專利名稱：離心力場逆流傳質(zhì)生物反應器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種生物反應器，特別是離心力場逆流傳質(zhì)生物反應器。
現(xiàn)有的好氧型生物反應器主要包括機械攪拌式生物反應器、氣升環(huán)流式生物反應器及高位塔式生物反應器等幾大類。其供氧的機理全都基于深層鼓泡，即壓縮空氣從反應器底部吹入，在向上穿過培養(yǎng)液的過程中實現(xiàn)氧從氣相至液相的傳遞。這就必然導致了現(xiàn)有生物反應器存在的兩個不易克服的不盡如人意之處1.壓縮空氣從反應器的底部吹入，一般都要求有一定的初始速度，同時又需克服數(shù)米至數(shù)十米的培養(yǎng)液柱所產(chǎn)生的壓強，這就要求壓縮空氣必須具備足夠高的靜壓強，一般不低于2.0-4.0Kgf/cm2。從而使制備壓縮空氣的能耗很高，在產(chǎn)品最終成本中所占的比例也始終居高不下。
2.空氣自下而上穿過培養(yǎng)液的過程中，受氣泡的聚并及現(xiàn)有二次分散器件如機械攪拌、靜態(tài)混合元件、篩板等的分散能力的限制，單位體積培養(yǎng)液內(nèi)的氣液接觸面積和傳質(zhì)效率都受到一定程度的局限?？諝庵写蟛糠盅鯕馕幢焕镁蛷呐囵B(yǎng)液中逸出。從而空氣中氧氣及鼓入空氣所消耗的能量利用率很低。
本實用新型的目的是克服現(xiàn)有生物反應器存在的上述不足，提供了一種采用新型氣液傳質(zhì)方式的生物反應器。具體說是離心力場逆流傳質(zhì)生物反應器。該反應器以在液面以上混合轉(zhuǎn)子所提供的離心力場中進行高效逆流氣液傳質(zhì)替代液下深層鼓泡，并與軸流葉輪及導流筒配合，在反應器內(nèi)組織起良好的培養(yǎng)液內(nèi)循環(huán)來實現(xiàn)氧的供給。從而達到大幅降低壓縮空氣靜壓強、同時強化氣液傳質(zhì)的目的。
本實用新型的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的離心力場逆流傳質(zhì)生物反應器，包括罐體、機械攪拌裝置、換熱裝置及附屬工藝管口。其攪拌裝置的特征為在培養(yǎng)液面以下的攪拌軸上設置若干層上排液軸流攪拌槳，在攪拌槳外圍設置與攪拌軸同軸的可隨軸同步轉(zhuǎn)動或與罐體相對固定的導流筒；在液面以上的攪拌軸上設置類似旋轉(zhuǎn)床結(jié)構(gòu)的離心混合轉(zhuǎn)子。當攪拌軸以一定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動時，軸流攪拌槳與導流筒配合，將反應器底部的培養(yǎng)液在導流筒內(nèi)向上推送，進入液面上方的離心混合轉(zhuǎn)子中，從轉(zhuǎn)子中心的液體分配器噴出，并在離心力場中沿混合轉(zhuǎn)子中的環(huán)形填料床徑向向外移動。壓縮空氣從設置在罐體頂部的進氣口通入充滿反應器液面以上區(qū)域并維持一定壓力。排氣管的前段為空心攪拌軸內(nèi)的空腔管或?qū)嵭臄嚢栎S外的同心管，在罐內(nèi)與離心混合轉(zhuǎn)子的中心區(qū)域相連，罐外通過排氣管后段與外界大氣相連。新鮮空氣在壓力梯度的作用下，從離心轉(zhuǎn)子的周邊向中心排氣管前段移動。在填料床中與培養(yǎng)液進行激烈的大接觸面的高效逆流傳質(zhì)，將大量氧氣溶入培養(yǎng)液并帶走培養(yǎng)液中生物反應產(chǎn)生的二氧化碳。經(jīng)過混合轉(zhuǎn)子高效傳質(zhì)的富氧培養(yǎng)液被離心力甩出落至導流筒外的液面，隨反應器內(nèi)由軸流攪拌槳與導流筒組織起來的液體流型在導流筒外向反應器底部流動，隨后被抽吸入導流筒內(nèi)并由軸流葉輪向上推送再次進入離心混合轉(zhuǎn)子。如此循環(huán)，使培養(yǎng)液反復與新鮮空氣混合，以滿足生物反應的需氧量。針對于個別固相含量高且沉降速度快的培養(yǎng)液，為避免固相的沉積，可在反應器底部設置擾流擋板。
本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點和效果1.由于采用在液面以上混合轉(zhuǎn)子所提供的離心力場中進行高效逆流氣液傳質(zhì)替代液下深層鼓泡，使對壓縮空氣靜壓強的要求從2.0-4.0Kgf/cm2以上降至0.5Kgf/cm2以下，從而可大幅節(jié)約制備壓縮空氣的能耗。
2.在離心混合轉(zhuǎn)子中進行的逆流傳質(zhì)，氣液兩相接觸面積大、相間膜表面更新速度快、傳質(zhì)效率高，從而大大提高了空氣中氧氣的利用率。較傳統(tǒng)的生物反應器可顯著節(jié)約空氣用量、縮短生產(chǎn)周期、提高生產(chǎn)指數(shù)。
以下結(jié)合附圖對本實用新型作詳細說明附圖一是本實用新型離心力場逆流傳質(zhì)生物反應器的結(jié)構(gòu)示圖。
附圖二是本實用新型離心力場逆流傳質(zhì)生物反應器離心混合轉(zhuǎn)子的立體示意圖。
附圖三是本實用新型離心力場逆流傳質(zhì)生物反應器離心混合轉(zhuǎn)子的軸向剖視圖。
圖中1-驅(qū)動裝置，2-攪拌軸，3-排氣管前段與排氣管后段之間的動密封連接部件，4-排氣管后段，5-離心混合轉(zhuǎn)子，5-1-軸套，5-2-上導流筒，5-3-液體分配器，5-4-排氣管前段，5-5-填料床，5-6-填料床上面板，6-7-填料床下面板，5-8-上導流筒與軸套的固接支撐，5-9-排氣管前段與軸套的固接支撐，5-10-填料，5-11-液體噴出口，6-上排液輔流攪拌槳，7-下導流筒與罐體的固接支撐，8-半圓管，9-下導流筒，10-出料管，11-底軸承，12-培養(yǎng)液液面，13-罐體，14-進料口，15-空氣進口，16-機械密封，17-鍵。
參照

實施例如下圖一為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖，在罐體13上開設進氣管15、進料管14、排料管10等任何工藝所要求的管口。在罐體13外壁纏繞半圓管8，內(nèi)通換熱介質(zhì)以維持生物反應所需的適宜溫度。攪拌軸2由驅(qū)動裝置1驅(qū)動，下軸頭通過底軸承11定位。在正常裝料液面12以下的攪拌軸上，安裝兩層上排液軸流攪拌槳6，在攪拌槳6外設置與攪拌軸2同心的下導流筒9，下導流筒9通過支撐7固定在罐體13內(nèi)壁上。在正常裝料液面12以上的攪拌軸上固裝離心混合轉(zhuǎn)子5，轉(zhuǎn)子下方延伸出上導流筒5-2，可延伸至液面以下與下導流筒9以小間距相接。在上導流筒5-2內(nèi)攪拌軸上設置一層上排液軸流攪拌槳6；離心混合轉(zhuǎn)子5上方延伸出排氣管前段5-4通過動密封連接部件3與罐外排氣管后段4相連，排氣管前段5-4與罐體13通過機械密封16實現(xiàn)動密封。當攪拌軸2以一定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動時，培養(yǎng)液在罐內(nèi)所形成的流型如圖一中帶箭頭實線所示，其特征為下導流筒9內(nèi)的培養(yǎng)液在軸流攪拌6的推送下向上流動，進入上導流筒5-2又經(jīng)軸流葉輪6 加壓后進入離心混合轉(zhuǎn)子5中心，之后在離心力的作用下從混合轉(zhuǎn)子5邊緣甩出落入上導流筒5-2外液面并向下流動，再次從罐底被抽吸入下導流筒9。新鮮空氣的運動軌跡如圖一中帶箭頭虛線所示，其特征為自罐頂進氣口15通入的新鮮空氣充滿反應器培養(yǎng)液面以上的空間，并維持一定壓力。在壓力梯度的作用下，從混合轉(zhuǎn)子5的四周邊緣向轉(zhuǎn)子中心的排氣管前段5-4流動，之后從排氣管4排至外界。氣液兩相在離心混合轉(zhuǎn)子的填料床5-5中進行高效的逆流傳質(zhì)。
如圖二、圖三所示離心混合轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)，軸套5-1通過鍵17與攪拌軸2配合安裝，可使混合轉(zhuǎn)子5隨軸2同步旋轉(zhuǎn)。在軸套5-1外自下而上依次固裝上導流筒5-2、液體分配器5-3及排氣管前段5-4。在液體分配器5-3外圍一定距離固裝環(huán)形填料床5-5，床內(nèi)填充適于氣液傳質(zhì)的填料或混合元件，圖中以同心圓環(huán)平板填料5-10為例。填料床的上面板5-6、下面板5-7分別與排氣管前段54及上導流筒5-2外緣固連，實現(xiàn)填料床5-5的上下封閉。上導流筒5-2通過支撐5-8固裝在軸套5-1上。上導流筒5-2的上方連接液體分配器5-3，液體分配器5-3為上端封閉、截面為六角形的中空葉輪，葉輪尖端開有縱縫作為液體噴出口5-11，培養(yǎng)液自液體分配器5-11噴出的范圍應全部覆蓋環(huán)形填料床的內(nèi)圓周面。液體分配器5-3上方設置排氣管前段5-4靠支撐5-9固定于軸套5-1上，其內(nèi)徑小于液體分配器5-3外徑。當離心混合轉(zhuǎn)子5以一定的轉(zhuǎn)速隨攪拌軸2轉(zhuǎn)動時，培養(yǎng)液自上導流筒5-2進入液體分配器5-3，從液體分配器5-3邊緣的噴出口5-11噴出，然后在離心力的作用下通過環(huán)形填料床5-5從混合轉(zhuǎn)子5的周邊甩出。而空氣則由混合轉(zhuǎn)子5的周邊進入環(huán)形填料床5-5，與培養(yǎng)液逆流傳質(zhì)后，進入轉(zhuǎn)子中心區(qū)域，因液體分配器5-3為葉輪狀結(jié)構(gòu)，所以，當混合轉(zhuǎn)子5轉(zhuǎn)動時，在轉(zhuǎn)子中心又形成區(qū)域性的離心力場，將氣體中所夾帶的培養(yǎng)液分離，無液體夾帶的氣體則經(jīng)排氣管前段5-4及排氣管4排出。
本實用新型所涉及的離心力場逆流傳質(zhì)生物反應器離心混合轉(zhuǎn)子中的填料床5-5可根據(jù)所培養(yǎng)生物的類型及培養(yǎng)液的流體力學性質(zhì)，配置相應的填料或混合元件，對其的主要評價指標為提供的氣液接觸面積、氣液湍動程度及對氣液兩相的阻力損失。
權(quán)利要求1.一種離心力場逆流傳質(zhì)生物反應器，包括罐體、機械攪拌裝置、換熱裝置及附屬工藝管口，其特征為在培養(yǎng)液面以下的攪拌軸上設置若干層上排液軸流攪拌槳，在攪拌槳外圍設置與攪拌軸同軸的可隨軸同步轉(zhuǎn)動或與罐體相對固定的導流筒，在液面以上的攪拌軸上設置供氣液逆流傳遞用的離心混合轉(zhuǎn)子。
2.按權(quán)利要求1所述的離心力場逆流傳質(zhì)生物反應器，其特征為離心混合轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)為在與攪拌軸配合并可隨之同步轉(zhuǎn)動的軸套外緣自下而上依次固裝上導流筒、液體分配器、排氣管前段，在液體分配器外圍一定距離固裝環(huán)形填料床，填料床的上下面板分別與排氣管前段及導流筒的外緣固連，實現(xiàn)填料床的上下封閉。
3.按權(quán)利要求1所述的離心力場逆流傳質(zhì)生物反應器，其特征為離心混合轉(zhuǎn)子中的排氣管前段可以是空心攪拌軸內(nèi)的空腔管，也可以是實心攪拌軸外的同心管。
4.按權(quán)利要求1所述的離心力場逆流傳質(zhì)生物反應器，其特征為離心混合轉(zhuǎn)子中的液體分配器為上端封閉、截面為多角形的中空葉輪，葉輪尖端開有縱縫供液體噴出。
5.按權(quán)利要求1所述的離心力場逆流傳質(zhì)生物反應器，其特征為離心混合轉(zhuǎn)子中的填料床可根據(jù)目標生物類型及培養(yǎng)液的流體力學性質(zhì)，配置相應的混合元件或填料。
專利摘要一種離心力場逆流傳質(zhì)生物反應器，包括罐體、機械攪拌裝置、換熱裝置及附屬工藝管口。在培養(yǎng)液面以下的攪拌軸上設置若干層上排液軸流攪拌槳，在攪拌槳外圍設置與攪拌軸同軸的導流筒；在液面以上的攪拌軸上固裝離心混合轉(zhuǎn)子。以在離心混合轉(zhuǎn)子所提供的離心力場中進行高效氣液逆流傳質(zhì)替代液下深層鼓泡，并與軸流葉輪及導流筒配合在反應器內(nèi)組織起良好的培養(yǎng)液內(nèi)循環(huán)來實現(xiàn)氧的供給?？纱蠓档蛪嚎s空氣靜壓強從而節(jié)約能耗，同時顯著強化氣液傳遞。
文檔編號C12M1/00GK2542671SQ02236309

公開日2003年4月2日 申請日期2002年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月20日
發(fā)明者方民 申請人:方民