CN109207350B - 一种提高液体发酵罐中发酵液溶氧度的搅拌方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种提高液体发酵罐中发酵液溶氧度的搅拌方法,在发酵罐内安装搅拌器,所述搅拌器设于发酵罐内且包含一个搅拌轴,所述搅拌轴相对发酵罐的中心轴线呈倾斜角安装;或者,所述搅拌轴偏离发酵罐的中心轴线安装;或者,所述搅拌轴偏离发酵罐的中心轴线且相对该中心轴线呈倾斜角安装。本发明的发酵罐高效溶氧搅拌器,在保证与现有搅拌器相当溶氧度的情况下,大幅减少电能消耗,为企业节省生产成本。

Description

一种提高液体发酵罐中发酵液溶氧度的搅拌方法
技术领域
本发明涉及发酵罐技术领域,具体涉及一种提高液体发酵罐中发酵液溶氧度的搅拌方法。
背景技术
发酵罐在食品加工行业、药品制造行业、微藻能源行业是非常常见的设备。发酵罐指工业上用来进行微生物发酵的装置。其主体一般为用不锈钢板制成的柱式圆筒,其容积在1立方至数百立方。发酵往往有温度要求,因此在发酵罐外设有加温或冷却装置,一般是在发酵罐体外设置夹套或在发酵罐内外设置换热盘管,在夹套上或换热盘管上设置冷热媒入口和出口,通过热媒与发酵罐外壁的热交换,使发酵罐内处于合适的发酵温度。而为了增加发酵液中的溶氧度,会在发酵罐中设置搅拌器,搅拌器设有搅拌桨叶,通过搅拌桨叶的搅拌作用使更多的氧气溶入到发酵液中,加快发酵效率。
据统计,对大部分好氧发酵生产企业来说,发酵罐搅拌器的电能消耗一直是发酵主要成本之一,绝大部分的好氧发酵企业的发酵罐搅拌器的功率都达到了每立方约1KW。发酵罐搅拌器高电耗的原因是为了保证罐内各个部位都能获得足够的溶氧,需要依靠搅拌器的强力剪切和分散作用。如图1所示的,现有的搅拌器10都是安装在发酵罐20横截面的正中心,搅拌轴11与发酵罐20的中心轴线同轴线,各层浆叶产生的流场为沿搅拌轴圆周方向的平面二维流场。但现有搅拌器存在诸多问题,主要是溶氧效率低能耗高,这是因为:发酵罐内离搅拌器轴越远的地方、越是搅拌桨叶的外沿,线速度越快、剪切和分散作用越强烈,当发酵罐中心部位获得足够的溶氧时,实际上搅拌桨叶的外沿必然已经处于过度浪费的状态,同时过渡的剪切作用也会对发酵罐的菌体造成破坏。再者,由于气体的比重小,依靠搅拌桨去剪切气泡使气泡塞入液体中,其效率也很低。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了解决现有技术的上述问题,本发明提供一种提高液体发酵罐中发酵液溶氧度的搅拌方法,在保证与现有搅拌器相当溶氧度的情况下,大幅减少电能消耗,为企业节省生产成本。
(二)技术方案
为了达到上述目的,本发明采用的主要技术方案包括:
一种提高液体发酵罐中发酵液溶氧度的搅拌方法,在发酵罐内安装搅拌器,所述搅拌器设于发酵罐内且包含一个搅拌轴,所述搅拌轴相对发酵罐的中心轴线呈倾斜角安装;或者,
所述搅拌轴偏离发酵罐的中心轴线安装;或者,
所述搅拌轴偏离发酵罐中心轴线且相对该中心轴线呈倾斜角安装。
在本发明一个较佳实施例中,所述倾斜角为1~2°或2~4°或4~5°。
在本发明一个较佳实施例中,所述搅拌轴偏离发酵罐的中心轴线的偏离量约为发酵罐直径的2%~3%或3~4%。
在本发明一个较佳实施例中,所述搅拌器包含桨叶,所述浆叶为多层螺旋桨叶,所述多层螺旋桨叶为各层分离的形式或从上到下首尾相连的形式,所述桨叶有1~10层,优选为2~5层。
在本发明一个较佳实施例中,所述每层浆叶包含多个叶片,所述各叶片的同一侧边均同向地朝下方偏斜,使所述各层浆叶转动时,各层浆叶向下方推动发酵液。
在本发明一个较佳实施例中,所述搅拌器包含桨叶,所述浆叶包含至少一层,每层浆叶包含多个叶片,每层的所述各叶片的同一侧边均同向地朝下方偏斜,使所述各层浆叶转动时,各层浆叶向下方推动发酵液。如此,有利于将发酵液表面的氧气吸卷到发酵液中,并且旋涡状下旋后再上升,增大氧气在发酵液中停留的时间,从而提高溶氧度。
在本发明一个较佳实施例中,所述浆叶的直径不小于发酵罐内径的1/2。
在本发明一个较佳实施例中,所述搅拌器的转速为30~75rpm。
(三)有益效果
本发明的有益效果是:
本发明的搅拌器启动后,不再主要通过对氧气强力剪切和分散作用来实现溶氧,而是推动发酵液以三维旋涡形式运动,用一种相对轻柔的方式搓散气泡,使气泡均匀地分布到发酵罐的每个角落实现高效溶氧。对于搅拌轴相对发酵罐中心轴线倾斜安装的搅拌器,其工作时能以较低的转速,使发酵液的液面产生类似于旋涡的流场,在翻滚时可裹挟更多的氧气进入到发酵液中,并减少叶片对发酵液菌体的剪切破坏作用。
对于搅拌轴偏离发酵罐中心轴线安装的搅拌器,其工作时由于搅拌器浆叶的末端轨迹更接近发酵罐的一侧内壁,因而能以较低的转速,使该侧内壁面和搅拌轴处都具有相当的和充分的搅拌作用,获得足够的溶氧;而发酵罐的另一侧内壁处由于发酵液的流道突然变宽而径向向外侧扩散,构成各搅拌叶末端甩出的流场相汇合、交集、碰撞的场所,也构成了三维流场,同样可加强该处的溶氧效率,减少叶片外沿对发酵液菌体的剪切破坏作用。
由于空气只要进入了发酵液,就不可能全部在发酵液内部停留,只会保持均匀连续的上升过程,所以发酵液内无需考虑轴向上的溶氧分布是否均匀。鉴于此,本发明的发酵罐高效溶氧搅拌器的总功率在轴向分布上只分配了占比较少的功率。综上所述,本发明的搅拌器通过搓散气泡并将气泡卷入发酵液的溶氧方式、以及轴向分布上功率的低消耗,使本发明搅拌器在保证整体溶氧效果不下降的情况下,实现节省能耗的目的。据实际应用和计算发现,利用本发明可将发酵罐的电能消耗降低到每立方发酵液约0.2KW。
当搅拌轴斜安装或是偏心安装的发酵罐,搅拌器转速为30~75rpm、桨叶直径大于≥发酵罐内径1/2时,可降低发酵罐的搅拌电耗60%以上,特别适合于发酵液粘度小于100cp的好氧发酵罐使用。
附图说明
图1为现有设有常规搅拌器的发酵罐结构示意图。
图2为本发明搅拌器相对发酵罐轴线倾斜安装的发酵罐结构示意图。
图3为本发明搅拌器偏离相对发酵罐轴线安装的发酵罐结构示意图。
图4为本发明搅拌器可用的一种多层螺旋桨叶的结构示意图一。
图5为本发明搅拌器可用的另一种多层螺旋桨叶的结构示意图二。
具体实施方式
为了更好的解释本发明,以便于理解,下面结合附图,通过具体实施方式,对本发明作详细描述。
实施例1
参见图2所示,为本发明较佳实施例的一种发酵罐高效溶氧搅拌器10,安装于发酵罐20内且包含一个搅拌轴11,搅拌轴11相对发酵罐的中心轴线L呈倾斜角α安装在发酵罐20中,倾斜角α为1~2°或2~4°或4~5°,如图2所示为2°。
结合图1、图4、图5所示,搅拌器10还包含多层桨叶12,浆叶12为多层螺旋桨叶。多层螺旋桨叶12为各层的叶片121沿螺旋线排布成一层,但各层为分离状(如图4);或者各叶片121沿螺旋线排布成从上到下首尾相连的形式(如图5),桨叶12可设置1~10层,优选为2~5层。优选地,每层浆叶12包含多个叶片121,并使各叶片121的同一侧边均同向地朝下方偏斜(类似于轴流式风扇的扇叶都向风扇的正面一侧偏斜,以将风从后端吸入向正面压出),使各层浆叶12转动时可向下方推动发酵罐内发酵液,使发酵液可以向下运动,并将发酵液与空气界面处的空气卷入到发酵液以下,并经旋涡式下旋后再上升,增大氧气在发酵液中停留的时间,从而提高溶氧度,促进各层浆叶12所驱动的发酵液流场间相互发生混流作用。
其中,浆叶12的直径大于等于发酵罐内径的1/2,但小于发酵罐直径的90%。浆叶12的直径是指叶片121转动时外沿运动轨迹的圆周直径。其中,无论发酵罐容积规格,均可设定搅拌器的转速为30~75rpm,优选为45~65rpm。
搅拌器10启动后,不再主要通过对氧气强力剪切和分散作用来实现溶氧,而是推动发酵罐20内的发酵液以三维旋涡形式运动,用一种相对轻柔的方式搓散气泡,使气泡均匀地分布到发酵罐20的每个角落实现高效溶氧。对于搅拌轴11相对发酵罐轴线倾斜安装,搅拌器20在工作时能以较低的转速,使发酵液的液面产生旋涡式的流场,在翻滚时可裹挟更多的氧气进入到发酵液中,由于转速低,可减少叶片121对发酵液菌体的剪切破坏作用。而翻滚的发酵总是向下进到深处,使各层浆叶12产生的流场间也产生了相互作用,增大溶氧效率。据实际应用和计算发现,利用本发明可将发酵罐的电能消耗降低到每立方发酵液约0.2KW,降低发酵罐的搅拌电耗60%以上,特别适合于发酵液粘度小于100cp的好氧发酵罐使用。
实施例2
参见图3所示,为本发明较佳实施例的一种发酵罐高效溶氧搅拌器10,安装于发酵罐20内且包含一个搅拌轴11,搅拌轴11相对偏离发酵罐的中心轴线L安装于发酵罐40中,偏离量D约为发酵罐直径的2%~3%或3~4%,更优选为1/40。
结合图1、图4、图5所示,本实施例的搅拌器10包含多层桨叶12,浆叶12为多层螺旋桨叶。多层螺旋桨叶12为各层的叶片121沿螺旋线排布成一层,但各层为分离状(如图4);或者各叶片121沿螺旋线排布成从上到下首尾相连的形式(如图5),桨叶12可设置1~10层,优选为2~5层。优选地,每层浆叶12包含多个叶片121,并使各叶片121的同一侧边均同向地朝下方偏斜(类似于轴流式风扇的扇叶都向风扇的正面一侧偏斜,以将风从后端吸入向正面压出),使各层浆叶12转动时可向下方推动发酵罐内发酵液,使发酵液可以向下运动,并将发酵液与空气界面处的空气卷入到发酵液以下,并经旋涡式下旋后再上升,增大氧气在发酵液中停留的时间,从而提高溶氧度,促进各层浆叶12所驱动的发酵液流场间相互发生混流作用。
其中,浆叶12的直径大于等于发酵罐内径的1/2,但小于发酵罐直径的95%。浆叶12的直径是指叶片121转动时外沿运动轨迹的圆周直径。其中,无论发酵罐容积规格,均可设定搅拌器的转速为30~75rpm,优选为50~75rpm。浆叶12的直径是指叶片121转动时外沿运动轨迹的圆周直径。
搅拌器10启动后,由于搅拌器10浆叶12,其叶片121的末端轨迹更接近发酵罐20的一侧内壁,因而能以较低的转速,使该侧内壁面和搅拌轴11附近都具有相当的和充分的搅拌作用,能获得足够的溶氧。而与此同时,发酵罐20的另一侧内壁处(与浆叶12末端间距较宽的一侧)由于发酵液的流道突然变宽,发酵液发散开来并径向向外侧扩散,导致前一股发酵液流速减慢,与后一股发酵液在该处发生碰撞和混合,因而该宽流道处构成各搅拌叶末端甩出的流场汇流、交集和碰撞的场所,从而产生三维流场,增强该处的溶氧效率。因而,搅拌器20在工作时能以较低的转速,获得较好的溶氧效率。同时因转速较低,可减少叶片121外沿对发酵液菌体的剪切破坏作用。
据实际应用和计算发现,利用本发明可将发酵罐的电能消耗降低到每立方发酵液约0.2KW,降低发酵罐的搅拌电耗60%以上,特别适合于发酵液粘度小于100cp的好氧发酵罐使用。
实施例3
本实施例关于浆叶12和叶片121的结构设计和尺寸,转速等,均可参见实施例1-2。本实施例是在上述实施例的基础上,使搅拌轴11偏离发酵罐的中心轴线L一定距离且同时相对该中心轴线L呈倾斜角α安装,倾斜角为1~2°或2~4°或4~5°,偏离距离D约为发酵罐直径的2%~3%或3~4%。由于这两个技术特征之间可组合,且不会相互矛盾、抵触或抵消作用,因而有关本实施例的技术效果和作用原理,可叠加参考实施例1-2的相关描述,在此容不再赘述。
显然,本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样,倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内,则本发明也意图包含这些改动和变型在内。另外,上述各实施例中的技术特征,在进行特征组合且不矛盾的情况下的任意组合,也应包含在本发明中。

Claims (1)

1.一种提高液体发酵罐中发酵液溶氧度的搅拌方法,其特征在于,在发酵罐内安装搅拌器,所述搅拌器设于发酵罐内且包含一个搅拌轴,所述搅拌轴相对发酵罐的中心轴线呈倾斜角安装;或者,所述搅拌轴偏离发酵罐的中心轴线安装;或者,所述搅拌轴偏离发酵罐的中心轴线且相对该中心轴线呈倾斜角安装;
所述搅拌器包含桨叶,所述浆叶的直径大于等于发酵罐内径的1/2且小于发酵罐直径的95%;
所述倾斜角为1~2°或2~4°或4~5°;
所述搅拌轴偏离发酵罐的中心轴线的偏离量为发酵罐直径的2%~3%或3~4%;
所述搅拌器的转速为30~75rpm;
所述浆叶为多层螺旋桨叶,所述多层螺旋桨叶为各层分离的形式或从上到下首尾相连的形式,所述桨叶有1~10层;所述每层浆叶包含多个叶片,所述各叶片的同一侧边均同向地朝下方偏斜,使所述各层浆叶转动时,各层浆叶向下方推动发酵液。
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