專利名稱：旋流、充氣組合式生化反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于化工設(shè)備領(lǐng)域，涉及一種生化過程反應(yīng)裝置，更具體地說涉及一種旋流、充氣組合式生化反應(yīng)器，該反應(yīng)器尤其適用于食品、醫(yī)藥、環(huán)保等生物工程行業(yè)中微生物的生長代謝。
背景技術(shù)：
生化反應(yīng)器的設(shè)計和操作，是生化工程中一個極其重要的問題，它對產(chǎn)品的成本和質(zhì)量有很大影響，判斷其好壞的唯一標(biāo)準(zhǔn)是該反應(yīng)器能否適合工藝要求以取得最大的生產(chǎn)效率。從目前的情況來看，工業(yè)規(guī)模的微生物細(xì)胞反應(yīng)器或其它多相生化反應(yīng)的設(shè)備基本都是已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化的機(jī)械攪拌式通風(fēng)反應(yīng)器(簡稱“標(biāo)準(zhǔn)罐”)，采用通氣管鼓泡加槳葉攪拌的方式來實(shí)現(xiàn)氣相在液相中的分散與混合。但在復(fù)雜的生化反應(yīng)體系條件下，這種過程裝置日益暴露出其諸多的技術(shù)弊端。
從混合傳遞能力來看，“標(biāo)準(zhǔn)罐”多變化的槳葉組合設(shè)計足以保證微生物、培養(yǎng)液反應(yīng)基質(zhì)及熱量的均勻混合，但是對于好氣性微生物的生長發(fā)育和代謝活動，除了上述均勻混合條件之外，更重要的是必須有溶解氧參與微生物的代謝活動。由于氣液的不相容性，氧氣在培養(yǎng)液中的溶解度很低，要滿足微生物生命活動和代謝所要求的條件，只有提高氧氣在溶液中的傳遞速率。對于“標(biāo)準(zhǔn)罐”其現(xiàn)實(shí)而可行的方法就是增大空氣流量和加強(qiáng)機(jī)械攪拌強(qiáng)度以增加氣液比表面積，強(qiáng)化相間傳質(zhì)。但在傳質(zhì)、混合、傳熱，特別是對溶氧要求極高的高密度微生物培養(yǎng)面前，“標(biāo)準(zhǔn)罐”已顯得無能為力，溶氧水平已成為微生物生長代謝的速度限制因素。
從生化反應(yīng)器的節(jié)能設(shè)計來看，首先“標(biāo)準(zhǔn)罐”其單位體積培養(yǎng)液消耗功率為氣提式生化反應(yīng)器的3～4倍，其中底部槳葉攪拌和通氣裝置曝氣所消耗的功率一般要占整個功率消耗的60％以上。其次，“標(biāo)準(zhǔn)罐”的氧利用率水平極低，通氣流量過大，大的空氣流量增加了空壓機(jī)的負(fù)荷和功率消耗。
此外，由于“標(biāo)準(zhǔn)罐”攪拌器受電機(jī)功率、軸的材料、加工能力等方面的限制，其尺寸大小和攪拌能力有限，限制了反應(yīng)器的擴(kuò)大。
因此，如何合理地設(shè)計通氣攪拌設(shè)備，使之既能保證足夠的氧氣供給，又盡可能節(jié)省能量，且不使微生物細(xì)胞或代謝產(chǎn)物失活是好氧培養(yǎng)過程的提出的新問題。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題和不足，提供一種節(jié)能高效、氧傳遞水平好的生化反應(yīng)裝置。
本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下本實(shí)用新型的旋流、充氣組合式生化反應(yīng)器，它包括有攪拌器電機(jī)(1)、電機(jī)支架(2)、排氣口(4)、接種或補(bǔ)料口(5)、刮沫器(6)、手孔或人孔(7)、進(jìn)氣管(9)、夾套(11)及罐體，同時反應(yīng)器上還裝有軸流攪拌裝置(8)、氣液混合強(qiáng)化器(14)和擋板(10)，所述的軸流攪拌裝置(8)采用下伸軸形式安裝于反應(yīng)器上層位置，所述的氣液混合強(qiáng)化器(14)安裝于反應(yīng)器底部中央，所述的擋板(10)安裝在反應(yīng)器罐體內(nèi)壁。
本實(shí)用新型的反應(yīng)器上封頭為橢圓封頭，下封頭為碟形、錐形或平底封頭；所述的軸流攪拌裝置(8)其配置的槳葉為三斜葉攪拌器，軸流方向向下，軸流攪拌裝置(8)的攪拌軸上端裝有機(jī)械密封(3)，下端設(shè)有軸承底座(12)，軸承底座(12)固定在反應(yīng)器周壁上；所述的氣液混合強(qiáng)化器(14)主要包括混合器電機(jī)(22)、底部托盤(20)、通氣罩(17)、定子(18)、轉(zhuǎn)子(19)及磁力傳動件(21)，轉(zhuǎn)子(19)配合定子(18)在定子(18)內(nèi)高速運(yùn)轉(zhuǎn)。
所述的轉(zhuǎn)子(19)與混合器電機(jī)(22)的連接方式采用磁力傳動及二級電機(jī)驅(qū)動；所述的定子(18)設(shè)有射流通道(23)，射流通道(23)為傾斜設(shè)計，傾斜角度為8～32度，射流通道的數(shù)量為8～16個；所述的轉(zhuǎn)子(19)的轉(zhuǎn)子葉片(24)數(shù)量為3～6片，轉(zhuǎn)子葉片(24)為直葉或后掠式，轉(zhuǎn)子(19)空腔壁上開有氣孔(25)，氣孔(25)數(shù)量為轉(zhuǎn)子葉片(24)數(shù)量的1～2倍；所述的轉(zhuǎn)子(19)帶有四氟套(16)，四氟套(16)固定在通氣罩(17)上，轉(zhuǎn)子(19)外側(cè)面與四氟套(16)滑動連接。
本實(shí)用新型的有益效果如下1)由于氣液混合強(qiáng)化器有自吸氣功能，因而本實(shí)用新型選用鼓風(fēng)機(jī)和低阻力空氣過濾器替代了傳統(tǒng)的壓縮空氣輸送設(shè)備和附件，相應(yīng)節(jié)約了投資和能源，降低了設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用。
2)采用本實(shí)用新型提出的旋流、充氣組合式生化反應(yīng)器，由于氣液混合強(qiáng)化器能產(chǎn)生強(qiáng)烈的湍動、攪拌、剪切，氣泡直徑大幅度減小，氣泡數(shù)目增多，氣泡的比表面積增大，氧分子更易從氣相轉(zhuǎn)移到液相，能保證供給微生物生長繁殖所需要的氧氣。
3)采用了本實(shí)用新型提出的旋流、充氣組合式生化反應(yīng)器的反應(yīng)過程，在不同程度上縮短了反應(yīng)時間。與常規(guī)的機(jī)械攪拌式生化反應(yīng)器比較，旋流、充氣組合式生化反應(yīng)器的操作時間縮短了近1/3至1/2，從而大大提高了反應(yīng)器的時空生產(chǎn)能力，能耗也明顯降低。
4)采用了本實(shí)用新型提出的旋流、充氣組合式生化反應(yīng)器的反應(yīng)過程，氧利用率得到提高，空氣流量降低，揮發(fā)性成分損失減少，同時不會造成泡沫的飛濺。
5)本實(shí)用新型可以變化不同的操作組合為各種復(fù)雜的生化體系提供適宜的生長環(huán)境。如，可以通過控制閥調(diào)節(jié)進(jìn)氣量，并可使曝氣和攪拌兩種功能分開和組合。


圖1為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本實(shí)用新型的氣液混合強(qiáng)化器縱剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是圖2的A-A剖視圖。
附圖中1.攪拌器電機(jī)，2.電機(jī)支架，3.機(jī)械密封，4.排氣口，5.接種或補(bǔ)料口，6.刮沫器，7.手孔或人孔，8.軸流攪拌裝置，9.進(jìn)氣管，10.擋板，11.夾套，12.軸承座，13.罐耳，14.氣液混合強(qiáng)化器，15.進(jìn)氣管法蘭，16.四氟套，17.通氣罩，18.定子，19.轉(zhuǎn)子，20.托盤，21.磁力傳動件，22.混合器電機(jī)，23.射流通道，24.轉(zhuǎn)子葉片，25.氣孔。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的描述如圖1、圖2和圖3所示，本實(shí)用新型的旋流、充氣組合式生化反應(yīng)器，它包括有攪拌器電機(jī)1、電機(jī)支架2、排氣口4、接種或補(bǔ)料口5、刮沫器6、手孔或人孔7、進(jìn)氣管9、夾套11及罐體，其特征在于反應(yīng)器上還裝有軸流攪拌裝置8、氣液混合強(qiáng)化器14和擋板10，軸流攪拌裝置8采用下伸軸形式安裝于反應(yīng)器上層位置，它的槳葉為三斜葉攪拌器，軸流方向向下，軸流攪拌裝置8的攪拌軸上端裝有機(jī)械密封3，下端設(shè)有軸承底座12，軸承底座12固定在反應(yīng)器周壁上，反應(yīng)器上部設(shè)立軸流式攪拌器，其目的就是強(qiáng)化整個反應(yīng)器的整體循環(huán)混合，攪拌器的底部設(shè)立軸承座，主要起穩(wěn)定和支撐作用，同時也有利于反應(yīng)器的大型化，軸承接觸處的軸頸極易磨損，可以在與軸承接觸處的軸上增加一個軸套，檢修時只要更換軸套就行；氣液混合強(qiáng)化器14安裝于反應(yīng)器底部中央，它主要包括混合器電機(jī)22、底部托盤20、通氣罩17、定子18、轉(zhuǎn)子19及磁力傳動件21，轉(zhuǎn)子19配合定子18在定子18內(nèi)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子19與混合器電機(jī)22的連接方式采用磁力傳動及二級電機(jī)驅(qū)動，永磁鐵偶合力強(qiáng)，不留轉(zhuǎn)，可以徹底解決下伸軸的泄漏問題和防止污染雜菌，定子18上設(shè)有射流通道23，射流通道23為傾斜設(shè)計，傾斜角度為16度，射流通道的數(shù)量為16個，經(jīng)從射流通道排出氣液混合液，可造成水流成螺旋狀向水平方向并繼而向上流動，在曝氣的同時兼有攪拌作用，同時轉(zhuǎn)子19的轉(zhuǎn)子葉片24數(shù)量為6片，形狀為直葉，轉(zhuǎn)子19空腔壁上開有氣孔25，氣孔數(shù)量為12個，外源空氣通過進(jìn)氣管9，再經(jīng)轉(zhuǎn)子氣孔被分散于液體中，轉(zhuǎn)子19帶有四氟套16，四氟套16固定在通氣罩17的出口處，用緊固螺釘與通氣罩固定，轉(zhuǎn)子19外側(cè)面與四氟套16滑動連接，轉(zhuǎn)子在定子中作高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，轉(zhuǎn)子上沿與通氣罩接觸處極易磨損，在接觸處加裝一個四氟旋轉(zhuǎn)套16既能減少磨損又能起密封作用；擋板10安裝在反應(yīng)器罐體內(nèi)壁，擋板數(shù)量為4個，擋板寬度為罐體直徑的1/16，擋板與罐壁的間隙為擋板寬度的1/8，當(dāng)軸流攪拌轉(zhuǎn)置與氣液混合強(qiáng)化器14同時啟用時，在擋板10的協(xié)同作用下，可進(jìn)一步強(qiáng)化培養(yǎng)液的全槽混合，氣液分散以及其它固形物的懸浮；本實(shí)用新型的反應(yīng)器密封容器由立式簡體、夾套及上下封頭組成，其中上封頭采用橢圓封頭，下封頭采用碟形封頭。
本實(shí)用新型的工作原理如下啟動氣液混合強(qiáng)化器，一般控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在1200～3000轉(zhuǎn)/分鐘之間，轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)促使液流激烈湍動，使轉(zhuǎn)子周圍的動能增加而位能減少，從而轉(zhuǎn)子周圍高動能的液體壓力低于轉(zhuǎn)子中心低動能的液體壓力，形成負(fù)壓狀態(tài)，外源空氣通過進(jìn)氣管，再經(jīng)轉(zhuǎn)子氣孔被分散于液體中。液體從氣液混合強(qiáng)化器的上部空間吸入，在葉輪的推動力下經(jīng)定子射流通道噴射入液體中。由于水流噴射極強(qiáng)，空氣分割成眾多細(xì)小氣泡，細(xì)小氣泡緩慢上升，在水中停留時間長，因而空氣中的氧充分被溶解和吸收，達(dá)到較高的傳氧效果。這樣通過氣液混合強(qiáng)化器不斷的在反應(yīng)器底部引入外源氣體，并被攪拌分散，周而復(fù)始，形成均勻的氣液混合體系。其具體的外源空氣的壓力取決于氣液混合強(qiáng)化器的結(jié)構(gòu)尺寸、培養(yǎng)液性質(zhì)、培養(yǎng)反應(yīng)體系要求等多種因素，比如轉(zhuǎn)子與反應(yīng)器直徑比愈大，轉(zhuǎn)速愈高，液柱高度愈低、料液比重愈大，則外源空氣可以適當(dāng)降低。
通過功能組合和操作條件的改變，本實(shí)用新型可為各種微生物生長代謝的提供良好而滿意的環(huán)境。
對比例1采用有效容積為1000L的“標(biāo)準(zhǔn)罐”進(jìn)行黑曲糖化酶的發(fā)酵生產(chǎn)，在發(fā)酵時間137小時，酶活力為6635單位/毫升，酶的生成速率為48.43單位/毫升/小時。而采用100L的本實(shí)用新型的旋流、充氣組合式生化反應(yīng)器，在發(fā)酵時間136.5小時，酶活力單位已達(dá)9807單位/毫升，酶的生成速率為71.85單位/毫升/小時，是“標(biāo)準(zhǔn)罐”的1.5倍。同時旋流、充氣組合式生化反應(yīng)器具有高效的充氣作用，其通氣率為一般“標(biāo)準(zhǔn)罐”的25％～30％左右就能到達(dá)相同的產(chǎn)率。
應(yīng)用旋流、充氣組合式生化反應(yīng)器，發(fā)酵醪含酶活力高，產(chǎn)酶速度快，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比“標(biāo)準(zhǔn)罐”先進(jìn)，能有效降低糖化酶成本。
對比例2采用有效容積為15L的“標(biāo)準(zhǔn)罐”進(jìn)行檸檬酸的傳統(tǒng)分批發(fā)酵，經(jīng)過71小時的發(fā)酵，其產(chǎn)酸率達(dá)到10.8％，平均轉(zhuǎn)化率為75.6％。而采用本實(shí)用新型的10L旋流、充氣組合式生化反應(yīng)器，在發(fā)酵時間62小時，其產(chǎn)酸率達(dá)到12.8％，轉(zhuǎn)化率為96.0％。通過實(shí)驗(yàn)測試表明旋流、充氣組合式生化反應(yīng)器其氧氣有效轉(zhuǎn)傳輸率能達(dá)到1.5～2.0kg/kw.h，比傳統(tǒng)的通分?jǐn)嚢柘到y(tǒng)提高50～70％，節(jié)約能耗50％左右。
權(quán)利要求1.一種旋流、充氣組合式生化反應(yīng)器，它包括有攪拌器電機(jī)(1)、電機(jī)支架(2)、排氣口(4)、接種或補(bǔ)料口(5)、刮沫器(6)、手孔或人孔(7)、進(jìn)氣管(9)、夾套(11)及罐體，其特征在于反應(yīng)器上還裝有軸流攪拌裝置(8)、氣液混合強(qiáng)化器(14)和擋板(10)，所述的軸流攪拌裝置(8)采用下伸軸形式安裝于反應(yīng)器上層位置，所述的氣液混合強(qiáng)化器(14)安裝于反應(yīng)器底部中央，所述的擋板(10)安裝在反應(yīng)器罐體內(nèi)壁。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋流、充氣組合式生化反應(yīng)器，其特征在于所述的反應(yīng)器上封頭為橢圓封頭，下封頭為碟形、錐形或平底封頭。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋流、充氣組合式生化反應(yīng)器，其特征在于所述的軸流攪拌裝置(8)其配置的槳葉為三斜葉攪拌器，軸流方向向下，軸流攪拌裝置(8)的攪拌軸上端裝有機(jī)械密封(3)，下端設(shè)有軸承底座(12)，軸承底座(12)固定在反應(yīng)器周壁上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋流、充氣組合式生化反應(yīng)器，其特征在于所述的氣液混合強(qiáng)化器(14)主要包括混合器電機(jī)(22)、底部托盤(20)、通氣罩(17)、定子(18)、轉(zhuǎn)子(19)及磁力傳動件(21)，轉(zhuǎn)子(19)配合定子(18)在定子(18)內(nèi)高速運(yùn)轉(zhuǎn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的旋流、充氣組合式生化反應(yīng)器，其特征在于所述的轉(zhuǎn)子(19)與混合器電機(jī)(22)的連接方式采用磁力傳動及二級電機(jī)驅(qū)動。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的旋流、充氣組合式生化反應(yīng)器，其特征在于所述的定子(18)設(shè)有射流通道(23)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的旋流、充氣組合式生化反應(yīng)器，其特征在于所述的定子(18)的射流通道(23)為傾斜設(shè)計，傾斜角度為8～32度，射流通道的數(shù)量為8～16個。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的旋流、充氣組合式生化反應(yīng)器，其特征在于所述的轉(zhuǎn)子(19)的轉(zhuǎn)子葉片(24)數(shù)量為3～6片。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的旋流、充氣組合式生化反應(yīng)器，其特征在于所述轉(zhuǎn)子葉片(24)為直葉或后掠式，轉(zhuǎn)子(19)空腔壁上開有氣孔(25)，氣孔(25)數(shù)量為轉(zhuǎn)子葉片(24)數(shù)量的1～2倍。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的旋流、充氣組合式生化反應(yīng)器，其特征在于所述的轉(zhuǎn)子(19)帶有四氟套(16)，四氟套(16)固定在通氣罩(17)上，轉(zhuǎn)子(19)外側(cè)面與四氟套(16)滑動連接。
專利摘要本實(shí)用新型屬于化工設(shè)備領(lǐng)域，公開了一種旋流、充氣組合式生化反應(yīng)器，該反應(yīng)器包括有攪拌器電機(jī)(1)、電機(jī)支架(2)、排氣口(4)、接種或補(bǔ)料口(5)、刮沫器(6)、手孔或人孔(7)、進(jìn)氣管(9)、夾套(11)及罐體，同時反應(yīng)器上還裝有軸流攪拌裝置(8)、氣液混合強(qiáng)化器(14)和擋板(10)；整個反應(yīng)器結(jié)構(gòu)緊湊，設(shè)備制造和維護(hù)費(fèi)用低；同時本裝置具有氣液接觸面積大，動力效率高，攪拌混合充分等優(yōu)點(diǎn)，該反應(yīng)器尤其適用于食品、醫(yī)藥、環(huán)保等生物工程行業(yè)中微生物的生長代謝。
文檔編號C12M1/04GK2890062SQ20052007480
公開日2007年4月18日 申請日期2005年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月23日
發(fā)明者洪厚勝, 張慶文, 張繼民, 歐陽平凱 申請人:南京工業(yè)大學(xué)