CN113813811B - 一种平、折页型搅拌桨、用于高粘度物料发酵的搅拌桨系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种平、折页型搅拌桨、用于高粘度物料发酵的搅拌桨系统及方法，平、折页型搅拌桨包括轮毂、圆盘和桨叶；桨叶包括平叶和折叶，二者沿圆盘径向固定于圆盘上且间隔均布；折叶整体呈V型，包括两个形状为矩形薄板的叶片，且开口方向与桨叶的旋转方向一致；折叶在两个叶片的连接处与圆盘固定连接；平叶为矩形薄板，在长度方向的中心线处与圆盘固定连接；平叶伸出所述圆盘外侧形成有第一延伸部，折叶伸出所述圆盘外侧形成有第二延伸部，且沿圆盘的径向，第二延伸部的长度大于第一延伸部的长度。本发明能够使搅拌桨能够同时具有轴向翻动能力和径向粉碎起泡能力，进一步促进了物料混合和气体分散，满足在高黏体系下的好氧菌的溶氧需求。

Description

一种平、折页型搅拌桨、用于高粘度物料发酵的搅拌桨系统及 方法

技术领域

本发明涉及生物工程机械领域，特别涉及一种平、折页型搅拌桨、用于高粘度物料发酵的搅拌桨系统及方法。

背景技术

如何改善发酵液传质、传氧效果，是目前工业的重要研究课题。对于大规模发酵来说，搅拌桨的选择会很大程度上影响发酵效果，尤其对高好氧、高黏度的发酵体系，这就对搅拌桨提出了更高的要求。为实现高产量、高品质的发酵目标，除了对培养基成分、发酵工艺进行优化外，设计一款高传质、高传氧的搅拌桨同样至关重要。

发明内容

鉴于此，本发明提出了一种平、折页型搅拌桨、用于高粘度物料发酵的搅拌桨系统及方法，旨在解决现有技术中存在的问题，能够满足在高黏发酵体系下好氧菌的溶氧需求，提高发酵产量和产物品质。

一种平、折页型搅拌桨，包括轮毂、圆盘和桨叶，所述圆盘固定于所述轮毂的外周，所述桨叶包括平叶和折叶，所述平叶和所述折叶沿圆盘的径向固定于所述圆盘上且间隔均布；所述折叶整体呈V型，包括两个叶片，两个叶片均为矩形薄板，且开口方向与桨叶的旋转方向一致；所述折叶在两个叶片的连接处与圆盘固定连接；所述平叶为矩形薄板，所述平叶在长度方向的中心线处与圆盘固定连接；所述平叶伸出所述圆盘外侧形成有第一延伸部，所述折叶伸出所述圆盘外侧形成有第二延伸部，且沿圆盘的径向，所述第二延伸部的长度大于第一延伸部的长度。

这种结构将平叶和折叶相结合，两种不同桨叶间可形成小的密闭区域，能够使气体循环于该空间内，使气体其更在两桨叶之间的保留时间更久，从而通过桨叶的旋转将更多的气泡分散于培养液中，提高培养液的溶氧能力，更好满足高黏发酵体系中的溶氧需求。

在此基础上，所述折叶V型开口的夹角为60°，这种折叶的结构形式能够增加桨叶的剪切性，发酵液在有效剪切作用下，传质面积增大，更多的气体进入发酵液内部，从而改善发酵液的传质、传氧效果，同时，V形开口能给予流体一定的流动通道，防止气穴产生。

进一步的，所述折叶的每个叶片在远离两个叶片的连接处的一侧设置有内凹的缺口槽。具体的，所述缺口槽的V字型顶点位于矩形叶片的两个对角线的交点处，所述缺口槽为V字型，V型开口的夹角为90°-120°，优选的，所述缺口槽的V型开口的夹角为115°，这种结构能够进一步防止气穴的产生。

在此基础上，所述平叶的高度小于或等于所述折叶的高度，且大于或等于同一折叶上的两个缺口槽的V字型顶点之间的高度。这种结构使气体在两种桨叶间循环，减少气体的溢出，进一步保证气体能暂存于密闭空间中，从而强化气体分散。

在此基础上，所述平叶与所述折叶沿所述圆盘径向的长度比为1：1。

在此基础上，所述第一延伸部与所述第二延伸部沿所述圆盘径向的长度比为1:2.5。

也就是说，所述平叶与所述折叶沿所述圆盘径向具有相同的长度，而所述折叶相对于所述平叶而言，安装于所述圆盘的外侧，这种结构使气体能够在桨叶旋转过程中沿两种桨叶交错处排出，保证了两桨叶中的气体排出的充分性，避免气体滞留于桨叶之间。

一种用于高黏度物料发酵的搅拌桨系统，在搅拌轴上设置有至少2个本发明所述的搅拌桨，两个搅拌桨安装于同一个搅拌轴上。

本发明的有益之处在于：能够满足在高黏体系下的好氧菌的溶氧需求，使一种搅拌桨能够同时具有轴向翻动能力和径向粉碎起泡能力，进一步促进了物料混合和气体分散。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本专利的平、折叶型搅拌桨的等轴测结构示意图；

图2为本专利的平、折叶型搅拌桨的侧面结构示意图；

图3为本专利的平、折叶型搅拌桨的俯视结构示意图；

图4为本专利的实施例1中所述轮毂的结构示意图；

图5为本专利的实施例1中所述圆盘的结构示意图；

图6为本专利的实施例1中所述平叶的结构示意图；

图7为本专利的实施例1中所述折叶的正面结构示意图；

图8为本专利的实施例1中所述折叶的侧面结构示意图；

图9为本专利的实施例1中所述折叶从A方向看的结构示意图；

图10为本专利的实施例1中所述平叶和折叶的相对位置关系示意图；

图11为本专利的实施例1中所述折叶从B方向看与所述平叶相对位置关系示意图；

图12为本专利的实施例1中所述折叶侧面与所述平叶相对位置关系示意图；

图13为本专利的实施例2中的搅拌桨系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

实施例1

如图1-图3所示，一种平、折页型搅拌桨，包括轮毂1、圆盘2和桨叶3，所述圆盘2固定于所述轮毂1的外周，所述桨叶3包括平叶3-1和折叶3-2，所述平叶3-1和所述折叶3-2沿圆盘2的径向固定于所述圆盘2上且间隔均布；所述折叶3-2整体呈V型，包括两个叶片3-22，两个叶片3-22均为矩形薄板，且开口方向与桨叶3的旋转方向一致；所述折叶3-2在两个叶片3-22的连接处与圆盘2固定连接；所述平叶3-1为矩形薄板，所述平叶3-1在长度方向的中心线处与圆盘2固定连接；所述平叶3-1伸出所述圆盘2外侧形成有第一延伸部3-11，所述折叶3-2伸出所述圆盘2外侧形成有第二延伸部3-21，且沿圆盘2的径向，所述第二延伸部3-21的长度大于第一延伸部3-11的长度。这种折叶3-2没有直接连在轮毂上，通过圆盘2进一步将气体在液面下进行扩散，避免了气体未经分散直接从轮毂周围溢出液面。

具体的，如图1和4所示，所述轮毂1整体呈圆柱体，中间开设有第一通孔1-1，所述第一通孔1-1用于将所述轮毂1安装于搅拌轴(图13所示)上，从而进行工业搅拌作业。

如图5所示，所述圆盘2中部开设有用于安装所述轮毂1的第二通孔2-1，结合如图2所示，所述圆盘2固定连接于所述轮毂1的外周上。所述圆盘2上沿圆盘2的径向自圆盘2外边缘向内开豁口，形成有第一安装槽2-2和第二安装槽2-3，所述第一安装槽2-2和所述第二安装槽2-3在所述圆盘2上间隔均布。

如图6所示，所示平叶3-1上设置有与所述第一安装槽2-2配合使用的第三安装槽3-12，结合图5进行说明，所述第一安装槽2-2与所述第三安装槽3-12的长度之和等于所述圆盘外径与内径之差，这里指的圆盘外径和内径均为半径值。平叶3-1安装时，所述第三安装槽3-12经过所述第一安装槽2-2插入所述圆盘2中，然后将所述平叶3-1与所述圆盘2固定连接。

如图1和图7所示，所述折叶3-2包括两个叶片3-22，两个叶片3-22的连接处形成有折痕3-23。具体的，作为一种方案，所述折叶3-2为一块矩形薄板，以长度方向中心线为对称轴进行折叠，中心线两侧分别形成两个叶片3-22，中心线处形成有折痕3-23；作为另一种具体的方案，所述两个叶片3-22为矩形薄板，形成V字型后在两个叶片3-22的连接处采用焊接等方式进行固定，两个叶片3-22的连接处形成折痕3-23，固定连接的两个叶片3-22为折叶3-2。结合图5，当折叶3-2安装时，所述折痕3-23经过所述第二安装槽2-3插入所述圆盘2中，然后将所述折叶3-2与所述圆盘2固定连接。

优选的，所述平叶3-1与所述折叶3-2相对于所述轮毂1呈放射状设置固定于所述圆盘2上，且间隔均布。

这种结构将平叶3-1和折叶3-2相结合，两种不同桨叶间可形成小的密闭区域，能够使气体循环于该空间内，使气体其更在两桨叶之间的保留时间更久，从而通过桨叶的旋转将更多的气泡分散于培养液中，提高培养液的溶氧能力，更好满足高黏发酵体系中的溶氧需求。

在此基础上，如图8所示，所述折叶3-2的V型开口的夹角为60°。这种折叶的结构形式能够增加桨叶的剪切性，促使发酵液在有效剪切作用下，增大传质面积，使更多的气体进入发酵液内部，从而改善发酵液的传质、传氧效果，同时，V形开口能给予流体一定的流动通道，防止气穴产生。

进一步的，如图7和图9所示，所述折叶3-2的每个叶片3-22在远离两个叶片3-22的连接处的一侧设置有内凹的缺口槽3-24。具体的，所述缺口槽3-24为V字型，所述缺口槽3-24的夹角β为90°-120°；所述缺口槽3-24的V字型顶点位于矩形叶片3-22的两个对角线的交点处。优选的，所述缺口槽3-24的夹角β为115°，由于叶片旋转时，叶片后边会形成一定的空间，形成气穴，不利于气体的分散，这种结构能够有效的防止气穴的产生。

在此基础上，如图10-图12所示，所述平叶3-1的高度小于或等于所述折叶3-2的高度d₁，且大于或等于同一折叶3-2上的两个缺口槽3-24的V字型顶点之间的高度d₂。这种设计能够使气体在两种桨叶间循环，减少气体的溢出，进一步保证气体能暂存于密闭空间中，从而强化气体分散，同时可以提高桨叶对于物料的翻动能力。

在此基础上，所述平叶3-1与所述折叶3-2沿所述圆盘2径向的长度比为1：1。

在此基础上，所述第一延伸部3-11与所述第二延伸部3-21沿所述圆盘2径向的长度比为1:2.5。

也就是说，所述平叶3-1与所述折叶3-2沿所述圆盘2径向具有相同的长度，而所述折叶3-2相对于所述平叶3-1而言，安装于所述圆盘2的外侧，这种结构使气体能够在桨叶旋转过程中沿两种桨叶交错处排出，保证了两桨叶中的气体排出的充分性，避免气体滞留于桨叶之间。

实施例2

一种用于高粘度物料发酵的搅拌桨系统(动力驱动装置未示出)，如图13所示，在搅拌轴4上设置有至少2个实施例1中的搅拌桨，优选的，本实施例中设置有两个搅拌桨，分别为第一搅拌桨5和第二搅拌桨6，具体的，所述第一搅拌桨5和所述第二搅拌桨6沿搅拌轴4上下设置，二者之间留有流体通过的间隔；所述第一搅拌桨5和所述第二搅拌桨6具有相同的旋转方向，均与所述搅拌轴4相同；所述第一搅拌桨5的折叶开口方向与所述第二搅拌桨6的折叶开口方向一致。

实施例3

本实施例在具体的发酵过程中基于不同搅拌器的混合及传质特点来验证本发明的搅拌系统与传统的搅拌系统对发酵效果的影响。

分别使用实施例2的搅拌系统(如图13所示，发酵罐的罐径与搅拌桨的最大径的长度比为2:1，搅拌桨的最大径指的是折叶3-2的折痕3-23远离轮毂1的最外端到轮毂1中轴线的垂直距离。)和传统的圆盘直叶涡轮式搅拌桨系统(仅具有平叶结构)。发酵罐采用7.5L三联体发酵罐，型号为：Labfors 5，发酵过程均为常规的步骤，不再详细阐述，仅进行简单介绍。发酵使用的菌种为实验室自己保存的鞘氨醇单胞菌WG(Sphingomonassp.WG)。

种子培养：在250mL三角瓶中装入50mL新鲜种子培养基，所述种子培养基中包含：葡萄糖10g/L，酵母提取物1g/L，蛋白胨5g/L，磷酸二氢钾2g/L，硫酸镁0.1g/L。挑取色泽明亮、菌落形态饱满的菌落于种子培养基后，放入165r/min的摇床中，28℃恒温条件下培养36h；以5％的接种量接入新鲜种子培养基中，放入165r/min的摇床中，28℃下恒温培养24h对种子进行二次活化。

在7.5L发酵罐中装入4L新鲜发酵培养基，所述新鲜发酵培养基包含：蔗糖70g/L、酵母提取物3.4g/L，磷酸氢二钾3g/L，硫酸镁0.1g/L。然后在115℃条件下灭菌30min。冷却后，接入体积比为5％的种子培养液，并通入1vvm的无菌空气，所述搅拌桨的转速设置为400r/min，32.5℃下恒温培养72h。

发酵完成后，使用实施例2中的发酵系统的发酵罐中鞘氨醇胶产量为26.5g/L，产物黏度为43.4Pa·s；使用传统的圆盘直叶涡轮式搅拌桨的发酵罐中鞘氨醇胶产量为20g/L，产物黏度为34.56Pa·s。

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。

Claims (9)

1.一种平、折页型搅拌桨，包括轮毂(1)、圆盘(2)和桨叶(3)，所述圆盘(2)固定于所述轮毂(1)的外周，其特征在于，所述桨叶(3)包括平叶(3-1)和折叶(3-2)，所述平叶(3-1)和所述折叶(3-2)沿圆盘(2)的径向固定于所述圆盘(2)上且间隔均布；

所述折叶(3-2)整体呈V型，包括两个叶片(3-22)，两个叶片(3-22)均为矩形薄板，且开口方向与桨叶(3)的旋转方向一致；所述折叶(3-2)在两个叶片(3-22)的连接处与圆盘(2)固定连接；所述折叶(3-2)的每个叶片(3-22)在远离两个叶片(3-22)的连接处的一侧设置有内凹的缺口槽(3-24)；

所述平叶(3-1)为矩形薄板，所述平叶(3-1)在长度方向的中心线处与圆盘(2)固定连接；

所述平叶(3-1)伸出所述圆盘(2)外侧形成有第一延伸部(3-11)，所述折叶(3-2)伸出所述圆盘(2)外侧形成有第二延伸部(3-21)，且沿圆盘(2)的径向，所述第二延伸部(3-21)的长度大于第一延伸部(3-11)的长度。

2.根据权利要求1所述的平、折页型搅拌桨，其特征在于，所述折叶(3-2)V型开口的夹角为60°。

3.根据权利要求1所述的平、折页型搅拌桨，其特征在于，所述缺口槽(3-24)为V字型，所述缺口槽(3-24)的夹角为90°-120°。

4.根据权利要求3所述的平、折页型搅拌桨，其特征在于，所述缺口槽(3-24)的V字型顶点位于矩形叶片(3-22)的两个对角线的交点处。

5.根据权利要求1所述的平、折页型搅拌桨，其特征在于，所述平叶(3-1)的高度小于或等于所述折叶(3-2)的高度，且大于或等于同一折叶(3-2)上的两个缺口槽(3-24)的V字型顶点之间的高度。

6.根据权利要求1所述的平、折页型搅拌桨，其特征在于，所述平叶(3-1)与所述折叶(3-2)沿所述圆盘(2)径向的长度比为1：1。

7.根据权利要求1所述的平、折页型搅拌桨，其特征在于，所述第一延伸部(3-11)与所述第二延伸部(3-21)沿所述圆盘(2)径向的长度比为1:2.5。

8.一种用于高粘度物料发酵的搅拌桨系统，其特征在于，在搅拌轴上设置有至少2个权利要求1-7任一项所述的搅拌桨。

9.一种用于高粘度物料发酵的方法，其特征在于，使用权利要求1-7任一项所述的搅拌桨或使用权利要求8所述的搅拌桨系统，发酵时罐径与搅拌桨的最大径的长度比为2:1，搅拌转速为400r/min。

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