本實(shí)用新型總體上涉及生物反應(yīng)器領(lǐng)域，更特別地，涉及一種鼓泡式列管生物反應(yīng)器，其能夠提高氣體在液體中的傳質(zhì)系數(shù)，改善生物反應(yīng)效率，并且降低能耗。

背景技術(shù)：

隨著世界人口的不斷增長和全球經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，生物技術(shù)越來越受到重視，并且已經(jīng)在醫(yī)藥、化工、食品、農(nóng)業(yè)以及釀造等行業(yè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用，生物反應(yīng)器的開發(fā)也得到了相應(yīng)的發(fā)展。

圖1示出一種現(xiàn)有技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)型鼓泡式生物反應(yīng)器10。如圖1所示，生物反應(yīng)器10包括有罐體11，其一般具有類似膠囊的形狀，包括圓筒狀的主體部分和球形或弧形的兩端部分。罐體11中可裝有反應(yīng)液體，例如發(fā)酵液等，罐體11的下端部附近設(shè)置有進(jìn)氣口12，氣體經(jīng)進(jìn)氣口12進(jìn)入設(shè)置在罐體11內(nèi)的氣體分布器13。氣體分布器13可以是例如多孔板或多孔管等，其使氣體分散成均勻的小氣泡，進(jìn)入反應(yīng)液體中，并且由于浮力而向上鼓泡。氣體在鼓泡過程中可以部分溶解到反應(yīng)液體中，從而參與、促進(jìn)或催化反應(yīng)過程。罐體11的上端可設(shè)置有排氣口14，用于排出剩余氣體，罐體11的下端可設(shè)置有排料口15，用于排出反應(yīng)之后的液體。罐體11的上端還可以設(shè)置有一個或多個補(bǔ)料口16，其可用于向罐體11內(nèi)補(bǔ)充各種所需源材料，例如補(bǔ)充反應(yīng)液體，補(bǔ)充酸液或堿液以調(diào)節(jié)反應(yīng)液體的pH值，或者補(bǔ)充消泡劑以抑制由于鼓泡而產(chǎn)生的大量泡沫等。罐體11內(nèi)的上部可設(shè)置有消泡板19，其用于使消泡劑均勻分布。罐體11內(nèi)還可以設(shè)置有攪拌器17，其在致動或傳動裝置18的帶動下攪拌罐體11內(nèi)的反應(yīng)液體和氣泡的混合物，提高氣體在反應(yīng)液體中的傳質(zhì)速度，其是影響反應(yīng)過程的重要因素。罐體11的下端附近還可以設(shè)置有取樣口20，并且罐體11上還可以設(shè)置有一個或多個檢測電極21以用于檢測罐體11內(nèi)的各種狀況，例如反應(yīng)液體的pH值、溶氧值等。

鼓泡式生物反應(yīng)器10適用于液體和氣體參與的中速和慢速生物反應(yīng)過程，其儲液量大，操作和維護(hù)簡單。此外，鼓泡式生物反應(yīng)器10的結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低，用于高壓反應(yīng)條件時(shí)也無困難，因此得到了廣泛使用。然而，現(xiàn)有技術(shù)的鼓泡式生物反應(yīng)器10仍存在許多缺陷。例如，氣泡在反應(yīng)液體中容易發(fā)生聚合，由許多小氣泡聚合成一個大氣泡，這大大降低了傳質(zhì)速度，影響了氣體吸收度和反應(yīng)速度。雖然在罐體11內(nèi)設(shè)置了攪拌器17，但是其抑制氣泡聚合的效果并不明顯。由于傳質(zhì)速度的降低，大大影響了氣體的利用率，降低了反應(yīng)速度。因此，需要延長通氣時(shí)間以增大通氣量，然而延長通氣時(shí)間又會消耗大量的電能，增大了反應(yīng)成本。

因此，需要一種鼓泡式生物反應(yīng)器，其能夠提高氣體在液體中的傳質(zhì)速度，改善反應(yīng)效率，并且能夠降低能耗。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的一個方面在于提供一種鼓泡式生物反應(yīng)器，其能夠提高鼓泡時(shí)的傳質(zhì)速度，從而改善反應(yīng)效率，并且還能夠降低能耗。

根據(jù)一示例性實(shí)施例，一種鼓泡式列管生物反應(yīng)器可包括：罐體，具有高徑比R，所述高徑比R在3<R<100的范圍；進(jìn)料口，設(shè)置在所述罐體的上端或上端附近，用于向所述罐體內(nèi)加入反應(yīng)所需的原料；排料口，設(shè)置在所述罐體的下端或下端附近，用于從所述罐體排出反應(yīng)產(chǎn)物；進(jìn)氣口，用于向所述罐體內(nèi)通氣；以及排氣口，設(shè)置在所述罐體的上端或上端附近，用于從所述罐體排出氣體。

在一示例中，所述罐體的高徑比R在5<R<80的范圍，優(yōu)選地在8<R<40的范圍，更優(yōu)選地在12<R<20的范圍。

在一示例中，所述進(jìn)氣口設(shè)置在所述罐體的下端或下端附近。

在一示例中，所述進(jìn)氣口設(shè)置在所述罐體的上端或上端附近，并且經(jīng)由設(shè)置在所述罐體內(nèi)的管路延伸到所述罐體的下端附近。

在一示例中，所述鼓泡式列管生物反應(yīng)器還包括：從所述罐體的下端或下端附近起，設(shè)置于不同高度處的一個或多個氣體分布器。所述氣體分布器可以是多孔板。

在一示例中，所述氣體分布器通過旋轉(zhuǎn)軸安裝到所述罐體上，從而所述氣體分布器能夠在水平和垂直位置之間旋轉(zhuǎn)。

在一示例中，所述鼓泡式列管生物反應(yīng)器還包括設(shè)置在所述罐體上的一個或多個檢測電極或傳感器。所述一個或多個檢測電極或傳感器選自pH值檢測電極、溶氧電極、溫度傳感器和壓力傳感器。

在一示例中，所述鼓泡式列管生物反應(yīng)器包括多個串聯(lián)連接的所述罐體，每個罐體的排氣口連接到下一個罐體的進(jìn)氣口。當(dāng)每個罐體的進(jìn)氣口設(shè)置在所述罐體的下端或下端附近時(shí)，每個罐體的排氣口可通過設(shè)置在罐體外的管路連接到下一個罐體的進(jìn)氣口。當(dāng)每個罐體的進(jìn)氣口設(shè)置在所述罐體的上端或上端附近并且經(jīng)由設(shè)置在所述罐體內(nèi)的管路延伸到所述罐體的下端附近時(shí)，每個罐體的排氣口可直接連接到下一個罐體的位于相同端的進(jìn)氣口。

在一示例中，所述鼓泡式列管生物反應(yīng)器的每個罐體上還設(shè)置有如下各項(xiàng)中的一個或多個：補(bǔ)堿口，設(shè)置在所述罐體的上端或上端附近，用于向所述罐體內(nèi)補(bǔ)充堿性物質(zhì)；補(bǔ)酸口，設(shè)置在所述罐體的上端或上端附近，用于向所述罐體內(nèi)補(bǔ)充算性物質(zhì)；補(bǔ)消泡劑口，設(shè)置在所述罐體的上端或上端附近，用于向所述罐體內(nèi)補(bǔ)充消泡劑；氣體取樣口，設(shè)置在所述罐體的上端或上端附近，用于提取所述罐體內(nèi)的氣體樣本；蒸汽口，設(shè)置在所述罐體的下端或下端附近，用于向所述罐體內(nèi)通入高溫蒸汽以進(jìn)行滅菌處理；以及液體取樣口，設(shè)置在所述罐體的下端附近，用于提取所述罐體內(nèi)的液體樣本。

在一示例中，所述補(bǔ)堿口、所述補(bǔ)酸口、所述補(bǔ)消泡劑口和所述補(bǔ)料口通過一歧管連接到所述罐體上的同一開口。

在一示例中，所述排氣口和所述氣體取樣口通過一歧管連接到所述罐體上的同一開口。

在一示例中，所述進(jìn)氣口、所述排料口和所述蒸汽口通過一歧管連接到所述罐體上的同一開口。

在一示例中，所述蒸汽口還通過三通閥連接到所述液體取樣口。

在一示例中，所述鼓泡式列管生物反應(yīng)器包括的串聯(lián)連接的所述罐體的數(shù)量在2至50個的范圍，優(yōu)選在3至40個的范圍，再優(yōu)選地在3至30個的范圍，更優(yōu)選地在3至20個的范圍。

在一示例中，串聯(lián)連接的多個所述罐體可以排列成直線或彎曲線形狀。

與常規(guī)反應(yīng)器相比，本實(shí)用新型的生物反應(yīng)器能以更少的通氣量實(shí)現(xiàn)更高的傳質(zhì)速度，改善了反應(yīng)效率，同時(shí)還降低了能耗。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有技術(shù)的鼓泡式生物反應(yīng)器的示意圖。

圖2是根據(jù)本實(shí)用新型一實(shí)施例的鼓泡式列管生物反應(yīng)器的示意圖。

圖3是根據(jù)本實(shí)用新型另一實(shí)施例的鼓泡式列管生物反應(yīng)器的示意圖。

圖4是根據(jù)本實(shí)用新型另一實(shí)施例的具有串聯(lián)結(jié)構(gòu)的鼓泡式列管生物反應(yīng)器的示意圖。

圖5是根據(jù)本實(shí)用新型另一實(shí)施例的具有串聯(lián)結(jié)構(gòu)的鼓泡式列管生物反應(yīng)器的示意圖。

圖6示出根據(jù)本實(shí)用新型一實(shí)施例的具有串聯(lián)結(jié)構(gòu)的鼓泡式列管生物反應(yīng)器的俯視布局圖。

圖7A示出使用常規(guī)反應(yīng)器進(jìn)行的好氧發(fā)酵過程中的溶氧濃度(DO)隨時(shí)間的變化曲線。

圖7B示出使用常規(guī)反應(yīng)器進(jìn)行的好氧發(fā)酵過程中的酵母生物量(OD)隨時(shí)間的變化曲線。

圖8A示出使用根據(jù)本實(shí)用新型一實(shí)施例的反應(yīng)器進(jìn)行的好氧發(fā)酵過程中的DO隨時(shí)間的變化曲線。

圖8B示出使用根據(jù)本實(shí)用新型一實(shí)施例的反應(yīng)器進(jìn)行的好氧發(fā)酵過程中的OD隨時(shí)間的變化曲線。

圖9A示出使用常規(guī)反應(yīng)器進(jìn)行的厭氧發(fā)酵過程中的OD隨時(shí)間的變化曲線。

圖9B示出使用常規(guī)反應(yīng)器進(jìn)行的厭氧發(fā)酵過程中的進(jìn)氣量和排氣量隨時(shí)間的變化曲線。

圖9C示出使用常規(guī)反應(yīng)器進(jìn)行的厭氧發(fā)酵過程中的排氣成分隨時(shí)間的變化曲線。

圖10A示出使用根據(jù)本實(shí)用新型一實(shí)施例的反應(yīng)器進(jìn)行的厭氧發(fā)酵過程中的OD隨時(shí)間的變化曲線。

圖10B示出使用根據(jù)本實(shí)用新型一實(shí)施例的反應(yīng)器進(jìn)行的厭氧發(fā)酵過程中的進(jìn)氣量和排氣量隨時(shí)間的變化曲線。

圖10C示出使用根據(jù)本實(shí)用新型一實(shí)施例的反應(yīng)器進(jìn)行的厭氧發(fā)酵過程中的排氣成分隨時(shí)間的變化曲線。

具體實(shí)施方式

下面參照附圖描述本實(shí)用新型的示例性實(shí)施例。應(yīng)理解，附圖不一定是按比例繪制的。

圖2示出根據(jù)本實(shí)用新型一示例性實(shí)施例的鼓泡式列管生物反應(yīng)器100的示意圖。如圖2所示，反應(yīng)器100包括罐體110，其可具有細(xì)長圓筒形狀，兩端為球形或弧形端部。應(yīng)注意，罐體110比圖1所示的現(xiàn)有技術(shù)的罐體11要更細(xì)長，這將在后面再詳細(xì)說明。雖然未示出，但是罐體110外還可以設(shè)置有用于保溫的夾套。罐體110中可裝有反應(yīng)液體，例如發(fā)酵液等。罐體110的下端部或其附近可以設(shè)置有進(jìn)氣口111，其經(jīng)對應(yīng)的閥門111a連接到罐體110。氣體，例如空氣或其他反應(yīng)氣體，可由空氣壓縮機(jī)101泵入進(jìn)氣口111中，進(jìn)入罐體110內(nèi)，并且由氣體分布器115a分散成許多小氣泡。氣體分布器115a可以是例如多孔板，其使氣體分散成均勻的小氣泡，進(jìn)入反應(yīng)液體中，并且由于浮力而向上鼓泡。氣體在鼓泡過程中可以部分溶解到反應(yīng)液體中，從而參與、促進(jìn)或催化反應(yīng)過程。在一示例中，可選地，可以在罐體110內(nèi)的不同高度處設(shè)置多個氣體分布器例如多孔板115b、115c等。氣體分布器的個數(shù)可以視罐體110的高度而定。

罐體110的下端還可以設(shè)置有排料口112，其經(jīng)對應(yīng)的閥門112a連接到罐體110。排料口112可用于在反應(yīng)完成后排出罐體110中的內(nèi)容物，其包括反應(yīng)產(chǎn)物和剩余液體等。罐體110的下端還可以設(shè)置有蒸汽入口113，其經(jīng)對應(yīng)的閥門113a連接到罐體110。蒸汽入口113可以向罐體110內(nèi)充入高溫蒸汽以進(jìn)行高溫滅菌過程。在圖2所示的示例中，進(jìn)氣口111、排料口112和蒸汽入口113可在其對應(yīng)的閥門之后連接到一歧管的支路，然后經(jīng)歧管的主路連接到罐體110的下端，因此罐體110上可以只需要有一個開口，從而減少了罐體110上的開口數(shù)。此外，來自蒸汽入口113的高溫蒸汽還可以對進(jìn)氣口111和排料口112的部分管道進(jìn)行高溫滅菌處理。當(dāng)然，在另一些實(shí)施例中，進(jìn)氣口111、排料口112和蒸汽入口113也可以分別連接到罐體110上的單獨(dú)的開口。罐體110的下端附近還可以設(shè)置有液體取樣口114，其經(jīng)對應(yīng)的閥門114a連接到罐體110。閥門114a可以是三通閥，其一端還連接到蒸汽入口113的閥門113a下游，從而還可以用高溫蒸汽來對液體取樣口114進(jìn)行高溫滅菌。液體取樣口114設(shè)置在罐體110上比排料口112更靠上一些的位置處，從而避免罐體110底部的沉淀物對液體取樣操作的影響。

罐體110的上端或其附近也可設(shè)置有多個出入口。例如，在罐體110的上端附近可設(shè)置有補(bǔ)酸口117、補(bǔ)堿口118、補(bǔ)消泡劑口119和補(bǔ)料口120，它們分別經(jīng)對應(yīng)的閥門117a、118a、119a和120a連接到罐體110。同樣，這些操作口可經(jīng)歧管連接到罐體110上的同一個開口(如圖2所示的那樣)，或者可分別連接到罐體110上的多個單獨(dú)開口。補(bǔ)酸口117和補(bǔ)堿口118分別可用于向罐體110內(nèi)補(bǔ)充酸液和堿液，以調(diào)整反應(yīng)液的酸堿(pH)值，補(bǔ)消泡劑口119可用于向罐體110內(nèi)補(bǔ)充消泡劑，并且罐體110內(nèi)的上端附近可設(shè)置有消泡板116以均勻地分散消泡劑。補(bǔ)料口120可用于向罐體110內(nèi)加入或補(bǔ)充反應(yīng)液或培養(yǎng)液。此外，罐體110的上端還可以設(shè)置有氣體取樣口121和排氣口122，其分別經(jīng)對應(yīng)的閥門121a和122a連接到罐體110。氣體取樣口121可用于對罐體110內(nèi)的氣體進(jìn)行采樣，排氣口122可用于排出罐內(nèi)氣體，例如可連接到其他設(shè)備。罐體110上還可以設(shè)置有一個或多個檢測電極或傳感器，例如pH值檢測電極、溶氧電極、壓力傳感器、溫度傳感器等。

上面參照圖2描述了根據(jù)本實(shí)用新型一示例性實(shí)施例的鼓泡式列管生物反應(yīng)器100的大致結(jié)構(gòu)。應(yīng)注意，與圖1所示的現(xiàn)有技術(shù)反應(yīng)器10不同的是，反應(yīng)器100的罐體110具有更加細(xì)長的結(jié)構(gòu)。例如，現(xiàn)有技術(shù)反應(yīng)器的罐體11的高徑比R一般在1<R<3的范圍，這是因?yàn)闅馀萑菀自诠摅w內(nèi)聚合，當(dāng)若干小氣泡在罐體內(nèi)聚合成一個大氣泡后，氣液之間的接觸面積大大減小，傳質(zhì)速度也相應(yīng)地大大減小，從而影響了反應(yīng)效率。雖然可以在現(xiàn)有技術(shù)反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置攪拌器，但是其對氣泡聚合的抑制并不明顯。考慮到這些因素，現(xiàn)有技術(shù)中一般不會把罐體做得很高，因?yàn)樵诠摅w的較高部分處由于氣泡聚合而反應(yīng)效率是低的，因此影響了整罐反應(yīng)液的反應(yīng)效率。而本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，與現(xiàn)有技術(shù)中的常規(guī)認(rèn)識不同的是，當(dāng)將反應(yīng)器100的罐體110做成細(xì)長結(jié)構(gòu)后，反應(yīng)效率反而會上升。本發(fā)明人認(rèn)為這是因?yàn)槿缦略蛟斐傻摹Ｊ紫?，?xì)長結(jié)構(gòu)的罐體增加了氣泡在液體中的行程，有利于提高傳質(zhì)速度。此外，對于相同體積的反應(yīng)液而言，細(xì)長結(jié)構(gòu)具有更小的橫截面積，因此該橫截面積中反應(yīng)液所占的面積與氣泡所占的面積之間的比值減小，這意味著相對更大比例的反應(yīng)液能夠接觸到氣泡，因此在一定程度上減弱了氣泡合并對傳質(zhì)速度的負(fù)面影響。鑒于這些因素，細(xì)長結(jié)構(gòu)的罐體110反而能夠提高反應(yīng)效率?？紤]到這樣的形狀特點(diǎn)，本實(shí)用新型的生物反應(yīng)器可以被稱為“列管”生物反應(yīng)器。在本實(shí)用新型的一些實(shí)施例中，罐體110的高徑比R可以在例如3<R<100的范圍，優(yōu)選在5<R<80的范圍，再優(yōu)選地在8<R<40的范圍，更優(yōu)選地在12<R<20的范圍。當(dāng)在該優(yōu)選的高徑比范圍內(nèi)時(shí)，由于明顯提高了傳質(zhì)速度和反應(yīng)效率，因此使用顯著更少量的氣體即可完成反應(yīng)，由此還大大節(jié)省了能耗。

此外，如圖2所示，在細(xì)長結(jié)構(gòu)的罐體110中，可以在不同高度處設(shè)置多個氣體分布器115a、115b和115c，其例如可以是多孔板，板上的孔直徑和孔之間的距離可以根據(jù)整個罐體的大小來經(jīng)驗(yàn)地設(shè)定。這樣，可以將聚合的大氣泡再重新分布為若干小氣泡，從而可以進(jìn)一步減小氣泡聚合對傳質(zhì)速度的負(fù)面影響。在本實(shí)用新型的這些實(shí)施例中，由于氣泡聚合對傳質(zhì)速度的負(fù)面影響得到了抑制，而鼓泡過程可以保證反應(yīng)液的充分均勻，因此可以省略攪拌器(例如，圖1所示的攪拌器17)，從而進(jìn)一步節(jié)省了攪拌所消耗的能量。

圖3是根據(jù)本實(shí)用新型另一實(shí)施例的鼓泡式列管生物反應(yīng)器100'的示意圖。圖3所示的生物反應(yīng)器100'與圖2所示的生物反應(yīng)器100相同或相似的部件用相同或相似的附圖標(biāo)記指示，這里將省略對其的重復(fù)描述。下面僅描述圖3的生物反應(yīng)器100'與圖2的生物反應(yīng)器100之間的不同之處。

在圖2中，一個或多個氣體分布器115可以水平固定在反應(yīng)器100中以執(zhí)行氣泡分布功能。而在圖3所示的示例中，一個或多個氣體分布器115，其例如為多孔板，可以安裝在旋轉(zhuǎn)軸102上，旋轉(zhuǎn)軸102的一端可以密封地穿過罐體110，從而可以在罐體110外旋轉(zhuǎn)氣體分布器115。例如，當(dāng)進(jìn)行鼓泡反應(yīng)時(shí)，氣體分布器115可以旋轉(zhuǎn)到水平位置以執(zhí)行氣泡分布功能。此外，氣體分布器115還能起到擋板的作用，從而抑制反應(yīng)液的返混現(xiàn)象，改善反應(yīng)功效，這對于本實(shí)用新型的具有大高徑比的反應(yīng)器是尤其有利的。當(dāng)在反應(yīng)完成后進(jìn)行排料步驟時(shí)，氣體分布器115可以旋轉(zhuǎn)到圖3所示的垂直位置，以避免阻擋反應(yīng)液中含有的粘稠或凝固物質(zhì)或反應(yīng)液中含有的固態(tài)填料等，使得罐體110中的所有物質(zhì)都能夠順利地通過罐體110下端的排料口排出。

上面的圖2和圖3示出了單管反應(yīng)器的實(shí)施例。在本實(shí)用新型的一些實(shí)施例中，還可以將多根管串聯(lián)起來，下面參照圖4和圖5論述這樣的實(shí)施例。圖4是根據(jù)本實(shí)用新型一實(shí)施例的具有串聯(lián)結(jié)構(gòu)的鼓泡式列管生物反應(yīng)器200的示意圖。圖4所示的生物反應(yīng)器200與圖2所示的生物反應(yīng)器100和圖3所示的生物反應(yīng)器100'相同或相似的部件用相同或相似的附圖標(biāo)記指示，這里將省略對其的重復(fù)描述，下面僅描述不同之處。

如圖4所示，反應(yīng)器200包括多個罐體110，每個罐體110可以與圖2和圖3所示的罐體相同。為了清楚和簡單起見，圖4中省略了罐體110上的許多部件，例如多個進(jìn)料口、蒸汽口、取樣口等，但是應(yīng)理解，圖4中的每個罐體110都可以具有這些進(jìn)口或出口。而且，各個罐體110的相應(yīng)進(jìn)口或出口可連接到相同的主干路。例如，圖4所示的4個罐體每個的補(bǔ)酸口117(見圖2和3)可連接到同一酸料供給管路或補(bǔ)酸罐，補(bǔ)堿口118(見圖2和3)可連接到同一堿料供給管路或補(bǔ)堿罐，補(bǔ)消泡劑口119可連接到同一消泡劑供給管路或補(bǔ)消泡劑罐，補(bǔ)料口120可連接到同一補(bǔ)料管路或補(bǔ)料罐，蒸汽口113可連接到同一蒸汽供應(yīng)管路，排料口112可連接到同一排料管路，等等。

反應(yīng)器200包括的4個罐體110彼此串聯(lián)連接。具體而言，第一個罐體110的排氣口122通過管路201連接到第二個罐體110的進(jìn)氣口111，以此類推。在一些實(shí)施例中，根據(jù)反應(yīng)條件的要求，管路201外也可包附有保溫材料以減小散熱。這樣，氣體由空氣壓縮機(jī)101泵入第一個罐體110的進(jìn)氣口111，在經(jīng)過4個罐體110之后，從最后一個罐體110的排氣口122排出。這樣，進(jìn)一步增大了氣體在反應(yīng)液中的行程，提高了氣體利用率，并且降低了能耗。

應(yīng)理解，雖然圖4示出了串聯(lián)連接的4個罐體，但是反應(yīng)器200可以包括更多或更少的罐體，例如2個、3個、5個、6個、更多個等。在一些實(shí)施例中，反應(yīng)器200可包括2至50個罐體，優(yōu)選地3至40個，再優(yōu)選地3至30個，更優(yōu)選地3至20個。

圖5是根據(jù)本實(shí)用新型一實(shí)施例的具有串聯(lián)結(jié)構(gòu)的鼓泡式列管生物反應(yīng)器300的示意圖。圖5所示的生物反應(yīng)器300與圖4所示的生物反應(yīng)器200相同或相似的部件用相同或相似的附圖標(biāo)記指示，這里將省略對其的重復(fù)描述，下面僅描述不同之處。

圖5所示的反應(yīng)器300也包括串聯(lián)連接的若干罐體110。與圖4所示的反應(yīng)器200不同的是，每個罐體110的進(jìn)氣口111可設(shè)置在罐體上端或附近，然后經(jīng)設(shè)置在罐體110內(nèi)的管路301延伸到罐體下端附近。與圖4所示的反應(yīng)器200相比，在圖5的反應(yīng)器300中由于將管路301設(shè)置在罐體110內(nèi)部，可以更好地起到對管路301中的氣體保溫的作用。而圖4的反應(yīng)器200由于將管路201設(shè)置在罐體110之外，則可以起到通過管路201來對氣體散熱的作用。受益于本公開，本領(lǐng)域技術(shù)人員容易根據(jù)所需的反應(yīng)條件來選擇合適的管路設(shè)置。

圖6示出根據(jù)本實(shí)用新型一實(shí)施例的具有串聯(lián)結(jié)構(gòu)的鼓泡式列管生物反應(yīng)器400的俯視布局圖。如圖6所示，反應(yīng)器400包括串聯(lián)連接的10個罐體110，氣體經(jīng)空氣壓縮機(jī)101泵入第一個罐體，依次流經(jīng)10個罐體之后，從最后一個罐體的排氣口排出，如實(shí)線箭頭所示。在圖6的反應(yīng)器400中，10個罐體可以彎折地排列，從而可以提高反應(yīng)器400的緊湊度，節(jié)省占地空間。而且由于反應(yīng)器400的排氣口接近于其進(jìn)氣口，從而能夠提高包括該反應(yīng)器的整個系統(tǒng)的緊湊度。應(yīng)理解，根據(jù)本實(shí)用新型的反應(yīng)器可以包括更多或更少的罐體，并且罐體的排列亦可根據(jù)空間、場地等因素而靈活地采用各種其他形狀。

下面以發(fā)酵反應(yīng)為例，來描述本實(shí)用新型的反應(yīng)器的一些使用實(shí)例，并且對比現(xiàn)有技術(shù)的反應(yīng)器的使用實(shí)例來說明其效果。

好氧發(fā)酵

比較例1

使用圖1所示的常規(guī)1T(噸)反應(yīng)器10來進(jìn)行好氧發(fā)酵，反應(yīng)器10的罐體高度為2.5m，內(nèi)徑為0.8m，裝液量為700L。選用的補(bǔ)料罐為200L的攪拌罐。所選的菌種是釀酒酵母，培養(yǎng)基配方為每升包括蛋白胨20g、酵母提取物10g、以及葡萄糖20g。200L補(bǔ)料罐中的補(bǔ)料培養(yǎng)基配方為20kg葡萄糖加水至160L。發(fā)酵過程為將培養(yǎng)基倒入常規(guī)生物反應(yīng)器中，接種釀酒酵母，控制反應(yīng)溫度為30℃，pH值為7.0，控制通氣量為48Nm³/h，開始發(fā)酵，在培養(yǎng)12小時(shí)后開始補(bǔ)料，補(bǔ)料速率為12L/h。發(fā)酵過程中檢測OD(酵母的生物量，1個OD約為0.3g/L酵母濃度)和在線DO(發(fā)酵液中的溶氧濃度)，發(fā)酵48小時(shí)后終止，記錄整個過程消耗的電量。其中，OD的測定通過如下步驟進(jìn)行：使用可見分光光度計(jì)(上海菁華產(chǎn)的722S可見分光光度計(jì))，將可見分光光度計(jì)的波長調(diào)至600nm，將發(fā)酵液樣品放入1cm寬的玻璃比色皿中進(jìn)行檢測。在線DO的檢測通過使用生物反應(yīng)器的罐體上安裝的溶氧電極(梅特勒)進(jìn)行檢測?？諝鈮嚎s機(jī)和驅(qū)動發(fā)酵罐攪拌器的電機(jī)消耗的電量由電路上的三相電表(ELECALL，型號DTS3533-1，380V，100A)來檢測。DO(溶氧濃度)和OD(酵母生物量)隨時(shí)間的變化曲線分別示于圖7A和7B中。如圖7A和7B所示，發(fā)酵液的溶氧濃度隨時(shí)間逐漸降低，在14～40時(shí)溶氧約為0；最高OD為120。發(fā)酵48小時(shí)后，用電量為362.3度。

實(shí)例1

在實(shí)例1中，采用根據(jù)本實(shí)用新型一實(shí)施例的反應(yīng)器來執(zhí)行上述好氧發(fā)酵過程。反應(yīng)器包括串聯(lián)連接的5個罐體，每個罐體的高度為3m，內(nèi)徑為0.3m(高徑比R＝10)，單罐的裝液量為140L，總裝液量為700L。發(fā)酵時(shí)的通氣量控制為24Nm³/h，其他方面與比較例1相同。DO(溶氧濃度)和OD(酵母生物量)隨時(shí)間的變化曲線分別示于圖8A和8B中，其中DO值和OD值為取5個罐體的相應(yīng)值的平均值。如圖8A和8B所示，發(fā)酵液的溶氧濃度在開始階段下降更緩慢，并且在整個發(fā)酵過程中都不為0；最高OD為246。發(fā)酵48小時(shí)后，用電量為121.6度。

通過將上述比較例1和實(shí)例1對比可以發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的生物反應(yīng)器相比較，本實(shí)用新型的生物反應(yīng)器在好氧培養(yǎng)中能增加發(fā)酵液中的溶氧，進(jìn)而使酵母生長受到溶氧的影響減小，使OD增長更快，平均OD的最大值約為傳統(tǒng)生物反應(yīng)器的兩倍。而且，本實(shí)用新型的生物反應(yīng)器的通氣量僅是傳統(tǒng)生物反應(yīng)器的50％，能耗僅是傳統(tǒng)生物反應(yīng)器的大約33.6％。

厭氧發(fā)酵

比較例2

使用與比較例1相同的常規(guī)反應(yīng)器來進(jìn)行厭氧發(fā)酵，所選的菌種為梭狀芽孢桿菌，反應(yīng)器的裝液量為700L。培養(yǎng)基配方為每升包括氯化鈉40g、氯化銨50g、氯化鉀5g、磷酸二氫鉀5g、硫酸鎂10g和酵母提取物0.5g。發(fā)酵所用的氣體為合成氣，成分包括15％的CO，60％的H₂，20％的CO₂和5％的N2，上述百分比為體積比。發(fā)酵過程為將培養(yǎng)基倒入常規(guī)生物反應(yīng)器中，接著使用高純氮?dú)鈦磉M(jìn)行除氧，通入氮?dú)?4小時(shí)以上。然后接種厭氧的梭狀芽孢桿菌，控制反應(yīng)溫度為37℃，pH值為7.0，控制通氣量為48Nm³/h，執(zhí)行發(fā)酵。發(fā)酵時(shí)，隨時(shí)間檢測OD、進(jìn)氣量和排氣量，并且測量排氣成分和耗電量。OD的測定可通過如下步驟進(jìn)行：使用可見分光光度計(jì)(上海菁華產(chǎn)的722S可見分光光度計(jì))，將可見分光光度計(jì)的波長調(diào)至600nm，將發(fā)酵液樣品放入1cm寬的玻璃比色皿中進(jìn)行檢測。進(jìn)氣量和排氣量的測定可通過使用質(zhì)量流量計(jì)來對進(jìn)氣量和排氣量進(jìn)行在線檢測。排氣成分的檢測可采用氣相色譜(安捷倫-7890)來進(jìn)行，采用面積歸一法進(jìn)行計(jì)算，選用得到色譜柱為13X分子篩柱(柱長3m，內(nèi)徑3mm)，選用氦氣為載氣?？諝鈮嚎s機(jī)和發(fā)酵罐攪拌電機(jī)消耗的電量由接在電路上的三相電表(ELECALL，型號DTS3533-1，380V，100A)來進(jìn)行。測量結(jié)果分別示于圖9A、圖9B和圖9C中，其中圖9A示出了OD隨時(shí)間的變化曲線，OD的最高值為1.2，圖9B示出了進(jìn)氣量和排氣量隨時(shí)間的變化曲線，圖9C示出了排氣成分隨時(shí)間的變化曲線。用電量的測量結(jié)果為1692.1度。

實(shí)例2

在實(shí)例2中，采用與實(shí)例1相同的反應(yīng)器來執(zhí)行上述厭氧發(fā)酵過程，反應(yīng)器的總裝液量也為700L，其他方面都與比較例2相同。測量結(jié)果分別示于圖10A、圖10B和圖10C中，其中圖10A示出了平均OD值隨時(shí)間的變化曲線，OD的最高值為13，圖10B示出了進(jìn)氣量和排氣量隨時(shí)間的變化曲線，圖10C示出了排氣成分隨時(shí)間的變化曲線。用電量的測量結(jié)果為1020.1度。

下面比較比較例2和實(shí)例2的測量結(jié)果。從圖9A和圖10A可以看出，當(dāng)采用本實(shí)用新型的反應(yīng)器進(jìn)行厭氧發(fā)酵時(shí)，OD值在反應(yīng)開始后就逐漸上升，并且最高值是常規(guī)反應(yīng)器的10倍以上，說明本實(shí)用新型的反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)了10倍以上的傳質(zhì)速度。從進(jìn)氣量和排氣量以及排氣成分的測量結(jié)果可以看出，常規(guī)反應(yīng)器的氣體利用率較差，僅為10％左右，而本實(shí)用新型可達(dá)75％左右，大大提高了氣體利用率。此外，本實(shí)用新型的反應(yīng)器的能耗是常規(guī)反應(yīng)器的60.3％左右，節(jié)省了能耗。

上面用若干細(xì)節(jié)描述了本實(shí)用新型的若干示例性實(shí)施例，應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說明本實(shí)用新型的原理，而無意成為對本實(shí)用新型的限制。在本實(shí)用新型的教導(dǎo)下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的各種改變、替換、增加和/或省略。本實(shí)用新型的范圍僅由所附權(quán)利要求及其等價(jià)物定義。