1. РЕСПУБЛИКА КАЗАХСТАН
(19) KZ (13) A4 (11) 29918
(51) A01G 33/02 (2006.01)
C12M 1/00 (2006.01)
МИНИСТЕРСТВО ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ
(21) 2014/0464.1
(22) 08.04.2014
(45) 15.06.2015, бюл. №6
(76) Карпуша Владимир Николаевич
(56) SU 1837750 A3, 30.08.1993
(54) УСТАНОВКА ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ
МИКРОВОДОРОСЛЕЙ
(57) Изобретение относится к установкам для
промышленного выращивания фотосинтезирующих
микроорганизмов и предназначена для
использования в сельском хозяйстве и
микробиологической промышленности.
Технический результат заключается в
увеличении освещенности более чем на 60%, что
влечет повышение производительности.
Технический результат достигается тем, что
установка для выращивания микроводорослей,
содержащая светопропускающий трубчатый
реактор, выполненный в виде змеевика,
включающего прямолинейные участки,
расположенные в параллельных плоскостях так, что
витки труб в одной плоскости размещены напротив
межвитковых зазоров другой рядом лежащей
плоскости, технологические патрубки и емкости,
насос и источники света, расположение труб в
змеевике в поперечном сечении имеют
конфигурацию звездообразной формы, трубы в
которой размещены по концентрическим
окружностям и образуют цилиндрические
поверхности-слои, при этом источники света
расположены в общем центре окружностей,
отличается тем, что взаимное расположения труб в
пространстве в поперечном сечении определено
системой уравнений:
R2=(d-2s):2:sin{arctg[(d-2s):2:[R1×cos(arcsin(d-2s):
R1)+L×cos[argsin(d-2s):L]]}
Rn=(d-2s):sin{arctg[(d-2s):2:[Rn-1×cos(arcsin(d-2s):
Rn-1)+L×cos[arcsin(d-2s):L]]}
;
2
cos
21
22
2
2
1
1
RR
LRR



;
2
cos
32
22
3
2
2
2
RR
LRR



nn
nn
n
RR
LRR





1
222
1
2
cos
;
2
360
......21
n
n


где:
R1 - радиус окружности расположения труб в
первом внутреннем слое;
R2 - радиус окружности расположения труб во
втором слое;
Rn - радиус окружности расположения труб в n
слое;
d - наружный диаметр трубы;
s - толщины стенки трубы;
n - число труб в первом слое;
L - расстояние между центрами рядом
расположенных труб в поперечном сечении;
Ψ1 - центральный угол между центрами соседних
труб первого и второго слоя;
Ψ2 - центральный угол между центрами соседних
труб второго и третьего слоя;
Ψn - центральный угол между центрами соседних
труб (n-1) -го и n-го слоя.
Учитывая толщину стенки стеклянной трубы,
можно уменьшать необходимый для освещения
диаметр, при этом уменьшаются радиусы
окружности расположения труб и освещенность
установки, определяемая по формуле
Е = (I × cos ά) : R2
увеличивается на 65,58%
(19)KZ(13)A4(11)29918

2. 29918
2
Изобретение относится к установкам для
промышленного выращивания фотосинтезирующих
микроорганизмов и предназначена для
использования в сельском хозяйстве и
микробиологической промышленности.
Известно изобретение установка для
выращивания микроводорослей, содержащая
светопропускающий трубчатый реактор,
выполненный в виде змеевика, включающего
прямолинейные участки, расположенные в
параллельных плоскостях так, что витки труб в
одной плоскости размещены напротив межвитковых
зазоров другой рядом лежащей плоскости,
технологические патрубки и емкости, насос и
источники света, причем расположение труб в
змеевике в поперечном сечении имеют
конфигурацию звездообразной формы, трубы в
которой размещены по концентрическим
окружностям и образуют цилиндрические
поверхности-слои, при этом источники света
расположены в общем центре окружностей, а
компоновка взаимного расположения труб в
пространстве в поперечном сечении определена
системой уравнений:
R2=(d/2):sin[arctg d/2:R1×cos(arcsin d/2:R1)+L×cos
(arcsind/L)
Rn=(d/2):sin[arctg d/2:Rn-1×cos(arcsin d/2:Rn-1)+L×
cos(arcsin d/L)
;
2
cos
21
22
2
2
1
1
RR
LRR



;
2
cos
32
22
3
2
2
2
RR
LRR



nn
nn
n
RR
LRR





1
222
1
2
cos
;
2
360
......21
n
n


где:
R1 - радиус окружности расположения труб в
первом внутреннем слое;
R2 - радиус окружности расположения труб во
втором слое;
Rn - радиус окружности расположения труб в n
слое;
d - наружный диаметр трубы;
L - расстояние между центрами рядом
расположенных труб в поперечном сечении;
Ψ1 - центральный угол между центрами соседних
труб первого и второго слоя;
Ψ2 - центральный угол между центрами соседних
труб второго и третьего слоя;
Ψn - центральный угол между центрами соседних
труб (n -1) -го и n-го слоя.
Недостатком известного устройства является
недостаточная освещенность выращиваемой
субстанции.
Задача, решаемая предлагаемым техническим
решением, заключается в повышении освещенности
установки.
Технический результат заключается в
увеличении освещенности более чем на 60%, что
влечет повышение производительности.
Технический результат достигается тем, что
установка для выращивания микроводорослей,
содержащая светопропускающий трубчатый
реактор, выполненный в виде змеевика,
включающего прямолинейные участки,
расположенные в параллельных плоскостях так, что
витки труб в одной плоскости размещены напротив
межвитковых зазоров другой рядом лежащей
плоскости, технологические патрубки и емкости,
насос и источники света, расположение труб в
змеевике в поперечном сечении имеют
конфигурацию звездообразной формы, трубы в
которой размещены по концентрическим
окружностям и образуют цилиндрические
поверхности-слои, при этом источники света
расположены в общем центре окружностей,
отличается тем, что взаимное расположения труб в
пространстве в поперечном сечении определено
системой уравнений:
R2=(d-2s):2:sin{arctg [(d-2s):2:[R1×cos(arcsin (d-2s):
R1)+L×cos[argsin (d-2s):L]]}
Rn=(d-2s):2sin{arctg [(d-2s):2:[Rn-1×cos(arcsin (d-2s):
Rn-1)+L×cos[arcsin (d-2s):L]]}
;
2
cos
21
22
2
2
1
1
RR
LRR



;
2
cos
32
22
3
2
2
2
RR
LRR



nn
nn
n
RR
LRR





1
222
1
2
cos ;
;
2
360
......21
n
n

 
где:
R1 - радиус окружности расположения труб в
первом внутреннем слое;
R2 - радиус окружности расположения труб во
втором слое;
Rn - радиус окружности расположения труб в n
слое;
d - наружный диаметр трубы;
s - толщина стенки трубы;
n - число труб в первом слое;
L - расстояние между центрами рядом
расположенных труб в поперечном сечении;
Ψ1 - центральный угол между центрами соседних
труб первого и второго слоя;
Ψ2 - центральный угол между центрами соседних
труб второго и третьего слоя;
Ψn - центральный угол между центрами соседних
труб (n-1)-го и n-го слоя.
Учитывая толщину стенки стеклянной трубы,
можно уменьшать необходимый для освещения
диаметр, при этом уменьшаются радиусы
окружности расположения труб и освещенность
установки, определяемая по формуле E=(I×cos ά):R2
увеличивается на 65,58%

3. 29918
3
На фиг.1 изображена установка, вид сбоку; на
фиг.2 - вид А; на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.1; на
фиг.4 - вид сверху (в плане); на фиг.5 - схема
расположения труб в общем виде.
Установка состоит из змеевика реактора,
выполненного из стеклянных труб, имеющих
прямолинейные участки 1 с отводами 2, компоновка
которых в поперечном сечении имеет сложную
конфигурацию звездообразной формы и трубы
расположены по трем концентрическим
окружностям и образуют цилиндрическую
поверхность, в центре которой установлены
источники света 3, каждый прямолинейный участок
1 труб соединен при помощи отвода 2 с одного
торца реактора с соседним, лежащим на другой
окружности прямолинейным участком, который в
свою очередь связан отводом со следующим
прямолинейным участком другой окружности также
при помощи отвода, но уже с другого торца
реактора, на общем каркасе 4 смонтированы
остальные узлы и механизмы: бак питательного
раствора 5, бак приемный 6, газообменник 7, насос
8, вентилятор 9 с электродвигателем 10, змеевик
реактора соединен с насосом гибкой связью 11,
патрубок 12 соединяет змеевик с газообменником,
бак питательного раствора 5 имеет патрубок 14,
через который поступает раствор в газообменник 7,
бак приемный 6 имеет патрубок 15 отвода готового
продукта, а змеевик снабжен патрубком 16
аварийного слива.
Установка работает следующим образом.
В бак 5 заливают питательный раствор, в
газообменник 7 загружают раствор и инокулят
фотосинтезирующей микроводоросли, включают
насос 8, который осуществляет принудительную
циркуляцию суспензии микроводоросли из
газообменника 7 в змеевик реактора и обратно,
после того как суспензия начнет циркулировать по
установке, включают источники света 3, световой
поток от которых освещает суспензию,
циркулирующую в стеклянном змеевике реактора,
при этом клетки микроводоросли поглощают часть
светового потока и за счет фотосинтеза клеток
осуществляется их рост, компоновочная схема
расположения змеевика позволяет максимально
увеличить световоспринимающую поверхность
трубчатого реактора и практически исключить
потери света, т.к. расположение труб по
концентрическим окружностям, имеющим в
поперечном сечении сложную звездообразную
форму, схема расположения которых описывается
уравнениями, позволяет создать вокруг источника
света практически сплошную цилиндрическую
поверхность и, как следствие этого,
производительность установки повышается.
При увеличении биомассы клеток
микроводоросли происходит потребление
углекислого газа и выделение кислорода, проводят
автоматический замер кислотности в газообменнике
7 и по достижению ее определенной величины
осуществляют автоматически подачу газа из
баллона, в автоматическом режиме осуществляют
регулировку насыщенности раствора
микроводоросли, по достижении определенной
величины, производят отбор части готового
продукта из газообменника 7 в приемный бак 6,
затем осуществляют долив в газообменник 7 из бака
5 питательного раствора в количестве, равном
отобранному продукту, ведут контроль за нагревом
биомассы от источников света, по достижению
определенной температуры, включают вентилятор 9
для охлаждения змеевика реактора.
Предложенные уравнения описывают
расположение труб в змеевике при числе труб,
равном или больше двух, в случае однослойного или
многослойного расположения труб вокруг
источников света. В любом из вариантов схема
расположения труб такова, что образует
цилиндрическую поверхность.
Пример нахождения оптимальных радиусов
расположения труб в змеевике и подсчета величины
освещенности по прототипу при заданных
значениях d=65 мм; L=150 мм; n=7 дал результаты:
R1=187,1 мм.
R2=65:2:65:2:sin[arctg:65:2:(187,1×cos(arcsin)+
150×cos(arcsin 65:150):187,1]=321,1 мм.
R3=65:2:65:2:sin[arctg:65:2:(321,1×cos(arcsin)+
150×cos(arcsin 65:150):321,1=455,8 мм.
Освещенность площадки определяют по радиусу
R1=187,1 мм.
Освещенность, при данных значениях
составляет:
Е=I×cos ά:R1
2
; Е=I×cos ά:187,12
=I×cos ά:35006,41
Пример нахождения оптимальных радиусов
расположения труб в змеевике и подсчета величины
освещенности по предлагаемому изобретению при
заданных значениях d=65 мм; S=5 мм; L=150 мм;
n=7.
Тогда: Ψ1+ Ψ2=360:(n×2) = 360:(7×2)=25,714°.
Задаем первоначальное значение R1=160 мм. и
решая уравнение (1) находим значения R2 И R3.
R2=(65-2×5):2:(65-2×5):2:sin[arctg:(65-
2×5):2:160×cos(arcsin):160+150×cos(arcsin):(65-
2×5):150]=298,4 мм
R3=(65-2×5):2:(65-2×5):2:sin[arctg:(65-
2×5):2:298,4×cos(arcsin):298,4+150×cos(arcsin(65-
2×5):150]=437,6 мм.
cosΨ1=(1602
+298,42
-1502
):(2×160×298,4)=0,965;
Ψ1=15,211°;
cosΨ2=(298,42
+437,62
-1502
):(2×298,4×437,6)=
0,988; Ψ2=8,87°;
Ψ1+ Ψ2 = 15,211° + 8,87° = 24,08° < 25,714°
Задаем следующее значение радиуса R1=150 мм.
находим:
R2=(65-2×5):2:(65-2×5):2:sin[arctg:(65-2×5):2:150×
(cos(arcsin):150)+150×cos(arcsin(65-2×5):150]=
=288,33 мм.
R3=(65-2×5):2:(65-2×5):2:sin[arctg:(65-2×5):2:
288,33×(cos(arcsin):288,33)+150×cos(arcsin(65-2×5):
150]=427,45 мм
cosΨ1=(1502
+288,332
-1502
):(2×150×288.33)=0,961;
Ψ1=16,037°;
cosΨ2=(288,332
+427,452
-1502
):2×288.33×427,45=
0,9872; Ψ2=9,136°;
Ψ1+Ψ2=16,037°+9,136°=25,2°<25,714°

4. 29918
4
Находим количество градусов суммы углов
Ψ1+Ψ2 приходящуюся на единицу радиуса:
(Ψ1+Ψ2)1-(Ψ1+Ψ2)2:160-150=24,08°-25,2°;
10=-0,112 град/мм
Разница между необходимым значением и
полученным результатом 25,714°-25,2°= =0,514°
Полученную разницу делим на
- 0,112 0,514°: -0,112 =-4,589 мм.
Последнее заданное значение радиуса
R1=150 мм. необходимо уменьшить на 4,6 мм.
150-4,6= 145,4 мм.
Задаемся радиусом R1=145,4 мм. и решаем
уравнения:
R2=(65-2×5):2:(65-2×5):2:sin[arctg:(65-
2×5):2:145,4×cos(arcsin)+150×cos(arcsin(65-
2x5)/150):145,4] =283,66 мм.
R3=65-2×5):2:(65-2×5):2:sin[arctg:(65-
2×5):2:283,66×cos(arcsin)+150×cos(arcsin(65-
2x5):150):283,66]=422,77 мм
cosΨ1=(145,42
+283,662
-1502
):2×145,4×283,66=
0,959; Ψ1 = 16,47°;
cosΨ2=(283,662
+422,772
-
1502
):(2×283,66×422,77)=0,9869; Ψ1 =9,294°;
Ψ1+Ψ2=16,47°+9,294°=25,764°≈25,714°;
Значение R1 найдено с достаточной степенью
точности.
Освещенность площадки при R1=145,4 мм.
составит:
Е = I×cos ά:145,42
=I×cos ά:21141,16;
Возьмем освещенность Е в прототипе при
R1=187,1 мм за 100%
Е = I×cos ά:35006,41=100%
Отсюда освещенность Е в предлагаемом
изобретении при R1=145,4 мм
Е=I×cos ά:21141,16=165,58%;
Т.е. при всех равных условиях освещенность
первого слоя труб на радиусе R1 увеличивается на
65,58%.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Установка для выращивания микроводорослей,
содержащая светопропускающий трубчатый
реактор, выполненный в виде змеевика,
включающего прямолинейные участки,
расположенные в параллельных плоскостях так, что
витки труб в одной плоскости размещены напротив
межвитковых зазоров другой рядом лежащей
плоскости, технологические патрубки и емкости,
насос и источники света, расположение труб в
змеевике в поперечном сечении имеют
конфигурацию звездообразной формы, трубы в
которой размещены по концентрическим
окружностям и образуют цилиндрические
поверхности-слои, при этом источники света
расположены в общем центре окружностей,
отличающаяся тем, что взаимное расположения
труб в пространстве в поперечном сечении
определено системой уравнений:
R2=(d-2s):2:sin{arctg[(d-2s):2:[R1×cos(arcsin(d-2s):
R1)+L×cos[argsin(d-2s):L]]}
Rn=(d-2s):2sin{arctg[(d-2s):2:[Rn-1×cos(arcsin(d-2s):
Rn-1)+L×cos[arcsin(d-2s):L]]}
;
2
cos
21
22
2
2
1
1
RR
LRR



;
2
cos
32
22
3
2
2
2
RR
LRR



nn
nn
n
RR
LRR





1
222
1
2
cos ;
;
2
360
......21
n
n

 
где:
R1 - радиус окружности расположения труб в
первом внутреннем слое;
d - наружный диаметр трубы;
s - толщина стенки трубы;
n - число труб в первом слое;
L - расстояние между центрами рядом
расположенных труб в поперечном сечении;
Ψ1 - центральный угол между центрами соседних
труб первого и второго слоя;
Ψ2 - центральный угол между центрами соседних
труб второго и третьего слоя;
Ψn - центральный угол между центрами соседних
труб (n-1)-го и n-го слоя.

5. 29918
5

6. 29918
6

7. 29918
7
Верстка Н.Киселева
Корректор К.Нгметжанова