CN103103109A

CN103103109A - 一种发酵液消泡搅拌装置以及装有该装置的发酵罐

Info

Publication number: CN103103109A
Application number: CN2013100372029A
Authority: CN
Inventors: 王晓军
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-01-31
Filing date: 2013-01-31
Publication date: 2013-05-15

Abstract

本发明涉及发酵及生物工程领域的消泡装置，是一种发酵液消泡搅拌装置和装有该装置的发酵罐，包括安装在搅拌轴上的消泡桨叶，消泡桨叶由二片相同的蝶翅状桨叶片和连接两片蝶翅状桨叶片的桨叶轴座组成；蝶翅状桨叶片的展开面是一个弧面，弧面偏心部缺了一个半圆；桨叶轴座上有二条对称的绕桨叶轴座180^o的桨叶安装曲线，桨叶安装曲线的长度等于蝶翅状桨叶片展开面偏心半圆的半圆周长，两片蝶翅状桨叶片被压成一个曲面沿桨叶轴座上的安装曲线左右对称的固定在桨叶轴座上。本发明发酵液消泡搅拌装置可以有效的效消除发酵液泡沫，消泡效果好；除了有上述消泡功能，还有搅拌功能。

Description

一种发酵液消泡搅拌装置以及装有该装置的发酵罐

技术领域

本发明涉及发酵及生物工程领域的消泡装置，具体的说是一种发酵液消泡搅拌装置和装有该装置的发酵罐。

背景技术

发酵及生物工程中应用最广泛的设备是发酵罐或生物反应器，罐内发酵液在发酵时由于底物的化学性质或微生物起泡菌的原因会产生大量气泡，形成泡沫，如不及时处理，泡沫会迅速上升，溢出罐外，造成污染或发酵液流失，此现象在好氧发酵工艺中尤其严重。一般消泡工艺采用化学或物理的方法。前者是向发酵液中加入低碳醇、矿物油、有机极性化合物或硅树脂类化学消泡剂以降低发酵液的表面张力，从而抑制或减少泡沫形成，但由于生物反应对菌种或产物有严格的要求，往往不能或不希望加入化学消泡剂。后者的物理方法则是用机械碰撞原理破泡，常用的是耙式消泡搅拌桨，结构如图1所示，耙式消泡搅拌桨安装在搅拌轴6上方发酵液面A处，通过耙针B破泡，但这种方式对泡沫多和泡沫发展快的发酵液面效果很差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的缺点，提出一种发酵液消泡搅拌装置以及装有该装置的发酵罐，能有效消除发酵液泡沫。

本发明解决以上技术问题的技术方案是：

一种发酵液消泡搅拌装置，包括安装在搅拌轴上的消泡桨叶，消泡桨叶由二片相同的蝶翅状桨叶片和连接两片蝶翅状桨叶片的桨叶轴座组成；蝶翅状桨叶片的展开面是一个弧面，弧面偏心部缺了一个半圆；桨叶轴座上有二条对称的绕桨叶轴座180^o的桨叶安装曲线，桨叶安装曲线的长度等于蝶翅状桨叶片展开面偏心半圆的半圆周长，两片蝶翅状桨叶片被压成一个曲面沿桨叶轴座上的安装曲线左右对称的固定在桨叶轴座上。

一种发酵罐，发酵罐安装有上述的发酵液消泡搅拌装置。

本发明采用上宽下窄类似蝶翅状的螺旋搅拌桨叶，并将其安装在普通搅拌轴上。消泡搅拌系统采用独立动力装置，安装在发酵罐的顶上，蝶翅状搅拌桨叶在搅拌轴可上下移动，一般情况下，消泡桨叶的下端约1／3处是发酵液面，即桨叶的下端1／3部分是浸在发酵液面之下的。正常状态下，消泡搅拌系统处于待机状态，并不旋转。当泡沫形成并快速扩展，需要控制时，才启动消泡搅拌系统。利用蝶翅状桨叶在液面下的部分快速旋转时将液体搅向旋转中心产生旋涡的原理，对起泡的液面进行搅拌，泡沫在向心吸力作用下迅速向旋涡中心移动，并随旋涡下沉，部分未及下沉的泡沫在桨叶上部螺旋曲面的撞击下，表面张力遭破坏，泡沫无法继续形成或扩展，从而达到消泡的目的。

本发明的消泡过程如下：

⑴消泡搅拌系统启动前如图3所示，消泡搅拌系统启动前泡沫形成在发酵液表面，并不断扩展上升；

⑵消泡搅拌系统启动初期如图4所示，消泡桨叶旋转时在搅拌中心液面形成旋涡，泡沫受下旋力吸引，向旋涡中心汇集；

⑶消泡搅拌系统工作时如图5所示，汇聚在旋涡中心的泡沫在强大的旋涡吸力下失去表面张力被破坏或吸入液面以下；

⑷消泡搅拌系统工作后期如图6所示，部分未及下沉的泡沫遭到旋转的桨叶上部螺旋曲面的撞击，表面张力遭破坏，泡沫无法继续形成或扩展。

由于发酵液泡沫形成存在其特殊性，本发明人为了解决发酵液消泡不理想的问题进行了深入研究，结果搞清楚了消泡效果取决于消泡桨叶的外形，发现螺旋搅拌桨叶对发酵液消泡有一定的效果，但是不同螺旋形状的消泡桨叶的消泡效果却大相径庭；于是，详细研究了不同形状的螺旋搅拌桨叶的消泡效果，结果发现上宽下窄的类似蝶翅状的螺旋搅拌桨叶消泡效果较好；本发明进一步进行研究，结果发现本发明具体形状的消泡桨叶可以完成以上⑴-⑷的消泡过程，从而完成了本发明。

本发明进一步限定的技术方案是：

前述的发酵液消泡搅拌装置，消泡桨叶下端1／3部分浸在需消泡的液面之下。

前述的发酵罐，蝶翅状桨叶组件设计参数及其相互间数学关系为：发酵罐直径为P，蝶翅状桨叶片旋转直径D＝P／8～P／6，桨叶轴座直径H=D／8，所述蝶翅状桨叶片高Q＝D／3，蝶翅状桨叶片展开面小端弦长r=1/20*(D-H)，半圆（即桨叶绕轴座圆）半径m=1.2*Q/3.14159，蝶翅状桨叶片展开面弦弧长L=2*m+11*r，蝶翅状桨叶片展开面弦弧高h=L／2.43，蝶翅状桨叶片展开面弦弧半径R=（L*L/(8＊h)）+（h/2）。

前述的发酵罐，消泡桨叶位于发酵罐中央、一侧或对称分布在发酵罐内两侧。

本发明消泡桨叶的旋转直径受二个因素影响：1.发酵罐的直径；2.搅拌桨转速。一般消泡桨叶的旋转直径D为发酵罐直径P的1／8至1／6。当发酵罐直径在0.5－5米范围，消泡搅拌桨转速在50－400rpm，电动机功率需求0.2－5.5kw。对不固定发酵液或生产批次间发酵液变化大的发酵罐，采用变频调速电机，以便能更好地控制消泡效果和节能。

本发明发酵液消泡搅拌装置可以有效的效消除发酵液泡沫，消泡效果好；除了有上述消泡功能，还有搅拌功能。只要调节桨叶在液面下的深度，便可起到搅拌作用。一般情况下，桨叶的1／2或更多在液面下，搅拌效果便十分明显，当然，桨叶在液面下的部分越多，搅拌直径越大，需要的动力也越大。

附图说明

图1是现有的耙式消泡搅拌桨的使用状态图。

图2是本发明发酵液消泡搅拌装置的安装位置图。

图3是本发明发酵液消泡搅拌装置启动前的状态图。

图4是本发明发酵液消泡搅拌装置启动初期的状态图。

图5是本发明发酵液消泡搅拌装置工作中期的状态图。

图6是本发明发酵液消泡搅拌装置工作后期的状态图。

图7是本发明发酵液消泡搅拌装置的结构示意图。

图8是本发明搅拌轴与消泡桨叶的结构俯视图。

图9是本发明搅拌轴与消泡桨叶的结构主视图。

图10是本发明蝶翅状桨叶片展开面结构示意图。

图11是本发明桨叶安装曲线结构示意图。

图12是本发明实施例2的结构示意图。

图13是本发明实施例3的结构示意图。

图14是本发明实施例4的结构示意图。

图15是桨叶深度与动力需求关系图。

具体实施方式

实施例1

本实施例的发酵液消泡搅拌装置，结构如图7所示，消泡搅拌系统的动力由顶部的电动机1提供，电动机1通过减速器2将动力传给搅拌轴6，搅拌轴6带动消泡桨叶8旋转。机架3起支撑电动机和固定搅拌轴的作用。轴承组件4起定位和减少旋转阻力的作用。发酵罐或生物反应器上的凸台5是支撑消泡搅拌系统的安装平台。搅拌轴上键槽7可以防止消泡桨叶打滑，而桨叶锁定螺丝9起消泡桨叶上下位置调节定位功能。

搅拌轴与消泡桨叶的结构俯视图如图8所示，主视图如图9所示，消泡桨叶由二片相同的蝶翅状桨叶片10和11和连接两片蝶翅状桨叶片的桨叶轴座12组成；蝶翅状桨叶片的展开面是一个弧面，如图10所示，弧面偏心部缺了一个半圆13；桨叶轴座12上有二条对称的绕桨叶轴座180^o的桨叶安装曲线12A，如图11所示，图中实线是正面，虚线是反面，桨叶安装曲线的长度等于蝶翅状桨叶片10或11展开面偏心半圆的半圆周长，两片蝶翅状桨叶片被压成一个曲面沿桨叶轴座上的安装曲线左右对称的固定在桨叶轴座上。

蝶翅状搅拌桨叶在搅拌轴可上下移动，一般情况下，消泡桨叶8的下端约1／3处是发酵液面，即消泡桨叶8的下端1／3部分是浸在发酵液面A之下的，如图2所示。

本发明发酵液消泡搅拌装置除了有上述消泡功能，还有搅拌功能。只要调节桨叶在液面下的深度，便可起到搅拌作用。一般情况下，桨叶的1／2或更多在液面下，搅拌效果便十分明显，当然，桨叶在液面下的部分越多，搅拌直径越大，需要的动力也越大。以一个安装在直径为5000mm 的反应器桨叶旋转直径650mm的消泡搅拌系统为例，变频电机功率为5.5kw,转速100rpm,搅拌桨叶进入液面的深度从100mm 开始，每次加深50mm,直至桨叶全部进入液面之下，其电流从6.8A增加到8.8A，如图15所示。

实施例2

本实施例是一种装有实施例1发酵液消泡搅拌装置的发酵罐，本实施例发酵罐直径2米，其消泡搅拌桨叶的制造按表1参数执行。

表1 桨叶旋转直径300mm的设计参数（单位mm）

桨叶旋转直径	D	300
			桨叶轴座直径	H	37.50
桨叶高	Q	100.00
			桨叶展开面小端弦长	r	13.13
桨叶绕轴座圆半径	m	38.20
			桨叶展开面弦弧长	L	220.77
桨叶展开面弦弧高	h	90.85
			桨叶展开面弦弧半径	R	112.48

本实施例发酵液消泡搅拌装置安装在偏发酵罐中心400mm处，结构如图12所示，桨叶下部50mm浸入发酵液面，配3kw变频电机。观察结果如表2：

表2 300mm消泡搅拌桨转速与功率和消泡效果观察

搅拌转速	电流	功率	现象描述
				rpm	A	Kw
23	1.9	1.03	液面未出现漩涡，泡沫依旧
				51	2.7	1.46	液面出现漩涡，泡沫向漩涡中心移动
84	3.0	1.62	泡沫消失，桨叶溅起小水花
				92	3.6	1.95	桨叶溅起的水花半径达0.7米
100	4.2	2.27	桨叶溅起的水花覆盖全部液面

以上结果表明，搅拌转速在90rpm之内即可消泡，原配3kw 电机略大了一些，2.2kw即可。

实施例3

本实施例是一种装有实施例1发酵液消泡搅拌装置的发酵罐，本实施例发酵罐直径5米，其消泡搅拌桨叶的制造按表3参数执行。

表3 桨叶旋转直径600mm的设计参数（单位mm）

桨叶旋转直径	D	600.00
			桨叶轴座直径	H	75.00
桨叶高	Q	200.00
			桨叶展开面小端弦长	r	26.25
桨叶绕轴座圆半径	m	76.39
			桨叶展开面弦弧长	L	441.54
桨叶展开面弦弧高	h	181.70
			桨叶展开面弦弧半径	R	224.97

本实施例发酵液消泡搅拌装置安装在发酵罐中心处，结构如图13所示，桨叶下部70mm浸入发酵液面，配7.5kw励磁调速电机。观察结果如表4：

表4 600mm消泡搅拌桨转速与功率和消泡效果观察

搅拌转速	电流	功率	现象描述
				rpm	A	Kw
60	9.2	4.98	液面出现漩涡，向漩涡中心移动
				110	9.2	4.98	泡沫开始消失，桨叶溅起的水花半径达1米
160	10.0	5.41	大部分泡沫消失，桨叶溅起的水花半径达1.5米
				203	10.2	5.52	泡沫完全消失，桨叶溅起的水花覆盖大部分液面
248	10.2	5.52	桨叶溅起的水花覆盖全部液面

以上结果表明，搅拌转速在200rpm左右可消泡，励磁电机可调速，但不节能，原配7.5kw 电机略大了一些，5.5kw即可。

实施例4

本实施例是一种装有实施例1发酵液消泡搅拌装置的生物反应器，本实施例生物反应器是4.4x14米矩型结构，其消泡搅拌桨叶的制造按表5参数执行。

表5 桨叶旋转直径650mm的设计参数（单位mm）

桨叶旋转直径	D	650.00
			桨叶轴座直径	H	81.25
桨叶高	Q	216.67
			桨叶展开面小端弦长	r	28.44
桨叶绕轴座圆半径	m	82.76
			桨叶展开面弦弧长	L	478.33
桨叶展开面弦弧高	h	196.85
			桨叶展开面弦弧半径	R	243.72

本实施例的生物反应器配置二套发酵液消泡搅拌装置统，结构如图14所示，分别安装在反应器纵向中心线的4.5和9.5米处，二者之间距离5米。桨叶下部70mm浸入发酵液面，配5.5kw励磁调速电机。观察结果如表6：

表6 650mm消泡搅拌桨转速与功率和消泡效果观察

搅拌转速	电流	功率	现象描述
				rpm	A	Kw
95	6.8	3.22	液面未出现漩涡，泡沫依旧
				135	7.0	3.31	液面出现小漩涡，泡沫向漩涡中心移动，桨叶溅起的水花半径约1.2米
210	7.2	3.41	大部分泡沫消失，桨叶溅起的水花半径达1.5米
				249	7.4	3.5	泡沫完全消失，桨叶溅起的水花覆盖大部分液面
283	7.5	3.55	桨叶溅起的水花覆盖全部液面

以上结果表明，该大型生物反应器配置二套消泡搅拌系统，搅拌转速在250rpm左右即可消泡，在矩形反应器上可采用多套消泡搅拌系统联用的安装方式。

本发明应用的领域不仅仅生物工程，还可分别应用环保工程、制药工程、食品工程、农业工程等领域当化学消泡剂受到限制的情形下。

本发明的装置除消泡功能外，还可起到搅拌的功能。安装方式也灵活多变。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，凡采用同等替换或等效变换形成的技术方案均落入本发明权利要求的保护范围内。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims

1.一种发酵液消泡搅拌装置，包括安装在搅拌轴上的消泡桨叶，其特征在于：所述消泡桨叶由二片相同的蝶翅状桨叶片（10和11）和连接两片蝶翅状桨叶片的桨叶轴座（12）组成；所述蝶翅状桨叶片的展开面是一个弧面，弧面偏心部缺了一个半圆（13）；所述桨叶轴座（12）上有二条对称的绕桨叶轴座180^o的桨叶安装曲线（12A），所述桨叶安装曲线的长度等于所述蝶翅状桨叶片（10或11）展开面偏心半圆的半圆周长，所述两片蝶翅状桨叶片被压成一个曲面沿所述桨叶轴座上的安装曲线左右对称的固定在桨叶轴座上。

2.如权利要求1所述的发酵液消泡搅拌装置，其特征在于：所述消泡桨叶下端1／3部分浸在需消泡的液面之下。

3.一种发酵罐，所述发酵罐安装有权利要求1或2所述的发酵液消泡搅拌装置。

4.如权利要求3所述的发酵罐，其特征在于：所述发酵罐直径为P，所述蝶翅状桨叶片旋转直径D＝P／8～P／6，所述桨叶轴座直径H=D／8，所述蝶翅状桨叶片高Q＝D／3，所述蝶翅状桨叶片展开面小端弦长r=1/20*(D-H)，所述半圆（即桨叶绕轴座圆）半径m=1.2*Q/3.14159，所述蝶翅状桨叶片展开面弦弧长L=2*m+11*r，所述蝶翅状桨叶片展开面弦弧高h=L／2.43，所述蝶翅状桨叶片展开面弦弧半径R=（L*L/(8＊h)）+（h/2）。

5.如权利要求3所述的发酵罐，其特征在于：所述消泡桨叶位于发酵罐中央、一侧或对称分布在发酵罐内两侧。