一種新型機(jī)械攪拌葉輪微膜曝氣生物反應(yīng)器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種新型機(jī)械攪拌葉輪曝氣生物反應(yīng)器，該生物反應(yīng)器的采用微膜曝氣攪拌葉輪，當(dāng)葉輪兩個(gè)時(shí)，葉輪（8）與（11）之間通過轉(zhuǎn)動(dòng)軸（9）連接，并由中心定位器（10）達(dá)到整體平衡；葉輪由微膜攪拌曝氣葉片和具有反絲緊鎖的攪拌軸套組成，攪拌器的葉輪整體直徑是罐體（1）直徑的0.15~0.5倍；葉輪的葉片折角為17040/?；葉片與攪拌軸套的安裝角度為450或600?。該攪拌葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)使膜片與溶液形成錯(cuò)流，不斷的沖刷膜表面防止曝氣膜孔的堵塞。優(yōu)選的是推進(jìn)式葉片能滿足高耗氧低剪切的發(fā)酵體。優(yōu)選的，該生物反應(yīng)器的密封連接如圖2和圖3采用特殊的緊鎖反絲的方式，既防止發(fā)酵污染又有利于拆修。
【專利說明】一種新型機(jī)械攪拌葉輪微膜曝氣生物反應(yīng)器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于機(jī)械攪拌生物反應(yīng)器領(lǐng)域，涉及一種葉輪微膜曝氣的機(jī)械攪拌生物反應(yīng)器。
【背景技術(shù)】
[0002]微膜生物反應(yīng)器作為一種新型高效發(fā)酵反應(yīng)器在現(xiàn)在的發(fā)酵行業(yè)日趨活躍，現(xiàn)在已逐步應(yīng)用于液態(tài)發(fā)酵罐中的氣體曝氣。楊濤等人(CN 101503245A)的膜生物反應(yīng)器技術(shù)不僅污水處理領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，近幾年國(guó)內(nèi)外有關(guān)學(xué)者就微生物培養(yǎng)方面能否應(yīng)用微膜曝氣來加強(qiáng)氧的傳遞做了不少嘗試，發(fā)現(xiàn)微膜曝氣(陳飛等人CN101659476A)對(duì)發(fā)酵產(chǎn)量的提高及節(jié)能方面有顯著的效果，因而得到了國(guó)內(nèi)外有關(guān)學(xué)者的重視。
[0003]機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐是利用機(jī)械攪拌器的作用，使空氣和發(fā)酵液充分混合，促使氧在發(fā)酵液中溶解，以保證供給微生物生長(zhǎng)繁殖、發(fā)酵所需要的氧氣。機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐能使用于大多數(shù)的生物過程，如谷氨酸、檸檬酸、酶制劑、抗生素、酵母等發(fā)酵用設(shè)備。機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐是目前使用最多的一種發(fā)酵罐，使用性好、適用性強(qiáng)、發(fā)大容易，從小型到大型的微生物培養(yǎng)過程都可以應(yīng)用。但是，幾乎所有的機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的空氣分布器都采用打孔方式，造成氣泡粒徑大而不均勻，要靠攪拌來粉碎氣泡，從而造成攪拌功率高和剪切力大，對(duì)于高溶氧低剪切力的微生物培養(yǎng)就不使用。于是，不少專家學(xué)者就考慮使用微膜曝氣(廖志民等人CN201381249Y)來解決此問題。然而，雖然膜生物反應(yīng)器是一高效新型的發(fā)酵曝氣技術(shù)，但仍然存在一定的缺陷。由于膜生物反應(yīng)器在發(fā)酵過程中，膜孔不僅可以分配出均勻和細(xì)小的氣泡，而且還會(huì)被大分子的溶質(zhì)堵塞。因此膜污染問題是膜生物反應(yīng)器在發(fā)酵領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的主要原因。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種新型高效的機(jī)械攪拌葉輪微膜曝氣生物反應(yīng)器，該微膜曝氣解決目前機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐高剪切力、高能耗和一般微膜曝氣的膜高污染使用壽命短，不利于高溶氧低剪切發(fā)酵的問題。
[0005]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的機(jī)械攪拌葉輪微膜曝氣生物反應(yīng)器的風(fēng)管通過機(jī)械密封與轉(zhuǎn)動(dòng)軸連接，該轉(zhuǎn)動(dòng)軸通過密封連軸器再通過機(jī)械攪拌式反應(yīng)器罐體的機(jī)械密封與另一轉(zhuǎn)動(dòng)軸連接，該轉(zhuǎn)動(dòng)軸與微膜曝氣攪拌葉輪連接，通過密封連軸器、轉(zhuǎn)動(dòng)軸和微膜曝氣攪拌葉輪的加入，對(duì)傳統(tǒng)生物反應(yīng)器進(jìn)行整體改進(jìn)，克服了機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的空氣氣泡粒徑大而不均勻的特點(diǎn)，并且整體好拆修。
[0006]優(yōu)選的，微膜曝氣攪拌葉輪為兩個(gè)時(shí)，葉輪之間通過轉(zhuǎn)動(dòng)軸連接，并由中心定位器達(dá)到整體平衡。
[0007]優(yōu)選的，微膜曝氣攪拌葉輪由微膜攪拌曝氣葉片和具有反絲緊鎖的攪拌軸套(12)組成，攪拌器的葉輪整體直徑是罐體(1)直徑的0.15^0.5倍。 [0008]優(yōu)選的，葉輪的折角為17°4(/，葉輪與攪拌軸套的安裝角度為45°或60°。[0009]通過對(duì)葉輪的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用微膜葉片可以解決由于葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)在中空葉片背后形成的負(fù)壓把培養(yǎng)基和菌體吸入中空葉片內(nèi)沉積，造成難于清洗而染菌問題。同時(shí)由于葉輪旋轉(zhuǎn)使膜片與溶液形成錯(cuò)流，不斷的沖刷膜表面防止曝氣膜孔的堵塞。而且本發(fā)明的整體連接和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)好拆卸、密封好，降低了能耗，提高了效率。
[0010]優(yōu)選的，所述的葉片個(gè)數(shù)為4片或6片，進(jìn)一步提高葉片的效率。
[0011]優(yōu)選的，所述的葉片為推進(jìn)式，進(jìn)一步的使發(fā)酵液提高整體混合，降低攪拌器的剪切力，降低攪拌功率，以達(dá)到節(jié)能的效果。
[0012]優(yōu)選的，所述的葉輪為兩個(gè)以上時(shí)，葉輪與葉輪為80(Tl000毫米等距離排列，最底層葉輪安裝高度為葉輪直徑的廣1.5倍，解決氣體分布器安裝在反應(yīng)器底部，易發(fā)生堵塞后難于清洗疏通，同時(shí)存在衛(wèi)生死角問題，進(jìn)一步優(yōu)化葉輪的曝氣效果，葉輪的個(gè)數(shù)根據(jù)發(fā)酵罐的大小確定。
[0013]優(yōu)選的，所述的密封連軸器是一種特殊密封連軸器，指既要兩軸同心牢固連接，又要達(dá)到發(fā)酵密封效果。具體通過下述方式解決該技術(shù)問題:密封連軸器以鎖緊反絲方式固定在轉(zhuǎn)動(dòng)軸的下端，該轉(zhuǎn)動(dòng)軸帶有O型圈，并以沉插方式與密封連軸器的內(nèi)環(huán)密封，然后通過密封連軸器內(nèi)絲與該轉(zhuǎn)動(dòng)軸外絲鎖緊；所述的連接葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)軸的兩端也分別帶有緊鎖反絲和O型圈，并以前述密封連軸器與轉(zhuǎn)動(dòng)軸之間的連接方式與葉輪密封連接，這些配件的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方便拆卸檢修并實(shí)現(xiàn)了防止發(fā)酵染菌要求。
[0014]優(yōu)選的，所述的與密封連軸器連接的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上部設(shè)置有一鍵槽，輔助皮帶輪帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸的，進(jìn)一步提高效率。
[0015]采用上述技術(shù) 方案的積極效果:(I)利用機(jī)械密封和可拆卸解決了氣體分布器若被堵塞和難于清洗疏通問題，使生物反應(yīng)器在微生物培養(yǎng)過程中不易染菌。(2)使用微膜葉片可以解決由于葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)在中空葉片背后形成的負(fù)壓把培養(yǎng)基和菌體吸入中空葉片內(nèi)沉積，造成難于清洗而染菌問題。同時(shí)由于葉輪旋轉(zhuǎn)使膜片與溶液形成錯(cuò)流，不斷的沖刷膜表面防止曝氣膜孔的堵塞。(3)由于使用微膜葉片布?xì)猓植汲龅臍馀萘奖旧砭秃苄?，所以不需要依賴葉輪的攪拌作用來打散。因此攪拌器可以做成各種各樣低剪切力的軸向流攪拌器，不僅解決了生物反應(yīng)器整體混合問題，還解決了高剪切力問題。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)組裝圖；
圖2是圖1中4號(hào)傳動(dòng)軸的剖面圖；
圖3是圖1中5號(hào)連軸器的剖面圖；
圖4是圖1中7、9號(hào)轉(zhuǎn)動(dòng)軸剖面圖；
圖5是圖1中8號(hào)微膜曝氣攪拌葉輪的剖面圖；
圖6是圖1中11號(hào)微膜曝氣攪拌葉輪的剖面圖；
圖7是微膜曝氣攪拌葉輪的折角Θ 2，葉輪與攪拌軸套的安裝角度Θ1。
[0017]圖中，I機(jī)械攪拌式反應(yīng)器，2無菌空氣進(jìn)氣管即風(fēng)管，3機(jī)械密封，4傳動(dòng)軸，5密封連軸器，6發(fā)酵罐罐體機(jī)械密封，7轉(zhuǎn)動(dòng)軸，8微膜曝氣攪拌葉輪，9轉(zhuǎn)動(dòng)軸，10固定中心定位器，11微膜曝氣攪拌葉輪，12攪拌軸套?！揪唧w實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的說明，但不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明的限制，本發(fā)明中:動(dòng)靜連接為風(fēng)管和轉(zhuǎn)動(dòng)軸通過機(jī)械密封相連接，風(fēng)管為動(dòng)環(huán)端面與轉(zhuǎn)動(dòng)軸靜環(huán)端面連接，機(jī)械密封其結(jié)構(gòu)是一種系單端面、多彈簧、轉(zhuǎn)動(dòng)螺釘轉(zhuǎn)動(dòng)的專用發(fā)酵罐的機(jī)械密封，其特征在于靜環(huán)與轉(zhuǎn)動(dòng)軸法蘭之間的靜環(huán)密封圈采用平墊密封圈進(jìn)行密封，靜環(huán)為對(duì)開式。
[0019]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)組裝圖，圖2是圖1中4號(hào)傳動(dòng)軸的剖面圖，圖3是圖1中5號(hào)連軸器的剖面圖，圖4是圖1中7、9號(hào)轉(zhuǎn)動(dòng)軸剖面圖，圖5是圖1中8號(hào)微膜曝氣攪拌葉輪的剖面圖，圖6是圖1中11微膜曝氣攪拌葉輪的剖面圖，圖7是圖1中微膜曝氣攪拌葉輪的折角Θ 2，葉輪與攪拌軸套的安裝角度Θ1。
[0020]圖1所示，葉輪微膜曝氣生物反應(yīng)器的風(fēng)管2通過機(jī)械密封3與轉(zhuǎn)動(dòng)軸4連接，轉(zhuǎn)動(dòng)軸4通過密封連軸器5再通過罐體I上的機(jī)械密封6與轉(zhuǎn)動(dòng)軸7連接，轉(zhuǎn)動(dòng)軸7與特殊結(jié)構(gòu)的微膜曝氣攪拌葉輪8連接，微膜曝氣攪拌葉輪8與微膜曝氣攪拌葉輪11通過轉(zhuǎn)動(dòng)軸9連接，并由中心定位器10達(dá)到整體平衡。圖5、圖6所示，微膜曝氣攪拌葉輪8和11由微膜攪拌曝氣葉片和具有反絲緊鎖的攪拌軸套(12)組成，微膜曝氣攪拌葉輪8兩端開口，在底層的微膜曝氣攪拌葉輪11下端口封閉，顯然葉輪的具體個(gè)數(shù)不限于本實(shí)施例的兩個(gè)，而是根據(jù)發(fā)酵罐的大小來確定，可以是I個(gè)或者是3個(gè)以上，葉輪與葉輪為800-1000毫米等距離排列；攪拌器的葉輪整體直徑是罐體(1)直徑的0.15^0.5倍，具體根據(jù)不同的發(fā)酵體系進(jìn)行調(diào)整，最底層葉輪安裝高度為葉輪直徑的廣1.5倍，葉輪的折角為17°4(/;葉輪與攪拌軸套的安裝角度為45°或60° ;葉片的個(gè)數(shù)為4或6片。
[0021]圖2、圖3和圖4所示，所述的密封連軸器5以鎖緊反絲方式固定在轉(zhuǎn)動(dòng)軸4的下端，所述的轉(zhuǎn)動(dòng)軸4帶有O型圈，并以沉插方式與密封連軸器5的內(nèi)環(huán)密封，然后通過密封連軸器5內(nèi)絲與轉(zhuǎn)動(dòng)軸4外絲鎖緊，并且轉(zhuǎn)動(dòng)軸4設(shè)置有一鍵槽。這些配件的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為了方便拆卸檢修和防止發(fā)酵染菌要求。
[0022]本發(fā)明的原理是:在發(fā)酵實(shí)罐滅`菌時(shí)，蒸汽通過風(fēng)管進(jìn)入攪拌空心軸達(dá)到微膜曝氣攪拌葉輪的葉片，通過膜孔借助攪拌葉輪的離心作用均勻的分布的溶液中達(dá)到對(duì)管路和發(fā)酵液的消毒目的。因此，本發(fā)明對(duì)傳動(dòng)部分兩軸承包括潤(rùn)滑油都采用耐高溫的，同時(shí)還采用了水冷卻系統(tǒng)，延長(zhǎng)軸承的使用壽命。在培養(yǎng)過程中，無菌空氣通過空心軸到達(dá)微膜結(jié)構(gòu)的攪拌葉輪的葉片，在通過攪拌葉輪的離心作用將空氣氣泡均勻的分布溶液中去，再通過攪拌葉輪的推動(dòng)作用促進(jìn)流體湍流，增加反應(yīng)器的傳質(zhì)系數(shù)。同時(shí)，利用攪拌葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)使膜片與溶液形成錯(cuò)流，不斷的沖刷膜表面防止曝氣膜孔的堵塞。同時(shí)微膜攪拌漿主體的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并且不需要攪拌葉輪來粉碎氣泡，因此攪拌葉片形式可以做成多種結(jié)構(gòu)來滿足不同的發(fā)酵體系。然而，如果采用低剪切高混合的攪拌漿還可以降低攪拌功率，降低整體發(fā)酵成本。
[0023]實(shí)例:某公司花生四烯酸(ARA)發(fā)酵體系
花生四烯酸(ARA)發(fā)酵生產(chǎn)是用高山被孢霉菌，這種高山被孢霉菌是一種絲狀菌體很怕剪切力大的生物反應(yīng)器，如菌體被切碎后菌體生長(zhǎng)所需要的氧傳遞，不僅影響產(chǎn)量還對(duì)后續(xù)分離帶來困難。因此現(xiàn)在一般使用氣升式發(fā)酵罐較多，但是氣升式發(fā)酵罐存在氣通量大、降溫效果不好等能耗高的缺點(diǎn)?；ㄉ南┧?ARA)發(fā)酵是一種典型的高耗氧低剪切的發(fā)酵體系?；ㄉ南┧?ARA)發(fā)酵培養(yǎng)溫度為28°C，PH為6.0，DO不小于20 %。配方為:10 %葡萄糖，0.5 %酵母膏，0.3 %牛肉膏，0.15 % MgSO4,0.3 % KH2PO3。某公司用常規(guī)5M3發(fā)酵罐培養(yǎng)結(jié)果為菌體干質(zhì)量為32g/L，油脂為40g/L，AM為38g/L。然而同樣5M3新型機(jī)械攪拌葉輪微膜曝氣發(fā)酵罐培養(yǎng)結(jié)果為菌體干質(zhì)量為40g/L，油脂為50g/L，ARA為45g/L，發(fā)酵水平大幅度提高，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。
[0024]本發(fā)明是對(duì)嚴(yán)格純種培養(yǎng)過程中無菌空氣通過空心軸到達(dá)微膜結(jié)構(gòu)的攪拌葉片，在通過攪拌葉輪的離心作用將空氣氣泡均勻的分布溶液中去，達(dá)到傳質(zhì)作用。同時(shí)，并且攪拌葉可以做成各種形式的葉片，特別是推進(jìn)式低剪切力攪拌器來滿足高耗氧低剪切的發(fā)酵體系。另外，通過這種特殊的密封連接方`式，可以大大方便拆卸檢修。
【權(quán)利要求】
1.一種新型機(jī)械攪拌的葉輪微膜曝氣生物反應(yīng)器，包括機(jī)械攪拌式反應(yīng)器(1)，其特征在于:所述的葉輪微膜曝氣生物反應(yīng)器的風(fēng)管(2)通過機(jī)械密封(3)與轉(zhuǎn)動(dòng)軸(4)連接，轉(zhuǎn)動(dòng)軸(4 )通過特殊的密封連軸器(5 )再通過機(jī)械攪拌式反應(yīng)器(I)罐體上的機(jī)械密封(6 )與轉(zhuǎn)動(dòng)軸(7)連接，轉(zhuǎn)動(dòng)軸(7)與微膜曝氣攪拌葉輪(11)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的葉輪微膜曝氣生物反應(yīng)器，其特征在于:所述的轉(zhuǎn)動(dòng)軸(7)與微膜曝氣攪拌葉輪(8)連接，微膜曝氣攪拌葉輪(8)與微膜曝氣攪拌葉輪(11)通過轉(zhuǎn)動(dòng)軸(9)連接，并由中心定位器(10)達(dá)到整體平衡。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的葉輪微膜曝氣生物反應(yīng)器，其特征在于:所述的微膜曝氣攪拌葉輪(8、11)由微膜攪拌曝氣葉片和具有反絲緊鎖的攪拌軸套(12)組成，微膜曝氣攪拌葉輪(8)兩端開口，在最底層的微膜曝氣攪拌葉輪(11)下端口封閉，微膜曝氣攪拌葉輪(11)安裝高度為葉輪直徑的1~1.5倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的葉輪微膜曝氣生物反應(yīng)器，其特征在于:所述的攪拌器的葉輪整體直徑是反應(yīng)器(1)直徑的0.15^0.5倍。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的葉輪微膜曝氣生物反應(yīng)器，其特征在于:所述的微膜曝氣攪拌葉輪的折角Θ2為17°40/，所述的葉輪與攪拌軸套的安裝角度Θ為45°或60°。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的葉輪微膜曝氣生物反應(yīng)器，其特征在于:所述的葉片的個(gè)數(shù)為4或6片。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的葉輪微膜曝氣生物反應(yīng)器，其特征在于:所述的葉片為推進(jìn)式。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的葉輪微膜曝氣生物反應(yīng)器，其特征在于:所述的葉輪為兩個(gè)以上時(shí)，葉輪與葉輪為800-1000毫米等距離排列，最底層葉輪安裝高度為葉輪直徑的1~1.5 倍。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8所述的葉輪微膜曝氣生物反應(yīng)器，其特征在于:所述的特殊密封連軸器(5)以鎖緊反絲方式固定在轉(zhuǎn)動(dòng)軸(4)的下端，所述的轉(zhuǎn)動(dòng)軸(4)帶有O型圈，并以沉插方式與密封連軸器(5 )的內(nèi)環(huán)密封，然后通過密封連軸器(5 )內(nèi)絲與轉(zhuǎn)動(dòng)軸(4)外絲鎖緊；所述的轉(zhuǎn)動(dòng)軸(7)和(9)兩端分別帶有緊鎖反絲和O型圈，并以上述密封連軸器(5)與轉(zhuǎn)動(dòng)軸(4)之間的連接方式與葉輪密封連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的葉輪微膜生物反應(yīng)器，其特征在于:所述的轉(zhuǎn)動(dòng)軸(4)的上部設(shè)置有一鍵槽。
【文檔編號(hào)】C12M1/02GK103820307SQ201410061176
【公開日】2014年5月28日 申請(qǐng)日期:2014年2月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月24日
【發(fā)明者】李干祿, 韋策, 陳可泉, 李暉, 姜岷, 歐陽平凱 申請(qǐng)人:南京工業(yè)大學(xué)