CN110331078A - 一种用于好氧发酵系统的溶气装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于好氧发酵系统的溶气装置包括：横卧设置的溶气罐，在溶气罐前段设置有出水连接管，出水连接管通过出水管与发酵罐的输送管的进口端密封连接；在溶气罐后段设置有进水连接管，进水连接管通过进水管与气液混合泵的出水口密封连接，气液混合泵的进水口与取液管的出水口密封连接，取液管的进水口端密封伸入发酵罐的发酵液中；进水连接管的轴线与溶气罐的轴线呈空间交错设置，从而使从进水连接管喷射入溶气罐中的发酵液呈螺旋状旋转前进；在位于出水连接管与进水连接管之间的溶气罐壁上间隔分布有若干压缩空气进气管。该装置运行能耗低，且能高效溶解氧气，从而使得从各射流管喷射析出均匀绵密的微米级的气泡。
Description
技术领域
本发明涉及生物发酵技术，尤其涉及一种用于好氧发酵系统的溶气装置。
背景技术
溶解氧是指溶解于水中分子状态的氧，氧是一种难溶气体，在常压、25℃的条件下，空气中的氧在纯水中的溶解度仅约为0.25mmol/L。在发酵液中，由于各种溶解的营养成分、无机盐和微生物的代谢产物存在，会明显降低氧的溶解度，而好氧微生物生长和代谢均需要氧气，因此发酵液中的溶氧浓度是影响好氧发酵的关键因素，对微生物的生产和产物形成有重要的影响：提高溶氧浓度能加速好氧发酵的进程，提高反应效率。
传统提高好氧发酵液中的溶氧浓度的溶氧方式有以下两种：
第一种方式：如图1所示，在容积为十立方米的发酵罐1中安装一根直径为40mm的输送管11，输送管11的出口端12伸入发酵罐1底部，在发酵罐1中设置有带切割搅拌桨叶13的搅拌轴14，搅拌轴14由一个功率为20KW左右的搅拌电机15和变速箱组合驱动。工作时，压缩空气源源不断从输送管11进入，然后从输送管11的出口端12不断冒出直径大于40mm的气泡，通过高速旋转的切割搅拌桨叶13切割气泡，将气泡打碎成厘米级的气泡。但上述方式运行功耗大，且形成的气泡为厘米级，溶氧浓度非常低。
第二种方式：参见图1所示，在容积为十立方米的发酵罐1中安装一根直径为40mm的输送管11，输送管11的出口端12伸入发酵罐1底部，在输送管11的出口端12设置专用毫米级孔径的曝气头，利用曝气头上小孔的细小孔径、以物理力学原理来切割气泡。工作时，压缩空气源源不断从输送管11进入，然后通过曝气头切割后不断形成毫米级的气泡。上述方式虽然得到的气泡比第一种方式中得到的气泡要小很多，但溶氧浓度依然不是很理想，长期使用过程中还存在曝气头上小孔容易堵塞现象，此外，发酵罐在每次使用之前均需要高温灭菌、在使用完毕后均需要酸洗，对曝气头的要求非常严格：曝气头需要耐高温、耐酸碱。
发明内容
本发明所需解决的技术问题是：提供一种能产生微米级的气泡的用于好氧发酵系统的溶气装置。根据气液传质定律，气泡越是细微，同等压力体积之下气体的表面积越大，传质效率越高，因而产生微米级的气泡的传质效率比传统溶氧方式的传质效率提高至少几十倍。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：本申请所述的一种用于好氧发酵系统的溶气装置的结构包括：横卧设置的溶气罐，在溶气罐前段设置有与溶气罐空腔连通的出水连接管，出水连接管通过出水管与发酵罐的输送管的进口端密封连接；在溶气罐后段设置有与溶气罐空腔连通的进水连接管，进水连接管通过进水管与气液混合泵的出水口密封连接，气液混合泵的进水口与取液管的出水口密封连接，取液管的进水口端密封伸入发酵罐的发酵液中；进水连接管的轴线与溶气罐的轴线呈空间交错设置，从而使从进水连接管喷射入溶气罐中的发酵液呈螺旋状旋转前进；在位于出水连接管与进水连接管之间的溶气罐壁上间隔分布有若干压缩空气进气管。
进一步地，前述的一种用于好氧发酵系统的溶气装置，其中，在发酵罐中竖向设置有带搅拌桨叶的搅拌轴，搅拌轴由驱动装置驱动。其中，驱动装置可以采用搅拌电机和变速箱组合驱动。搅拌桨叶的主要作用是均质，而不担任任何切割气泡的作用，因此本申请采用的搅拌电机的功率相比传统驱动带切割搅拌桨叶13的搅拌轴14的搅拌电机15的功率要小很多，功率大幅降低，本申请中搅拌电机功率只要保证搅拌桨叶旋转后能使发酵罐中的发酵液与气泡均匀分布即可。此外，传统驱动带切割搅拌桨叶13的搅拌轴14的搅拌电机15因需要保证切割搅拌桨叶13能切割气泡，因而搅拌速度非常快，在搅拌过程中，发酵罐内发酵液的液面呈向下凹的碗状曲面；而本申请用于驱动带搅拌桨叶的搅拌轴的搅拌电机只需保证发酵液与气泡均匀分布，因而搅拌速度非常慢，在搅拌过程中，发酵罐内发酵液的液面几乎为水平液面。
进一步地，前述的一种用于好氧发酵系统的溶气装置，其中，针对于采用动物油脂、大豆油、菜籽油、花生油、棕榈油、棕榈废油（如酸值高或不符合国家质量标准的棕榈毛油、用于油炸食品后废弃的棕榈油、工业棕榈废油及棕榈油生产工艺经脱酸、脱臭过程中产生的馏出物等）等油类物质作为发酵生产原料时，在好氧发酵过程中，会在液面附近形成油膜和泡沫层/皂化液层，本申请将取液管的进水口端设置于位于发酵液液面处的发酵液中、或将取液管的进水口端设置于发酵液的泡沫层/皂化液层中，这样可以将漂浮于液面上的油及液面附近的泡沫/皂化物抽入气液混合泵中打碎后通过溶气装置重新打入发酵罐内进行好氧发酵。
进一步地，前述的一种用于好氧发酵系统的溶气装置，其中，在发酵罐底部水平设置有环形管，在环形管外壁上开设有进液口，发酵罐的输送管的出口端与环形管的进液口密封连接，在环形管顶部管壁上均匀间隔分布有若干射流口，在各射流口上均分别竖向设置有一个射流管。
进一步地，前述的一种用于好氧发酵系统的溶气装置，其中，所述的环形管由若干异形三通首尾连接构成，所述的异形三通为由弧状管和设置于弧状管顶部中心位置的射流管构成，进液口位于其中一个弧形管上。将环形管设置成由异形三通首尾连接构成结构，可以增加流体阻力，从而使从各射流管喷射的富含有氧气的混合液体的喷射量尽量一致，此外异形三通内腔壁光滑，降低富含有氧气的混合液体的压力损失（压力与氧气在发酵液中的溶解度成正比）。
进一步地，前述的一种用于好氧发酵系统的溶气装置，其中，在各射流管上均设置有一个调节对应射流管喷射流量的第一阀门。通过调节各第一阀门的流体通过量，进一步提高从各射流管喷射的富含有氧气的混合液体的喷射量一致性。
进一步地，前述的一种用于好氧发酵系统的溶气装置，其中，各压缩空气进气管分布于溶气罐上、下两侧，位于溶气罐上侧的任一压缩空气进气管均相对于位于溶气罐下侧的各压缩空气进气管错开排布。
进一步地，前述的一种用于好氧发酵系统的溶气装置，其中，在各压缩空气进气管处分别密封连接有一根分支进气管，各分支进气管的进气口均与总进气管的出气口密封连接，在各分支进气管上分别设置有分支阀门，在总进气管上设置有总阀门。
进一步地，前述的一种用于好氧发酵系统的溶气装置，其中，进水管位于溶气罐的切线方向；在进水管上设置有检测进水管内的压力的压力表。
进一步地，前述的一种用于好氧发酵系统的溶气装置，其中，在溶气罐上还开设有至少一个与溶气罐空腔连通的取样口，在各取样口处分别密封连接有一根取样管，在各取样管上分别设置有第二阀门。
本发明的有益效果是：该装置运行能耗低，且能高效溶解氧气，从而使得从各射流管喷射析出均匀绵密的微米级的气泡，传质效率相比传统切割破碎气泡方式的传质效率提高了几十倍。
附图说明
图1是背景技术中发酵罐的结构示意图。
图2是本发明所述的用于好氧发酵系统的溶气装置的结构示意图。
图3是溶气装置的结构示意图。
图4是图3仰视方向的结构示意图。
图5是图4右视方向的结构示意图。
图6是图4后视方向的结构示意图。
图7是图2俯视方向环形管的结构示意图。
图8是图7仰视方向的结构示意图。
图9是本发明所述的用于好氧发酵系统的溶气装置的另一种结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及优选实施例对本发明所述的技术方案作进一步详细的说明。
实施例一
如图1所示，压缩空气通过输送管11后从输送管11的出口端12连续冒出直径大于40mm的气泡，传统提高好氧发酵液中的溶氧浓度的方式的核心都是如何尽可能的破碎从输送管11的出口端12冒出的大气泡，将大气泡尽可能切割、破碎成小直径的气泡，以提高气体和发酵液的接触面积，增加气体向发酵液的溶解传质，但目前切割、破碎的最小气泡也只能到达毫米级的气泡。
而本申请所述的方案则是增加一个能高效溶解压缩空气的溶气装置，该溶气装置可以设置于发酵罐1外部，也可以设置于发酵罐1内部。压缩空气在进入发酵罐接触发酵液体之前，已经在溶气装置中高效溶解于溶气装置中的发酵液中，因而从溶气装置输出的富含有氧气的混合液体通过输送管11输送至发酵罐的发酵液中时能析出均匀绵密的微米级的气泡，然后随着气泡的缓慢上升，逐步从发酵液中释放变成细微亚毫米级别的气泡。
根据气液传质定律，气泡越是细微，同等压力体积之下气体的表面积越大，传质效率越高，因而产生微米级的气泡的传质效率比传统溶氧方式的传质效率提高至少几十倍。
本实施例以将溶气装置设置于发酵罐1外部为例进行说明，在竖向设置的发酵罐1中设置有输送管11，输送管11的出口端12伸入发酵罐1底部。
如图2和图3所示，本实施例所述的一种用于好氧发酵系统的溶气装置的结构包括：横卧设置的溶气罐2，在溶气罐2前段设置有与溶气罐空腔连通的出水连接管21，出水连接管21通过出水管31与发酵罐1的输送管11的进口端10密封连接。在溶气罐2后段设置有与溶气罐空腔连通的进水连接管22，进水连接管22通过进水管32与气液混合泵4的出水口42密封连接，气液混合泵4的进水口41与取液管33的出水口密封连接，取液管33的进水口端密封伸入发酵罐1的发酵液中（图中未示出）。取液管33的进水口端伸入发酵罐1的发酵液中的方式可以多种形式，如取液管33的进水口端可以从发酵罐1底部通孔密封伸入发酵罐1内，也可以在发酵罐1罐体壁上任一处开设口子，取液管33的进水口端通过该口子伸入发酵罐1内，这里对取液管33的进水口端伸入发酵罐1中的方式不做限制。气液混合泵4的功率在3KW左右，远远小于传统的驱动带切割搅拌桨叶13的搅拌轴14的搅拌电机15的20KW功率。其中，进水连接管22的轴线与溶气罐2的轴线呈空间交错设置，即：进水连接管22的轴线指向偏离溶气罐2的轴线位置，进水连接管22的轴线与溶气罐2的轴线无交点。这样设置可以使从进水连接管22喷射入溶气罐2中的发酵液呈螺旋状旋转前进。本实施例将进水连接管22设置于溶气罐2的切线方向。如图5所示，在进水连接管22上还设置有检测进水连接管22内的压力的压力表5。
如图3、图4和图6所示，在位于出水连接管21与进水连接管22之间的溶气罐壁上间隔分布有若干压缩空气进气管23。各压缩空气进气管23分布于溶气罐2的上、下两侧，位于溶气罐2上侧的任一压缩空气进气管23均相对于位于溶气罐2下侧的各压缩空气进气管23错开排布，即：各压缩空气进气管23的轴线均不重叠。在各压缩空气进气管23处分别密封连接有一根分支进气管34，各分支进气管34的进气口均与总进气管35的出气口密封连接，在各分支进气管34上分别设置有分支阀门62，分支阀门62可以采用球阀，也可以采用其他型号的阀门。在总进气管35上设置有总阀门61，总阀门61可以采用CDA压缩空气进气阀，也可以采用其他型号的阀门。
在溶气罐2上还开设有至少一个与溶气罐空腔连通的取样口，在各取样口处分别密封连接有一根取样管，在各取样管上分别设置有第二阀门63。如图4和图6所示，本实施例在溶气罐2上开设有二个取样口：第一取样口241和第二取样口242，第一取样口241位于溶气罐2前段，第二取样口242位于溶气罐2后段。
针对于采用动物油脂、大豆油、菜籽油、花生油、棕榈油、棕榈废油（如酸值高或不符合国家质量标准的棕榈毛油、用于油炸食品后废弃的棕榈油、工业棕榈废油及棕榈油生产工艺经脱酸、脱臭过程中产生的馏出物等）等油类物质作为发酵生产原料时，在好氧发酵过程中，会在液面附近形成油膜和泡沫层/皂化液层，本申请将取液管33的进水口端设置于位于发酵罐1的发酵液液面处的发酵液中、或将取液管33的进口端设置于发酵罐1中的发酵液的泡沫层/皂化液层中，这样可以将漂浮于液面上的油及液面附近的泡沫/皂化物抽入气液混合泵中打碎后通过溶气装置重新打入发酵罐1内进行好氧发酵。
如图2、图7和图8所示，在发酵罐1底部水平设置有环形管7，在环形管7外壁上开设有进液口，发酵罐1的输送管11的出口端12与环形管7的进液口密封连接，在环形管7顶部外侧壁上均匀间隔分布有若干射流口，在各射流口上均分别竖向设置有一个射流管71。本实施例中所述的环形管7由若干异形三通首尾连接构成，所述的异形三通为由弧状管72和设置于弧状管72顶部中心位置的射流管71构成，进液口位于其中一个弧形管72上。将环形管7设置成由异形三通首尾连接构成，可以增加流体阻力，从而使从各射流管71喷射的富含有氧气的混合液体的喷射量尽量一致，此外异形三通内腔壁光滑，降低富含有氧气的混合液体压力损失。
本实施例在各射流管71上均设置有一个调节对应射流管71喷射流量的第一阀门。通过调节各第一阀门的流体通过量，进一步提高从各射流管71喷射的富含有氧气的混合液体的喷射量一致性。
用于好氧发酵系统的溶气装置的工作原理如下：启动气液混合泵4，发酵罐1中的发酵液通过取液管33、气液混合泵4、进水管32、进水连接管22打入溶气罐1中，从进水连接管22喷射入溶气罐2中的发酵液呈螺旋状旋转前进。同时打开总阀门61和各分支阀门62，压缩空气通过总进气管35、各分支进气管34、各压缩空气进气管23喷射入溶气罐2中，从各压缩空气进气管23喷射入溶气罐2中的压缩空气与呈螺旋状旋转前进的发酵液接触、混合溶解，这里输入总进气管35的压缩空气的压力设置要比发酵罐1内和溶气罐2内的压力高，压缩空气压力越高，各种气体成分在发酵液中的溶解度跟压力成正比的上升，通过计算得到一个合适的压缩空气压力值，从而使进入溶气罐2中的压缩空气基本都混合溶解于溶气罐2的发酵液中形成富氧的混合液体，富氧的混合液体通过出水连接管21、出水管31、输送管11、各射流管71后喷射入发酵罐1底部的发酵液中，析出均匀绵密的微米级气泡，然后随着微米级气泡的缓慢上升，逐步从发酵液中释放变成细微亚毫米级别的气泡。
压缩空气中的氧气含量大概是21%，如果采用传统切割破碎气泡方式提高溶氧的好氧发酵过程中是利用其中2%的氧气，则发酵罐1的出气口输出的气体中氧气含量大概是19%。按照传质效率可以提高一倍计算，那空气中氧气利用比例可以达到4%，这会产生如下效率：
第一，减少配套压缩空气装置容量。同等发酵需氧量条件下，传质效率提高一倍方式只要50%的压缩空气的进气量，整体发酵配置的压缩空气装置可以减少50%。
第二，降低发酵罐1运行能耗。发酵罐1是恒温装置，全年稳定在30摄氏度。压缩空气中的无用的N2会进入到发酵罐1中，发酵罐1中的N2和无法反应掉的O2会带走发酵罐1中的水分、带走热量（或冷量），传质效率提高一倍方式只要50%的压缩空气的进气量，因而节约50%的热量（或冷量）成本、以及50%的水分。
第三，降低好氧发酵系统的能耗。增加了一个3KW左右的气液混合泵，能耗会比传统采用传统切割破碎气泡方式降低70%。
实施例二
如图9所示，本实施例与实施例一的不同之处在于：在发酵罐1中竖向设置有带搅拌桨叶16的搅拌轴14，搅拌轴14由驱动装置驱动。其中，驱动装置可以采用搅拌电机15和变速箱组合驱动。搅拌桨叶16的主要作用是均质，而不担任任何切割气泡的作用，因此本申请采用的搅拌电机15的功率相比传统驱动带切割搅拌桨叶13的搅拌轴14的搅拌电机15的功率要小很多，功率大幅降低，本申请中搅拌电机15的功率只要保证搅拌桨叶16旋转后能使发酵罐1中的发酵液与气泡均匀分布即可。此外，传统驱动带切割搅拌桨叶13的搅拌轴14的搅拌电机15因需要保证切割搅拌桨叶13能切割气泡，因而搅拌速度非常快，在搅拌过程中，发酵罐1内发酵液的液面呈向下凹的碗状曲面；而本申请用于驱动带搅拌桨叶16的搅拌轴14的搅拌电机15只需保证发酵液与气泡均匀分布，因而搅拌速度非常慢，在搅拌过程中，发酵罐1内发酵液的液面几乎为水平液面。其余结构和使用方式与实施例一相同，不再赘述。
以上所述仅是本发明的较佳实施例，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明要求保护的范围。
本发明的优点是：该装置运行能耗低，且能高效溶解氧气，从而使得从各射流管71喷射析出均匀绵密的微米级的气泡，传质效率相比传统切割破碎气泡方式的传质效率提高了几十倍。
Claims (10)
1.一种用于好氧发酵系统的溶气装置，其特征在于：包括：横卧设置的溶气罐，在溶气罐前段设置有与溶气罐空腔连通的出水连接管，出水连接管通过出水管与发酵罐的输送管的进口端密封连接；在溶气罐后段设置有与溶气罐空腔连通的进水连接管，进水连接管通过进水管与气液混合泵的出水口密封连接，气液混合泵的进水口与取液管的出水口密封连接，取液管的进水口端密封伸入发酵罐的发酵液中；进水连接管的轴线与溶气罐的轴线呈空间交错设置，从而使从进水连接管喷射入溶气罐中的发酵液呈螺旋状旋转前进；在位于出水连接管与进水连接管之间的溶气罐壁上间隔分布有若干压缩空气进气管。
2.根据权利要求1所述的一种用于好氧发酵系统的溶气装置，其特征在于：在发酵罐中竖向设置有带搅拌桨叶的搅拌轴，搅拌轴由驱动装置驱动。
3.根据权利要求1所述的一种用于好氧发酵系统的溶气装置，其特征在于：取液管的进水口端位于发酵液液面处的发酵液中、或取液管的进水口端位于发酵液的泡沫层和/或皂化液层中。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种用于好氧发酵系统的溶气装置，其特征在于：在发酵罐底部水平设置有环形管，在环形管外壁上开设有进液口，发酵罐的输送管的出口端与环形管的进液口密封连接，在环形管顶部管壁上均匀间隔分布有若干射流口，在各射流口上均分别竖向设置有一个射流管。
5.根据权利要求4所述的一种用于好氧发酵系统的溶气装置，其特征在于：所述的环形管由若干异形三通首尾连接构成，所述的异形三通为由弧状管和设置于弧状管顶部中心位置的射流管构成，进液口位于其中一个弧形管上。
6.根据权利要求5所述的一种用于好氧发酵系统的溶气装置，其特征在于：在各射流管上均设置有一个调节对应射流管喷射流量的第一阀门。
7.根据权利要求1所述的一种用于好氧发酵系统的溶气装置，其特征在于：各压缩空气进气管分布于溶气罐上、下两侧，位于溶气罐上侧的任一压缩空气进气管均相对于位于溶气罐下侧的各压缩空气进气管错开排布。
8.根据权利要求1或7所述的一种用于好氧发酵系统的溶气装置，其特征在于：在各压缩空气进气管处分别密封连接有一根分支进气管，各分支进气管的进气口均与总进气管的出气口密封连接，在各分支进气管上分别设置有分支阀门，在总进气管上设置有总阀门。
9.根据权利要求1所述的一种用于好氧发酵系统的溶气装置，其特征在于：进水连接管位于溶气罐的切线方向；在进水连接管上设置有检测进水管内的压力的压力表。
10.根据权利要求1所述的一种用于好氧发酵系统的溶气装置，其特征在于：在溶气罐上还开设有至少一个与溶气罐空腔连通的取样口，在各取样口处分别密封连接有一根取样管，在各取样管上分别设置有第二阀门。
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