CN108410704B - 一种分室生物反应器及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于生物反应领域，具体公开了一种分室生物反应器及其方法，所述分室生物反应器包括低转速反应室和高速剪切室。低转速反应室和高速剪切室各司其职，其中低转速反应室为细菌的生物氧化提供低剪切损伤的反应场所，高速剪切室产生混合高度均匀的多相流体。本发明利用混合区与反应区分离的形式，可实现高剪切和低细菌损伤共存的问题，解决了目前生物反应器中低传质速率、低溶氧量、低反应速率和高剪切损伤的问题，与普通搅拌釜生物反应器相比，同等生产任务及工况下，生产效率提高15%以上，节能7%以上。

Description

一种分室生物反应器及其方法

技术领域

本发明属于生物反应领域，特别是涉及一种分室生物反应器及其方法。

背景技术

常规的生物反应过程大多在搅拌釜中进行，为实现气液固的最大化混合以及增大传质速率，通常需要较大转速，从而导致高剪切力的产生，然而高剪切力会导致细菌或者微生物（特别是剪切敏感型）的失活以及死亡分解，从而极大地降低了反应速率并造成资源浪费。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种新型分室生物反应器及其方法，解决现有生物反应器存在的低传质速率、低溶氧量、低反应速率和高剪切损伤的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种分室生物反应器，其包括低转速反应室和高速剪切室，所述低转速反应室内设有第一旋转装置，所述高速剪切室内设有第二旋转装置，第一旋转装置的转速比第二旋转装置的转速低，所述低转速反应室为微生物的生物氧化提供低剪切损伤的反应场所，所述高速剪切室与低转速反应室相连，高速剪切室用于多相流的高质量混合并将获得的高度均匀的多相流体输送至低转速反应室。

所述低转速反应室与高速剪切室通过单向流通装置连通。

所述分室生物反应器，还包括至少一个营养液分离室和营养液料罐，所述营养液料罐与高速剪切室连接，所述营养液分离室分别与营养液料罐和低转速反应室连接，所述低转速反应室设有至少一个物料进口，低转速反应室的底部设有出料口，所述高速剪切室设有空气进口。

所述高速剪切室还设有营养液原料入口，所述营养液分离室设有废液出口。

所述营养液分离室内设有分离装置，低转速反应室内的反应液经过分离装置分离后，分别流入低转速反应室、营养液料罐或经废液出口排出。

所述分离装置为高分子膜、滤纸或活性炭。分离装置允许营养液通过，而不允许固体颗粒、微生物或细菌等生物通过。

所述第一旋转装置通过第一电机驱动工作，所述第二旋转装置通过第二电机驱动工作，所述第一电机的转速小于第二电机的转速。

所述第一旋转装置包括旋转轴和旋转桨，所述旋转桨由柔性材料制作而成，所述柔性材料为纤维、帆布或薄膜。

本发明提供了一种采用本发明分室生物反应器的方法，具体如下：

1）营养液通过营养液料罐的物料入口进入营养液料罐，并在离心泵的作用下流入高速剪切室，在第二旋转装置的作用下，压缩空气通过高速剪切室的空气进口进入高速剪切室并与营养液剧烈混合，形成高气含率的气液混合物，并在气液混合物内形成极细小的气泡，气泡直径小于1mm，所述气液混合物通过单相流通装置流入低转速反应室；

2）反应物固体原料和微生物分别经过低转速反应室的物料进口进入低转速反应室，在第一旋转装置的作用下，反应物固体原料、微生物与高速剪切室流入的气液混合物混合形成气液固混合物并进行生化反应，反应产物经过出料口出料或者流入下一道工序；

3) 低转速反应室内未反应的气液固混合物进入营养液分离室，经过分离装置分离，分离得到的部分营养液回到营养液料罐。

本发明还提供了另一种采用本发明分室生物反应器的方法，该方法营养液在混合区内完成配制过程，具体如下：

1）水通过营养液料罐的物料入口进入营养液料罐，并在离心泵的作用下流入高速剪切室，营养液原料通过高速剪切室的营养液原料入口进入高速剪切室，压缩氧气通过高速剪切室的空气进口进入高速剪切室，在第二旋转装置的作用下，水、营养液原料和压缩氧气充分混合成高度均匀多相流混合物，所述多相流混合物经单相流通装置流入低转速反应室中；其中气相在高剪切下可形成直径小于1毫米的气泡；

2）微生物从低转速反应室的物料进口进入低转速反应室，在第一旋转装置的作用下，微生物与高速剪切室流入的多相流混合物混合形成反应液并进行生化反应，反应产物经过出料口出料或者流入下一道工序；

3）低转速反应室内未反应的反应液进入营养液分离室，经过分离装置分离，分离得到的营养液分别流入低转速反应室、营养液料罐或经废液出口排出。

本发明采用以上技术方案，分室生物反应器由低转速反应室和高速剪切室构成，反应室为细菌的生物氧化提供低剪切损伤的反应场所，高速剪切室用于多相流的高质量混合，并将获得的高度均匀的多相流体输送至低转速反应室，高速剪切室内高速剪切多相流混合物，产生的气泡直径可到微米级至纳米级；高速剪切室与低转速反应室相连处设有单向流通装置，用以单向传输多相流混合物。

本发明以细菌或微生物的生物反应器的设计为背，其有益效果是：本发明将反应器的混合区和反应区分离，预先通过高速搅拌产生高溶氧率的气液混合物，随后将之引入反应室与细菌和矿物作用，实现了高剪切下的低细菌剪切损伤率，可极大地降低搅拌转速、增大气体停留时间和气液固接触面积，具有高传质速率、高溶氧量、高反应速率和低剪切损伤等优点。与普通搅拌釜生物反应器相比，同等生产任务及工况下，本发明生产效率提高15%以上，节能7%以上。

附图说明

图1为本发明分室生物反应器示意图之一；

图2为本发明分室生物反应器示意图之二；

图3为营养液分离室局部放大图。

具体实施方式

为进一步公开而不是限制本发明，以下对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

如图1或2所示，一种分室生物反应器，其包括低转速反应室4和高速剪切室8，所述低转速反应室4内设有第一旋转装置5，所述高速剪切室8内设有第二旋转装置9，第一旋转装置5的转速比第二旋转装置9的转速低，所述低转速反应室4为微生物的生物氧化提供低剪切损伤的反应场所，所述高速剪切室8与低转速反应室4相连，高速剪切室8用于多相流的高质量混合并将获得的高度均匀的多相流体输送至低转速反应室4。

进一步，低转速反应室4与高速剪切室8通过单向流通装置6连通。

所述分室生物反应器，还包括至少一个营养液分离室16和营养液料罐13，所述营养液料罐13与高速剪切室8连接，所述营养液分离室16分别与营养液料罐13和低转速反应室4连接，所述低转速反应室4设有第一物料进口1和第二物料进口2，低转速反应室4的底部设有出料口7，所述高速剪切室8设有空气进口11。

如图2所示，高速剪切室8还设有营养液原料入口17，所述营养液分离室16设有废液出口18。

营养液分离室16内设有分离装置15，低转速反应室4内的反应液经过分离装置15分离后，分别流入低转速反应室4、营养液料罐13或经废液出口18排出。

所述分离装置15为高分子膜、滤纸或活性炭等多孔材料。分离装置15允许营养液通过，而不允许固体颗粒、微生物或细菌等生物通过。

第一旋转装置5通过第一电机3驱动工作，所述第二旋转装置9通过第二电机10驱动工作，所述第一电机3的转速小于第二电机10的转速。

第一旋转装置5包括旋转轴和旋转桨，所述旋转桨由柔性材料制作而成，所述柔性材料为纤维、帆布或薄膜等高分子材料。

实施例1

如图1所示，一种采用本发明分室生物反应器的方法，具体如下：

1）营养液通过营养液料罐13的物料入口14进入营养液料罐13，并在离心泵12的作用下流入高速剪切室8，在第二旋转装置9的作用下，压缩空气通过高速剪切室8的空气进口11进入高速剪切室8并与营养液剧烈混合，形成高气含率的气液混合物，并在气液混合物内形成极细小的气泡，气泡直径小于1mm，所述气液混合物通过单相流通装置6流入低转速反应室4；

2）反应物固体原料和微生物分别经过低转速反应室4的物料进口1和2进入低转速反应室4，在第一旋转装置5的作用下，反应物固体原料、微生物与高速剪切室8流入的气液混合物混合形成气液固混合物并进行生化反应，反应产物经过出料口7出料或者流入下一道工序；

3) 低转速反应室4内未反应的气液固混合物进入营养液分离室16，经过分离装置15分离，分离得到的部分营养液回到营养液料罐13。

实施例2

如图2所示，一种采用本发明分室生物反应器的方法，该方法营养液在混合区内完成配制过程，具体如下：

1）水通过营养液料罐13的物料入口14进入营养液料罐13，并在离心泵12的作用下流入高速剪切室8，营养液原料通过高速剪切室8的营养液原料入口17进入高速剪切室8，压缩氧气通过高速剪切室8的空气进口11进入高速剪切室8，在第二旋转装置9的作用下，水、营养液原料和压缩氧气充分混合成高度均匀多相流混合物，所述多相流混合物经单相流通装置6流入低转速反应室4中；其中气相在高剪切下可形成直径小于1毫米的气泡；

2）微生物从低转速反应室4的物料进口1进入低转速反应室4，在第一旋转装置5的作用下，微生物与高速剪切室8流入的多相流混合物混合形成反应液并进行生化反应，反应产物经过出料口7出料或者流入下一道工序；

3）低转速反应室4内未反应的反应液进入营养液分离室16，经过分离装置15分离，分离得到的营养液分别流入低转速反应室4、营养液料罐13或经废液出口18排出。

此外，为了维持营养液中代谢物浓度不高于预设值，流入营养液料罐13或经废液出口18排出的营养液应按比例分配。

本发明将反应器的混合区和反应区分离，预先通过高速搅拌产生高溶氧率的气液混合物，随后将之引入反应室与细菌和矿物作用，实现了高剪切下的低细菌剪切损伤率，可极大地降低搅拌转速、增大气体停留时间和气液固接触面积，具有高传质速率、高溶氧量、高反应速率和低剪切损伤等优点。

Claims (7)

1.一种分室生物反应器，其特征在于：其包括低转速反应室和高速剪切室，所述低转速反应室与高速剪切室通过单向流通装置连通，所述低转速反应室内设有第一旋转装置，所述高速剪切室内设有第二旋转装置，第一旋转装置的转速比第二旋转装置的转速低，所述低转速反应室为微生物的生物氧化提供低剪切损伤的反应场所，所述高速剪切室与低转速反应室相连，高速剪切室用于多相流的高质量混合并将获得的高度均匀的多相流体输送至低转速反应室；所述分室生物反应器还包括至少一个营养液分离室和营养液料罐，所述营养液料罐与高速剪切室连接，所述营养液分离室分别与营养液料罐和低转速反应室连接，所述低转速反应室设有至少一个物料进口，低转速反应室的底部设有出料口，所述高速剪切室设有空气进口；所述高速剪切室还设有营养液原料入口，所述营养液分离室设有废液出口。

2.根据权利要求1所述的一种分室生物反应器，其特征在于：所述营养液分离室内设有分离装置，低转速反应室内的反应液经过分离装置分离后，分别流入低转速反应室、营养液料罐或经废液出口排出。

3.根据权利要求2所述的一种分室生物反应器，其特征在于：所述分离装置为高分子膜、滤纸或活性炭。

4.根据权利要求1所述的一种分室生物反应器，其特征在于：所述第一旋转装置通过第一电机驱动工作，所述第二旋转装置通过第二电机驱动工作，所述第一电机的转速小于第二电机的转速。

5.根据权利要求1所述的一种分室生物反应器，其特征在于：所述第一旋转装置包括旋转轴和旋转桨，所述旋转桨由柔性材料制作而成，所述柔性材料为纤维、帆布或薄膜。

6.一种采用如权利要求1所述的分室生物反应器的方法，其特征在于：

1）营养液通过营养液料罐的物料入口进入营养液料罐，并在离心泵的作用下流入高速剪切室，在第二旋转装置的作用下，压缩空气通过高速剪切室的空气进口进入高速剪切室并与营养液混合，形成气液混合物，所述气液混合物通过单相流通装置流入低转速反应室；

2）反应物固体原料和微生物分别经过低转速反应室的物料进口进入低转速反应室，在第一旋转装置的作用下，反应物固体原料、微生物与高速剪切室流入的气液混合物混合形成气液固混合物并进行生化反应，反应产物经过出料口出料或者流入下一道工序；

3) 低转速反应室内未反应的气液固混合物进入营养液分离室，经过分离装置分离，分离得到的部分营养液回到营养液料罐。

7.一种采用如权利要求1所述的分室生物反应器的方法，其特征在于：

1）水通过营养液料罐的物料入口进入营养液料罐，并在离心泵的作用下流入高速剪切室，营养液原料通过高速剪切室的营养液原料入口进入高速剪切室，压缩氧气通过高速剪切室的空气进口进入高速剪切室，在第二旋转装置的作用下，水、营养液原料和压缩氧气充分混合成高度均匀多相流混合物，所述多相流混合物经单相流通装置流入低转速反应室中；

2）微生物从低转速反应室的物料进口进入低转速反应室，在第一旋转装置的作用下，微生物与高速剪切室流入的多相流混合物混合形成反应液并进行生化反应，反应产物经过出料口出料或者流入下一道工序；

3）低转速反应室内未反应的反应液进入营养液分离室，经过分离装置分离，分离得到的营养液分别流入低转速反应室、营养液料罐或经废液出口排出。

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