CN1078247C - 一种带有折流元件的生物反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种带有折流元件的内环流气升式生物反应器。本发明的主要目的在于解决了现有好氧型气升式生物反应器在低气速时气液传质性能较差和在高气速时操作性能较差，特别是带有一般结构的折流元件的气升式生物反应器在提高低粘度生物反应系的气液传质性能时效果不显著或需要气升式生物反应器的总高度很大等问题。本发明的技术特点是在内管内装有对气-液-固多相流体具有良好的混合和分散性能的新型折流元件；内外管均可以兼作夹套式换热器；内管可以由多个同心的短管串联而成。本发明的反应器易于制造和大型化，节能和节水，供氧充足和适应范围广。
Description
本发明涉及生物反应器，特别是一种带有折流元件的生物反应器。
当代微生物培养的主要方向之一是菌体高密度培养和生产大型化。而供氧问题和散热问题常常成为限制性因素。例如苏云金芽胞杆菌液体深层发酵生产生物农药，在菌体增殖的高峰，每毫升发酵液中的菌体应在100亿个以上。虽然此时发酵液粘度不过5至10mPa·s，但供氧不足始终是影响其产量和质量的一个基本因素。此外及时将大量代谢热排走也是一个要解决的重要同题。生物反应器现仍多为机械搅拌式。虽经多方面改进，但由于固有的特征，仍存在能耗高、投资大、加工复杂、维修困难、搅拌轴密封处易漏气染杂菌和难以大型化等缺点。气升式反应器无搅拌装置，相对于搅拌式由于无菌空气用量要成倍增加和大型化时传热性能下降等缺点也带来许多操作上的困难，也严重制约了它的使用范围。现有气升式反应器的改进有针对高粘度生物反应体系(如CN86108918A、CN1056895A和CN2078322U)或使结构复杂和要求反应器高度很大(如CN2102931U和CN2099763U)。
本发明的目的是要解决现有气升式生物反应器存在的在菌体高密度培养过程中供氧和散热不足等问题，将搅拌式和气升式优点相结合，采取的措施是利用对气—液—固多相流体混合和分散性能良好的新型折流元件来强化传氧和传热过程，并使该反应器易于制造和操作及适用范围较广泛。
本发明的带有折流元件的生物反应器包括上封头、下封头、气体分布器、内管、外管，以及封头上开有的进气口、出气口、进料口、出料口、接种口、补料口及入孔，特别是内管的设计包括一个长管或2-6个同心的短管。每个短管间由定距板固定，在长管或短管内装有折流元件；外管的高度与内径之比在2.5～25之间；内管总高度与外管内径之比在3～30之间；内管的横截面积和内管与外管之间的环隙面积之比在0.3～9之间。
所述内管采用2-6个同心的短管时，短管的数目和每个短管的长度应根据内管的总长度和具体的生物反应体系确定。每个短管的长度为1～4米，相邻两短管的间距为0.01～0.5米，间距由定距板固定。最上面的短管的顶端沿圆周可开有2～10个缺口；还可以在缺口的下面沿圆周再钻1～5排小孔以增加操作弹性，孔的直径在0.005～0.1米之间，相邻孔的中心距与孔的直径之比在1.2～5之间，孔的形状还可以是长方形或三角形。
内管6的短管带有0-6个夹套式换热器，夹套内可安装有螺旋上升式导流板或圆钢。装有折流元件4的短管并带有夹套式换热器3时，还可提高它的传热能力。
本发明所述短管内装有的折流元件4是由许多很窄的上面设有1～5排小孔的板条有序交叉组合形成的；板条宽度在0.005～0.2米之间，孔径在0.002～0.1米之间，开孔率在0.05～0.5之间，板条与内管轴向夹角α在20°～70°之间；单个折流元件的长度与内管的内径之比在0.3至3之间；板条之间的固定采用焊接或其它方式。折流元件的固定可以靠折流元件与内管壁面之间的摩擦力，和/或再用焊接方式加固其与内管的联接。
本发明的带有折流元件的生物反应器中所述的外管上还可以设有夹套式换热器7；夹套内可装有螺旋上升形导流板或圆钢，夹套也可以是由焊接在外壁上的螺旋上升形半圆管形成；夹套的外壁接有进水管和出水管；外管外壁按有内管夹套的进水管14和出水管11；根据需要外管的外壁还可接有取样管等。
本发明中所述内管6中还可以装有螺旋片式折流元件，或与本发明的折流元件交错使用；折流元件可以连续安装或间断安装；相邻折流元件可呈任意角度或方向排布。
本发明的带有折流元件的生物反应器可解决现有气升式生物反应器存在的在菌体高密度培养过程中供氧和散热不足等问题，将气升式和搅拌式反应器的优点相结合。利用对气—液—固多相流体混合和分散性能良好的新型折流元件来强化传氧和传热过程，显著降低了发酵成本，投资少，操作过程简便，不需要维修；节能、节水；且由于本发明的生物反应器中没有运动部件，不容易染杂菌，制造较容易，不一定需要很高的厂房，因而也适用于对现有搅拌式生物反应器和气升式生物反应器的改造。特别是由于本发明生物反应器中采用了强化传氧和传热过程的、对气—液—固多相流体混合和分散性能良好的新型折流元件，使得本生物反应器的适用范围较广泛，不仅适用于一般的发酵过程，还较适用于强化高粘度的发酵过程和强化需低通气量的动植物细胞的培养过程。
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的描述。
附图1是本发明的带有折流元件的生物反应器的示意图；
附图2是附图1中内管的最上面短管的局部剖示图；
附图3是附图1中内管的短管内带有的折流元件的剖示图。
如附图1所示的生物反应器包括下封头1，气体分布器2，内短管夹套式换热器3，折流元件4，定距板5，内管6，外管的夹套换热器7，外管8，上封头9，出气口10，内管夹套换热器上的出水管11和进水管14，外管夹套换热器上的进水管13和出水管12，进气口15以及出料口16。
附图1中的内管6是由上下两个短管组成。下短管上带有夹套式换热器3，夹套内是螺旋上升式导流板，短管内装有两个折流元件4，两折流元件的安装方向完全相同且为连续安装；可同时强化传质和传热并使反应器内的流体物性沿径向均匀化。
附图2是A的局部放大图，表示上短管的顶部开有的小孔6-2和缺口6-1。
附图3表示的是沿板条4-1′所在平面B-B上的折流元件的剖面，该平面上每条板条上均开有1排小孔。B-B平面与内管的交线是一个椭圆。板条4-3′所在的平面与内管的交线也是一个椭圆。这两个椭圆完全相同。这两个椭圆的短轴等于内管的直径。这两个椭圆的长轴等于内管直径除以Sinα的商。附图3中的a-a线条即表示这两个椭圆的交线位置。这两个椭圆相交后，它们的短轴重合，附图1中内管轴线上的0点即是这两个椭圆的交线的一个投影。如果将板条4-3′所在平面上的板条旋转到附图3所表示的B-B平面上，则正好将B-B平面上的板条组成的椭圆的空隙充满，结果可形成一个完整的完全由板条组成的椭圆。板条4-2′所在平面上的板条和板条4-4′所在平面上的板条(基本上)分别是这个旋转平面上的板条的左半部或右半部。同理板条4-5′所在平面上的板条和板条4-6′所在平面上的板条(基本上)分别是B-B平面上的板条的左半部或右半部。即组成本发明的折流元件的6个平面上的板条如果与内管相交，则由各平面上的板条与内管壁面相切的切点或切线决定的6个椭圆是同一尺寸的椭圆。
板条4-2′所在平面的板条、板条4-3′所在平面的板条和板条4-4′所在平面的板条相互平行并与板条4-1′所在的平面B-B相交，当α＝45°时且为正交。同理，板条4-1′所在平面的板条、板条4-5′所在平面的板条和板条4-6′所在平面的板条相互平行并与板条4-3′所在的平面相交，当α＝45°时且为正交。
从附图1中看，由板条4-2′所在平面上的板条及相邻板条4-5′所在平面上的板条和它们对面的板条4-4′所在平面上的板条及板条4-6′所在平面上的板条的投影是1个棱形。该棱形有两个顶点分别与内管轴线相交。附图1中内管轴线上的a点和b点即是表示该棱形的这两个交点。当α＝45°时该棱形的4个棱角均是90°。
采用如附图1所示的带有折流元件的高效环流生物反应器用作发酵罐培养苏云金芽胞杆菌以生产生物农药。其公称容积为20m3，外管直径2m，高度7m，装料系数0.65，通风比为0.7(v、v、m)，内管高度为4.4m，内管的横截面积和内管与外管之间的环隙面积之比为1∶1，内管上面的短管的长度为2.1m，下面的短管的长度为2.1m，两短管的间矩为0.2m，上短管的顶端沿圆周开有6个长方形缺口，缺口下面沿圆周还钻有86个小孔，小孔孔径为0.01m，相邻孔的中心矩与孔的直径之比为3；下短管上带有夹套式换热器，夹套内设有螺旋上升式导流板；上述的折流元件4，是由许多很窄的上面设有1排小孔的板条有序交叉组合形成的；板条宽度为0.06米，孔径为0.02米，开孔率为0.15，板条与内管轴向夹角α为45°；单个折流元件的长度与内管的内径之比为1；板条之间的固定采用焊接；折流元件的固定可以采用焊接方式以加固其与内管的联接。
与培养苏云金芽胞杆菌常用的公称容积20立方米的带有机械搅拌的发酵罐培养苏云金芽胞杆菌的结果相比，二者几乎完全相同。由于二者工艺条件也相同，但本发明的反应器没有机械搅拌装置，完全省去了35千W的搅拌功率，故发酵能耗下降了约40％和节约冷却水约25％，显著降低了发酵成本，投资省，操作简便且不需要维修。
Claims (10)
1、一种带有折流元件的生物反应器，它包括上封头、下封头、气体分布器、内管、外管、以及封头上开有的进气口、出气口、进料口、出料口、接料口、补料口及入孔，其特征是内管的设计包括一个长管或2-6个同心的短管，每个短管间由定矩板固定，且长管或短管内装有折流元件；外管的高度与内径之比在2.5～25之间，内管总高度与外管内径之比在3～30之间，内管的横截面积和内管与外管之间的环隙面积之比在0.3～9之间。
2、如权利要求1的生物反应器，其特征是所述内管采用2-6个同心的短管时，短管的数目和每个短管的长度应根据内管的总长度和具体的生物反应体系确定；每个短管的长为1～4米，相邻两短管的间距为0.01～0.5米，间距由定距板固定。
3、如权利要求1的生物反应器，其特征是最上面的短管的顶端沿圆周开有2～10个缺口。
4、如权利要求3的生物反应器，其特征是在缺口的下面沿圆周再钻1～5排小孔以增加操作弹性，孔的直径在0.005～0.1米之间，相邻孔的中心距与孔的直径之比在1.2～5之间。
5、如权利要求1的生物反应器，其特征是孔的形状是长方形或三角形。
6、如权利要求1的生物反应器，其特征是内管的短管带有0～6个夹套式换热器；所述的外管上也设有夹套式换热器。
7、如权利要求6的生物反应器，其特征是夹套内安装有螺旋上升式导流板或圆钢。
8、如权利要求6的生物反应器，其特征是夹套式换热器由直接焊在外壁上的螺旋上升形半圆管替代。
9、如权利要求1的生物反应器，其特征是所述短管内装有的折流元件是由许多很窄的上面设有1～5排小孔的板条有序交叉组合形成的；板条宽度在0.005～0.2米之间，孔径在0.002～0.1米之间，开孔率在0.05～0.5之间，板条与内管轴向夹角α在20°～70°之间；单个折流元件的长度与内管的内径之比在0.3～3之间；板条之间的固定采用焊接；折流元件的固定靠折流元件与内管壁面之间的摩擦力，和/或用焊接方式以加固其与内管的联接。
10、如权利要求1的生物反应器，其特征是所述内管中装有螺旋片式折流元件，或与本发明的折流元件交错使用；折流元件连续安装或间断安装；相邻折流元件呈任意角度或方向排布。
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |