CC BY
10
УДК 636.631.223.018
використання комбінованого резонансу на низьких звукових частотах для культивування мікроорганізмів
Вивчається можливість підвищення продуктивності і якості культивування мікроорганізмів в рідинних середовищах при виготовленні біологічно-активних речовин та вакцин. Розкривається природа виникнення комбінованого резонансу в сполучених камерах установки для культивування мікроорганізмів при опромінюванні звуковими хвилями нижчими за граничну частоту. Обчислені необхідні для виникнення хвильового співпадання кути випромінювання.
Ключові слова: комбінований резонанс, хвильове співпадання, гранична частота, кут випромінювання.
Мельник В. М., Карачун В. В., Шибецький В. Ю., Фесенко С. В.
1. Вступ
Дослідження відносяться до мікробіології і можуть бути використаними для удосконалення процесу культивування мікроорганізмів в рідинних середовищах, зокрема, при виготовленні біологічно-активних речовин та вакцин.
Відсутність механічних перемішуючих пристроїв, висока стерильність технологічного процесу, досконалий тепломасообмін і аерація слугують підвищенню продуктивності і якості продукту, що підкреслює актуальність вивчаємої проблеми.
2. Постановка проблеми
Існує пристрій для культивування мікроорганізмів, який містить раму і обертаючу в похилій площині платформу з установленими в ній циліндричними посудинами для культивування. На платформі містяться штирьові держаки, які утворюють сотові вічка для посудин. Посудини в вічках розміщені вільно з утворенням зазору для струшування посудин у процесі обертання платформи [1].
Недоліком цього технічного рішення постає висока матеріалоємкість установки та певна незручність в експлуатації, оскільки потребує при використанні розфасовки робочої рідини. Крім того, струшування посудин у процесі обертання платформи не забезпечує якості тепломасообміну вмісту посудин і слугує піноутворенню.
Відома також установка для культивування мікроорганізмів, яка містить з’єднані між собою в нижній частині гнучким трубопроводом дві камери і пристрій для подачі в них через герметично закріплені в горловинах фільтруючі елементи стерильного повітря, а також механізм переміщення камер по вертикалі у вигляді з’єднаних з верхньою частиною камер підйомників [2].
Установка дозволяє вести процес культивування суспензійних культур клітин і мікроорганізмів за будь-яких режимів — накопичувальному, напівнеперервно-му, неперервному з обраною інтенсивністю масообміну, щільністю культури тощо, які можуть бути заданими у відомих апаратах для культивування.
Зберігається найбільш прийнятний режим перемішування і аерації та дотримання 100 %-ї стерильності процесу.
Робота установки здійснюється за сигналом командного пристрою, який приводить в роботу мотор-редуктор і тросами, перекинутими через блоки, по черзі, переміщує камери вздовж вертикалі, завдяки чому культу-ральна рідина перетікає з однієї камери до іншої згідно принципу сполучених посудин.
Недолік цього технічного рішення полягає у низькому рівні енергетичного стану робочої рідини, ламінарному процесі перетікання з камери в камеру, наявності застійних зон пасивної енергетики в проміжку між камерами, обмеженій поверхні аерації, окресленій тільки верхніми шарами поверхні робочої рідини, недостатньою якістю тепломасообміну по всьому об’єму робочої рідини, нарешті, породжену вищеозначеними вадами низьку продуктивність і якість технологічного процесу.
Ставиться задача підвищення продуктивності і якості технологічного процесу шляхом активізації енергетичного стану робочої рідини і інтенсифікації тепломасо-обміну і аерації по всьому об’єму сполучених камер за допомогою штучного формування резонансного стану культурального середовища.
Вирішення її забезпечується технічними засобами, які усувають недоліки відомого рішення і пропонують нове ефективне технічне рішення з новим технічним результатом.
3. Аналіз літературних джерел
Відомий пристрій для культивування мікроорганізмів, який містить раму і обертаючу в похилій площині платформу з посудом для розміщення робочої рідини [1].
Конструкція перенасичена обладнанням, має велику матеріалоємкість, їй властива значна складність в обслуговуванні.
Відома також установка з двох сполучених посудин і пристрою переміщення вздовж вертикалі [2]. Ламінарний, з пасивною енергетикою, процес культивування обмежує можливості технологічного процесу.
4 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ АУДИТ И РЕЗЕРВЫ ПРОИЗВОДСТВА — № 4/2(18], 2014, © Мельник В. М., Карачун В. В.,
Шибецький В. Ю., Фесенко С. В.
Спроби формування в установці для культивування клітин замість ламінарного більш енергетично активного стану перетікання технічно вирішені, наприклад, в конструкції [3]. Питання інтенсифікації аерації певним чином налагоджені, наприклад, в установці [4].
Залишаючи притаманні конструкції із сполученими камерами переваги, певних недоліків технологічного процесу можна позбутися, якщо досягти активної енергетики робочої рідини. Наприклад, за допомогою зовнішнього опромінювання звуковим променем [5]. На частотах, нижчих за граничну /гр, поздовжні (колові) хвилі при певному куті у напрямку опромінювання слугують прояву хвильового співпадання у формі комбінованого резонансу.
Структура зміни енергетичного стану при опромінюванні звуковими хвилями при великому хвильовому розмірі розглянута в роботі [6]. Питання виникнення зон каустик в рідині висвітлені в монографії [7]. Поява циліндричних каустик в рідині розглянута в роботах [8, 9]. Характер додаткового збурення рідини в акустичному полі вивчався в роботі [10].
4. Хвильове співпадання на низьких звукових частотах. Комбінований резонанс
Використання хвильового співпадання на низьких частотах звукового випромінювання розглянемо на прикладі установки для культивування мікроорганізмів, яка містить дві сполучені в нижній частині гнучким трубопроводом циліндричні камери (рис. 1).
g X
рис. 1. Схематичне зображення установки для культивування мікроорганізмів
Установка для культивування мікроорганізмів використовується для культивування мікроорганізмів в рідинних середовищах при виготовлені біологічно-актив-
них речовин та вакцин і містить з’єднані між собою в нижній частині гнучким трубопроводом 1 дві камери 2 і 3 з пристроями 4 і 5 для подачі в них через герметично закріплені в горловинах фільтруючі елементи стерильного повітря. Камери 2 і 3 мають циліндричну форму і у верхніх своїх частинах на зовнішній стороні обладнані звуковими випромінювачами 6, 7 з регулюємим напрямом променя відносно центру нижнього шпангоута камер 8, 9 (рис. 2). Камери 2, 3 мають технологічні патрубки 10, 11 для виведення робочої рідини, а трубопровід 1 має кран 12 для зливу вмісту камер і технологічного перекриття трубопроводу. Пристрої 4, 5 для подачі стерильного повітря мають патрубки 13, 14 з кранами 15, 16 для відведення з камер відпрацьованого повітря в навколишнє середовище. Камери 2, 3 приєднані до механізму їх зворотно-поступального руху у вертикальній площині. Привод містить реверсивний мотор-редуктор 17 з блоком керування 18 та барабаном 19, який охоплений перекинутим через блоки 20 і приєднаним до камер 2, 3 тросом 21.
рис. 2. Дія акустичного випромінювання на камеру
Одну з попередньо простерилізованих камер, наприклад, в показаному на кресленні в верхньому положенні камеру 2, заправляють живильною рідиною з інокулятором (робоча рідина), після чого вмикають попередньо налаштовані звукові випромінювачі 6 і 7 і відкривають кран 12 на трубопроводі 1, що призводить до перетікання робочої рідини з камери 2 до камери 3 по трубопроводу 1. Після заповнення робочою рідиною камери 3 до необхідного рівня, блок керування 18 вмикає мотор-редуктор 17 і змінює положення камер у вертикальній площині — камеру 2 переводить у нижнє положення, а камеру 3 — у верхнє, в якому вона утримується на визначений для переливання час. Перетікання робочої рідини між камерами із нового положення, тобто з камери 3 до камери 2, відбувається в зворотному напрямку у раніше описаний спосіб.
TECHNOLOGY AUDIT AND PRODUCTION RESERVES — № 4/2(18), 2014
Налагодження звукових випромінювачів на резонансний режим у вигляді хвильового співпадання для різного матеріалу камер, частоти / випромінювання і напряму у звукового променя можна виконати, наприклад, за допомогою наведеної далі табл. 1.
Створення турбулентного стану робочої рідини по всьому її об’єму, формування активної енергетики всіх шарів, інтенсифікація тепломасообміну і аерації забезпечать якісно нову структуру перетікання.
Технічний результат від використання установки для культивування мікроорганізмів забезпечується тим, що обидві камери мають циліндричну форму і у верхніх своїх частинах на зовнішній стороні обладнані звуковими випромінювачами з регулюємим напрямом у променя відносно центру нижнього шпангоута камер (рис. 3). Ці випромінювачі генерують в матеріалі камер поздовжні хвилі на частотах /, нижчих за граничну /ф, внаслідок чого виникає хвильове співпадання (резонанс співпадання), яке породжує ефект «акустичної прозорості» поверхні камер і, практично без втрат, забезпечує трансляцію енергії випромінювання в робочу рідину, внаслідок чого вона глибоко турбулізується по всім шарам, набуває енергетичної активності турбулентної структури, втрачає зони пасивної енергетики і інтенсифікує процес аерації.
Таблиця 1
Кути у виникнення хвильового співпадання
z
/
/
/
/
/
/
/
/
Ol / / / /
R 0
М
R
2nR sin у
= Хп sin у.
/, Гц Скло Сталь Алюміній, органічне скло
у, град /гр = 9,012 кГц /гр = 9,713 кГц /гр = 10,191 кГц
100 0o05' 5°50' 5°40'
500 l3o30' 13°05' 12°45'
1000 l9o20' 18°45' 18°15'
2000 28o05' 27°00' 2Б°20'
3000 35ol5' 33°50' 32°50'
6000 54o40' 51°45' 50°10'
7000 0lo50' 58°05' 56°00'
8000 70o25' 65°10' 62°20'
9000 87o40' 74°15' 69°00'
рис. 3. Умови виникнення низькочастотного резонансу генеруємих в камері поздовжніх (колових) хвиль
Це явище слід розглядати як рівність сліду довжини кола шпангоута 2^ і сліду поздовжньої хвилі Хп на площину, паралельну до фронта падаючої хвилі [3]:
Кожній частоті / випромінювання відповідає свій кут у, за якого наступає резонанс співпадання, в свою чергу, матеріал камер окреслює граничну частоту /-¡у. Наприклад, для камер радіуса R = 0,1 м, зроблених із скла, низькочастотний резонанс співпадання, зокрема, на 1000 Гц проявляється при куті у = 19°20', для камер із сталі — при у = 18°45', для алюмінія чи органічного скла — при у = 18°15' (табл. 1).
Таким чином, формування хвильового співпадання для штучно генеруємих звуковим випромінюванням поздовжніх хвиль в камерах установки для культивування мікроорганізмів приводить до резонансного стану культуральну рідину, збурює її по всьому об’єму, тур-булізує на всіх шарах, надає енергетичної активності і ліквідує зони пасивної енергетики, а також інтенсифікує аерацію і тепломасообмін. В своїй сукупності, ці прикмети призведуть до росту продуктивності і якості технологічного процесу.
Сукупність наведених ознак установки для культивування мікроорганізмів забезпечує досягнення нового технічного результату.
5. Апробація результатів досліджень
Побудовані розрахункові схеми і аналітичний опис явища дозволяє практично підтвердити доцільність використання хвильового співпадання для потреб виробництва. Переваги запропонованої технології полягають у відсутності механічних перемішуючих пристроїв для тепломасообміну і, породжених ними змінами вимага-ємої стерильності процесу.
Завдяки новим властивостям установки із сполученими камерами, забезпечується висока енергетична активність робочої рідини, ліквідуються застійні зони, підвищується продуктивність і якість виготовлення продукту.
6. Висновки
Хвильове співпадання (або комбінований резонанс) зазвичай вивчається як збурюючий чинник в механічних системах приладів, пристроїв тощо, які працюють в акустичних полях, з метою рішучого зменшення його негативного впливу на динаміку конструкції. Вивчається один і варіантів використання потужності цього явища на користь, замість шкоди.
Штучне формування низькочастотних колових хвиль в матеріалі камер установки для культивування мікроорганізмів надає можливість без додаткових ускладнень конструкції активізувати робочу рідину, створити сприятливий режим тепломасообміну культуральної рідини.
Не зайвою уявляється можливість всебічної автоматизації технологічного процесу.
технологический аудит и резервы производства — № 4/2(18), 2014
Література
1. А. с. 1731801 А1 СССР, С12М1/10. Устройство для культивирования микроорганизмов [Текст] / Самойлов Ю. К., Пивоваров В. И., Иванов В. А., Алексеев А. В. (СССР). — № 4844876/13; заявл. 22.05.90; опубл. 07.05.92, Бюл. № 7. — 1 с.
2. А. с. 1131899 А СССР, С12М1/00. Установка для культивирования микроорганизмов [Текст] / Данилина А. Н., Данилов А. В., Александрова И. В., Складнев А. А., Ро-мазанов В. С., Туков И. А. (СССР). — № 3226238/30-15; заявл. 25.12.80; опубл. 30.12.84, Бюл. № 48. — 1 с.
3. Пат. 75093 на корисну модель, Україна, МПК (2012.01) 7С12М 1/00. Установка для культивування мікроорганізмів [Електронний ресурс] / Тривайло М. С., Мельник В. М., Карачун В. В., Фесенко С. В. — № u201204123, заявл. 03.04.2012; опубл. 26.11.2012, Бюл. № 20. — Режим доступу: \www/URL: http://uapatents.com/5-75093-ustanovka-dlya-kultivuvannya-mikroorganizmiv.html.
4. Пат. 69337 на корисну модель, Україна, МПК С12М 1/10 (2006.01). Установка для культивування мікроорганізмів [Текст] / Карачун В. В. — № u201112208; заявл. 18.10.2011; опубл. 25.04.2012, Бюл. № 8. — Режим доступу: \www/URL: http://uapatents.com/4-69337-ustanovka-dlya-kultivuvannya-mikroorganizmiv.html.
5. Заборов, В. И. Теория звукоизоляции ограждающих конструкций [Текст]: моногр. / В. И. Заборов. — М.: Изд-во литературы по строительству, 1969. — 185 с.
6. Cremer, L. Theorie der Schalldämmung dünner Wände bei schrägem Einfall [Text] / L. Gremer // Akust. Zeitschrift. — 1942. — Vol. 7. — P. 3-7.
7. Шендеров, Е. Л. Волновые задачи гидроакустики [Текст]: моногр. / Е. Л. Шендеров. — Л.: Судостроение, 1972. — 352 с.
8. Gjsele, K. Zur Körperschallausbreitung in Wohubauten [Text] / K. Gsele. — Körperschall in Gebäuden. Berlin, 1960. — P. 24-24.
9. Heckl, M. Die Schalldämmung von homogenen Einfachwänden endlicher Fläche [Text] / M. Heckl // Acustica. — 1960. — Vol. 10. — P. 17-21.
10. Junger, M. C. Letter to the editor [Text] / M. C. Junger, P. W. Smith // Acustica. — 1955. — Vol. 5, 1. — P. 43-46.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОМбИНИРОВАННОГО РЕЗОНАНСА
НА НИЗКИХ ЗВУКОВЫХ ЧАСТОТАХ ДЛЯ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ
МИКРООРГАНИЗМОВ
Изучается возможность повышения производительности и качества культивирования микроорганизмов в жидких средах при получении биологически-активных веществ и вакцин.
Раскрывается природа возникновения комбинированного резонанса в сообщающихся камерах установки для культивирования микроорганизмов при облучении звуковыми волнами ниже граничной частоты. Рассчитаны необходимые для возникновения волнового совпадения углов излучения.
Ключевые слова: комбинированный резонанс, волновое совпадение, граничная частота, угол излучения.
Мельник Вікторія Миколаївна, доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри біотехніки та інженерії, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», Україна.
Карачун Володимир Володимирович, доктор технічних наук, професор, кафедра біотехніки та інженерії, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», Україна, e-mail: karachun11@i.ua.
Шибецький Владислав Юрійович, асистент, кафедра біо-техніки та інженерії, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», Україна, e-mail: sjavva@mail.ru.
Фесенко Сергій Віктрович, кафедра біотехніки та інженерії, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», Україна, e-mail: illusionfes@mail.ru.
Мельник Виктория Николаевна, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой биотехники и инженерии, Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт», Украина.
Карачун Владимир Владимирович, доктор технических наук, профессор, кафедра биотехники и инженерии, Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт», Украина.
Шибецкий Владислав Юрьевич, ассистент, кафедра биотехники и инженерии, Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт», Украина. Фесенко Сергей Викторович, кафедра биотехники и инженерии, Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт», Украина.
Mel’nick Viktorij, National Technical University of Ukraine «Kyiv Polytechnic Institute», Ukraine.
Karachun Volodimir, National Technical University of Ukraine «Kyiv Polytechnic Institute», Ukraine, e-mail: karachun11@i.ua. Shybetskij Vladislav, National Technical University of Ukraine «Kyiv Polytechnic Institute», Ukraine, e-mail: sja-vva@mail.ru.
Fesenko Sergei, National Technical University of Ukraine «Kyiv Polytechnic Institute», Ukraine, e-mail: illusionfes@mail.ru
Іщук Я. О., Сандюк А. П., Тодорцев Ю. К.
УДК 620.92
ДОСЛІДЖЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ВИКОРИСТАННЯ ВІТРОГЕНЕРАТОРА ТА СОНЯЧНОЇ БАТАРЕЇ, ЯК ДОПОМІЖНИХ ДЖЕРЕЛ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ
Представлено аналіз економічної ефективності та можливої економії при використанні різних видів допоміжних джерел електричної енергії, таких як сонячні батареї і вітрогенератори — найпопулярніші нетрадиційні джерела енергії. Дослідження проводиться на прикладі окремо взятого будинку, який знаходиться в місті, з урахуванням поточних цін на електроенергію і цін на купівлю та встановлення необхідного обладнання на червень 2014 року.
Ключові слова: вітрогенератор, сонячна батарея, генератор, електроенергія, струм, енергія.
1. Вступ
По всьому світі використовуються нетрадиційні джерела енергії. Проблема використання гостро постає зараз,
коли через невизначений час іншого джерела енергії може і не бути. Сучасний розвиток вимагає оптимі-зації та автоматизації процесів, що є підґрунтям для дослідження того, як відобразиться комбінування різних
TECHNOLOGY AUDiT AND PRODUCTiON RESERVES — № 4/2(18), 2014, © Іщук Я. О., Сандюк А. П., Тодорцев Ю. К.
7
