CN100516192C

CN100516192C - 搅拌提液自吸式生物反应器

Info

Publication number: CN100516192C
Application number: CN 200610008285
Authority: CN
Inventors: 李玉光; 刘会洲; 安震涛; 李望良; 熊小超; 李信; 邢建民
Original assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Priority date: 2006-02-21
Filing date: 2006-02-21
Publication date: 2009-07-22
Anticipated expiration: 2026-02-21
Also published as: CN101024811A

Abstract

本发明涉及气-液两相、气-液-固或气-液-液多相生物化工操作反应器，特别涉及适用于好氧液体生物发酵反应的搅拌提液自吸式生物反应器。一顶部为开口的反应器壳体，在开口上盖有开有一个或一个以上进气敞口的上端盖，在进气敞口上覆有无菌过滤膜；反应器的下部开有取样口；一中心转轴的上端通过轴套与电动搅拌机的轴连接，下端连接由内空腔套筒和外空腔套筒组成的自吸式搅拌提液器；内空腔套筒的上部开有一个以上的空气入口，在内空腔套筒的下部连接有与内空腔套筒相通的气相离心力管式通道；在内空腔套筒的外壁安装有底端为敞口的外空腔套筒，上部连接有液相离心力管式通道。本发明实现了发酵反应所需的搅拌混合与供气过程，提高了溶氧效率。

Description

搅拌提液自吸式生物反应器

技术领域

本发明涉及一种气-液两相、气-液-固或气-液-液多相生物化工操作反应器，特别涉及适用于好氧液体生物发酵反应的搅拌提液自吸式生物反应器。

背景技术

生物反应器是为生物催化剂(微生物细胞或酶)提供良好的反应环境以完成生物催化反应的设备，常称为发酵罐。一个优良的生物反应器的特点是，设备简单，不易染菌，能耗低，具有良好的液体混合性能，较高的传质、传热速率，同时还应具有单位时间单位体积的生产能力高，操作控制维修方便，易于放大等。培养微生物的发酵反应器必须具有适宜于微生物生长和形成产物的各种条件(如控制好合适的温度、pH、溶解氧浓度、搅拌转速、通气流量、补料量等因素)，促进微生物的新陈代谢，使之能在低消耗下获得较高产量。

由于大多数工业微生物生长都需要氧，因此发酵罐通常采用通气和搅拌来增加氧的溶解，机械搅拌通风发酵罐在生物工程工厂中得到广泛使用。机械搅拌通风发酵罐靠通入的压缩空气和搅拌叶轮实现发酵液的混合、溶氧传质，效率高，同时强化热量传递。通风发酵罐有鼓泡式、气升式、机械搅拌式、自吸式、喷射自吸式、溢流喷射自吸式等多种类型发酵罐。通风发酵设备要将空气不断通入发酵液中，供微生物所需的氧，气泡越小，气泡的比表面积越大，氧的溶解速率越快，氧的利用率也越高，产品的产率也越高。机械搅拌通风发酵罐用于抗生素、酵母、氨基酸、有机酸或酶的生产，显示出高生产效率、高经济效益的优点，但也存在许多缺点(参见文献1：陈洪章，生物过程工程与设备，化学工业出版社，2004，86～77)。另外，由于发酵时采用的菌种不同、产物不同或发酵类型不同，培养或发酵条件又各有不同，还要根据发酵过程的特点和要求来设计和选择发酵反应器的型式和结构。因此，很有必要对现有通气搅拌生物反应器进行改进，发展气升式或自吸式等新型生物反应器，以便降低能耗，提高供氧，强化传质。

随着石油及石化工业的发展，对工业废水、生活污水及石油燃料燃烧过程中废气排放的治理已引起高度重视。利用生物技术来降解有毒、有害有机物的方法因具有成本低、费用省、反应条件温和、对环境影响小、无二次污染等优点已成为治理环境污染的有效途径之一。比如，正在兴起的柴油生物催化脱硫技术，以其具有的选择性高，副反应少，反应条件温和，设备投资少，对燃料热值影响小，能脱除加氢脱硫难以处理的二苯并噻吩(DBT)及其衍生物等优点，逐渐成为令人瞩目的清洁燃料生产技术，有望成为传统加氢脱硫过程的辅助途径来进行含硫燃料的精加工。

实现石油生物脱硫的工业化，需要大量的微生物催化剂，对脱硫菌的高密度培养是获得大量生物催化剂的前提。因此，必须设计适用于该生物反应过程的反应器。目前石油生物脱硫的研究大多处在基础研究阶段，仅有几个关于反应器的研究，已见报道的主要有搅拌釜反应器、气升式反应器、游离细胞乳相接触反应器、固定化细胞流化床反应器等(参见文献2：McFarland BL，et al.Crit.Rev.Microbiol.，1998，24：99～147；文献3：MonticelloD J.USP 5472875.1995；文献4：Kaufman E N，et al.Appl.Biochem.Biotech.，1998，73：127～144)，这些反应器各有优缺点：其中搅拌釜反应器应用最多；乳相接触反应器能产生5μm的水/油/细菌液滴，达到油相与水相的充分混合，但具有较低的脱硫率；而流化床反应器将生物催化剂固定在合适的载体上，易于连续操作和产品的分离，但生物催化剂的固定化等技术还需要进一步研究；这些反应器不但结构复杂、占地面积大，而且能耗偏高，效率低，传质效果差。本实验室姜成英等曾提出复式多通道轻重相反应器(中国发明专利ZL00130018.0)，但需要将该反应器置于摇床上培养，操作比较复杂。因此设计结构简单的好氧发酵反应器，有效进行大规模细胞培养，是实现生物脱硫等技术工业化的迫切要求。迄今为止，未发现有关将搅拌、自吸及提液喷洒相结合的生物反应器的报道。

发明内容

本发明的目的在于克服已有生物反应器的缺点，为了实现微生物细胞的高密度培养，增大培养介质与微生物接触面积，进一步强化溶氧传质效果，从而提供一种结构简单、设备制造及能耗费用低、低剪切力的，符合生物脱硫及废水生物治理等工艺的工业应用的搅拌提液自吸式生物反应器。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提供的搅拌提液自吸式生物反应器(如图1所示)包括：反应器壳体、反应器上端盖、中心转轴及自吸式搅拌提液器等；其特征是：

一顶部为开口的圆筒形或U型反应器壳体1，在反应器壳体1的开口上盖有一反应器上端盖2，在上端盖上开有一个或一个以上的进气敞口4，在进气敞口4上覆有无菌过滤膜10，气体经无菌过滤膜10除菌后可以进入反应器中；在反应器1的下部开有取样口5；

一中心转轴3由反应器的顶部插入反应器中，在反应器外部的中心转轴3的上端通过轴套与电动搅拌机的轴连接，在反应器里的中心转轴3的下端连接一自吸式搅拌提液器；

一自吸式搅拌提液器由内空腔套筒和外空腔套筒组成，内空腔套筒为气相套筒，外空腔套筒为液相套筒；在与中心转轴3相接的底部密封的内空腔套筒的上部开有一个以上的空气入口6，在内空腔套筒的下部连接有与内空腔套筒相通的气相离心力管式通道7，气相离心力管式通道7由一个以上的内通道空心导管组成；在内空腔套筒的外壁，且在空气入口6的下面安装有一“裙”状的外空腔套筒，外空腔套筒的底端为敞口8，作为液相通道；上部连接有液相离心力管式通道9，液相离心力管式通道9由一个以上的外通道空心导管组成。

所述的中心转轴3的下半部分与上半部分(以中心转轴的中点分)直径之比为3∶1～5∶1。

所述的内空腔套筒的外壁与外空腔套筒的内壁可共为一筒壁。

在以上所述的反应器内安装有与外部控温器电联接的加热管，或在反应器底壳上安置一外换热式的通冷热水的夹套，使反应器内温度控制在适应生物生长及反应的范围内。

本发明的搅拌提液自吸式生物反应器中气体和液体循环分为两部分(参见图3)：

A、搅拌提液自吸式生物反应器内装载有一定的液体，液面位于液相离心力管式通道9的下方。反应器工作时，中心转轴在驱动马达的带动下以一定转速带动自吸式搅拌提液器旋转，自吸式搅拌提液器内套筒中的无菌空气在旋转离心力的作用下沿气相通道6-1向下运动并从气相离心力管式通道7处甩出，成许多小气泡；这样在空气入口6处产生负压，产生的局部真空使外界的空气依次通过无菌过滤膜10、进气敞口4到达空气入口6处，如此循环实现自吸无菌空气。并且气相离心力管式通道7兼起搅拌的作用。

B、反应器工作时，液相通道8-1中的液体在旋转离心力的作用下沿液相通道8-1向上运动并从液相离心力管式通道9处喷洒而出，这样在液相通道下端敞口8处产生负压，液体补充进入液相通道8-1，形成液相循环。并且液滴从液相离心力管式通道9处喷洒而出时，与自吸进入的无菌空气接触，增大了液滴与氧气的接触面积。

通过上述的过程实现了反应介质的搅拌混合与自吸无菌空气，气液两相同时逆向流动混合分散，完成微生物培养、发酵、反应过程。本发明搅拌提液自吸式生物反应器工作时气液两个循环同时进行，达到反应介质均匀混合并强化了反应介质与自吸空气的接触面积。

本发明提供的搅拌提液自吸式生物反应器具有下述优点：

本发明提供的搅拌提液自吸式生物反应器，把液体的搅拌、气体的自动吸入和利用提液搅拌器进行气液混合及传质三种现象结合在一起。采用本发明的搅拌提液自吸式生物反应器，仅需利用一台电动搅拌器即可实现通气，混合与搅拌的多种功能。自吸式搅拌提液器旋转产生的剪切力，使气泡受到充分的破碎和分散，增加了气液混合效果和气液接触时间，强化了传质过程，大大提高了溶氧效率。它与现有的传统式机械搅拌通风反应器相比，具有结构简单，制造方便，能耗低，传质效率高，操作简便，特别是省去了传统发酵设备中庞大的空气压缩系统或罗茨鼓风机系统，大大简化了现有的发酵设备，从而大大地节省了投资。本生物反应器适用于生物化工中微生物细胞的大规模培养反应过程，好氧微生物的发酵反应过程等。

下面结合附图及实施例进一步描述本发明：

附图说明

图1.本发明的反应器整体结构示意图。

图2.本发明的反应器中自吸式搅拌提液器的结构示意图。

图3.本发明的反应器中反应介质的扩散过程及分散状况示意图。

图4.本发明的实施例3，分别在搅拌提液自吸式生物反应器和普通摇瓶中生物脱硫菌的生长曲线及其对水相中二苯并噻吩的降解曲线。

附图标记

1.反应器壳体 2.上端盖 3.中心转轴 4.进气敞口

5.取样口 6.空气入口 6-1.气相通道

7.气相离心力管式通道 8.敞口

8-1.液相通道 9.液相离心力管式通道 10.无菌过滤膜ο气泡 ·液相

具体实施方式

实施例1：

请参见图1～3，按照前述的反应器的连接关系制作一可用作细胞发酵反应的搅拌提液自吸式生物反应器。

本实施例提供的搅拌提液自吸式生物反应器其内径为74mm，高135mm，体积为500mL，有效容积为200mL。中心转轴上半部分长110mm，内径为6mm；下半部分长70mm，内径为25mm。外空腔套筒(气相套筒)高70mm，在外空腔套筒上端5mm处开两个Ф5mm小孔，在外空腔套筒下端5mm处连接伸出两个长为10mm内径为Ф2mm的气相离心力管式通道。内空腔套筒(液相套筒)附在外空腔套筒外边，下端敞口，高50mm，在内空腔套筒上端5mm处连接伸出两个长为5mm内径为Ф2mm的液相离心力管式通道。中心转轴、外空腔套筒、内空腔套筒间的间隔均为Ф4mm。反应器外壳为圆筒形，反应器上端盖上开有四个直径为Ф25mm圆形进气敞口，进气敞口4上覆以无菌过滤膜10。空心转轴通过反应器上端盖上的垫圈、螺母和螺杆与电动搅拌器马达连接。

实施例2：

按实施例1制作的，并在实施例1已制作好的反应器内装电加热管，加热管与外部的控温器电连接，或在反应器外壳下半部分安置一外换热式的通冷热水的夹套，与外部的控温器电连接。

实施例3：

利用在实施例1或实施例2制作的搅拌提液自吸式生物反应器中进行生物催化脱硫菌种的发酵培养。其步骤如下：

(1)生物脱硫菌的种子培养

取0.5mL甘油保存的德氏假单胞菌R-8菌株(Pseudomonas delafildiiR-8，CGMCC NO.0570)，加入到体积为20～50mL的培养基中，在30℃，170r/min的条件下培养1～2天；

培养基的组成为每升水中含有2.44g KH₂PO₄，14.03g Na₂HPO₄·12H₂O，0.4g MgCl₂·6H₂0，0.001g CaCl₂·2H₂O，0.001g FeCl₃·6H₂O，0.004gMnCl₂·4H₂O，10g甘油和2.00g NH₄Cl。硫源为二苯并噻吩，浓度为0.1mmol/L。

(2)搅拌提液自吸式生物反应器实验

在反应器中加入200mL上述培养基，121℃高压蒸汽灭菌20min。将步骤1所获得的德氏假单胞菌R-8的细胞液体培养液接种到搅拌提液自吸式生物反应器中，接种量为3％，并加入0.2mmol/L的二苯并噻吩作为唯一硫源，30℃培养3天。

对照实验以同样条件下的普通摇瓶实验作为对照。

本发明反应器在开始搅拌时，中心转轴在驱动马达的带动下以一定转速带动自吸式搅拌提液器旋转，无菌空气沿气相通道向下运动并从气相离心力管式通道处甩出，成许多小气泡，并实现自吸无菌空气；同时培养介质沿液相通道向上运动并从液相离心力管式通道9处喷洒而出，显著强化了液滴与氧气的接触，增大了氧气的传递系数。

(3)每隔一段时间从取样孔中取样测定德氏假单胞菌R-8的生长情况和反应体系中残留的二苯并噻吩(DBT)的量。细胞浓度以600nm波长下的光密度表示。二苯并噻吩及其脱硫产物用高效液相色谱仪分析。结果见图4。

由图4可见，利用本发明的搅拌提液自吸式生物反应器进行生物脱硫菌的培养及其降解水相中二苯并噻吩实验，在本发明反应器中菌株可以更快地生长和更快地脱除二苯并噻吩(DBT)，无论从德氏假单胞菌R-8的生长情况及其降解水相中的二苯并噻吩(DBT)的能力来看均显著优于普通摇瓶实验。

摇瓶实验的方法：在500mL锥形瓶中加入200mL上述培养基，灭菌后，接种步骤1所获得的德氏假单胞菌R-8的细胞液体培养液，接种量为3％，并加入0.2mmol/L的二苯并噻吩作为唯一硫源，30℃摇床培养3天。

Claims

1.一种搅拌提液自吸式生物反应器，包括反应器壳体、反应器上端盖、中心转轴及自吸式搅拌提液器；其特征是：

一顶部为开口的反应器壳体，在反应器壳体的开口上盖有一反应器上端盖，在上端盖上开有一个或一个以上的进气敞口，在进气敞口上覆有无菌过滤膜；在反应器的下部开有取样口；

一中心转轴由反应器的顶部插入反应器中，在反应器外部的中心转轴的上端通过轴套与电动搅拌机的轴连接，在反应器里的中心转轴的下端连接一自吸式搅拌提液器；

一自吸式搅拌提液器由内空腔套筒和外空腔套筒组成；在与中心转轴相接的底部密封的内空腔套筒的上部开有一个以上的空气入口，在内空腔套筒的下部连接有与内空腔套筒相通的气相离心力管式通道；在内空腔套筒的外壁，且在空气入口的下面安装有一外空腔套筒，外空腔套筒的底端为敞口；上部连接有液相离心力管式通道。

2.根据权利要求1所述的反应器，其特征是：所述的中心转轴的下半部分与上半部分的直径之比为3∶1～5∶1。

3.根据权利要求1所述的反应器，其特征是：所述的内空腔套筒的外壁与外空腔套筒的内壁共为一筒壁。

4.根据权利要求1所述的反应器，其特征是：在反应器内安装有与外部控温器电联接的加热管，或在反应器底壳上安置一外换热式的通冷热水的夹套。

5.根据权利要求1所述的反应器，其特征是：所述的气相离心力管式通道由一个以上的内通道空心导管组成。

6.根据权利要求1所述的反应器，其特征是：所述的液相离心力管式通道由一个以上的空心导管组成。