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Est-a
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Cou
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Trou
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Tif
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DANS
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Adap
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Trai
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Tre
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Appa
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Molecule
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water
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quide
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iron
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SORTES
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DES
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etof
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H-
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oxygen
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carbonic acid
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habi
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Generic
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alkaloids
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acid
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cation
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Physical
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30 percent
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7 percent
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Chemical Role
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antibiotic
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Organism
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sable
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Polymer
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Polysaccharides
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Publication
_________________________________________________________________
Number FR2511031A1
Family ID 31453882
Probable Assignee Ceskoslovenska Akademie Ved
Publication Year 1983
Title
_________________________________________________________________
FR Title DISPOSITIF POUR L'ELABORATION DE MILIEUX FLUIDES DE FAIBLE
VISCOSITE ET DE MILIEUX TRES VISQUEUX, EN PARTICULIER POUR UNE
FERMENTATION DE MICRO-ORGANISMES
Abstract
_________________________________________________________________
ON DECRIT UN DISPOSITIF ADAPTE A ASSURER LES OPERATIONS LES PLUS
DIVERSES DE MELANGE, DE POMPAGE ET DE DISPERSION DE MILIEUX QUI
PEUVENT ETRE SOIT FLUIDES, SOIT TRES VISQUEUX.
LE DISPOSITIF REPOSE SUR UN PRINCIPE DE MALAXAGE ET DE POMPAGE SANS
AUBAGE DE MILIEUX FLUIDES DE TOUTES SORTES ET DE TOUTES DENSITES.
L'ELEMENT PRINCIPAL DU DISPOSITIF EST UN ROTOR CREUX 1 AVEC UNE
ENVELOPPE 14 ET UN FOND 4 PRESENTANT AU MOINS UNE OUVERTURE D'ENTREE,
CE ROTOR ETANT ENTRAINE A UNE VITESSE SUSCEPTIBLE DE COMMUNIQUER AU
MILIEU A TRAITER PAR LA FORCE CENTRIFUGE UN EFFET D'ENTRAINEMENT
DEPUIS UNE EXTREMITE DU ROTOR JUSQU'A L'AUTRE. LE FLUIDE SORT DU ROTOR
SOIT PAR DES OUVERTURES DE SORTIE 15, 28 MENAGEES DANS L'ENVELOPPE,
SOIT PAR LE DESSUS OU LE COUVERCLE ET CE FLUIDE EST SOIT SIMPLEMENT
ELEVE, SOIT EN MEME TEMPS DIFFUSE AU DESSUS OU AU DESSOUS DU NIVEAU
LIQUIDE POUVANT EXISTER DANS UN RECIPIENT DE CONFINEMENT 16.
Description
_________________________________________________________________
L'invention concerne un dispositif pour l'elaboration de milieux
fluides dont la viscosite peut etre faible ou tres elevee, en
particulier pour une fermentation de micro- organismes. On entend par
elaboration de milieux fluides avant tout leur melange
(homogeneisation), leur pompage, leur dispersion ou pulverisation dans
une phase liquide ou gazeuse (diffusion, extraction, sechage ou
fermentation de micro-organismes, par exemple par submertion).
Le dispositif selon l'invention peut realiser ses fonc- tions
independamment ou bien plusieurs de ses fonctions peu- vent
s'effectuer simultanement (par exemple, dans les instal- lations de
fermentation).
Les dispositifs selon l'invention se pretent aux traite- ments des
milieux les plus divers: il peut s'agir de liquides newtoniens ou
non-newtoniens, de materiaux solides suscepti- bles de couler et de
gaz en combinaison avec une phase liquide ou un milieu liquide
contenant des matieres solides, par exem- ple sous forme de fibres.
On connait des dispositifs melangeurs de milieux liquides que l'on
divise selon leur consistance en liquides newtoniens et liquides
non-newtoniens: gels et pates.
On peut evoquer aussi le melange de liquides ou de mate- riaux solides
granules avec un gaz (diffusion, fluidisation) ou encore les
dispersions ou emulsions de phases liquides.
Selon ces diverses actions a effectuer, on met en oeuvre des appareils
melangeurs de genres differents.
On distingue essentiellement deux genres d'appareils me- langeurs: les
appareils rapides et les appareils lents Les appareils rapides sont
appliques a des milieux peu visqueux et permettent une bonne
dispersion Ils ne peuvent cependant pas etre utilises pour les
liquides de viscosite elevee Pour ces derniers, on ne peut utiliser
que des appareils melangeurs a mouvement lent, par exemple les
melangeurs a ancre, et les melangeurs a bande, les melangeurs a peigne
et analogues; aucun de ces melangeurs ne permet cependant une
dispersion complete des matieres a melanger en raison de la lenteur du
mouvement d'oscillation.
Aucun de ces melangeurs anterieurs ne se prete par exemple, a la
fermentation, car au cours du processus il intervient une modification
de la densite du milieu.
La mise en oeuvre des appareils melangeurs habituellement utilisee ne
permet donc pas l'obtention de toutes les condi- tions optimales qui
sont necessaires pour une fermentation complete Ceci est par exemple
le cas dans la preparation de levures, d'antibiotic, d'alkaloids, de
polysaccharides et analogues, o il est necessaire de communiquer au
milieu a traiter un mouvement et de melanger des phases liquides, ga-
zeuses et solides, o le milieu de fermentation presente au debut de la
fermentation une consistance tres fluide tandis que vers la fin de
l'operation, la consistance devient tres visqueuse et prend deja
souvent le caractere d'un gel du genre dit pudding.
On trouve des conditions similaires dans certaines reac-
tionschimiques, par exemple dans la polymerisation, o le mi- lieu
liquide devient tres visqueux vers la fin de la polyme- risation de
sorte que la poursuite du malaxage au moyen des melangeurs habituels
perdrait son efficacite.
Les inconvenients ci-dessus evoques des systemes connus de malaxage et
de pompage sont evites grace au dispositif se- lon l'invention, pour
l'elaboration de milieux de liquides de faible viscosite et de
viscosite elevee, en particulier pour la fermentation de
micro-organismes, ce dispositif etant es- sentiellement caracterise en
ce qu'il comporte un rotor creux, qui est entraine par une unite
d'entrainement, ledit rotor comportant une enveloppe et un fond, le
fond du rotor presen- tant au moins une ouverture d'entree pour
l'adduction du mi- lieu en provenance d'un recipient et l'entrainement
du rotor s'effectuant a une vitesse a laquelle le milieu a traiter se
trouve deplace sous l'action de la force centrifuge d'une ex- tremite
du rotor a l'autre Le fond peut presenter la forme d'un anneau
circulaire avec une ouverture d'entree centrale ou bien, il peut etre
prevu une pluralite d'ouvertures d'en- tree a l'exterieur de la partie
peripherique du fond, ces ou- verturesetant disposees symetriquement
de preference autour du milieu du fond A sa partie superieure, le
rotor creux est soit completement ouvert, sans couvercle, soit muni
d'un cou- vercle auquel cas il est possible d'amenager dans le
couvercle et aussi dans l'enveloppe des ouvertures de sortie de
maniere similaire a ce qui a ete menage dans le fond Les ouvertures de
sortie mais aussi les ouvertures d'entree peuvent se pre- senter sous
diverses formes et peuvent, egalement, etre equi- pees de diffuseurs,
d'ajutage, de redresseurs d'ecoulement, - de moyens pour debarrasser
le milieu de la mousse ou, au con- traire, pour faire mousser le
milieu, ou de tous autres ac- cessoires qui influencent l'ecoulement,
le debit et la forme du milieu entrant ou sortant par ces ouvertures.
Une forme de realisation du dispositif specialement adap- te au
pompage d'un milieu en ecoulement est remarquable en ce que le fond et
le couvercle du rotor presentent la forme d'un anneau circulaire, avec
une ouverture centrale pour l'admis- sion et l'evacuation du milieu en
ecoulement, ces ouvertures etant munies de diffuseurs pour un
redressement de l'ecoule- ment a l'entree du rotor et aussi de
l'ecoulement a la sortie du rotor.
Une autre forme de realisation du dispositif selon l'in- vention est
destinee au malaxage et a la dispersion afin de permettre un melange
complet: une telle forme de realisation peut etre utilisee par exemple
dans le domaine de la polyme- risation en vue d'assurer un taux de
conversion eleve et une augmentation du poid moleculaire du polymere
Le mode d'action de l'appareil malaxeur selon l'inventionest
comparable dans une certaine mesure a celui d'une pompe, dans ce cas
d'une pompe centrifuge: pour de nombreux systemes de milieu fluide a
traiter ces modes d'action cooperent et se combinent en vue d'un
rendement eleve.
Le dispositif selon l'invention peut, d'une part, etre utilise comme
un malaxeur independant ou destine a travailler au-dessous de la
surface du milieu, mais il peut servir aussi comme une pompe
independante pour elever divers milieux liqui- des, en particulierdes
milieux tres visqueux et dans de nom- breux cas, il pourra remplacer
les pompes centrifuges habituel- les et analogues qui sont d'une
construction compliquee et presentent un rendement energetique faible
et de fortes pertes hydrauliques. Dans le cas o le dispositif doit
remplir le role d'une pompe, le rotor creux devra etre plonge dans le
milieu a trai- ter soit totalement soit partiellement par sa partie
inferieu- re o se trouve le fond du rotor.
Il est souvent avantageux d'incorporer dans l'enceinte de malaxage des
butees o d'autres structures fixees dans l' espace situees soit en
dessous soit au dessus soit de part et d'autre du niveau du milieu La
raison en est que dans l'en- ceinte de malaxage et ceci, aussi bien
dans la partie infe- rieure en ecoulement, c'est-a-dire au dessous du
niveau, que dans la partie superieure situee au dessus du niveau, le
mi- lieu se trouve entraine dans des mouvements tourbillonnaires,
qu'il y a lieu d'exploiter en vue de realiser une dispersion et une
diffusion complete des elements constituants L'arbre du rotor creux
est habituellement supporte dans le chassis principal de l'enceinte de
malaxage ou dans un bati fixe du rotor creux Des elements de butee ou
d'autres structures de modification des conditions d'ecoulement
peuvent egalement etre menages comme elements constituant du bati fixe
du rotor creux. Une autre alternative de l'exploitation du dispositif
selon l'invention pour l'elevation d'un fluide et sa disper- sion
conduit a l'equipement de la partie inferieure du rotor creux qui est
destine a etre plonge dans le milieu, avec un voile fixe avec un tube
destine a l'adduction du milieu vers le fond du rotor creux Un tel
tube peut etre fixe au chassis principal du dispositif ou bien
constituer une partie du bati fixe dans lequel est place le rotor.
Dans ce cas, il ne faut prevoir aucune structure de butee ou de
modification d'ecoulement dans l'enceinte de malaxage, dans le chassis
principal ou dans le bati fixe du rotor creux et il ne se forme pas de
tourbillon central dans l'enceinte de malaxage et le milieu n'est pas
agite au dessous du niveau mais simplement aspire a travers le tube de
recouvrement fixe qui est menage pour l'amenee du fluide au fond du
rotor.
Le dispositif selon l'invention pour l'elaboration de milieux liquides
en particulier de milieux visqueux repose sur deux principes, a savoir
le principe d'une agitation sans aubes et d'un pompage sans aubes de
tout milieu fluide Ceci rend possible l'elaboration de diverses
manieres de milieux fluides, par exemple, leur homogeneisation avec
pompage simul- tane vers le haut et aussi leur dispersion en nappe
dans un milieu gazeux ou encore, l'elevation de materiaux granulaires
susceptibles de couler avec pulverisation ou encore sechage ou
refroidissement par la mise en oeuvre de techniques de fluide etc. Le
rotor creux decrit peut etre un element de base pour une serie
d'alternatives, dont les elements de construction sont en soi connus
et qui rendent possibles en diverses combi- naisons les traitements
pour les applications et pour les do- maines les plus divers de
milieux fluides de toutes sortes.
Deux genres d'applications sont possibles selon la partie du rotor
creux qui est en contact avec la phase en ecoulement.
Dans un premier cas d'application, le milieu en ecoule- ment fait
naitre dans le rotor cylindrique par une ouverture d'entree menagee
dans le fond du rotor par exemple, par un diffuseur tangentiel tandis
que son evacuation du rotor se produit egalement par l'intermediaire
d'un diffuseur semblable ou par une ouverture de sortie Dans ce cas,
le milieu, par exemple, un acide, ne se trouve en contact qu'avec la
paroi in- terne de l'enveloppe cylindrique du rotor, de sorte que le
ro- tor joue principalement le role d'une pompe L'acidentrant par le
fond du rotor se trouve entraine par le haut par la force centrifuge
et progresse en une spirale ascendante jusqu' au couvercle du rotor
d'o il est evacue par exemple par un diffuseur tangentiel Les parois
externes de l'enveloppe ou du fond du rotor ne se trouvent pas en
contact dans ce cas avec le milieu mais seulement avec l'atmosphere
exterieure par exemple.
On a affaire a l'autre cas lorsque le rotor creux vient en contact
avec le liquide par les deux faces de son enveloppe et, eventuellement
aussi de son couvercle Dans ce cas, les parois internes du rotor, du
fond et aussi du couvercle jouent la fonction d'une pompe, comme dans
le premier cas, tandis que les parois externes de ces elements du
rotor qui presentent en un frottement avec le liquide, travaillent
comme un mala- xeur du fluide.
Dans ce cas, le rotor creux doit etre au moins partielle- ment plonge
dans le fluide, c'est-a-dire qu'il est necessaire que le fond du rotor
ainsi que l'ouverture d'entree se trou- vent au dessous du niveau du
liquide dans l'enceinte de mala- xage.
Le rotor creux peut etre totalement plonge dans le liqui- de et
travaille dans ce cas, comme un appareil malaxeur clas- sique et le
malaxage se produit simplement au dessous du ni- veau du liquide; ou
bien, l'immersion n'est que partielle, c'est-a-dire qu'une partie du
rotor depasse au dessus du li- quide Ce dernier cas convient en
particulier pour une fermen- tation de micro-organismes, en
particulier de milieux de cul- ture aerobie, et aussi pour des
reactions et des diffusions chimiques d'une phase liquide et d'une
phase gazeuse, pour la polymerisation, l'extraction et analogues Dans
les applica- tions de ce genre, les trois fonctions principales du
disposi- tif de l'invention seront toutes utilisees (pompage, malaxage
et dispersion).
D'autres effets de melange pourront etre realises dans les cas o la
section du rotor creux, au lieu d'etre circulai- re, sera carree,
elliptique, triangulaire, ou lorsque l'enve- loppe du rotor sera
realisee par exemple en tole ondulee de maniere a presenter des
reliefs en forme d'ondes Dans ce cas, les aretes ou les reliefs de
l'enveloppe du rotor creux pour- ront agir comme les aubes d'un
appareil malaxeur dans la mesu- re o il se trouve totalement ou
partiellement plonge dans le liquide a traiter Dans la partie situee
au dessus du liquide, c'est-a-dire dans un espace de gaz par exemple,
dans l'air, ces elements peuvent remplir un role d'un appareil de
souffla- ge, d'un ventilateur, d'un disperseur de gouttes dans l'air,
d'un moyen de suppression de mousse dans les processus biochi- miques,
etc Le rotor creux peut presenter, par exemple, aussi plusieurs
profils, par exemple, un profil circulaire dans la partie immergee et
un profil rectangulaire dans la partie situee au dessus du liquide ou
inversement, etc.
Les ouvertures de sortie, menagees par exemple dans l'en- veloppe d'un
rotor qui travaille comme un appareil malaxeur, peuvent etre realisees
de diverses manieres, par exemple, en plusieurs rangees disposees les
unes au dessus des autres.
Par la forme et la position des ouvertures, on peut modi- fier les
caracteristiques de la dispersion (dispersion en nappe, dispersion en
jets croises, dispersion selon des lignes helicoidales etc).
La vitesse et le debit du liquide sortant du rotor peu- vent etre
regles en agissant sur la vitesse de rotation du rotor en choisissant
le diametre et la hauteur du rotor et les dimensions des ouvertures
d'entree, en fonction aussi de la distance entre les ouvertures
d'entree ou de la distance de l'ouverture d'entree par rapport au
niveau du milieu de fermentation dans un fermenteur.
En vue d'une augmentation de la pression et de la vitesse de
pulverisation du milieu, il est possible de fermer le totor au moyen
d'un couvercle et de reduire les ouvertures de sor- tie menagees dans
le couvercle ou dans l'enveloppe du rotor et, eventuellement dans le
fond de celui-ci.
Les ouvertures de sortie menagees dans le couvercle du rotor rendent
possible une dispersion du milieu vers le haut; les ouvertures de
sortie menagees dans l'enveloppe du rotor permettent la dispersion
laterale tandis que les ouvertures amenagees dans le fond permettent
la diffusion en direction du fond de l'enceinte de malaxage.
Afin de favoriser un tourbillon central, que le liquide de culture
peut former a l'interieur de l'enceinte par frot- tement du rotor en
mouvement au milieu de l'enceinte, on peut avantageusement menager
dans l'enceinte de fermentation, de preference a la peripherie de
cette enceinte, des elements de butee, qui contrarient la production
de tourbillons Ces ele- ments de butee contribuent en meme temps par
faire un melange complet du milieu.
Le melange du liquide est divise par exemple dans le cas de la
fermentation, en trois espaces de travail de l'enceinte de
fermentation, qui sont disposes d'une part, dans le liquide
(au-dessous du niveau) et, d'autre part, dans la partie gaz au-dessus
du liquide Du premier espace de travail, lequel est situe a
l'interieur du liquide melange, o il se forme un tourbillon central,
lequel se trouve divise, par exemple par les elements de butee, en
tourbillons localises, le liquide est aspire dans le deuxieme espace
de travail, lequel est si- tue a l'interieur du rotor, o le melange se
forme sous l'ac- tion du chaxp de forces centrifuges, gui repartit le
liquide d'une part, en une phase lourde etofautre part, en une phase
legere, et le relange a nouveau, et l'eleve d'autre part selon une
spirale ascen- dante, apres quoi le liquide se trouve disperse en
nappe dans le troisieme espace de travail gazeux au-dessus du ni- veau
liquide, o il retombe ensuite en fines gouttes sur la surface du
liquide, ou bien retourne par ecoulement dans le liquide, par exemple,
par ruissellement le long des parois des enceintes de fermentation
sous la forme d'une fine pelli- cule de liquide.
Dans l'espace gazeux, o le milieu en ecoulement a recu la forme de
fines gouttelettes, d'un nuage ou d'une mince pel- licule, on realise
un contact intensif entre les phases liqui- des et gazeuses
independamment du caractere du liquide dans le fermentateur et l'on
favorise une croissance maximale des micro-organismes cultives, qui
prosperent ensuite dans l'es- pace situe au-dessous du niveau du
liquide.
L'intensite des processus peut etre influencee dans les deux cas, en
particulier par la vitesse de rotation du rotor, par les dimensions de
celui-ci, par la grandeur des ouvertu- res d'entree et de sortie et
par le degre d'immersion-de 1 ' ensemble du rotor au-dessous du niveau
du liquide.
Le fermenteur selon l'invention peut aussi etre muni a des moyens
d'equipement visuels: il peut s'agir par exemple; d'autres malaxeurs
(a helices et analogues), d'un dispositif de suppression de mousse, de
regulateur de temperature, d'un thermometre, d'un analyseur du milieu,
par exemple d'un p H- metre, de sondes de controle, d'appareils de
dosage de matie- res nutritives, d'oxygen, d'carbonic acid et
analogues.
On peut egalement associe au rotor un moyen mecanique adapte a casser
la mousse, par exemple, des barres qui traver- sent les parois du
rotor en particulier son couvercle, ou en- core un couvercle de rotor
a prolongement qui s'etende en par- tant du rotor dans l'espace gazeux
situe dans l'enceinte de malaxage au dessus du niveau du liquide.
Le dispositif selon l'invention rend possible un recy- clage complet
du milieu en ecoulement dans le fermenteur in- dependamment de la
viscosite, realise une grande surface de contact du liquide et du gaz
et ceci meme dans le cas de li- quides tres visqueux, rend possible
une dispersion de ce milieu
251 103 1 dans l'espace situe au dessus du liquide de fermentation,
c'est-a-dire dans la phase gazeuse, et limite automatiquement la
formation de mousse dans l'espace situe au dessus de la phase liquide
jusqu'a la hauteur de la dispersion Un autre avantage consiste dans le
fait que l'entrainement d'une phase liquide demeure assuree meme dans
les milieux tres visqueux grace a l'effet de succion de l'ouverture
d'entree du rotor.
L'entrainement du rotor peut s'effectuer par le bas ou par le haut,
c'esta-dire a partir du fond ou du couvercle du fermenteur.
L'appareil de fermentation selon l'invention permet de realiser une
importante economie d'energie par rapport aux fermenteurs actuels,
cette economie pouvant atteindre 30 percent.
Un avantage consiste d'autre part, en ce que en comparai- son avec les
types connus de fermenteurs, o les cellules des microorganismes ne
peuvent croitre que dans la phase liquide inferieure agitee, la
croissance se poursuit dans le disposi- tif de l'invention d'une
maniere continue dans chacun des trois espaces de travail, et exploite
la totalite de l'espacez disponible a l'interieur de l'enceinte de
fermentation avec de grandes surfaces de contact.
Ceci rend possible par exemple, une oxygenation complete des cellules
en croissance des micro-organismes (bacteries, levures, eponges,
algues et analogues) Une consequence en est le raccourcissement du
temps de fermentation et l'obten- tion d'une concentration plus elevee
du produit final par rapport aux types connus d'installation
semblable.
Un avantage est d'autre part, la facilite de reglage du processus de
fermentation au cours de differentes phases de fermentation et un
malaxage menage des cellules de micro- organismes (par exemple lors de
la production d'antibiotic), car on evite tout endommagement serieux
de ces cellules, con- trairement a ce qui se passe par exemple, dans
les agitateurs a aubes ou dans les agitateurs du genre turbines que
l'on trouve dans les enceintes de fermentation.
Dans le cas o l'on ne s'interesse qu'a la fonction de pompage du
dispositif, il est avantageux de donner au fond et au couvercle du
rotor, une forme d'anneau circulaire avec une ouverture centrale pour
l'amenee et l'evacuation du milieu liquide, ces ouvertures pourront
etre avantageusement munies de diffuseurs pour un redressement des
ecoulements entrant et sortant.
Le rotor creux de la pompe sans aubes, qui presente habi- tuellement
la forme d'un cylindre creux avec un axe de rota- tion vertical et un
fond horizontal, est essentiellement un recipient tournant avec des
ouvertures La forme d'un tel re- cipient peut cependant etre
quelconque (cela pourrait etre un cone, un cylindre, un polyedre etc)
et il en sera de meme pour la direction de l'axe de rotation qui
pourra etre soit vertical, soit incline, soit horizontal.
Le rotor joue ici un role semblable a celui de la roue a aubes de
pompe centrifuge connue, c'est-a-dire qui a pour fonction de conferer
au milieu pompe de l'energie cinetique; cette fonction repose
cependant ici sur un autre principe hydro-dynamique, c'est-a-dire non
pas sur l'action hydro- dynamique des aubes d'une roue qui est
confinee dans un boitier ou carter fixe de la pompe Alors que la roue
a aubes est ouverte a la peripherie, et que l'energie de mouvement se
trouve detruite par frottement sur la paroi interne fixe du carter de
la pompe, par turbulence sur les aubes et encore par laminage du
liquide dans les intervalles entre paroi du car- ter et des aubes, le
rotor creux selon l'invention ne presente pas ces inconvenients.
Le milieu en ecoulement, par exemple un liquide, qui en- tre avec une
vitesse angulaire nulle au fond du rotor, arrive dans le dispositif
selon l'invention grace a la force centri- fuge presque instantanement
en un anneau de liquide rotatif (un paraboloide de liquide) dont la
hauteur correspond a la hauteur du rotor, un anneau qui a deja ete
forme par le li- quide precedemment entre dans le rotor Le milieu
acquiert l'energie cinetique et la vitesse angulaire qui correspondent
a l'enveloppe du rotor meme au cas o les parois externes de
l'enveloppe de rotor ne sont pas tout a fait lisses (elles peu- vent
meme etre rendues rugueuses avec des reliefs, des nervu- res, des
rayures etc).
L'anneau de liquides constitue dans une certaine mesure, un tourbillon
central ascendant, qui se forme ici jusqu'a la hauteur du liquide
pompe En raison de l'importance des forces 11 1 centrifuges, il ne se
produit dans ce tourbillon pratiquement pas de pertes ni de moments
hydro- dynamiques perturbateurs par turbulence, frottement contre les
parois fixes, de tour- billons parasites etc il s'agit d'un mouvement
naturel Le tourbillon central sous forme d'anneau de liquide est
comple- tement symetrique et regulier et son ecoulement peut s'ex-
traire dans la partie superieure du rotor au moyen d'un dif- fuseur de
sortie, par exemple dans une canalisation de pompage ou analogues,
alors que les pertes dans le diffuseur fixe de sortie demeurent
relativement faibles (environ 7 percent).
Ces circonstances donnent lieu aussi a un rendement eleve de cette
pompe sans aubes selon la presente invention et a une tres faible
consommation d'energie electrique pour l'entraine- ment du rotor La
formation de l'anneau circulaire ne donne lieu qu'a de faibles
resistances hydro-mecaniques a surmonter.
Des exemples d'application pratique du dispositif selon
* l'invention pour l'elaboration de milieux fluides sont repre- sentes
schematiquement dans les dessins annexes. la figure 1 est une vue
d'ensemble d'un dispositif se- lon l'invention, jouant le role d'une
pompe, en coupe longitu- dinale vrticale; la figure 2 est une vue
d'ensemble similaire d'un dis- positif selon l'invention qui remplit
la fonction d'un appa- reil malaxeur classique, d'un disperseur, d'un
emulsionneur, d'un homogeneiseur et analogues, cet appareil etant
plonge dans le milieu a traiter.
A la difference de la "pompe" precedente, ici le milieu n'est pas
seulement au contact des parois internes du dispo- sitif mais aussi
avec les parois externes du rotor creux, en particulier avec
l'enveloppe et le fond et se trouve immer- ge completement sous la
surface du milieu confine dans l'en- ceinte de malaxage. la figure 3
montre un autre genre d'un dispositif mala- xeur selon l'invention,
lequel assure l'agitation d'un liquide sous la surface de celui-ci
tout en assurant la diffusion de ce liquide sous forme de gouttelettes
dans l'espace situe au- dessus du liquide (o le liquide est soumis a
oxydation, par exemple); la figure 4 est une vue en plan du fond du
rotor en forme d'anneau circulaire avec une ouverture centrale la
figure 5 est une vue en plan d'un fond de rotor presentant plusieurs
ouvertures d'entree symetriquement dis- posees autour du milieu; la
figure 6 montre schematiquement en coupe longitudi- nale verticale un
exemple d'un agencement typique pour la fermentation de
micro-organismes, o l'on rencontre les trois fonctions du rotor creux,
c'est-a-dire un malaxage sans aube, un pompage et une dispersion du
milieu traite; la figure 7 montre en coupe longitudinale et verticale
un malaxeur amovible selon la presente invention, lequel a la
difference du malaxeur selon la figure 6, est place dans une enceinte
fixe, dans des elements de butee sous forme de barre qui en font
egalement partie; la figure 8 est une vue semblable d'une pompe sans
aube qui est logee dans une enceinte fixe, dont la partie in- ferieure
constitue un recouvrement fixe qui entoure la partie inferieure du
rotor qui est immerge au-dessous de la surface d'un milieu liquide.
Selon la forme de realisation choisie et representee sur la figure 1,
un dispositif selon l'invention est constitue pour jouer le role d'une
pompe sans aube Cette pompe comporte un rotor creux 1 dont l'arbre
d'entrainement 2 est accouple dans la partie superieure avec l'arbre
d'un moteur electrique d'entrainement 18, qui communique sa rotation
au rotor 1 Le moteur electrique 18 est fixe au chassis principal 3 de
la pompe Le rotor 1 est supporte au moyen de paliers sur le chassis 3,
il presente la forme-d'un cylindre creux et il est relie a l'arbre 2
au moyen de-rayons 19 Le rotor 1 est muni en outre, a son extremite
inferieure, d'un fond 4 et, a son extremite superieure, d'un couvercle
5, qui presentent respec- tivement des ouvertures circulaires 6 et 7,
de sorte que ces deux parties ont une forme d'anneau circulaire.
Les diffuseurs redresseurs tangentiels 8 et 9 respective- ment
inferieur et superieur sont disposes au bas et dans le haut du chassis
3 Le diffuseur inferieur 8 a une entree 10 et une sortie 11, le
diffuseur superieur 9 a une entree 12 et une sortie 13 Les deuk
diffuseurs redresseurs 8 et 9 sont formes par un tube ascendant, qui
forme une boucle ou une ondulation et dont le diametre est choisi en
fonction du debit de la pom- pe Le conduit formant le
diffuseur-redresseur 8 passe au- dessous du fond 4, traverse
l'ouverture circulaire 6 et se termine peu audessus du fond 4 par une
sortie 11 retrecie et allongee.
Dans le cas du diffuseur superieur 9, l'entree 12 est si- tuee a
l'interieur du rotor 1, donnant acces a la partie du conduit formant
le diffuseur 9 qui est au-dessous du couvercle a proximite immediate
de celui-ci Ce conduit traverse en- suite en montant l'ouverture
circulaire 7 et se prolonge le long du couvercle 5 et au-dela de
celui-ci jusqu'a la sortie 13. Le liquide pompe, par exemple de
l'water, s'ecoule par 1 ' intermediaire d'une canalisation d'amenee
dans le diffuseur interieur 10 et penetre theoriquement a vitesse
nulle par 1 ' intermediaire de la sortie tangentielle allongee 11 au
fond 4 du rotor 1 Au bout de tres peu de temps, il se forme par ro-
tation du liquide a l'interieur du rotor un anneau liquide
(en forme de paraboloide), dont la vitesse angulaire de rota- tion
correspond approximativement a la vitesse angulaire de rotation de
l'enveloppe du rotor.
Des que le courant d'water entrant se melange avec l'an- neau et que
les deux tournent dans le rotor creux et y trou- vent l'energie
necessaire et aussi la pression centrifuge, l'water se trouve elevee
le long de la paroi interne du rotor 1 en une spirale montante vers la
partiesuperieure du rotor 1, o elle parvient au-dessous du couvercle 5
dans l'entree 12 du conduit formant le diffuseur superieur 9 et quitte
le dispo- sitif par la sortie 13 de ce diffuseur superieur.
Une condition du pompage continu du liquide est que le liquide
s'ecoule dans chacun des deux diffuseurs 8 et 9 dans le sens de la
rotation du rotor 1.
La figure 2 est une vue d'ensemble d'un dispositif selon l'invention
qui remplit la fonction d'un malaxeur classique et completement
immerge, mais qui remplit egalement la fonc- tion de pompe de sorte
que les deux fonctions se retrouvent combinees. Ce dispositif comporte
un rotor creux 1, dont la section est circulaire et dont le fond 4 est
pourvu de quatre ouvertu- res d'entree circulaires.
Le rotor 1 ne comporte pas de couvercle et il est ouvert en haut Dans
l'enveloppe 14 du rotor 1, sont menagees des ouvertures de sortie
circulaires 28 dont certaines sont equi- pees d'ajutage 15 La
rangee-inferieure d'ajutage 15 presente une ouverture de sortie
laterale de direction opposee a celle de la rotation du rotor 1.
Dans le recipient 16 du melangeur, sont prevus d'autre part des
elements verticaux de butee 17 au-dessous du niveau du liquide, qui
s'etendent selon une direction correspondant a celle de l'axe du rotor
et qui sont fixees a l'enveloppe du recipient 16 du melangeur.
Le rotor creux forme dans ce cas deux espaces de travail a savoir,
celui du recipient 16 et celui du rotor 1 Le liqui- de est aspire a
l'interieur du rotor 1 a travers les quatre ouvertures d'entree 6 du
fond 4 et si la section totale de passage de ces quatre ouvertures est
petite par rapport a la section transversale du rotor 1 lui-meme, le
liquide peut ega- lement penetre a l'interieur du rotor a travers la
partie su- perieure ouverte de celui-ci vers le milieu.
Le liquide se trouvant a l'interieur du rotor 1 se trou- ve entrafne
par la force centrifuge selon une spirale ascen- dante au contact de
laparoi interne de l'enveloppe 14 et par- vient soit par-dessus le
bord superieur du rotor ou bien a travers les ouvertures de sortie 28,
29 menagees dans l'enve- loppe 14 ou dans le fond 4, ou encore par les
ajutages 15 en retour dans la masse liquide environnant le rotor Les
ouver- tures de sortie 28, 29 les aj-utages 15 et autres moyens analo-
gues sont menages au-dessous du niveau du liquide, ameliorant le
melange de la phase liquide en rendant possible l'injection sous
pression au-dessous de la surface du liquide Ceci favo- rise en meme
temps une division dans le rotor 1 des fractions plus lourdes et plus
legeres Dans la mesure o de telles fractions de densites differentes
peuvent se developper dans le milieu, elles se trouvent a nouveau
melangees a la sortie du rotor 1 A l'exterieur du rotor 1, le liquide
se trouve melange par frottement des parois externes du rotor 1 contre
le liquide, qui se trouve a l'interieur du recipient 16 Le rotor 1 est
dispose dans une position excentrique dans le re- cipient 16 de sorte
qu'il se developpe dans le recipient un mouvement tourbillonnaire
excentre, qui se trouve cependant calme par les elements de butee 16,
tandis qu'autour de ces elements eux-meme, se developpent des champs
tourbillonnaires localises Lorsque la section du rotor 1 presente la
forme d'un rectangle, d'un triangle, d'une ellipse ou analogues, etc,
c'est-a-dire si elle n'est pas circulaire, comme c'est le cas pour un
rotor cylindrique, (auquel cas le fond 4 et, le cas echeant, le
couvercle 5 auraient la meme forme) alors les aretes, eventuellement
la forme generale du rotor 1 au dessous de la surface du liquide
donneraient lieu a l'effet de melange supplementaire qui serait
analogue a l'action de malaxage d'aubes par exemple.
La figure 3 montre en coupe axiale verticale un disposi- tif melangeur
selon l'invention qui est completement immerge dans le milieu fluide a
homogeneiser.
Cette forme de realisation se distingue de la precedente par le fait
que le couvercle 5 du rotor 1 avec deux ajutages a sa peripherie se
trouve au niveau de la surface du milieu liquide confine dans le
recipient 16 tandis que l'enveloppe 14 ou le fond 4 du rotor 1 ne
comporte pas d'ajutage 15 ni d'ou- vertures de sortie 28, 29 Ainsi la
partie inferieure immergee de l'appareil melangeur forme dans le
milieu un tourbillon central non perturbe, il n'y a pas de tourbillon
localise aux elements de butee 17, tandis que le fluide sortant de
l'inte- rieur du rotor 1 se trouve disperse au-dessus du niveau liqui-
de sous la forme de tourbillon de gouttelettes rotatives en forme de
spirales.
L'appareil melangeur est dispose au milieu de l'enceinte
16 et realise un systeme de melange par le bas L'arbre verti- cal 2 de
l'appareil melangeur traverse le fond du recipient et comporte un
passage etanche dans le fond L'arbre 2 est re- lie au rotor creux 1
par les rayons 19 et par le couvercle 5.
A l'interieur du recipient 16 sont prevus des elements de bu- tee 17
qui sont fixes a l'enveloppe du recipient 16 et evitent la formation
d'un tourbillon central a l'interieur du recipient 16 Dans cette forme
de realisation sont reunies plusieurs fonctions, a savoir, un malaxage
sans aube, un pompage sans aube et une dispersion du milieu dans
l'espace de gaz au-dessus
1 1031 du niveau du liquide La figure 4 est une vue en plan d'un fond
4 en forme d' anneau circulaire avec une ouverture centrale d'entree 6
au milieu. La figure 5 montre un fond 4 avec plusieurs ouvertures
d'entree 6 qui sont disposees symetriquement autour du milieu du fond
4 a l'ecart de la partie peripherique de celui-ci.
La figure 6 montre un exemple de realisation de disposi tifs destines
a la fermentation ou a la culture de micro- organismes o la croissance
-de cellules se developpent dans le milieu de culture et donne lieu
vers la fin de la fermenta- tion a la formation a partir d'un liquide
initialement tres fluide d'un liquide de consistance de miel ou de
pudding.
On y trouve une enceinte de fermentation 20 avec un fond et un
couvercle dans lesquels se trouvent les paliers 21 d'un rotor creux 1
avec un arbre vertical 2 Une partie du rotor 1 forme un element
aspirateur 24 dans lequel se trouve l'ouver- ture d'entree 27.
Le rotor 1 comporte d'autre part une enveloppe de forme cylindrique
14, un fond circulaire 4 avec une ouverture d'en- tree centrale 6 pour
l'admission du liquide dans le rotor 1.
Dans l'enveloppe 14 est menagee une serie d'ouvertures 28 pour la
sortie du fluide de l'interieur du-rotor 1 Les ouvertures 28
superieurespresentent la forme d'ajutage 15 L'arbre 2 est entraine par
un moteur electrique 18 pourvu d'un regulateur de vitesse L'arbre 2
est relie a l'enveloppe 14 du rotor 1 au moyen de rayons 19 en forme
de croisillons.
A l'interieur de l'enceinte de fermentation 20, sont pre- vus dans la
zone peripherique en disposition symetrique par rapport a l'axe quatre
elements de butee 17 sous forme de barres verticales Ces barres sont
fixees au fond et au cou- vercle de l'enceinte de fermentation 20 Ces
butees 17 evitent l'etablissement d'un tourbillon central, lequel se
produirait sans cela a l'interieur de l'enceinte de fermentation sous
1 ' effet d'entrainement exerce par le rotor.
L'enceinte de fermentation 20 comporte deux espaces prin- cipaux de
travail, a savoir un espace interieur liquide et un espace superieur
gazeux, un troisieme espace de travail se trouvant a l'interieur du
rotor Lorsque le rotor cylindrique 1 tourne, avec sa partie inferieure
immergee dans le liquide, le milieu liquide penetre par l'ouverture
centrale 6 dans le fond 4 a l'interieur du rotor 1, il se trouve eleve
dans une spirale ascendante et renvoye dans l'enceinte de fermentation
20 soit par les ouvertures 28 dans l'espace liquide, soit par les
ajutages 15 sous forme de gouttelettes dans l'espace de gaz En se
heurtant soit -aux elements de butee 17 menages a l'interieur de
l'enceinte 20, soit contre la paroi interne de ce recipient lui-meme,
les gouttelettes eclatent et donnent lieu au ruissellement sous la
forme d'une mince pellicule le long des parois et vers la surface du
liquide pour rejoindre ainsi le liquide se trouvant dans la partie
interieure de 1 ' enceinte 20.
Dans l'espace de travail contenant du gaz, il se produit ainsi une
diffusion intensi-ve de gaz dans le milieu liquide, par exemple pour
une oxygenation intensive des cellules en croissance des
micro-organismes qui sont soumises a une iron- mentation a l'interieur
de l'enceinte 20.
Dans l'espace de liquide, il se produit egalement par la rotation de
la partie inferieure du rotor 1 qui est immerge dans le liquide,un
malaxage intensif du milieu de culture.
Pour un reglage determine des ajutages 15 ou des ouver- tures de
sortie 28 de l'enveloppe 14 et pour une vitesse an- gulaire appropriee
du rotor, il se developpe dans le liquide se trouvant a l'interieur du
rotor 1 une pression centrifuge telle que la sortie du milieu liquide
sous cette pression au- dessus du niveau du liquide, peut conduire par
exemple a une desintegration de la mousse formee pendant la
fermentation et, contribuer aussi a la diminution de la consommation
d'energie, de sorte qu'il ne sera pas necessaire de faire appel a un
li- quide de destruction de la mousse ou a d'autres moyens de
suppression de la mousse qui sont particulierement voraces en energie.
L'enceinte de fermentation 20 comporte un fond de forme speciale Au
milieu du fond est menagee une partie en creux dans laquelle est
insere le rotor creux 1 avec sa partie infe- rieure qui forme
d'element aspirateur 24 Cet element 24 assu- re une aspiration
complete du milieu liquide a partir du fond de l'enceinte de
fermentation 20.
Le dispositif de fermentation selon l'invention peut etre applique a
des fermentations de milieux de toutes sortes et en particulier aussi
bien a des milieux de faible viscosite qu'a des milieux de haute
viscosite ainsi qu'a des milieux dont la viscosite a subi de tres
fortes variations en cours de fermen- tation ou encore, a des
suspensions avec des produits en for- me de granules ou des fibres
ainsi qu'a des liquides de genre non newtoniens.
La figure 7 montre shcematiquement un appareil melangeur amvible qui
est place dans une enceinte 23 stationnaire A l'interieur de
l'enceinte 23 sont amenages des elements de bu- tee 17 et ceci d'une
part, dans la partie inferieure de l'en- ceinte 23 en vue de la
formation de turbulences localisees dans la partie liquide du milieu
melange et, d'autre part, dans la partie superieure de ladite enceinte
en vue de la dispersion en fines gouttelettes du milieu expulse a
travers les ouvertures de sortie 28 dans l'espace situe au dessus du
niveau liquide Les elements de butee 17 sont disposes respec- tivement
dans la partie superieure et dans la partie inferieu- re de l'enceinte
23 sont reunis par des colonnes 22.
La partie inferieure du rotor 1 est immergee dans le li- quide tandis
que la partie superieure se trouve au dessus du niveau du liquide
confine dans l'enceinte 23 Le bord supe- rieur du rotor 1 est ferme
par un couvercle 5 L'arbre 2 est relie au couvercle 5 du rotor 1 ainsi
qu'a l'enveloppe 14 de ce rotor au moyen d'un croisillon 19.
Le mode de fonctionnement de cet appareil melangeur est analogue a
celui qui a ete decrit en reference a la figure 6, avec cette
difference cependant, que les structures de butee 17 font partie de
l'enceinte 23 du rotor 1 et non pas de la structure d'une cuve 20
associee a l'appareil.
Cet agencement, comme les precedents, est egalement utili- sable pour
la polymerisation et pour d'autres reactions chimi- ques de milieux de
faible viscosite ou de milieux de viscosite elevee, ainsi que pour le
traitement d'water residuelles char- gees de boue, ou de rejets
industriels ou analogues.
La figure 8 montre une pompe sans aube, qui disperse late- ralement le
milieu eleve, laquelle pompe est logee dans un re- cipient
stationnaire 23, dont la partie inferieure forme par- tiellement un
recouvrement stationnaire 25, qui entoure la partie inferieure
immergee au dessous du niveau liquide du rotor creux 1, ce qui evite
un contact de la paroi exterieure de l'enveloppe 14 et du fond 4 du
rotor creux 1 avec le milieu liquide au dessous du niveau de celui-ci
Des elements de bu- tee 17 se trouvent seulement dans la partie
superieure de 1 ' enceinte 20.
Le recouvrement 25 joue au dessous du niveau liquide un role
comparable a celui des elements de butee 17 ou d'autres structures
semblables au dessous du niveau liquide, car il em- peche
l'etablissement d'un tourbillon central dans le milieu liquide Dans ce
cas, le milieu ne se trouve pas melange dans la partie inferieure par
contact de la paroi externe de l'en- veloppe 14 et le rotor 1 joue
avant tout le role d'une pompe aspirante immergee, tandis que le
fluide elevee se trouve disperse dans les parties environnantes a
hauteur correspon- dante Dans la partie inferieure de l'enceinte 23,
il est pos- sible de prevoir un panier d'aspiration qui joue le role
de filtre.
L'agencement represente a la figure 8 peut trouver appli- cation par
exemple dans la technique des fluides pour le re- froidissement de
liquides, pour le sechage de matieres pulve- risantes, pour
l'humidification du sol et analogues.
Le dispositif selon l'invention a une vocation universel- le Il y a
lieu de prendre en consideration le genre de milieu dans lequel le
dispositif est appele a travailler, la question de savoir s'il est
immerge ou non, par exemple, dans un liqui- de (qu'on pompe), ou bien
s'il est completement immerge dans le liquide (appareil melangeur
completement immerge), ou bien s'il n'est que partiellement immerge
par le liquide (par exemple comme un appareil de fermentation pour la
culture de micro- organismes) Il peut trouver application dans divers
procedes pour le traitement de milieux liquides ou fluides de toutes
consistances, en particulier dans les domaines de la chimie, de la
pharmacologie, de la construction de machines, des tech- niques
thermiques (echangeur de chaleur), d'installation de purification
d'water, ou dans la fabrication de vernis et cou- leurs, mais aussi
dans d'autres exploitations industrielles et dans des installations
agricoles (humidification, sechage de materiaux alimentaires, de
cereales, dosage de matieres ali- mentaires, liquides et analogues).
Le dispositif selon l'invention se prete egalement, en raison de la
simplicite de sa tructure, au traitement de flui- des agressifs
(acides, vases) et de toutes sortes de gaz Il peut servir dans les
diverses techniques mentionnees aussi bien comme dispositif
d'exploitation que comme moyen de labo- ratoire.
Le dispositif peut travailler sous des conditions quel- conques par
exemple de temperature de pression ou de vide, ainsi que dans un champ
electrique, magnetique ou autre.
Un autre avantage consiste en ce que le dispositif est d'une
construction simple et que sa fabrication demande moins de
main-d'oeuvre et impose des conditions moins severes que d'autres
dispositifs semblables Une fabrication en serie pourrait par exemple
etre realisee en une matiere plastique appropriee avec la mise en
oeuvre des techniques de moulage par injection.
Claims
_________________________________________________________________
REVENDICATIONS
1 Dispositif pour l'elaboration de milieux fluides de faible viscosite
ou de viscosite elevee, en particulier pour la fermentation de
microorganismes, avec un recipient dont on pompe le contenu ou dans
lequel on melange le fluide et avec d'autres elements pour le melange
ou le pompage de ce fluide, caracterise en ce que le dispositif
comporte un rotor creux (1), qui est entraine par une unite
d'entrainement et qui est forme par une enveloppe (14) et un fond (4),
ledit fond (4) du rotor (1) etant muni au moins d'une ouverture d'
entree (6) pour l'introduction du fluide en provenance du re- cipient
(16, 20).
2 Dispositif selon la revendication 1 caracterise en ce que le fond
(4) presente la forme d'un anneau circulaire avec une ouverture
centrale (6) ou il est menage dans le fond (4) plusieurs ouvertures
d'entree (6) a l'ecart de la partie peri- pherique, de facon de
preference symetrique autour du milieu du fond (4).
3 Dispositif selon la revendication 1, caracterise en ce que le rotor
(1) est muni d'un couvercle (5); des ouvertures de sortie (7) etant
menagees dans ledit couvercle (5), dans ladite enveloppe (14) et dans
le cas echeant dans le fond (4) du rotor (1).
4 Dispositif selon l'une quelconque des revendicatiorsl a 3,
caracterise en ce que les ouvertures de sortie ou d'en- tree (7, 6)
presentent des formes diverses ou bien sont munies d'ajutage (15),
diffuseurs (8,9) ou autres accessoires (24), qui influencent le debit
et la forme des ecoulements de sortie ou d'entree a travers lesdites
ouvertures (6, 7)
5 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 a 4,
caracterise en ce que le fond (4) et le couvercle (5) sont de forme
circulaire, munis d'une ouverture centrale (6, 7) pour l'amenee et
l'evacuation du fluide dans et hors du rotor (1), les ouvertures (6,
7) etant munies de diffuseurs (8, 9) pour le redressement de
l'ecoulement entrant dans le rotor (1) ou sortant de celui-ci.
6 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 a 5,
caracterise en ce qu'a l'interieur du recipient de iron- mentation de
melange (20, 16) il est menage des structures (17) de butee ou
d'attaque au dessous du niveau et/ou au dessus du niveau du liquide.
7 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 a 6,
caracterise en ce que l'arbre (2) du rotor (1) est mon- te en rotation
sur le chassis principal (3) dans le recipient de melange (16, 20) ou
dans un recipient stationnaire (23) du rotor (1).
8 Dispositif selon la revendication 7, caracterise en ce que des
structures de butee (17) ou panier d'aspiration font partie du
recipient stationnaire (23).
9 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 a 8,
caracterise en ce que la partie inferieure du rotor (1) qui est
destinee a l'immersion dans le liquide, est entouree d'un recouvrement
stationnaire (35), avec un tube (26) pour l'amenee du fluide au fond
(4) du rotor (1). Dispositif selon la revendication 9, caracterise en
ce que le recouvrement stationnaire (25) est fixe au chassis principal
(3) du dispositif sur le recipient de melange (16,), ou bien constitue
une partie du recipient stationnaire (23), dans lequel est monte le
rotor (1).
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