專利名稱：一種高粘度生物反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微生物發(fā)酵工程微生物多糖是由某些微生物發(fā)酵產(chǎn)生的胞外水溶性膠。尤其是黃單胞菌膠具有優(yōu)良的性能和比較全面的功能，用途廣泛，市場(chǎng)前景廣闊。但黃單胞菌膠粘度極高，發(fā)酵時(shí)粘度變化可達(dá)2000-10000cp，這就對(duì)反應(yīng)器提出了更高的要求。目前國(guó)內(nèi)外進(jìn)行聚多糖類高粘度物質(zhì)發(fā)酵生產(chǎn)大部分采用傳統(tǒng)的機(jī)械攪拌罐，由于采用渦輪式攪拌器其混合性能很差。近年來(lái)改進(jìn)的攪拌缸主要是將攪拌器改成螺帶式，氧傳遞效果雖有改進(jìn)，但不明顯，缺點(diǎn)是微觀剪切效果不好。當(dāng)代有些學(xué)者也正在研究用氣升式來(lái)代替攪拌罐進(jìn)行高粘度發(fā)酵，由于氣體消耗量極大，混合效果未較攪拌罐有所改進(jìn)，氣升式攪拌反應(yīng)器不適合生產(chǎn)高粘度物質(zhì)，因?yàn)閱喂車姵龅臍饬饔龅礁哒扯纫后w很難形成小氣泡，在蘇格蘭召開的國(guó)際生物反應(yīng)器會(huì)議上，西德慕尼黑大學(xué)A.Mermann提出一種最新型高粘度生物反應(yīng)器。(見(jiàn)G.W.MoodyBioreactors and Biotransformations Paye 287-296)是利用一個(gè)旋轉(zhuǎn)式離心裝置來(lái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)混合，效果不錯(cuò)，但由于其構(gòu)造復(fù)雜，距實(shí)用還有一段距離。目前高粘度生物反應(yīng)器的研制是一個(gè)當(dāng)代發(fā)酵工程領(lǐng)域中的世界性難題。
本發(fā)明的目的就是為了解決上述幾種高粘度生物反應(yīng)器所存在的問(wèn)題，而設(shè)計(jì)出一種新型高粘度生物反應(yīng)器。
本發(fā)明的要點(diǎn)是這種由泵(5)、反應(yīng)罐(7)、循環(huán)管(6)組成的高粘度生物反應(yīng)器，其特征是該高粘度生物反應(yīng)器采用一個(gè)由靜態(tài)混合器(3)、泵(5)、循環(huán)管(6)組成外循環(huán)裝置，循環(huán)管(6)從反應(yīng)罐(7)的底部接出，經(jīng)過(guò)泵(5)、靜態(tài)混合器(3)從反應(yīng)缸(7)的頂部回到反應(yīng)罐(7)內(nèi)部，并在反應(yīng)缸(7)內(nèi)的底部有一個(gè)擋氣板(9)。其結(jié)構(gòu)見(jiàn)附

圖1。
反應(yīng)罐(7)內(nèi)的擋氣板(9)選為圓形，直徑為反應(yīng)罐(7)直徑的1/2，在反應(yīng)罐(7)內(nèi)部中央，距反應(yīng)罐(7)底部10cm，用支架(10)把它接在反應(yīng)罐(7)的內(nèi)壁上。其結(jié)構(gòu)見(jiàn)附圖1。
靜態(tài)混合器(3)裝在靜態(tài)混合器管(2)內(nèi)，靜態(tài)混合器管(2)的兩端是帶有網(wǎng)眼的擋板。靜態(tài)混合器(3)含有多個(gè)靜態(tài)混合單元，每個(gè)靜態(tài)混合單元是兩種Kenics和Sulzer靜態(tài)混合器的組合，但結(jié)構(gòu)有所不同。在Kenics靜態(tài)混合器中，每個(gè)葉片旋轉(zhuǎn)180°，而在本發(fā)明的靜態(tài)混合器(3)中，每個(gè)葉片旋轉(zhuǎn)360°。組合方式是先在靜態(tài)混合器管(2)底部，先交替排列重疊5塊斜波紋板，往上再接兩片扭曲成360°彼此錯(cuò)開90°的葉片，然后再接交替排列重疊5塊斜波紋板，依次類推，組成多個(gè)靜態(tài)混合單元，每個(gè)旋轉(zhuǎn)葉片的長(zhǎng)寬之比為L(zhǎng)∶D＝2.5每個(gè)靜態(tài)混合單元的長(zhǎng)寬之比為L(zhǎng)∶D＝7。見(jiàn)附圖2。
循環(huán)管(6)從反應(yīng)罐(7)的頂部插入反應(yīng)缸(7)內(nèi)，其循環(huán)管(6)的管口應(yīng)放在距反應(yīng)缸(7)底部 1/3 - 1/2 處，附圖1。
該高粘度生物反應(yīng)器所需的泵可用采用多種形式其中以螺桿泵最佳，螺桿泵泵殼與軸之間采用端面軸封。泵定子是用1/4硅橡膠膠和3/4天然橡膠壓制而成的耐溫合成定子，定子表面鍍有一層特殊的耐磨材料石墨體。高粘度生物反應(yīng)器工作時(shí)要空消，空消時(shí)反應(yīng)罐(7)和螺桿泵(6)二者分離，反應(yīng)罐(7)用常規(guī)方法飽和蒸汽空消。螺桿泵(5)用千分之一的過(guò)氧乙酸空消30分鐘待用。反應(yīng)罐(7)內(nèi)裝料實(shí)消在實(shí)消結(jié)束前5分鐘時(shí)，將螺桿泵(5)與反應(yīng)缸(7)聯(lián)好啟動(dòng)螺桿泵(5)運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)整個(gè)反應(yīng)器系統(tǒng)實(shí)消，5分鐘后向夾套(8)內(nèi)通冷卻水至室溫，無(wú)菌空氣保壓待接種。發(fā)酵操作時(shí)氣液成為0.5-0.9vvm，反應(yīng)缸(7)循環(huán)時(shí)間為10-20分鐘循環(huán)管(6)內(nèi)流速控制在2m/sec。
通常一般的生物反應(yīng)器僅在液體粘度低于2000cp時(shí)滿足溶氧要求，當(dāng)液體粘度在2000cp以上時(shí)無(wú)法滿足溶氧要求。而本發(fā)明由于采用了靜態(tài)混合器(3)、螺桿泵外環(huán)流結(jié)構(gòu)，以“靜態(tài)”混合代替動(dòng)態(tài)混合，較成功地解決了高粘度液缸內(nèi)氣-液混合難題，能夠滿足高粘度下的溶氧要求。提高了氧傳遞效率降低了能耗，并且提高了發(fā)酵生產(chǎn)率，該高粘度生物反應(yīng)器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易拆洗，操作方便等優(yōu)點(diǎn)，并且對(duì)菌無(wú)任何生理不利影響;由于改善了氧傳遞效果，代謝產(chǎn)品的質(zhì)量也提高了它向解決高粘度發(fā)酵的這個(gè)世界性難題邁出了一大步。下面是一組數(shù)據(jù)比較。
表1 四種反應(yīng)器溶氧性能比較反應(yīng)器體積溶氧傳質(zhì)系數(shù)KLa<hr-1>
類型 通氣量 多糖<Xanthan>濃度vvM0 0.5% 1.0% 1.5% 2.0% 2.5%攪拌缸 1 133.8 102.2 75.5 60.0 46.2 15.5氣升內(nèi)循環(huán) 3 447.4 211.4 110.6 105.6 27.3 10.8氣升外循環(huán) 3.7 350.3 116.6 70.6 33.0 10.3 9.8本發(fā)明 0.9 700.5 610.6 519.3 340.5 200.5 150.7
表2 三種型式反應(yīng)器黃原膠發(fā)酵結(jié)果比較通氣量 發(fā)酵液粘度隨時(shí)間變化類型 VVM 一天 二天 三天攪拌缸 1 985.0cp3100cp5400cp氣升式內(nèi)循環(huán) 3.7 1100cp3000cp4400cp本發(fā)明 0.9 2600cp6500cp11000cp單位cp最佳實(shí)施例1反應(yīng)罐(7)直徑取50CM，高為200CM，此時(shí)反應(yīng)罐(7)內(nèi)部的園形擋氣板(9)直徑為25CM，距底部為10CM，循環(huán)管(6)直徑為2CM從反應(yīng)罐(7)底部接出通過(guò)螺桿泵(5)，再通過(guò)靜態(tài)混合器管(2)，靜態(tài)混合器管(2)直徑為5CM，高為200CM，靜態(tài)混合器(3)合有5個(gè)靜態(tài)混合單元，循環(huán)管(6)從反應(yīng)罐(7)頂部插入反應(yīng)罐(7)內(nèi)部，距反應(yīng)罐(7)底部1/3，(約67CM)處，反應(yīng)器工作時(shí)，循環(huán)管(6)內(nèi)流速為2m/sec，發(fā)酵時(shí)氣液比為0.9VVM。
圖1.是高粘度生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖(比例1∶20)。圖中1為出氣口，2為靜態(tài)混合器管，3為靜態(tài)混合器，3a為旋轉(zhuǎn)葉片，3b為斜波紋板，4為無(wú)菌空氣進(jìn)口，5為螺桿泵6為循環(huán)管，7為反應(yīng)罐，8為夾套，9為擋氣板，10為擋氣板，11為支架。
圖2是靜態(tài)混合單元結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，3a為旋轉(zhuǎn)葉片3b是斜波紋板。
圖3是兩片斜波紋板及交疊形式。
權(quán)利要求
1.一種由泵(5)、反應(yīng)罐(7)、循環(huán)管(6)組成的高粘度生物反應(yīng)器，其特征是該高粘度生物反應(yīng)器有一個(gè)由靜態(tài)混合器(3)、泵(5)。循環(huán)管(7)組成的外循環(huán)裝置，循環(huán)管(6)從反應(yīng)罐(7)的底部接出，經(jīng)過(guò)泵(5)、靜態(tài)混合器(3)，從反應(yīng)罐(7)的頂部回到反應(yīng)缸(7)內(nèi)部。在反應(yīng)缸(7)內(nèi)的底部有一個(gè)擋氣板(9)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高粘度生物反應(yīng)器，其特征是擋氣板(9)的形狀為園形，直徑為反應(yīng)缸(7)直徑的1/2，距反應(yīng)罐(7)底部10cm處，通過(guò)支架(10)和反應(yīng)缸(7)內(nèi)壁相接，見(jiàn)附圖1。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高粘度生物反應(yīng)器，其特征是靜態(tài)混合器(3)含有若干個(gè)靜態(tài)混合單元，每一個(gè)靜態(tài)混合單元都是斜波信板靜態(tài)混合器和旋轉(zhuǎn)葉片靜態(tài)混合器的組合。其組合方式是先交替排列重疊5塊斜波紋板再接上兩片扭曲成360°彼此錯(cuò)開90°的葉片，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)附圖2，每個(gè)旋轉(zhuǎn)葉片的長(zhǎng)寬成為L(zhǎng)＝D＝2.5，每個(gè)靜態(tài)混合單元的長(zhǎng)寬比L∶D＝7。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高粘度生物反應(yīng)器，其特征是回到反應(yīng)罐(7)內(nèi)部的循環(huán)管(6)其管口應(yīng)距反應(yīng)罐(7)底部 1/3 - 1/2 處。
全文摘要
本發(fā)明是屬于微生物發(fā)酵工程。目前在微生物發(fā)酵領(lǐng)域中，高粘度微生物發(fā)酵是一個(gè)難題，本發(fā)明的目的是為了解決高粘度微生物發(fā)酵這一難題而設(shè)計(jì)出一種新型高粘度生物反應(yīng)器。本發(fā)明的要點(diǎn)是該高粘度生物反應(yīng)器有一個(gè)由靜態(tài)混合器(3)、螺桿泵(5)、循環(huán)管(6)組成的外循環(huán)裝置，并在反應(yīng)罐(7)內(nèi)的底部有一個(gè)擋氣板(3)。它以“靜態(tài)”混合代替動(dòng)態(tài)混合，較好地解決了高粘度液罐內(nèi)氣—液混合問(wèn)題。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易拆洗、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，并且提高了氧傳遞效率、降低了能耗，提高了發(fā)酵生產(chǎn)率，對(duì)菌無(wú)任何生理不利影響。
文檔編號(hào)C12M1/00GK1056895SQ90105299
公開日1991年12月11日 申請(qǐng)日期1990年5月30日 優(yōu)先權(quán)日1990年5月30日
發(fā)明者許平, 江伯英 申請(qǐng)人:山東大學(xué)