CN111662812A - 一种大型高传质循环式通风发酵罐 - Google Patents

一种大型高传质循环式通风发酵罐 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种大型高传质循环式通风发酵罐,涉及生物发酵技术领域,包括发酵罐体,发酵罐体内设置有冷却射管;发酵罐体内还固定设置有循环筒,循环筒的顶部和底部均开口;循环筒的底部连接通风管,通风管的第一端设置于循环筒内底部,第二端伸出发酵罐体;通风管的第一端开口向下,并连接空气分布头,空气分布头的顶部与通风管的第一端连通,底部设置有出口,出口的下方连接有三相混合扰动器;空气分布头的侧壁通过气体分配管连接有三相混合推力器和三相混合拉力器,三相混合推力器设置于循环筒内部,三相混合拉力器设置于循环筒的外部。本发明旨在为通风生物反应提供良好的工程条件,实现完全去除机械搅拌,提高发酵过程节能效果。

Description

一种大型高传质循环式通风发酵罐
技术领域
本发明涉及生物发酵技术领域,特别是涉及一种大型高传质循环式通风发酵罐。
背景技术
国内抗生素、维生素、氨基酸、有机酸等发酵行业几乎全部采用通用式通风搅拌反应釜技术进行工业化产品生产,几十年来,在发酵装备上未见大的突破,一直存在发酵过程能耗高、通风氧利用率低的现状;
在发酵行业,能耗(空气供氧、蒸汽消毒、搅拌电耗、循环水冷却)占产品总成本的20%~30%,其中发酵用的搅拌又占总能耗的20%~40%;对发酵过程状态进行流体力学、发酵工程学等方面的分析和抗生素大生产实践,采用新的发酵罐结构,既能满足各生物界菌属及各发酵产品的工程条件需求,又能满足完全去搅拌、实现发酵过程节能20%~40%的成果;大宗原料药、氨基酸、维生素、有机酸均逐步采用大型发酵罐(比如单罐体积≥100m3)生产,按照一个企业10000m3的发酵罐总容积,即可实现年度节约3000万/年的用电成本;国内发酵行业体量很大,大量推广与实施,预判可实现为发酵行业节约10~15亿/年的节能成果。
发明内容
本发明的目的是提供一种大型高传质循环式通风发酵罐,以解决上述现有技术存在的问题,实现完全去除机械搅拌,提高发酵过程节能效果。
为实现上述目的,本发明提供了如下方案:本发明提供一种大型高传质循环式通风发酵罐,包括发酵罐体,所述发酵罐体内设置有冷却射管;所述发酵罐体内还固定设置有循环筒,所述循环筒的顶部和底部均开口;所述循环筒的底部还连接有通风管,所述通风管的第一端设置于所述循环筒内底部,所述通风管的第二端伸出所述发酵罐体;所述通风管的第一端开口向下,并连接有空气分布头,所述空气分布头的顶部与所述通风管的第一端连通,所述空气分布头的底部设置有出口,所述出口的下方连接有三相混合扰动器;所述空气分布头的侧壁通过气体分配管连接有三相混合推力器和三相混合拉力器,所述三相混合推力器设置于所述循环筒内部,所述三相混合拉力器设置于所述循环筒的外部。
优选的,所述三相混合扰动器、所述三相混合推力器和所述三相混合拉力器均包括圆柱状的筒体,所述筒体的一端设置有进料口,另一端设置出料口。
优选的,所述空气分布头的侧壁上水平设置有多个所述气体分配管,多个所述气体分配管沿圆周均布;每个所述气体分配管上方均通过气体连接管垂直连接有若干个所述三相混合推力器,所述三相混合推力器的底部为进料口,顶部为出料口,所述三相混合推力器的进料口用于与所述气体连接管连接;
多个所述气体分配管远离所述空气分布头的一端通过环形分配管连通,所述环形分配管上均布有多个L型支管,所述L型支管的顶部伸出所述循环筒,所述L型支管的顶部下方通过气体连接管垂直连接有所述三相混合拉力器,所述三相混合拉力器的顶部为进料口,底部为出料口,所述三相拉力器的进料口与所述气体连接管连接;
所述空气分布头的底部出口处通过气体连接管与所述三相混合扰动器的顶部连通,所述三相混合扰动器的顶部为进料口,底部为出料口。
优选的,所述三相混合扰动器、所述三相混合推力器以及所述三相混合拉力器的进料口和出料口均为锥形结构,所述进料口的小口端以及所述出料口的小口端均靠近所述筒体设置。
优选的,所述气体连接管靠近所述三相混合扰动器、所述三相混合推力器或所述三相混合拉力器的一端的直径逐渐减小,所述气体连接管的直径小于所述三相混合扰动器、所述三相混合推力器和所述三相混合拉力器的进料口的直径,所述气体连接管的外壁与所述进料口的内壁之间设置有间隙。
优选的,所述循环筒的底部通过第一支撑固定于所述发酵罐体的内底部,所述发酵罐体的内底部还设置有第二支撑,用于对所述气体分配管进行支撑。
优选的,所述第一支撑和所述第二支撑均为T型支撑,所述气体分配管通过固定件与所述第二支撑固定连接。
优选的,所述空气分布头的底部出口位于所述循环筒的底部开口的上方,所述三相混合扰动器位于所述循环筒的底部开口的下方。
优选的,所述发酵罐体的顶部开口处还设置有折流器。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果:
本发明采用新的发酵罐结构,满足完全去搅拌、实现发酵过程节能20%~40%的成果;而且实现定向、无滞留区、高气含率、高速旋转混合的工程三传一反条件,充分满足大型发酵罐的各种产品通风发酵条件。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为大型高传质循环式通风发酵罐的结构示意图;
图2为图1的A-A剖面图;
图3为图1的B-B剖面图;
图中,1为发酵罐体,2为循环筒,3为折流器,4为第一支撑,5为三相混合推力器,6为三相混合扰动器,7为第二支撑,8为空气分布头,9为气体分配管,10为环形分配管,11为固定件,12为三相混合拉力器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
如图1-3所示,本实施例提供一种大型高传质循环式通风发酵罐,包括发酵罐体1,发酵罐体1内设置有冷却射管,其中,发酵罐体1采用常规的发酵罐体即可,其设置有进料口、出料口,实现进料、出料等;冷却射管为现有装置,生物反应过程的发酵热需要采用循环水间壁换热带走热量,以维持发酵温度控制的目的,冷却射管设置有多组,沿发酵罐体1内壁上下盘制多圈,挂在发酵罐体1内壁的支撑台上,冷却射管内通入有循环冷却水,以带走生物反应过程的发酵热量。发酵罐体1内还固定设置有循环筒2,循环筒2的顶部和底部均开口。
循环筒2的底部还连接有通风管,通风管的第一端设置于循环筒2内底部,通风管的第二端伸出发酵罐体1;通风管的第一端开口向下,并连接有空气分布头8,空气分布头8的顶部与通风管的第一端连通,空气分布头8的底部设置有出口,出口的下方连接有三相混合扰动器6;空气分布头8的侧壁通过气体分配管9连接有三相混合推力器5和三相混合拉力器12,三相混合推力器5设置于循环筒2内部,三相混合拉力器12设置于循环筒2的外部。
在本实施例中,三相混合扰动器6、三相混合推力器5和三相混合拉力器12均包括圆柱状的筒体,筒体的一端设置有进料口,另一端设置出料口。
在本实施例中,空气分布头8的侧壁上水平设置有多个气体分配管9,多个气体分配管9沿圆周均布;每个气体分配管9上方均通过气体连接管垂直连接有若干个三相混合推力器5,三相混合推力器5的底部为进料口,顶部为出料口,三相混合推力器5的进料口用于与气体连接管连接;
多个气体分配管9远离空气分布头8的一端通过环形分配管10连通,环形分配管10上均布有多个L型支管,L型支管的顶部伸出循环筒2,循环筒2的筒壁上设置有通孔,方便L型支管筒体通过;L型支管的顶部下方通过气体连接管垂直连接有三相混合拉力器12,三相混合拉力器12的顶部为进料口,底部为出料口,三相拉力器的进料口与气体连接管连接;
空气分布头8的底部出口处通过气体连接管与三相混合扰动器6的顶部连通,三相混合扰动器6的顶部为进料口,底部为出料口。
在本实施例中,三相混合扰动器6、三相混合推力器5以及三相混合拉力器12的进料口和出料口均为锥形结构,进料口的小口端以及出料口的小口端均靠近筒体设置。
在本实施例中,气体连接管靠近三相混合扰动器6、三相混合推力器5或三相混合拉力器12的一端的直径逐渐减小,气体连接管可以由多段管路拼接而成,多段管路之间通过密封法兰进行连接;气体连接管的直径小于三相混合扰动器6、三相混合推力器5和三相混合拉力器12的进料口的直径,气体连接管的外壁与进料口的内壁之间设置有间隙,可以使物料进入三相混合扰动器6、三相混合推力器5和三相混合拉力器12,并从出料口排出;其中气体连接管靠近进料口的一端可以通过支架、连杆等连接件与进料口固定连接,三相混合扰动器6、三相混合推力器5和三相混合拉力器12亦可以通过支架、连杆等连接件与发酵罐体1的内壁固定连接,进一步地提高稳定性。
在本实施例中,循环筒2的底部通过第一支撑4固定于发酵罐体1的内底部,发酵罐体1的内底部还设置有第二支撑7,用于对气体分配管9进行支撑。其中,第一支撑4和第二支撑7均为T型支撑,T型支撑可以包括顶部加强板,顶部加强板的形状与循环筒2或者环形分配管10相匹配,加强板的上表面中部可以设置有固定槽,循环筒2底部或者环形分配管10设置于固定槽内进行固定,加强板的底部设置有支撑柱,支撑柱的底部与发酵罐体1的内底壁固定;环形分配管10通过固定件11与第二支撑7固定连接,其中固定件11包括U型螺栓和固定板,采用U型螺栓将环形分配管10卡在固定板上,固定板焊接在下方的第二支撑7上,此时第二支撑7的上表面上可以不设置凹槽,固定板直接焊接在上表面上;其中固定件11还可以根据需要选用其它结构,如卡箍等。
在本实施例中,空气分布头8的底部出口位于循环筒2的底部开口的上方,三相混合扰动器6位于循环筒2的底部开口的下方。
在本实施例中,发酵罐体1的顶部开口处还焊接有折流器3,折流器3为现有装置,根据需要进行选择。
在本实施例中,通风管连接有风机,用于通风,通入通风管的空气,在压力条件下同时分配进入三种三相混合器,在循环筒2内部形成向上推动的三相均匀混合液,经过循环筒2顶部的折流器3,在流体连续性特征、内外密度差、折流器3共同作用下折流向循环筒2外部加速向下运动,使循环筒2外部发酵液携带气固快速向下运动,循环筒2外部三相混合拉力器12接力,确保携带大量气泡及固体能形成完整的循环;发酵罐底部三角形滞留区需要依靠三相混合扰动器6完成扰动扩散混合,并在气泡上升的携带作用,汇合至总体循环中。
本实施例中全罐实现定向、无滞留区、高气含率、高速旋转混合的工程三传一反条件,充分满足大型发酵罐的各种产品通风发酵条件。
本实施例中采用较大尺寸的循环筒2,由内向外定向循环,既能满足气液固三相循环混合的需求,又能满足空间检维修作业的需求;循环筒2内下部采用特殊设计的三相混合推动器,垂直向上布局,气液固混合体沿循环筒2向上扩散运动,循环筒2内部的高传质区域,气液比表面积最大化,实现高的体积氧传递系数,充分满足菌体自身庞大的比表面积对环境因子和养分的需求;
在循环筒2内外密度差、流体连续性特性,辅助于筒上部折流器3共同作用,形成循环筒2内上外下的循环流,并使得循环筒2外部下降流速足够大,拉动一定份额的高气含率液固体向下运行,循环筒2外的中下部加装一定比例的三相混合拉力器12,进一步拉动混合流穿越循环筒2底沿,实现完整循环,有效降低了贫氧区对发酵的负面影响;循环筒2底部装置三相混合扰动器6,将罐底滞留的发酵液充分扰动并实现底部三相充分混合,气泡上升的提携作用,将罐底的滞留区物料带动至循环筒2内部高传质区,保障了全罐无死角,无滞留区。
本发明实现了循环时间、环流液速、混合时间、气含率、体积氧传递系数、PecLet准数、气液固三相均匀度、溶氧速率等工程特征参数均优于传统的大型机械通风发酵反应釜。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种大型高传质循环式通风发酵罐,包括发酵罐体,所述发酵罐体内设置有冷却射管;其特征在于:所述发酵罐体内还固定设置有循环筒,所述循环筒的顶部和底部均开口;所述循环筒的底部还连接有通风管,所述通风管的第一端设置于所述循环筒内底部,所述通风管的第二端伸出所述发酵罐体;所述通风管的第一端开口向下,并连接有空气分布头,所述空气分布头的顶部与所述通风管的第一端连通,所述空气分布头的底部设置有出口,所述出口的下方连接有三相混合扰动器;所述空气分布头的侧壁通过气体分配管连接有三相混合推力器和三相混合拉力器,所述三相混合推力器设置于所述循环筒内部,所述三相混合拉力器设置于所述循环筒的外部。
2.根据权利要求1所述的大型高传质循环式通风发酵罐,其特征在于:所述三相混合扰动器、所述三相混合推力器和所述三相混合拉力器均包括圆柱状的筒体,所述筒体的一端设置有进料口,另一端设置出料口。
3.根据权利要求2所述的大型高传质循环式通风发酵罐,其特征在于:所述空气分布头的侧壁上水平设置有多个所述气体分配管,多个所述气体分配管沿圆周均布;每个所述气体分配管上方均通过气体连接管垂直连接有若干个所述三相混合推力器,所述三相混合推力器的底部为进料口,顶部为出料口,所述三相混合推力器的进料口用于与所述气体连接管连接;
多个所述气体分配管远离所述空气分布头的一端通过环形分配管连通,所述环形分配管上均布有多个L型支管,所述L型支管的顶部伸出所述循环筒,所述L型支管的顶部下方通过气体连接管垂直连接有所述三相混合拉力器,所述三相混合拉力器的顶部为进料口,底部为出料口,所述三相拉力器的进料口与所述气体连接管连接;
所述空气分布头的底部出口处通过气体连接管与所述三相混合扰动器的顶部连通,所述三相混合扰动器的顶部为进料口,底部为出料口。
4.根据权利要求3所述的大型高传质循环式通风发酵罐,其特征在于:所述三相混合扰动器、所述三相混合推力器以及所述三相混合拉力器的进料口和出料口均为锥形结构,所述进料口的小口端以及所述出料口的小口端均靠近所述筒体设置。
5.根据权利要求4所述的大型高传质循环式通风发酵罐,其特征在于:所述气体连接管靠近所述三相混合扰动器、所述三相混合推力器或所述三相混合拉力器的一端的直径逐渐减小,所述气体连接管的直径小于所述三相混合扰动器、所述三相混合推力器和所述三相混合拉力器的进料口的直径,所述气体连接管的外壁与所述进料口的内壁之间设置有间隙。
6.根据权利要求1所述的大型高传质循环式通风发酵罐,其特征在于:所述循环筒的底部通过第一支撑固定于所述发酵罐体的内底部,所述发酵罐体的内底部还设置有第二支撑,用于对所述气体分配管进行支撑。
7.根据权利要求6所述的大型高传质循环式通风发酵罐,其特征在于:所述第一支撑和所述第二支撑均为T型支撑,所述气体分配管通过固定件与所述第二支撑固定连接。
8.根据权利要求1所述的大型高传质循环式通风发酵罐,其特征在于:所述空气分布头的底部出口位于所述循环筒的底部开口的上方,所述三相混合扰动器位于所述循环筒的底部开口的下方。
9.根据权利要求1所述的大型高传质循环式通风发酵罐,其特征在于:所述发酵罐体的顶部开口处还设置有折流器。
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