專利名稱：一體化的供氧與攪拌裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生物反應(yīng)器的供氧和攪拌裝置，尤其是一種集供氧和攪拌功能于一身的裝置。
按照傳統(tǒng)理論，在任何有氧發(fā)酵裝置或生物反應(yīng)器系統(tǒng)中，供氧和攪拌是相互獨(dú)立的兩個系統(tǒng)。參見中國專利95113902.9和91217060.3。
供氧系統(tǒng)一般由供氣源、通氣管道、氣體分布器組成。常見的供氣源包括鼓風(fēng)機(jī)、空氣壓縮機(jī)、空氣/氧氣瓶或氧氣發(fā)生器；氣體分布器可以作出管狀或盤狀等不同的形狀，根據(jù)具體需要而分布不同大小的出氣孔。如果根據(jù)通氣供氧的不同方式進(jìn)行分類，使用這些供氣源的供氧系統(tǒng)都屬于吹入式通氣系統(tǒng)。吹入式通氣供氧的典型裝置如

圖1所示，氧氣/空氣由進(jìn)氣管道1進(jìn)入氣體分布器2，然后從氣體分布器的出氣孔進(jìn)入培養(yǎng)液。
攪拌系統(tǒng)一般由電動機(jī)3，傳動軸4和攪拌槳5組成。根據(jù)不同的情況，可以把攪拌系統(tǒng)安裝在生物反應(yīng)器的頂部進(jìn)行上攪拌，或把攪拌槳安裝在生物反應(yīng)器的底部進(jìn)行下攪拌。除了上攪拌和下攪拌的區(qū)別之外，不同生物反應(yīng)器的攪拌系統(tǒng)主要在攪拌槳葉片輪的形狀、數(shù)目、大小上有所差異，以用來適應(yīng)不同目的和種類的發(fā)酵罐和生物反應(yīng)器。
傳統(tǒng)的吹入式供氧系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是供氣量的控制和測量都比較容易實(shí)現(xiàn)、過程簡單；但是，由于進(jìn)氣分布裝置的設(shè)計有比較大的難度，往往難以滿足實(shí)際需要，而且出氣孔易堵塞；另外，供氣源的壓力損失隨布?xì)庋b置在罐體中的深度增加而增大，氧氣的轉(zhuǎn)化利用率較低。
為了解決上述吹入式供氧系統(tǒng)的缺陷，美國工程師T.A.Rowand于1927年研制出了吸入式供氧系統(tǒng)，參見美國專利1.726,125。德國科學(xué)家Hubert Fuchs在70年代初將此吸入式供氧系統(tǒng)用于高溫好氧發(fā)酵系統(tǒng)。吸入式供氧系統(tǒng)的典型裝置如圖2所示，它直接從大氣中吸取空氣，不象吹入式系統(tǒng)那樣需要供氣源。其工作原理是葉輪9由電動機(jī)10帶動在液體中高速旋轉(zhuǎn)，使液體產(chǎn)生渦流，從而在葉輪周圍的局部區(qū)域形成負(fù)壓。在內(nèi)外壓力差的推動下，空氣從發(fā)酵罐外經(jīng)導(dǎo)氣管11進(jìn)入培養(yǎng)液中。被吸入的空氣在葉輪與液體的相對作用下形成微小的氣泡，擴(kuò)散到液體中去。此后，在該技術(shù)的基礎(chǔ)上又發(fā)展起來多種吸入式供氧裝置，如美國專利2,609,189；3,584,840；3,796,417；4,018,859；5,013,490；加拿大專利2232581和2054044；法國專利1474582。它們除了在結(jié)構(gòu)上略有差異外，作用原理都是一樣的。
吸入式供氧系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是省去了供氣源，減少了由供氣源以及布?xì)庀到y(tǒng)產(chǎn)生的安裝及維修保養(yǎng)間題。但是，吸入式供氧系統(tǒng)也有其局限性，具體表現(xiàn)在1)只能向生物反應(yīng)器中提供空氣，當(dāng)需要培養(yǎng)液具有較高的溶解氧濃度時，該裝置就難以滿足其需要；2)不易實(shí)現(xiàn)吸入氣體的滅菌和凈化，容易造成培養(yǎng)液污染雜菌；3)必需保證葉輪在一定的轉(zhuǎn)速以上，才能形成足夠的負(fù)壓以吸入空氣；但是，這時的葉輪轉(zhuǎn)速往往又難以達(dá)到理想的攪拌效果；4)葉輪的形狀設(shè)計和轉(zhuǎn)速選擇是以吸氣為主要目的，未必能夠滿足對攪拌的設(shè)計要求和操作要求；5)開口式的導(dǎo)氣管或葉輪進(jìn)氣管在局部易堵塞，造成進(jìn)氣困難；6)由于是被動式的供氣方式，進(jìn)氣量測量與監(jiān)控比較困難，不利于過程的控制。
本發(fā)明將吹入式供氧系統(tǒng)與攪拌系統(tǒng)合二為一，設(shè)計了一體化的供氧攪拌裝置，它由傳動系統(tǒng)、導(dǎo)氣系統(tǒng)和攪拌槳總成組成，導(dǎo)氣系統(tǒng)的兩端分別與傳動系統(tǒng)和攪拌槳總成相連接。
由該設(shè)計方案制造的供氧攪拌裝置，具有同步供氧與攪拌的功能，并可以單獨(dú)控制通氣量的大小和攪拌轉(zhuǎn)速，避免了吸入式供氧系統(tǒng)的供氧效率對攪拌轉(zhuǎn)速的依賴。從外表上看，一體化供氧攪拌裝置類似于普通的攪拌系統(tǒng)，但其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和設(shè)計則有很大的不同。
1)傳動系統(tǒng)傳動系統(tǒng)可以包括電動機(jī)、機(jī)架、軸套。軸套將電動機(jī)傳動軸和攪拌軸連接在一起，維修時可以在此處拆卸開。傳動系統(tǒng)的功能是給攪拌軸提供攪拌動力。根據(jù)不同的需要，可以將傳動系統(tǒng)安裝在生物反應(yīng)器的上法蘭或者罐底部。
2)導(dǎo)氣系統(tǒng)導(dǎo)氣系統(tǒng)可以包括進(jìn)氣管、導(dǎo)氣座總成和輸氣攪拌軸。進(jìn)氣管的外端口用于與供氣管道相接，內(nèi)端通入導(dǎo)氣座的氣室。攪拌軸為穿過導(dǎo)氣座氣室的中空軸，其上端與電動機(jī)傳動軸相連的部分是實(shí)心段。攪拌軸在穿過導(dǎo)氣座氣室的區(qū)域開有適量的進(jìn)氣孔，使導(dǎo)氣座氣室中的氣體可以進(jìn)入其內(nèi)部的空腔，即使在攪拌軸轉(zhuǎn)動的過程中，氣體也可以暢通。
導(dǎo)氣系統(tǒng)的功能是為外界的氧氣/空氣到攪拌槳總成提供一條通道，并且將電動機(jī)傳動軸的攪拌動力傳遞到攪拌槳總成。
3)攪拌槳總成攪拌槳總成可以包括錐型加固罩、連接套、布?xì)獗P和攪拌槳組成。連接套套接在輸氣攪拌軸一端的外面，其外邊固定有錐型加固罩，這種結(jié)構(gòu)可以使攪拌槳葉片與攪拌軸連接得更加牢固。錐型加固罩的外緣固定有合適數(shù)量的攪拌槳葉片。布?xì)獗P位于錐型加固罩的下面，并固定在輸氣攪拌軸或其外面的連接套上，外緣與攪拌槳葉片相連接。
攪拌槳總成的功能是使輸氣導(dǎo)氣軸中的氧氣/空氣以微泡的形式均勻地導(dǎo)入發(fā)酵罐，同時利用攪拌軸傳遞過來的動能充分?jǐn)噭影l(fā)酵罐內(nèi)的培養(yǎng)液，滿足培養(yǎng)的需要。
輸氣攪拌軸在與布?xì)獗P相連的部分可以開有出氣孔。
布?xì)獗P為中空結(jié)構(gòu)，其底部可以由微孔剛性材料制成。
布?xì)獗P外緣在與攪拌槳葉片相連接處可以開有小孔。
攪拌槳葉片在與布?xì)獗P外緣相連接處可以開有小孔。
攪拌槳葉片可以為中空結(jié)構(gòu)，葉片背部由微孔剛性材料制成。
一體化供氧攪拌裝置的工作原理如下氧氣/空氣由進(jìn)氣管進(jìn)入導(dǎo)氣座的氣室，再經(jīng)輸氣攪拌軸的進(jìn)氣孔進(jìn)入輸氣攪拌軸內(nèi)氣腔，到達(dá)另一端后，由出氣孔進(jìn)入攪拌槳總成。由于攪拌槳總成的布?xì)獗P底部以及攪拌槳葉片的背部均由微孔剛性材料特制而成，進(jìn)入攪拌槳總成的氧氣/空氣由布?xì)獗P底部以及攪拌槳葉片背部的微孔以微細(xì)的氣泡形式滲入培養(yǎng)液。
由于攪拌槳作順時針方向轉(zhuǎn)動，液體產(chǎn)生的阻力主要作用在槳葉的正面，即迎水面(由光面剛性材料制成)；而其背部(逆水面)與培養(yǎng)液之間則形成局部真空，布?xì)獗P的底部也由于攪拌槳旋轉(zhuǎn)運(yùn)動形成渦流而造成局部真空。由于氣體是在局部真空區(qū)域進(jìn)入培養(yǎng)液，避免了水阻力和水頭壓力造成的壓力損失，從而降低了對供氣源壓力的要求，減少了供氣源的能源消耗。
該設(shè)計除了能降低供氣源的能源消耗之外，還能提高供氧效率。其原理是氧轉(zhuǎn)換率與溶解氧成正比，而溶解氧與氣泡的大小成反比。在本發(fā)明的裝置中，布?xì)獗P底部以及攪拌槳葉片的背部均采用特制微孔滲透材料，孔徑可小于5微米，使氣體以微細(xì)的氣泡滲入培養(yǎng)液，增加了溶解氧濃度。其次，從布?xì)獗P底部以及攪拌槳葉片的背部進(jìn)入培養(yǎng)液的微細(xì)氣泡在接觸液體的瞬間即受到攪拌槳葉片正面的撞擊，變成更微細(xì)小的氣泡，在不斷攪拌的作用下迅速擴(kuò)散并溶入液體中，因此培養(yǎng)液的溶解氧含量較傳統(tǒng)給氧方式更高。
一體化供氧攪拌裝置集供氧和攪拌功能于一身，與傳統(tǒng)的吹入式和吸入式供氧系統(tǒng)相比較，其具有以下優(yōu)點(diǎn)1)結(jié)構(gòu)簡單，安裝與維護(hù)保養(yǎng)均方便容易，可以節(jié)省運(yùn)行開支；2)由于采用主動供氣方式，供氣可靠，易于監(jiān)測與控制；3)有多種不同的供氣源方式可供選擇；4)可以實(shí)現(xiàn)氣源的滅菌，去雜易于實(shí)現(xiàn)；5)對供氣源的壓力要求低，降低能源消耗；6)采用微孔供氣，可以提高培養(yǎng)液中的溶解氧含量，氧轉(zhuǎn)化率高，而且能夠降低供氧能耗；7)攪拌功能不受供氣功能的限制，能夠滿足多種攪拌需要。
圖2是吸入式通氣供氧的典型裝置。
圖3是一體化的供氧攪拌裝置。
圖4是一體化的供氧攪拌裝置的攪拌槳總成。
實(shí)施例1本發(fā)明設(shè)計了一套一體化的供氧攪拌裝置，它由三部分組成，如圖3所示。
1)傳動系統(tǒng)傳動系統(tǒng)由電動機(jī)13、機(jī)架14、軸套15組成。軸套15將攪拌軸18和電動機(jī)傳動軸連接在一起，維修時可以在此處拆卸開。傳動系統(tǒng)的功能是提供攪拌動力。根據(jù)不同的需要，可以將傳動系統(tǒng)安裝在生物反應(yīng)器的上法蘭或者罐底部。
2)導(dǎo)氣系統(tǒng)導(dǎo)氣系統(tǒng)由進(jìn)氣管16、導(dǎo)氣座總成17和輸氣攪拌軸18組成。進(jìn)氣管16的外端口用于與供氣管道相接，內(nèi)端通入導(dǎo)氣座的氣室20。攪拌軸18為穿過導(dǎo)氣座氣室20的中空軸，其上端與電動機(jī)傳動軸相連的部分是實(shí)心段，另一末端也是封閉的。攪拌軸在穿過導(dǎo)氣座氣室的區(qū)域開有適量的進(jìn)氣孔21，便導(dǎo)氣座氣室中的氣體可以進(jìn)入其內(nèi)部的氣腔22，即使在攪拌軸轉(zhuǎn)動的過程中，氣體也可以暢通。導(dǎo)氣系統(tǒng)的功能是為外界的氧氣/空氣到達(dá)攪拌槳總成19提供一條通道，并且將電動機(jī)傳動軸的攪拌動力傳遞到攪拌槳總成19。
3)攪拌槳總成如圖4所示，攪拌槳總成19由錐型加固罩40、連接套41、布?xì)獗P42和攪拌槳組成。連接套41套接在輸氣攪拌軸18的外面，其外邊固定有錐型加固罩40，這種結(jié)構(gòu)可以使攪拌槳葉片與攪拌軸連接得更加牢固。錐型加固罩的外緣固定有合適數(shù)量的攪拌槳葉。布?xì)獗P42是空心圓盤，位于錐型加固罩40的底部，并固定在輸氣攪拌軸18或其外面的連接套41上，其外緣與攪拌槳葉片相連接，二者均在相連處開孔，形成氣體通道。布?xì)獗P底部以及攪拌槳葉片的背部均采用特制微孔不銹鋼材料。輸氣攪拌軸18在與布?xì)獗P42相連的部分開有合適數(shù)量的出氣孔44，使輸氣攪拌軸中的氣體能夠到達(dá)攪拌槳葉片，然后從攪拌槳葉片背部43的布?xì)饪滓莩鲞M(jìn)入培養(yǎng)液。培養(yǎng)液的微細(xì)氣泡在接觸液體的瞬間即受到攪拌槳葉片正面45的撞擊，變成更細(xì)小的氣泡，在不斷攪拌的作用下迅速擴(kuò)散并溶入液體中。攪拌槳總成的功能是將適量的氧氣/空氣以微泡的形式均勻地導(dǎo)入發(fā)酵罐，同時利用攪拌軸傳遞過來的動能充分?jǐn)嚢璋l(fā)酵罐內(nèi)的培養(yǎng)液，滿足培養(yǎng)的需要。
在具體設(shè)計一體化的供氧攪拌裝置時，要根據(jù)生物反應(yīng)器的大小和培養(yǎng)用途的不同，確定合適的攪拌槳葉片的形狀、個數(shù)、面積以及電動機(jī)的功率。
根據(jù)本發(fā)明的原理，申請人制造了適用于1000升發(fā)酵罐的一體化供氧攪拌裝置，并制造了一套采用相同樣式和面積(450平方厘米)的攪拌槳葉片的傳統(tǒng)吹入式供氧攪拌裝置，然后使用它們向同一高溫好氧發(fā)酵系統(tǒng)的培養(yǎng)液中供氧，對分別得到的溶解氧含量進(jìn)行比較，實(shí)驗(yàn)條件與結(jié)果如下。
實(shí)驗(yàn)條件培養(yǎng)液成分有機(jī)廢棄物勻漿培養(yǎng)液中的固含量10％培養(yǎng)液體積1000升反應(yīng)溫度65℃攪拌速度100轉(zhuǎn)/分供氣量25升/分出氣口距液面深度1.2米兩系統(tǒng)的功率配置與測得的溶解氧含量如表1所示一體化供氧攪拌裝置 吹入式供氧攪拌裝置攪拌電機(jī)功率1.5HP 1.5HP供氣泵功率 0.09HP 2HP溶解氧(mg/L)5-7mg/L ＜1mg/L從表1中可以看出，一體化供氧攪拌裝置對供氣源的壓力要求低，節(jié)省供氣源能源消耗，并增加了溶解氧含量，氧轉(zhuǎn)化率較高。
權(quán)利要求
1.一體化的供氧與攪拌裝置，其特征在于，它由傳動系統(tǒng)、導(dǎo)氣系統(tǒng)和攪拌槳總成組成，導(dǎo)氣系統(tǒng)的兩端分別與傳動系統(tǒng)和攪拌槳總成相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一體化的供氧與攪拌裝置，其特征在于，所述的導(dǎo)氣系統(tǒng)包括進(jìn)氣管(16)、導(dǎo)氣座總成(17)和輸氣攪拌軸(18)，導(dǎo)氣座總成的內(nèi)部有一個氣室(20)，輸氣攪拌軸的內(nèi)部有一個導(dǎo)氣氣腔(22)；進(jìn)氣管的一端露出在導(dǎo)氣座總成之外，另一端與導(dǎo)氣座總成內(nèi)部的氣室連通，輸氣攪拌軸從氣室中穿過，并在穿過導(dǎo)氣座氣室的區(qū)域開有進(jìn)氣孔(21)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一體化的供氧與攪拌裝置，其特征在于，所述的攪拌槳總成(19)包括錐型加固罩(40)、連接套(41)布?xì)獗P(42)和攪拌槳，連接套套接在輸氣攪拌軸的外面，連接套外邊固定有錐型加固罩，錐型加固罩的外緣固定有攪拌槳葉片，布?xì)獗P位于錐型加固罩的下面，并固定在輸氣攪拌軸或其外面的連接套上，其外緣與攪拌槳葉片相連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一體化的供氧與攪拌裝置，其特征在于，所述的輸氣攪拌軸在與布?xì)獗P相連的部分開有出氣孔。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一體化的供氧與攪拌裝置，其特征在于，所述的布?xì)獗P外緣在與攪拌槳葉片相連接處開有小孔。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一體化的供氧與攪拌裝置，其特征在于，所述的攪拌槳葉片在與布?xì)獗P外緣相連接處開有小孔。
7.根據(jù)權(quán)利要求3、5、6所述的一體化的供氧與攪拌裝置，其特征在于，所述的攪拌槳葉片為中空結(jié)構(gòu)，葉片背部由微孔剛性材料制成。
8.根據(jù)權(quán)利要求3、4、5、6所述的一體化的供氧與攪拌裝置，其特征在于，所述的布?xì)獗P為中空結(jié)構(gòu)，布?xì)獗P底部由微孔剛性材料制成。
全文摘要
本發(fā)明設(shè)計了一種一體化的供氧與攪拌裝置，它由傳動系統(tǒng)、導(dǎo)氣系統(tǒng)和攪拌槳總成組成，能夠?qū)崿F(xiàn)同步供氧與攪拌。與其它系統(tǒng)相比較，本系統(tǒng)的供氧效率高，能源消耗低，結(jié)構(gòu)簡單，維修方便。
文檔編號C12M1/04GK1431289SQ0310455
公開日2003年7月23日 申請日期2003年2月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月18日
發(fā)明者王曉軍 申請人:王曉軍