CN102796650A - 一种旋流气升式发酵罐 - Google Patents

Abstract

一种旋流气升式发酵罐，其包括罐体、进气装置、排气装置、冷却装置及所述罐体上设置的进气管、排气管，所述进气管与进气装置相连接，所述排气管与排气装置相连接，其特征在于：所述进气管设于罐体底部的中间位置或靠近罐体底部位置，所述排气管设于罐体顶部的中间位置，所述进气装置为一旋流混合器，设于罐体内的底部或者靠近罐体底部位置，并与进气管相连接，在旋流混合器的上方设有导流装置，所述导流装置为两端开口的筒状结构，呈纵向设置在罐体的轴线上，本发明的旋流气升式发酵罐结构简洁、无搅拌装置、通气压力较低但可使气液呈旋流状态、气液混合效果良好且低耗高效，同时排气清洁、发酵效率高，适用于好气性微生物液态深层发酵。

Description

一种旋流气升式发酵罐

技术领域

本发明涉及一种发酵罐，尤其是一种应用于工业化大生产中的，作为好气性微生物发酵的旋流气升式发酵罐。 

背景技术

通常好气性微生物发酵罐内部有搅拌系统、冷却散热系统以及通气排气装置等。随着工业大生产发酵规模不断扩大，单台发酵罐直径、高度也成倍增加。发酵罐直径从过去2m～4m增至现在的4m～10m；高度从过去5m～10m增至现在的10m～20m。由于搅拌功率与搅拌器直径的平方成正比，因此发酵罐体积扩大后搅拌功率成倍上升，导致能耗大幅增加。 

为降低能耗，近年开发有多种立式无搅拌发酵罐，其利用压缩空气压力能，通过射流装置使气液均质并转化为高速射流，再借助罐内导流装置，带动发酵液循环、使微生物发酵过程在罐内均匀进行。但为转化高速射流要求空气进罐压力大于普通带搅拌的通气发酵罐所需压力，由此，虽然省却了搅拌功率消耗，而空压机出口压力上升导致电耗上升，此消彼长，带射流的无搅拌发酵罐节能效果差。况且部分生产菌在高速射流的环境中生长代谢受影响，不能应用此种发酵罐，因此其实际应用范围非常有限，需要改进。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述的技术现状而提供一种无搅拌装置、通气压力较低但可使气液呈旋流状态、气液混合效果良好，低耗高效的旋流气升式发酵罐。 

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种旋流气升式发酵罐，其包括罐体、进气装置、排气装置、冷却装置及所述罐体上设置的进气管、排气管，所述进气管与进气装置相连接，所述排气管与排气装置相连接，其特征在于：所述进气管设于罐体底部的中间位置或靠近罐体底部位置，所述排气管设于罐体顶部的中间位置，所述进气装置为一旋流混合器，设于罐体内的底部或者靠近罐体底部位置，并与进气管相连接， 在旋流混合器的上方设有导流装置，所述导流装置为两端开口的筒状结构，呈纵向设置在罐体的轴线上，所述罐体内的发酵气液在旋流混合器的作用下呈旋流状态混合，并沿着导流装置作内外循环运动。 

作为改进，所述导流装置在罐体内分为上下布置的数段，每一段导流装置的上端成型有便于发酵液流入的扩径口。 

作为改进，所述旋流混合器包括盛装发酵液和分隔气液进口的内壳体和外壳体，内壳体顶部或底部与进气管相通，对应地，外壳体的顶部和底部或者外壳体的顶部设有进液口，内壳体的中心呈圆周状分布有若干叶片，在内壳体内形成气流旋流通道，而内壳体和外壳体之间形成气液混合的涡流通道。 

作为改进，所述冷却装置包括设于罐体壁面的第一冷却夹套和设于导流装置壁面的第二冷却夹套。 

再改进，所述第一冷却夹套设置在罐体的外壁或者内壁或者内外壁面，所述第二冷却夹套设置在导流装置的外壁或者内壁或者内外壁面。 

再改进，所述第一冷却夹套和第二冷却夹套采用蜂窝式或者流道式，是由薄壁不锈钢激光一次焊接成型连接。 

进一步改进，所述排气装置包括高效旋击气液分离器、液体回流管和出气管，所述排气管的一端插入发酵罐顶部中心、另一端连接高效旋击气液分离器，所述气液分离器上连接有出气管与液体回流管，由排气管带来的气液固混合物经分离器处理后，分离出来的固、液物通过液体回流管回流入罐体内，分离出来的气体由出气管排出。 

再进一步改进，所述液体回流管的液体流出端设于罐体内的导流装置的中心入口处，且处于发酵初始液位以下。 

最后，所述排气管上设置有流量调节阀。 

与现有技术相比，本发明采用旋流混合器作为进气装置，取代传统的环形管或者射流器，使得空气从中心进入，经过涡旋通道的导流，呈旋流状喷出，同时吸引附近液体带入其中，与气体强制混合后呈乳化状导出；同时在罐体内设置导流装置，使发酵液循环更加顺畅，溶解氧增加；不仅在罐体壁面设置冷却夹套，在导流装置壁面也设置冷却夹套，使得换热面积大，液体流速相对较快，换热效果好；排气处理装置采用高效旋击分离器，对发酵排气中夹带的固液物进行分离回流，使排气清洁，既提高发酵罐利用率，又环保；而且由于没有机械剪切对微生物细胞的损害，有助于发酵产物的生成和提取；本发明的旋流气升式发酵罐结构简洁、无搅拌装置、通气压力较低但可使气液呈旋流状 态、气液混合效果良好且低耗高效，同时排气清洁、发酵效率高，综合节能可达20％～50％，适用于好气性微生物液态深层发酵。 

附图说明

图1为本发明实施例的旋流气升式发酵罐的结构示意图； 

图2a、2b为本发明实施例的旋流混合器的结构示意图； 

图3a、3b为本发明实施例的旋流混合器的另一种结构示意图； 

图4a、4b为本发明实施例的冷却夹套结构示意图，其中a为流道式，b为蜂窝式。 

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。 

如图1所示，一种旋流气升式发酵罐，包括圆筒状的立式罐体1、进气装置、排气装置、导流装置以及冷却装置，所述罐体1上设置有进气管11、排气管4及各种必要的管道接口，所述进气管11设于罐体1底部的中心位置或者靠近罐体1底部的中心位置，与进气装置相连接，所述排气管4设于罐体1顶部的中心位置与排气装置相连接。 

如图2a、2b所示，所述进气装置为一旋流混合器2，设于罐体1内的底部、贴紧罐体1下封头安装与进气管11相连接，所述旋流混合器2类似离心水泵的叶轮，包括盛装发酵液和分隔气液进口的内壳体26和外壳体25，所述外壳体25的顶部设有进液口21，所述内壳体26内的中心呈圆周状均匀分布有若干叶片22，在内壳体26内形成气流旋流通道23，而在外壳体25和内壳体26之间形成气液混合的涡流通道24，涡流通道24是与旋流通道23是延伸并连通的，空气从进气管11进入旋流混合器2的旋流通道23，同时发酵液从其进液口21进入，气液两相在涡旋通道23内被强制混合后呈乳液状，而后向四周旋转喷射，并自然向上流动，由于气体在其中速度较射流器低，压力损失极小，因此进罐空气压力与常见带搅拌的发酵罐相差无几。 

如图3a、3b所示，为旋流混合器2另一安装结构，旋流混合器2悬空安装在罐体1底部上面，并靠近罐体1的底部，旋流混合器2包括盛装发酵液和分隔气液进口的内壳体26和外壳体25，外壳体25靠近罐体底部中心和顶部设有进液口21，内壳体26的顶部和进气管11连接，内壳体26的中心呈圆周状均匀分布有若干叶片22，在内壳体26 内形成气流旋流通道23，而内壳体26和外壳体25之间形成气液混合的涡流通道24，涡流通道24在内壳体26外围和气流旋流通道23相汇合。 

如图1所示，在旋流混合器2的上方设有导流装置3，所述导流装置3分为上下两段，分别为两端开口的薄壁直筒状结构，纵向设置在罐体1的中心轴上，每段导流装置3的上端成型有便于发酵液流入的扩径口31，由于旋流混合器2对其上液体产生向下的吸引作用，结合导流装置3，使得发酵罐内液体产生中心向下、四周向上的循环流动，这种循环既是沿发酵罐轴向的，也是沿发酵罐周向的，宏观表现为螺旋式上升和下降，不同于普通发酵罐内通过机械搅拌建立的循环，也不同于射流器通过高速射流带动的循环，旋流混合器引发的循环不致使微生物细胞剪切损伤，有利于微生物代谢发酵；另外外围液体气体含量高，其密度小于导流装置内芯液体的密度，这种密度差使发酵液循环更加顺畅。 

如图1所示，所述冷却装置包括设于罐体1壁面的第一冷却夹套9和设于导流装置3壁面的第二冷却夹套10，所述第一冷却夹套9设置在罐体1的外壁或者内壁或者内外壁面，所述第二冷却夹套10设置在导流装置3的外壁或者内壁或者内外壁面。所述第一冷却夹套9和第二冷却夹套10可以采用流道式a或蜂窝式b(见图4a、4b)，是由薄壁不锈钢激光一次焊接成型连接，前者焊缝是直线，并形成曲折的封闭通道；后者焊缝呈离散的点状，每一个焊点既是夹套的固定点，也是冷却液流动的扰流点，有助于提高传热系数。图中，“⊙”表示冷却液出口， 

表示冷却液进口。其中图4a是冷却夹套的首尾局部，在首部设冷却液进出口，在尾部冷却液转换方向；图4b是冷却夹套圆柱面展开后的局部；此种夹套具有材料省、换热面积大、焊缝可靠性高等优点；另外在导流装置3内外壁仅可能多地布置第二冷却夹套10，由于通常导流装置3内部发酵液流速大于外部流速，而且导流装置3壁厚较薄、热阻较小，因此布置在导流装置3上的第二冷却夹套10其传热系数比发酵罐壁面上第一冷却夹套9的大，也即可以较小的传热面积承担较大的冷却热负荷； 

如图1所示，所述排气装置包括出气管6、高效旋击气液分离器5、液体回流管7，所述排气管4的一端设置在罐体1的中心顶部与排气口12相接、另一端连接高效旋击气液分离器5，所述高效旋击气液分离器5上连接有出气管6与液体回流管7，由排气管4带来的气液固混合物经分离器处理后，分离出来的固、液物通过液体回流管7回流入罐体1内导流装置3的中心入口处，便于回流物被引出、并同发酵液均质，分离出来的气体由出气管6、流量调节阀8排出。 

本实施例子仅仅就最佳例子作了描述，不能理解为对本发明的保护范围限制，将进气口(管)、排气口(管)设于罐体底部或顶部的偏离中心一点位置，或者导流装置3稍微偏离罐体1中心轴一些，依然会取得类似的明显地突出于背景技术的技术效果，虽然不是最佳的，也依然是我们要求保护范围。 

Claims (8)

1.一种旋流气升式发酵罐，其包括罐体、进气装置、排气装置、冷却装置及所述罐体上设置的进气管、排气管，所述进气管与进气装置相连接，所述排气管与排气装置相连接，其特征在于：所述进气管设于罐体底部的中间位置或靠近罐体底部位置，所述排气管设于罐体顶部的中间位置，所述进气装置为一旋流混合器，设于罐体内的底部或者靠近罐体底部位置，并与进气管相连接，在旋流混合器的上方设有导流装置，所述导流装置为两端开口的筒状结构，呈纵向设置在罐体的轴线上，所述罐体内的发酵气液在旋流混合器的作用下呈旋流状态混合，并沿着导流装置作内外循环运动。

2.根据权利要求1所述的旋流气升式发酵罐，其特征在于所述导流装置在罐体内分为上下布置的数段，每一段导流装置的上端成型有便于发酵液流入的扩径口。

3.根据权利要求1或者2所述的旋流气升式发酵罐，其特征在于所述旋流混合器包括内壳体和外壳体，内壳体顶部或底部与进气管相通，对应地，外壳体的顶部和底部或者外壳体的顶部设有进液口，内壳体的中心呈圆周状分布有若干叶片，在内壳体内形成气流旋流通道，而内壳体和外壳体之间形成气液混合的涡流通道。

4.根据权利要求1所述的旋流气升式发酵罐，其特征在于所述冷却装置包括设于罐体壁面的第一冷却夹套和设于导流装置壁面的第二冷却夹套。

5.根据权利要求4所述的旋流气升式发酵罐，其特征在于所述第一冷却夹套设置在罐体的外壁或者内壁或者内外壁面，所述第二冷却夹套设置在导流装置的外壁或者内壁或者内外壁面。

6.根据权利要求5所述的旋流气升式发酵罐，其特征在于所述第一冷却夹套和第二冷却夹套采用蜂窝式或者流道式，是由薄壁不锈钢激光一次焊接成型。

7.根据权利要求1所述的旋流气升式发酵罐，其特征在于所述排气装置包括高效旋击气液分离器、液体回流管和出气管，所述排气管的一端插入发酵罐顶部中心、另一端连接高效旋击气液分离器，所述气液分离器上连接有出气管与液体回流管，由排气管带来的气液固混合物经分离器处理后，分离出来的固、液物通过液体回流管回流入罐体内，分离出来的气体由出气管排出。

8.根据权利要求8所述的旋流气升式发酵罐，其特征在于所述液体回流管的液体流出端设于罐体内的导流装置的入口处，且处于发酵初始液位以下。

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