами 15. В отверстия отражательной трубы 11 установлены пропеллеры 19.
[62]Сборка устройства осуществляется в вертикальном положении следующим образом.
[63]На отражательную трубу 11 последовательно с натягом одеваются модули 10 (у нижнего модуля отверстие канала под провода 16 запаяно) с предварительно установленными в них с помощью винтов 13 магнетронами 12, провода 16 от которых выводятся в каналы и далее в отверстия каждого последующего модуля 10, и модули без магнетронов, и которые скрепляются между собой с помощью болтовых соединений 6-8 (показаны условно) и герметизируются по внешней части модулей и в местах соединения с отражательной трубой 11 сверху и снизу с помощью кольцевых прокладок 4. Имеется возможность соединения между собой произвольного количества модулей 10, при этом максимальная высота блока модулей ограничена наличием внутреннего пространства (высотой) корпуса 1. На верхний модуль устанавливается держатель 9 с помощью болтового соединения 6-8 (показано условно), в резьбовое отверстие которого вкручивается резьбовой штуцер 17, через который осуществляется вывод пучка проводов 16. Отражательная труба 11 дополнительно фиксируется на держателе 9 винтом 13, и в нее осуществляется вставка пропеллеров 19. Далее на держатель 9 устанавливается крышка 5 с предварительно установленными в резьбовое отверстие входным штуцером 17 и блоком питания и управления 14 на опоре 15, закрепленной на крышке 5 с помощью винтов 13, и осуществляется вывод пучка проводов через верхнюю часть резьбового штуцера 17 и соединение его с блоком питания и управления 14. Герметизация резьбового штуцера 17 осуществляется путем установки прижимной втулки 18 с кольцевыми прокладками 4 винтами 13. Центрирование держателя 9 относительно крышки 5 осуществляется болтовыми соединениями 6-8 (показаны условно). Далее собранная конструкция модулей с крышкой 5 устанавливается в корпус 1, в верхней части которого имеется входной штуцер 2, а в нижней части имеется резьбовой штуцер 3, и герметизируется с помощью кольцевой прокладки 4 и болтовых соединений 6-8 (показаны условно).
[64]Предлагаемое устройство работает следующим образом.
[65]Перед началом работы осуществляется заполнение дезинтегратора исходной биомассой микроводорослей через входной штуцер 2 при закрытом кране (на фиг. 1 не показан), стоящем за выходным штуцером 3. После этого осуществляется включение магнетронов 12 блоком питания и управления 14. В отражательной трубе 11, выполненной из металла с полированной внутренней поверхностью и представляющей собой резонатор, магнетронами 12 создается электромагнитное поле сверхвысокой частоты, обеспечивающее достижение резонансной частоты и изменение стягивающих сил в клеточной стенке, что приводит к ее разрушению. Быстро нагреваемая внутри отражательной трубы 11 биомасса за счет естественной конвекции подымается вверх, при этом пропеллеры 19 обеспечивают отсутствие образования застойных зон, после чего биомасса начинает быстро остывать и опускаться по кольцевому зазору, образованному внутренней поверхностью корпуса 1 и внешней поверхностью блока модулей. После достижения дна остывшая среда повторно нагревается в отражательной трубе 11 и процесс повторяется. Работа дезинтегратора осуществляется по времени (до достижения необходимой степени разрушения клеток), после чего магнетроны 12 отключаются, осуществляется слив биомассы разрушенных клеток через выходной штуцер 3.
[66]Устройство позволяет повысить эффективность функционирования дезинтегратора за счет организации зоны повышенной температуры в резонаторе и зоны остывания биомассы в кольцевом зазоре между внешней частью блока модулей и корпусом, что обеспечивает рециркуляцию биомассы в аппарате за счет естественной конвекции, отсутствие образования застойных зон, высокую эффективность разрушения клеток биомассы при обеспечении щадящего режима ее нагрева, пониженные энергозатраты и усиление действия предварительно введенных ферментов.
