CN105219618A - 自吸式气升发酵罐 - Google Patents

Abstract

一种自吸式气升发酵罐，包括罐体、进气装置、排气装置、导流装置以及设于罐体上的进气管、排气管，进气装置为旋流混合器，设于罐体底部与进气管相连通，导流装置设在罐体内位于旋流混合器的上方，其特征在于：导流装置为一导流筒，导流筒纵向设置在罐体的轴线上，在罐体的轴线上设有一带有搅拌器的搅拌轴，搅拌轴上端伸出罐体与电机相连，搅拌轴下端与旋流混合器相连接，搅拌器位于在导流筒内的下部位置。本发明采用的旋流混合器是可随着搅拌轴旋转的，液体借助旋转的旋流混合器获得很高的动能，离开时产生抽吸作用，使得被吸入的空气可在较低的压力下进入发酵罐，而且有利于空气利用率提高，具有结构简洁、气液混合效果良好、发酵效率高的特点，综合节能非常显著。

Description

自吸式气升发酵罐

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自吸式气升发酵罐。

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5次方成正比，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。同时罐内液层静压增加，进罐空气压力也随之增加。使好气性微生物发酵成为高能耗行业。

为降低能耗，近年开发有多种立式少搅拌和无搅拌发酵罐，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。但转化高速射流需要一定的静压能，使得空气进罐压力大于带搅拌的普通通气发酵罐所需压力，以保证较大的空气推动力，虽然减少了搅拌功率消耗，而空压机出口压力上升导致电耗上升，此消彼长，带射流的少搅拌和无搅拌发酵罐并不节能。况且部分生产菌不能在高速射流的环境中生长代谢，特别是对粘度高的物料射流装置易阻塞，无法进行分散物料。许多微生物发酵不能应用上此种发酵罐，因此其实际应用范围非常有限，需要改进。

现有专利号为CN201110143108.2的中国专利《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。这种发酵罐无搅拌装置，发酵气液是在旋流混合器的作用下呈旋流状态混合，沿着导流装置作内外循环运动，但是该旋流混合器是静态工作的，不能旋转，气液混合需要相当压力的气流推动，因此气液混合的效果并不是很理想，尤其不能适用于高粘度物料的发酵。

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结构简单、气液混合效果良好的自吸式气升发酵罐，具有低耗高效、通用性强的特点。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种自吸式气升发酵罐，包括罐体、进气装置、排气装置、导流装置、冷却装置以及所述罐体上设置的进气管、排气管，进气管设于罐体底部或靠近底部的位置，排气管设于罐体顶部，并与排气装置相连接，进气装置为一旋流混合器，设于罐体内的底部与进气管相连通，导流装置设在罐体内中部位于旋流混合器的上方，其特征在于：所述导流装置为一两端开口的导流筒，导流筒纵向设置在罐体的轴线上，在罐体的轴线上设有一带有搅拌器的搅拌轴，搅拌轴的上端伸出罐体与驱动电机相连，搅拌轴的下端与旋流混合器相连接，搅拌器位于在导流筒内的下部位置。

作为改进，所述旋流混合器包括由内至外设置的内壳体、外壳体以及呈圆周状分布在外壳体内的旋流叶片，内壳体与外壳体之间设有供罐体内的发酵液进入的圆形开口，内壳体的上端中心部设有与搅拌轴末端的联轴器相连接的法兰盘，内壳体的底部与进气管可转动地相连通，内壳体的侧部设有气体出口，外壳体内通过旋流叶片分隔成供气液混合的涡旋通道，外壳体外周设有供气液混合料甩出的开口。

作为改进，所述内壳体的底部设有进气口，在进气口处设有一可供进气管插置的密封座，密封座的下端固定设有一密封套，密封套的内径大于密封座的内径，进气管上套设有与密封套呈间隙配合的密封环，密封环的上端面与密封座相抵密封，从而构成旋流混合器与进气管之间有密封的、可转动地相连通。

作为改进，所述搅拌器是具有轴向流型的推进式搅拌器，在搅拌轴上间隔设有2～3个中间轴承，中间轴承通过支架和导流筒固定，而导流筒通过支架再和发酵罐内壁固定，其中最下方的中间轴承位于靠近搅拌器上方的位置。

再改进，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筒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筒的外壁或者内壁或者内外壁面。

进一步改进，所述排气装置包括高效旋击气液分离器、液体回流管和排空管，所述排气管的一端插入罐体顶部、另一端连接高效旋击气液分离器，高效旋击气液分离器上连接有排空管与液体回流管，由排气管带来的气液固混合物经高效旋击气液分离器处理后，分离出来的固、液物通过液体回流管回流入罐体导流筒内，分离出来的气体由排空管排出。

进一步改进，所述导流筒的中部设有供液体回流管的液体流入的入口。

与现有技术相比，采用旋转的旋流混合器作为进气装置，不同于静态的旋流混合器，液体借助旋转的旋流混合器获得很高的动能，离开时产生抽吸作用，使得旋流混合器内壳体内腔产生负压，因此使得被吸入的空气可在较低的压力下进入发酵罐，甚至可以小于罐内液层静压，此为“自吸式”。在导流筒内设有轴向流搅拌器，使得发酵罐内液体整体产生中心向下、四周向上的循环流动，使得物料混合循环能耗很低，适用于高粘度物料发酵，气液混合分散性能好。本发明结构简洁、气液混合效果良好、发酵效率高，综合节能非常显著。广泛适应不同菌种、物料的发酵产品，适用于对现有传统发酵罐的改造或新、扩建项目。

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2为本发明实施例的旋流混合器的结构剖视示意图；

图3为图2的俯视图。

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1～3所示，本实施例的自吸式气升发酵罐，包括圆筒状的罐体1、进气装置、排气装置、导流装置、冷却装置、搅拌装置以及罐体1上设置的进气管11、排气管12，进气管11设于罐体1底部与进气装置相连接，排气管12设于罐体1顶部，并与排气装置相连接。

进气装置不是简单的带有密布小孔的环形管，也不是射流气液混合器，而是一可旋转的旋流混合器2，设于罐体1内的底部。搅拌装置包括搅拌轴4和搅拌器5，搅拌轴4设置在罐体1的轴线上，搅拌器5安装在搅拌轴4下部的位置，搅拌轴4的上端伸出罐体1与驱动电机7相连，搅拌轴4的下端与旋流混合器2相连接，并带动旋流混合器2转动。导流装置为一两端开口的导流筒3，与搅拌轴4同轴纵向设置在罐体1内，并处于旋流混合器2的正上方，搅拌器5位于在导流筒3内的下部位置，导流筒3的上端成型有便于发酵液流入的扩径口32。

旋流混合器2类似离心水泵的叶轮，包括由内至外设置的内壳体21、外壳体22以及呈圆周状分布在外壳体22内的旋流叶片23，内、外壳体呈圆锥面上下对称，且同轴设置，分别与旋流叶片焊接而成整体。外壳体22中心是空的，与内壳体21自然形成供罐体1内的发酵液进入的圆形开口28。内壳体21的的上端中心部设有与搅拌轴4末端的联轴器41相连接的法兰盘24，内壳体21的底部与进气管11相连通，并可旋转地设置，内壳体21的外周设有气体出口211。外壳体22内通过旋流叶片23分隔成供气液混合的涡旋通道231，外壳体22外周设有供气液混合料甩出的开口29。

旋流混合器2旋转时，发酵液从其中心圆形开口28进入、从外壳体22外周甩出，同时旋流混合器2内部产生真空，吸引空气进入，空气从进气管11进入内壳体21，出内壳体21外周后进入外壳体22内的涡旋通道231，在此与发酵液强制混合，气液两相呈乳化状从旋流混合器2外周甩出，由于液体借助旋转的旋流混合器2获得很高的动能，离开时产生抽吸作用，使得旋流混合器内壳体内腔产生负压，因此被吸入的空气可在较低的压力下进入发酵罐，甚至可以小于罐内液层静压，此为“自吸式”。

旋流混合器2与进气管11的连接是这样的：内壳体21的底部设有进气口，在进气口处设有一可供进气管11插置的密封座25，密封座25的下端固定设有一密封套26，密封套26的内径大于密封座25的内径，进气管11上套设有与密封套26呈间隙配合的密封环27，密封环27的上端面与密封座25相抵密封，密封环27可采用自润滑的工程塑料如聚四氟乙烯制成。该密封结构中密封套26属动环，密封环27属静环，两者组成动态间隙密封，可以阻止发酵液进入内壳体21。

搅拌器5是具有轴向流型的推进式搅拌器，在搅拌轴4上间隔设有2～3个中间轴承6，通过支架和导流筒3固定，而导流筒3通过支架再和罐体1内壁固定，为了旋流混合器2的稳定运行和良好气液密封性，其中最下方的中间轴承6位于靠近搅拌器5上方的位置，尽可能与旋流混合器2接近；这样由于罐体1中心设有导流筒3，且液体强制向下流动，因此从旋流混合器2四周甩出的高气含率的发酵液必须向上流动，到达导流筒3顶部后，气体向上从罐体1顶部排出，发酵液再进入导流筒3内部，在重力及推进式搅拌器5的作用下向下运动，从而形成发酵液的循环流动。

冷却装置包括设于罐体1壁面的第一冷却夹套13和设于导流筒3壁面的第二冷却夹套31，根据发酵发热负荷计算的冷却面积大小，第一冷却夹套13可设置在罐体1的外壁或者内壁或者内外壁面，第二冷却夹套31可设置在导流筒3的外壁或者内壁或者内外壁面，第一冷却夹套13和第二冷却夹套31具有材料省、换热面积大、焊缝可靠性高等优点。排气装置包括高效旋击气液分离器8、液体回流管10和排气管12，排气管12的一端插入罐体1顶部、另一端连接高效旋击气液分离器8，高效旋击气液分离器8上连接有排空管9与液体回流管10，发酵形成的代谢气体和未利用空气(统称尾气)通过排气管12，进入排气装置，尾气经高效旋击气液分离器8作气液分离，尾气中夹带的固液物被分离下来，通过液体回流管10回流入罐体1内，清洁气体由排空管9排出，排气管9上安装有排气调节阀门91，在导流筒3的中部设有供液体回流管10的液体流入的入口。

工作原理是这样的：旋流混合器2随搅拌轴旋转时，发酵液从内外壳体之间的圆形开口28进入、从外壳体22外周甩出，同时旋流混合器内壳体内部产生真空，吸引空气进入。空气通过进气管11进入内壳体21，出内壳体外周后进入外壳体22内的涡旋通道231，在此与发酵液强制混合，气液两相呈乳化状从旋流混合器外周甩出。由于液体借助旋转的旋流混合器2获得很高的动能，离开时产生抽吸作用，因此被吸入的空气可在较低的压力下进入发酵罐，甚至可以小于罐内液层静压，此为“自吸式”。由于旋流混合器2对其中心上方液体产生向下的吸引作用，同时导流筒3内液体在搅拌器5作用下，也是向下流动，使得发酵罐内液体整体产生中心向下、四周向上的循环流动。这样导流筒3内液体气含量很低，快速向下运动；导流筒3和罐体1之间四周液体气含量很高均速缓慢升腾，此为“气升式”。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2引发的物料混合循环能耗很低，同时适用于高粘度物料发酵，气液混合分散性能好，而且不致使微生物细胞剪切损伤，对比传统通气搅拌发酵罐，搅拌功率至少可以下降50％，空气压力可以降低0.01MPa～0.05Mpa，综合节能非常显著。

Claims (8)

1.一种自吸式气升发酵罐，包括罐体、进气装置、排气装置、导流装置、冷却装置以及所述罐体上设置的进气管、排气管；进气管设于罐体底部或靠近底部的位置，排气管设于罐体顶部，并与排气装置相连接；进气装置为一旋流混合器，设于罐体内的底部与进气管相连通；导流装置设在罐体内中部位于旋流混合器的上方，其特征在于：所述导流装置为一两端开口的导流筒，导流筒纵向设置在罐体的轴线上，在罐体的轴线上设有一带有搅拌器的搅拌轴，搅拌轴的上端伸出罐体与驱动电机相连，搅拌轴的下端与旋流混合器相连接，搅拌器位于在导流筒内的下部位置。

2.根据权利要求1所述的自吸式气升发酵罐，其特征在于：所述旋流混合器包括由内至外设置的内壳体、外壳体以及呈圆周状分布在内外壳体之间的旋流叶片，内壳体与外壳体之间设有供罐体内的发酵液进入的圆形开口，内壳体的的上端中心部设有与搅拌轴末端的联轴器相连接的法兰盘，内壳体的底部与进气管可转动地相连通，内壳体的侧部设有气体出口，外壳体内通过旋流叶片分隔成供气液混合的涡旋通道，外壳体外周设有供气液混合料甩出的开口。

3.根据权利要求2所述的自吸式气升发酵罐，其特征在于：所述内壳体的底部设有进气口，在进气口处设有一可供空气管插置的密封座，密封座的下端固定设有一密封套，密封套的内径大于密封座的内径，进气管上套设有与密封套呈间隙配合的密封环，密封环的上端面与密封座相抵密封，从而构成有密封的、可转动地相连通。

4.根据权利要求1所述的自吸式气升发酵罐，其特征在于：所述搅拌器是具有轴向流型的推进式搅拌器，在搅拌轴上间隔设有2～3个中间轴承，中间轴承通过支架和导流筒固定，导流筒通过支架再和发酵罐内壁固定，其中最下方的中间轴承位于靠近搅拌器上方的位置。

5.根据权利要求1至4任一权利要求所述的自吸式气升发酵罐，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筒壁面的第二冷却夹套。

6.根据权利要求5所述的自吸式气升发酵罐，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筒的外壁或者内壁或者内外壁面。

7.根据权利要求1至4任一权利要求所述的自吸式气升发酵罐，其特征在于：所述排气装置包括高效旋击气液分离器、液体回流管和排空管，所述排气管的一端插入罐体顶部、另一端连接高效旋击气液分离器，高效旋击气液分离器上连接有排空管与液体回流管，由排气管带来的气液固混合物经高效旋击气液分离器处理后，分离出来的固、液物通过液体回流管回流入罐体内，分离出来的气体由排空管排出。

8.根据权利要求7所述的自吸式气升发酵罐，其特征在于：所述导流筒的中部设有供液体回流管的液体流入的入口。