CN1099795A - 内外双环流发酵罐 - Google Patents

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Abstract

本发明为化工机械领域的一种新型通气发酵 罐。它是在气升式发酵罐的基础上，溶入了静态混合 器和文氏管的有效功能、在上升管和下降管之间，形 成了上升管自下而上和下降管自上而下的流体内循 环运动，而由吸料管经循环泵、文氏管，通过混合流 体分布器喷射进入静态混合器形成流体外循环系 统。使用本发明后的发酵液混合均匀，气泡细小，溶 氧水平高，增强了对流循环，发酵过程稳定，能优质高 产，本发明的总能量消耗低，并可用于旧罐的技术改 造。

Description

本发明属化工机械领域，涉及的是一种发酵工程反应设备的通气发酵罐，具体地说是一种内外双环流发酵罐。
目前化工领域使用的发酵罐种类很多，如搅拌通气式发酵罐和气升式发酵罐，而后者和前者比较，具有结构简单，密封性好，有利于防止染菌和对耗气量大的微生物发酵能量消耗低等优点。但气升式发酵罐存在一些缺点，如设备高径比大（8-17），厂房高，无菌压缩空气消耗量大（0.35-0.45m3/m3、min），对粘性较高的发酵液传质能力低，设备运行时工况操作的调节手段狭窄，不易控制等。
文丘里管（简称文氏管）在工业应用广泛，如发酵业的文氏管发酵罐，它具有吸氧效率高，气、液、固（微生物）三相混合均匀，设备简单等优点。缺点是气体吸入量和液体循环量之比（体积抽吸系数）较低，循环泵流量大，对耗氧量大的微生物发酵不适宜。
管道混合器（静态混合器，以下简称混合器）是一种设有机械运转部件的混合器。它是有若干个右旋和左旋的螺旋元件，相互连接的两边成90°交错排列在管道内而成。它结构简单紧凑，混合效果好，维修保养费用低。它源于美国的Kennics公司，1969年该公司所生产的这种产品在一百多家工厂示范试用时，受到了使用者的极大欢迎。（化工机械丛书《搅拌与搅拌装置》P8）
本发明内外双环流发酵罐是气升式发酵罐、文氏管和管道混合器三者的结合体，本发明的目的在于发挥气升式和文氏管发酵罐各自优点的同时，克服其存在的缺点。
按本发明所提出的内外双环流发酵罐。它是在气升式发酵罐的基础上，溶入混合器和文氏管的有效功能，在其上升管中央装有下降管，上升管四周的环形空间内装有螺旋元件组成的混合器，下降管下端装有吸料管，吸料管另一端与循环泵进口端相连，循环泵的出口端与文氏管相连，文氏管的出口通向上升管下部的混合流体分布器，以实施向最下层混合器的喷射。
图1是本发明的结构示意图。
图2是文氏管结构示意图。
图3是管道混合器左右旋的螺旋元件结构。
下面结合附图实施例对发明作详细的描述。
在上升管2中央，装有下降管1，下降管截面积Ad和上升管环形截面积Aγ之比：Ad∶Aγ＝0.2～0.7。
在上升管2和下降管1之间环形空间内，装有混合器3，其螺旋元件16分左旋和右旋两种旋向，高径比约为1.5。混合器至少设置2层，例如本实施例设4层;每层至少4个，例如本实施例设8个，相邻两层混合器的螺旋元件旋向相反，且相邻两层混合器的通道中心交错α/2度排列。（α是每层混合器相邻通道的中心夹角）。在上升管和混合器之间设有冷却水套4，相邻两层混合器之间设有涡旋扩散室5，其高度为螺旋元件的1～1.2倍。
循环泵9进口端与吸料管11连接，为了不干扰发酵罐的内循环和避免吸进含有沉淀杂质的发酵液，吸料管11的吸嘴设置在下降管下端略高的中心处。循环泵9的出口端与文氏管8相通，文氏管上端通过抽气室13连接进气管6，文氏管进料口为一渐缩喷嘴12，出口部分为混合段14和扩压段15，再连接上升管下部的混合流体分布器7，以对混合器实施向上喷射。
本发明内外双环流工作原理如下：
当循环泵9将发酵液压入文氏管的渐缩喷嘴12后，由于液体流速增加，使抽气室13形成真空，将进气管6输入的无菌压缩空气吸入，并分散成细小气泡在混合段14中与发酵液均匀混合、溶氧。当喷嘴出口段发酵液的雷诺数Re＝6×104以上时，气体的吸收率最高。混合段14出来的气液两相均质混合流体经扩压段15后，便通过混合流体分布器，由上升管下部对着混合器喷射出来。由此组成了本发明的流体外循环系统。通常文氏管的抽气量应为微生物代谢发酵过程最高空气消耗量的1.2倍，对于耗气量大的微生物发酵，当文氏管抽气量不能满足时，如提高空气压缩比受限制的话，可再增设一个空气分布器10额外补气解决，补气线路如图1中双点线所示。
当混合流体喷入上升管后，上升管内的发酵液就比下降管的密度小，在密度差的推动下，下降管下端的发酵液就会流向上升管;另外，上升管气泡上升时，由浮力引起的对液体的曳力作用，使上升管上部的发酵液被推入下降管的上端口，从而形成上升管自下而上和下降管自上而下的流体内循环运动。
流体进入混合器时，有两种混合方式同时进行：轴向分流作用方式和径向混合作用方式。前者将流体切割成两股分流，并位移上升，起到破碎气泡和阻止气泡聚合效应;后者使流体产生涡旋运动，且利用二层混合器螺旋元件旋向相反和件边互成90°排列的结构，其旋转方向交替更换，从而极大地增加了流体的扰动性。当流体的雷诺数Re＝100以上时，流体的流动便处于稳定的湍流状态，促使气、液、固（微生物）三者进一步均匀混合，使发酵产生的热量分布趋于均匀，并使流体在混合器壁面和流道中心之间不断交换，从而增强了传质过程，提高了传氧能力。
涡旋扩散室的作用是：利用粘性流体中涡旋的扩散性质，让混合器里出来的涡旋强度不尽相同的各支涡旋场，进入此段后涡旋强的地方输送涡旋，直到涡旋强度相等为止。并在交错α/2度角度范围使各支涡旋扩散成一个大涡旋，且在进入上层混合器时，由于涡旋方向改变的扰动性，形成强烈的湍流混合。
本发明在气升式发酵罐的基础上，由于引进了混合器的分流和径向混合功能、粘性流体中涡旋扩散性，以及文氏管的高溶氧水平功能，其综合效果大大提高，具体表现在：
1、流体在发酵罐的上下层、内外圈之间、以及发酵罐内外之间增强了剪切和对流作用，湍流稳定强烈，使气、液、固三相接触界面不断得到更新，混合极为均匀。气体经文氏管和混合器一再破碎，气泡直径已细小到沫化程度，气、液两相总接触面积增加。
2、由于涡旋运动的旋向交替更换，气泡在发酵液中所走路增长，停留时间延长，溶氧充分，并使发酵罐的高径比减少到和搅拌通气式发酵罐一样，有利于旧罐的技术改造，降低新罐制造成本。
3、本发明为内外双环境，增强了对流循环，气-液传质（溶氧）和液-固传质（微生物内外间）水平高，发酵过程稳定，能优质高产。
4、本发明以混合流体为喷射工质，驱动力大，流量小，速度低，空气消耗减少50%。加之由于下降管截面积比上升管小，流体在内循环时下降管内的流体流速大于上升管的，更多的气泡被引入下降管内，使发酵液的总气含率提高，不仅利于溶氧，且降低了流体密度，使循环泵轴功率下降，因此，本发明的总能量消耗与气升式和搅拌通气式发酵罐相比都小。

Claims (6)

1、一种化工机械领域的通气发酵罐--内外双环流发酵罐，其特征在于在气升式发酵罐的基础上，在上升管四周的环形空间内装有螺旋元件组成的混合器，下降管下端装有吸料管，吸料管另一端和循环泵进口端相连，循环泵的出口端与文氏管相连，文氏管的出口通向上升管下部的混合流体分布器，以实施向最下层混合器的喷射。
2、按权利要求1所述的内外双环流发酵罐，其特征在于在下降管四周的环形空间内，至少装有两层混合器，每层至少设置4个混合器。
3、按权利要求1或2所述的内外双环流发酵罐，其特征在于在上升管和混合器之间设有冷却水套。
4、按权利要求1、2或3所述的内外双环流发酵罐，其特征在于相邻两层混合器设有涡旋扩散室，其高度是螺旋元件的1-1.2倍。
5、按权利要求1或2所述的内外双环流发酵罐，其特征在于相邻两层混合器的排列角度按相邻通道中心夹角的一半交错排列。
6、按权利要求1、2或5所述的内外双环流发酵罐，其特征在于相邻两层混合器内的螺旋元件，其旋向相反且端边按90°交错排列。
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