CN103224876A - 采用膜管曝气的搅拌式反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种采用膜管曝气的搅拌式反应器，包括搅拌式反应器，所述的搅拌式反应器的底部装有气体分布器，气体分布器上连接有具有纳米级孔径的膜管。本发明将膜管应用于搅拌式反应器，利用膜管的纳米级孔径，使得从膜管中逸出的气泡直径小，数量多，克服了喷嘴式和板孔式分布器气泡较大，使得传质性能大大提高，有利于对发酵液中溶氧的控制。
Description
技术领域
本发明属于搅拌式反应器领域，涉及一种采用膜管曝气的搅拌式反应器。
背景技术
生物反应器是实现微生物发酵、动植物细胞培养，生产各种生物制品和发酵产品的必备设备，其作用是强化传质传热，为微生物或动植物细胞提供稳定的生长环境。目前已经有多种生物反应器问世，按其混合方式可分为机械搅拌式反应器、气升式反应器和空气鼓泡式等，它们能分别使用于某些特定物质的生产，对生物技术产业的发展起到重要的推动作用。
氧在水中的溶解度较低，常温常压下，纯水中氧的溶解度为0.2mmol/L，在发酵液中的溶解度则更低。然而在发酵过程中氧气浓度是限制微生物生长的重要因素，所以生物反应器的设计对其传质性能要求较高。特别是随着反应器体积的增大，其内部各区域的局部气含率及传质性能将成为反应器设计的一项重要内容。氧传递的强化在生物发酵过程中十分重要，尤其在高密度发酵中氧的传递常常成为限制性因素。
单位体积发酵液每小时的耗氧量，一般25-100mmol/(L*h)为。谷氨酸发酵18h耗氧速率为51mmol/(L*h)，同一类微生物的耗氧速率还受温度、发酵液成分和浓度的影响，如当供氧不足，葡萄糖浓度为1%时，酵母的耗氧速率为15-18mmol/(L*h），而供氧充足，葡萄糖浓度为15%时，耗氧速率则达342-396mmol/(L*h)。所以提高反应器传质性能可以大大提高微生物发酵好氧速率，提高生产菌的生长、代谢速率。
采用纳米孔径的膜管进行曝气，一方面由于产生的气泡直径较小，比表面积较小，导致气液接触面积较大。另一方面，由于搅拌桨能够增加流体湍动，破碎气泡，进而进一步提高传质性能。所以在搅拌式反应器中采用膜管布气得到的体积传质系数要大于一般喷嘴式和孔板式。
采用膜管曝气是一种技术手段，相比于喷嘴式和孔板式，采用膜管曝气的优势在于传质性能好、能耗低、适应性大、经济性好等，但目前尚未有将膜管应用于搅拌式反应器的报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用膜管曝气的搅拌式反应器，解决现有的搅拌式反应器中采用喷嘴式和孔板式布气得到的体积传质系数较低，不利于好氧微生物发酵、限制菌体生长、代谢的问题。
本发明通过以下技术方案来实现：采用膜管曝气的搅拌式反应器，包括搅拌式反应器，所述的搅拌式反应器内设置具有多个扇形板翅换热片的板翅式换热器，板翅式换热器上端有蒸汽进口和冷却水出口法兰，下端有蒸汽冷凝水出口和冷却水进口法兰，其中，蒸汽进口和冷却水出口法兰通过环管一把扇形的板翅换热片连成一个整体，蒸汽冷凝水出口和冷却水进口法兰通过环管二把扇形的板翅换热片连成一个整体；所述的搅拌式反应器的底部装有气体分布器，气体分布器上连接有多根具有纳米级孔径的膜管。
所述的气体分布器和膜管之间为螺纹连接。
所述的板翅式换热器与搅拌式反应器之间为活动连接。
所述的活动连接为支撑件和螺栓相连接。
采用上述技术方案的积极效果：本发明将膜管应用于搅拌式反应器，利用膜管的纳米级孔径，使得从膜管中逸出的气泡直径小，数量多，克服了喷嘴式和板孔式分布器气泡较大，使得传质性能大大提高，有利于对发酵液中溶氧的控制；另外，膜管与气体分布器之间是通过螺纹来连接的，可以大大方便拆卸检修。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1中A-A向的俯视图。
图中，1搅拌式反应器，2板翅式换热器，3蒸汽进口和冷却水出口法兰，4环管一，5支撑件，6环管二，7蒸汽冷凝水出口和冷却水进口法兰，8气体分布器，9膜管。
具体实施方式
下面结合实施例和对比例对本发明的技术方案做进一步的说明，但不应理解为对发明的限制：
实施例1
图1是本发明的结构示意图，图2是图1中A-A向的俯视图，结合图1、图2所示，采用膜管曝气的搅拌式反应器，包括搅拌式反应器1，所述的搅拌式反应器1内设置具有多个扇形板翅换热片的板翅式换热器2，扇形板翅换热片用于交换热量。板翅式换热器2上端有蒸汽进口和冷却水出口法兰3，下端有蒸汽冷凝水出口和冷却水进口法兰7，其中，蒸汽进口和冷却水出口法兰3通过环管一4把扇形的板翅换热片连成一个整体，蒸汽冷凝水出口和冷却水进口法兰7通过环管二6把扇形的板翅换热片连成一个整体，便于蒸汽或者冷却水的流动。搅拌式反应器1的底部装有气体分布器8，气体分布器8上连接有多根具有纳米级孔径的膜管9。气体分布器8用于曝气，和打气装置相连接，气体从膜管9的纳米级孔径中逸出，加大发酵液中的溶氧。
为了方便拆卸检修，气体分布器8和膜管9之间为螺纹连接，同时，板翅式换热器2与搅拌式反应器1之间为活动连接，只要能够实现便于拆装的活动连接均可，本实施例中为支撑件5和螺栓相连接。
当需要加热时，蒸汽从板翅式换热器2的上端的蒸汽进口进入，通过环管一4到达板翅式换热器2的扇形板翅换热片，交换热量后进入环管二6，然后从下端的蒸汽冷凝水出口排出；当需要冷却时，冷却水从板翅式换热器2的下端的冷却水进口进入，通过环管二6到达板翅式换热器2的扇形板翅换热片，交换热量后进入环管一4，然后从上端的冷却水出口排出即可。同时，气体经过气体分布器8后，从膜管9的纳米级孔径中逸出，由于膜管9的纳米级孔径，使得产生的气泡直径小，数量多，克服了喷嘴式和板孔式分布器气泡较大，使得传质性能大大提高，有利于对发酵液中溶氧的控制。
实施例2
本实施例用于说明利用10 m3的反应器采用膜管曝气方式发酵生产L-赖氨酸的方法。
首先进行培养基灭菌，开启搅拌电机，转速在100r/min，使发酵液受热均匀。当温度升到95度以上即可停止搅拌。再进行空气过滤器和空气管道的灭菌，稍开过滤器和排水阀，从而保证空气管道灭菌。最后出料口、采样阀、蒸汽阀门以及出口阀稍开，保证该管路灭菌。
发酵培养与结果：按10%的接种量将产L-赖氨酸的大肠杆菌（购买自CGMCC，菌种保藏编号为CGMCC1.0281）接入装有5 m3发酵培养基的10 m3采用膜管进行曝气的搅拌式反应器中（1L发酵培养基含：葡萄糖20~40 g/L，(NH4)2SO4 1.5~1.8 g，KH2PO4 1.2 g，玉米浆 1~2 g，L-苏氨酸0.2~0.4 g），通气量为200~250 m3/h，搅拌转速100~200 r/min，发酵温度35~37 ℃，流加氨水以控制pH在6.5~6.8，每隔2~4 h检测残糖浓度，并流加700 g/L的葡萄糖，维持残糖浓度在10~15 g/L，发酵结束前4~5 h，停止流加糖液，当残糖降至5~7 g/L时，即发酵结束，整个发酵周期约72 h。发酵过程中，气体经过气体分布器8后，从膜管9的纳米级孔径中逸出，从出口阀通入大气中。在发酵高峰期将进气量提高至最大，使得氧的溶解度能够达到3-4ppm，但需要注意的是，因为发酵过程中是手动控制罐压的，所以在调节空气流量时，须同时调节出口阀，从而使得罐压恒定大于0.03Mpa。
对比常规的反应器不具备膜管曝气结构，而其他的结构与本发明反应器相同，由镇江东方生物工程设备技术有限责任公司制造，反应器大小10m3，发酵方式和培养基和本实施例一致。通过发酵结果如下：本发明的反应器采用膜管曝气得到的溶氧为4.3ppm，对比常规反应器的溶氧数据为2.6ppm。由上述数据可以看出，本发明的采用膜管曝气的反应器，其提高了溶氧浓度，提高了反应器总体传质系数。
实施例3
本实施例用于说明利用50 m3反应器采用膜管曝气方式发酵生产柠檬酸的方法
首先进行培养基灭菌，开启搅拌电机，转速在100r/min，使发酵液受热均匀。当温度升到95度以上即可停止搅拌。再进行空气过滤器和空气管道的灭菌，稍开过滤器和排水阀，从而保证空气管道灭菌。最后出料口、采样阀、蒸汽阀门以及出口阀稍开，保证该管路灭菌。
发酵培养与结果：按10%的接种量将产柠檬酸黑曲霉（购买自CGMCC，黑曲霉的保藏编号为CGMCC5343）接入装有35m3发酵培养基的50m3的采用膜管进行曝气的反应器中（1L发酵培养基含：薯干50~70 g，α-淀粉酶80 U/g原料，(NH4)2SO4 45~65 g），通气量为2500~4000 m3/h，搅拌转速100~150 r/min，发酵温度28~30 ℃，整个发酵周期约65 h。发酵过程中，气体经过气体分布器8后，从膜管9的纳米级孔径中逸出，从出口阀通入大气中。在发酵高峰期将进气量提高至最大，使得氧的溶解度能够达到3-4ppm，但需要注意的是，因为发酵过程中是手动控制罐压的，所以在调节空气流量时，须同时调节出口阀，从而使得罐压恒定大于0.03Mpa。
对比常规的反应器不具备膜管曝气结构，而其他的结构与本发明反应器相同，由镇江东方生物工程设备技术有限责任公司制造，反应器大小50m3，发酵方式和培养基和本实施例一致。通过发酵结果如下：本发明的反应器采用膜管曝气得到的溶氧为3.9ppm，对比常规反应器的溶氧数据为2.3ppm。由上述数据可以看出，本发明的采用膜管曝气的反应器，其提高了溶氧浓度，提高了反应器总体传质系数。
实施例4
本实施例用于说明利用20 m3反应器采用膜管曝气方式发酵生产ARA的方法。
首先进行培养基灭菌，开启搅拌电机，转速在100r/min，使发酵液受热均匀。当温度升到95度以上即可停止搅拌。再进行空气过滤器和空气管道的灭菌，稍开过滤器和排水阀，从而保证空气管道灭菌。最后出料口、采样阀、蒸汽阀门以及出口阀稍开，保证该管路灭菌。
发酵培养与结果：按10%的接种量将产ALA的高山被孢霉(菌株代号为ME-AA01,购自于中国工业微生物菌种保藏管理中心)接入装有12m3发酵培养基的20m3的采用膜管进行曝气的反应器中（发酵培养基成分为80g/L葡萄糖，20g/L酵母粉，500mg/L磷酸盐，添加500mg/L谷氨酸钠盐），通气量为400~500 m3/h，搅拌转速100~150 r/min，发酵温度28~30 ℃，整个发酵周期约180 h。发酵过程中，气体经过气体分布器8后，从膜管9的纳米级孔径中逸出，从出口阀通入大气中。在发酵高峰期将进气量提高至最大，使得氧的溶解度能够达到3-4ppm，但需要注意的是，因为发酵过程中是手动控制罐压的，所以在调节空气流量时，须同时调节出口阀，从而使得罐压恒定大于0.03Mpa。
对比常规的反应器不具备膜管曝气结构，而其他的结构与本发明反应器相同，由镇江东方生物工程设备技术有限责任公司制造，反应器大小20m3，发酵方式和培养基和本实施例一致。通过发酵结果如下：本发明的反应器采用膜管曝气得到的溶氧为4.1ppm，对比常规反应器的溶氧数据为2.5ppm。由上述数据可以看出，本发明的采用膜管曝气的反应器，其提高了溶氧浓度，提高了反应器总体传质系数。
Claims (4)
1.一种采用膜管曝气的搅拌式反应器，包括搅拌式反应器（1），所述的搅拌式反应器（1）内设置具有多个扇形板翅换热片的板翅式换热器（2），板翅式换热器（2）上端有蒸汽进口和冷却水出口法兰（3），下端有蒸汽冷凝水出口和冷却水进口法兰（7），其中，蒸汽进口和冷却水出口法兰（3）通过环管一（4）把扇形的板翅换热片连成一个整体，蒸汽冷凝水出口和冷却水进口法兰（7）通过环管二（6）把扇形的板翅换热片连成一个整体，其特征在于：所述的搅拌式反应器（1）的底部装有气体分布器（8），气体分布器（8）上连接有多根具有纳米级孔径的膜管（9）。
2.根据权利要求1所述的采用膜管曝气的搅拌式反应器，其特征在于：所述的气体分布器（8）和膜管（9）之间为螺纹连接。
3.根据权利要求1所述的采用膜管曝气的搅拌式反应器，其特征在于：所述的板翅式换热器（2）与搅拌式反应器（1）之间为活动连接。
4.根据权利要求3所述的采用膜管曝气的搅拌式反应器，其特征在于：所述的活动连接为支撑件（5）和螺栓相连接。
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