CN113943639A - 一种带冷却导流及进气装置的气升式发酵罐 - Google Patents

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Abstract

一种带冷却导流及进气装置的气升式发酵罐，包括罐体，罐体内设有冷却导流装置和进气装置，冷却导流装置包括呈导流筒状布置的冷却导流盘管，进气装置采用气液旋流混合器，冷却导流盘管、气液旋流混合器与罐体同轴设置，气液旋流混合器位于冷却导流盘管的下方，冷却导流盘管为单层或多层设置的环形管，进入罐体内的发酵液即可沿冷却导流盘管在罐体内形成轴向大循环，也可通过冷却导流盘管自身的导程间隙内外流动，罐体外壁上布设有冷却半圆盘管。本发明结构合理紧凑、高效节能，强化了冷却导流盘管的传热效果，气液旋流混合器使气液混合均匀，发酵全过程中保持上下及内外循环顺畅，增强空气利用率，提高发酵效率，适合于大型好气性微生物发酵。

Description

一种带冷却导流及进气装置的气升式发酵罐
技术领域
本发明属于生物化工生产技术领域，涉及一种气升式发酵罐，尤其涉及一种带冷却导流及进气装置的气升式发酵罐，应用于大型工业化好气性发酵生产。
背景技术
气升式发酵罐的基本原理是无菌空气通过空气分布器进入发酵罐，使得通气侧与回流侧形成密度差，气含率较大侧发酵液上升，气含率较小侧发酵液下降，由沿罐体轴线布置导流筒定向导流，形成循环流动，实现传质混合。发酵过程产生的大量发酵热则需要通过冷却装置冷却，常用的冷却形式有盘管、蛇管、沉浸式管束换热器等。气升式发酵罐内空气分布器、冷却装置和导流装置的合理布置对生产效率影响显著。
气升式发酵罐的冷却形式与常规机械搅拌罐不同，机械搅拌发酵罐通常采用外罐壁半圆盘管、换热管束、蛇管等形式，而气升罐因其罐体中心需要布置导流筒，一般采用外罐壁半圆盘管的形式，此方式下对发热量大的发酵过程存在换热面积不足的问题。
大型气升罐发酵多需要采取补料工艺，初始装料系数不高，相应的初始液面不高。此时为保证发酵罐轴向循环，不允许导流筒上沿过高将内外发酵液完全隔离，难以翻越，否则会造成导流筒内外循环不畅的问题，因此导流筒需要增开循环流动窗口或分级间断布置来保证发酵全过程中罐内的轴向循环流动。
对于大型气升式发酵罐底部空气进气装置有打孔环形管分布器、环形射流管分布器、旋流混合器等形式。打孔环形管分布器结构简单，气液混合效果及推动循环作用有限；环形射流管分布器对进气管道压头需求较高，在发酵风量波动、进气压力不足的情况下其气液混合效果有限。气液旋流混合器作为气液混合装置，取代传统的打孔环形管或者射流器，使得空气从中心进入，经过涡旋通道的导流，呈旋流状喷出，同时吸引附近液体带入其中，与气体强制混合后呈乳化状导出，可有效推动发酵液沿导流筒内外循环流动，提高传质效率。
经查，现有专利号CN201621355289.X的中国专利《一种气升式发酵罐的复合进气装置》，包括旋流混合器、射流管分布器和进气流量分配装置，射流管分布器呈圆环形，设置在罐体与导流装置的外壁之间靠近罐体底部的位置，旋流混合器位于导流装置的正下方，进气流量分配装置设置在罐体外与总进气管相连接，进气流量分配装置设有两路进气管分别与旋流混合器、射流管分布器相连接。该发酵罐虽然提高了发酵效率，但是其冷却是在罐体外壁设置冷却管，导流装置不带冷却功能，其冷却与导流各自分开作用，使得发酵罐的冷却效果还不够理想，在结构上还需要进一步改进。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种结构设计合理、更加高效节能的带冷却导流及进气装置的气升式发酵罐，具有良好气液混合效果和冷却效果。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种带冷却导流及进气装置的气升式发酵罐，包括罐体，其特征在于：所述罐体内设有冷却导流装置和进气装置，其中冷却导流装置包括呈导流筒状布置的冷却导流盘管，进气装置采用气液旋流混合器，冷却导流盘管、气液旋流混合器与罐体同轴设置，且气液旋流混合器位于冷却导流盘管的下方，冷却导流盘管为单层或多层设置的环形管，进入罐体内的发酵液即可沿冷却导流盘管在罐体内形成轴向大循环，也可通过冷却导流盘管自身的导程间隙内外流动，罐体的外壁上布设有冷却半圆盘管。
作为改进，所述冷却导流装置还包括多组用于增加冷却效果的冷却螺旋管，冷却螺旋管环向均匀间隔设置在冷却导流盘管与罐体的内壁之间。
进一步，所述气液旋流混合器包括内壳体和外壳体，其中内壳体具有中空内圈，进气口单侧设置在内壳体的顶部或底部、位于中空内圈的外侧，进液口为二个，分别设置在外壳体的顶部和底部，冷却导流盘管内部回流发酵液穿过中空内圈从下部被旋流混合器吸入再次进入循环，内壳体和外壳体内呈圆周状分布有若干叶片分隔形成气流旋流通道，而内壳体和外壳体之间形成气液混合的涡流通道。
再进一步，所述气液旋流混合器的进液口的位置在冷却导流盘管的筒径内，出液口的位置在冷却导流盘管外，出液口呈水平向外顺发酵液旋流方向设置，或者呈向上倾斜5～15°角度顺发酵液旋流方向设置。
再进一步，所述进气口设置在内壳体的底部与进气管相连接，进气管上设有控制阀门。
进一步，所述冷却螺旋管为单层、双层或三层设置，且各层圆环同心布置，冷却螺旋管的组数为4个、6个、8个或12个。
最后，所述冷却导流盘管的螺旋朝向既可以顺着气液旋流混合器喷射方向，也可以逆气液旋流混合器喷射方向。
与现有技术相比，本发明的优点在于：在罐体内设置冷却导流盘管，既起到冷却作用也起到发酵液导流作用，而且冷却导流盘管内外并非如传统发酵罐的导流筒完全隔绝，进入罐体内的发酵液即可沿冷却导流盘管在罐体内形成轴向大循环，也可通过冷却导流盘管自身的导程间隙内外流动；在冷却导流盘管与罐体内壁之间设置冷却螺旋管组，有效增加了冷却效果；同时对气液旋流混合器的结构进行改进，进气口为单层设置在气液旋流混合器的底部，气液旋流混合器的中间具有中空内圈，使得冷却导流盘管内部回流发酵液穿过中空内圈从下部被旋流混合器吸入再次进入循环。本发明结构设计合理紧凑、更加高效节能，强化了冷却导流盘管的传热效果，气液旋流混合器使气液混合均匀，发酵全过程中保持上下及内外循环顺畅，增强空气利用率，提高发酵效率，适合于大型好气性微生物发酵。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构示意图；
图2是本发明实施例2的结构示意图；
图3是图1的横向剖视图；
图4是图2的横向剖视图；
图5是本发明的气液旋流混合器的结构示意图；
图6是图5的俯视图；
图7是本发明的冷却导流盘管导程间隙局部发酵液流动示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
如图1、3、5、6、7所示，一种带冷却导流及进气装置的气升式发酵罐，包括罐体1，罐体1内设有冷却导流装置和进气装置，罐体1的外壁上布设有冷却半圆盘管4，其中冷却导流装置包括呈导流筒状布置的冷却导流盘管2，进气装置采用气液旋流混合器3，冷却导流盘管2、气液旋流混合器3与罐体1同轴设置，且气液旋流混合器3位于冷却导流盘管2的下方，冷却导流盘管2为单层或多层设置的环形管，冷却导流盘管2的螺旋朝向既可以顺着气液旋流混合器3喷射方向，也可以逆气液旋流混合器3喷射方向。冷却导流盘管2内外并非如传统发酵罐的导流筒完全隔绝，冷却导流盘管2的间隙仍可以进行物料交换，即便初始料液位较低的情况下，依然可以保证导流筒内外的物质交换，并不需要像传统导流筒一样多级布置或单独开物料交换通道来确保低液位条件下发酵液的轴向循环流通，且冷却导流盘2便于CIP清洗工艺，不容易积料，同时方便检修人员观察冷却导流盘管内外的积料和清洁情况。这样进入罐体1内的发酵液即可沿冷却导流盘管2在罐体1内形成轴向大循环，也可通过冷却导流盘管2自身的导程间隙20内外流动。
气液旋流混合器3包括内壳体3b和外壳体3a，其中内壳体3a具有中空内圈33，进气口单侧设置在内壳体3b底部、位于中空内圈33的外侧，进气口与进气管5相连接，进气管5上设有控制阀门。进液口31为二个，分别设置在外壳体3a的顶部和底部，进液口31的在冷却导流盘管2的筒径内，出液口32呈水平向外顺发酵液旋流方向设置，或者呈向上倾斜5～15°角度顺发酵液旋流方向设置，本实施例是向上倾斜设置，出液口32在冷却导流盘管2外，冷却导流盘管2内部回流发酵液穿过中空内圈33从下部被旋流混合器3吸入再次进入循环，内壳体3b和外壳体3a内呈圆周状分布有若干叶片34，在内壳体3b内形成气流旋流通道35，而内壳体3b和外壳体3a之间形成气液混合的涡流通道36。涡流通道36与气流旋流通道35是延伸并连通的，空气从进气管5单侧进入旋流混合器2的气流旋流通道35，同时发酵液从其进液口31进入，气液两相在涡旋通道36内被强制混合后呈乳液状，而后向四周旋转喷射，并自然向上流动，外圈出液口32沿顺时针圆周方向向上倾斜一定角度喷出。
图4表达了发酵液既可以沿冷却导流盘管2上下循环流动，也可以在导流冷却盘管2的导程间隙20内外进行局部的传质传热交换，其中冷却导流盘管内部21发酵液流向向下，冷却导流盘管外部22发酵液流向向上。
工作原理是这样的：无菌压缩空气通入气液旋流混合器3气液混合均匀后喷出，夹带气泡的发酵液绕发酵罐罐体轴线中心径向旋转，同时由于该液体比重较轻自然上升。从沿发酵罐罐体轴线向下俯视，气液旋流混合器3的进液口31位于冷却导流盘管2内部，气液旋流混合器3的出液口32在冷却导流盘管2与罐体1内壁之间。发酵液体的整体流动方向是沿冷却导流盘管2内部向下流动进入气液旋流混合器3，从气液旋流混合器3喷出后推动发酵液沿冷却导流盘管2外部上升，从罐体1上部沿冷却导流盘管2内部下降，然后从气液旋流混合器3的进液口31进入，形成循环。
实施例2，
如图2、4所示，一种带冷却导流及进气装置的气升式发酵罐，与实施例1的不同之处在于，冷却导流装置还包括多组用于增加冷却效果的冷却螺旋管6，冷却螺旋管6环向均匀间隔设置在冷却导流盘管2与罐体1的内壁之间；冷却螺旋管6为单层、双层或三层设置，且各层圆环同心布置，冷却螺旋管6的组数可以为4个、6个、8个或12个，本实施例为6个。
设置冷却螺旋管6的目的是为了增大冷却面积，尤其适用于大型发酵罐。
上述实施例仅仅就最佳例子作了描述，不能理解为对本发明的保护范围限制，将旋流混合器设于罐体底部的偏离中心一点位置，改变冷却导流盘管和冷却螺旋管组的管径或导程间距，或者将旋流混合器与冷却导流盘管的相对位置稍作偏移，或者单独使用冷却导流盘管和外罐壁冷却半圆盘管进行冷却，或者将气液旋流混合器进气口调整至上部，依然会取得类似的明显地突出于背景技术的技术效果，虽然不是最佳的，也依然是我们要求保护范围。

Claims (7)

1.一种带冷却导流及进气装置的气升式发酵罐，包括罐体，其特征在于：所述罐体内设有冷却导流装置和进气装置，其中冷却导流装置包括呈导流筒状布置的冷却导流盘管，进气装置采用气液旋流混合器，冷却导流盘管、气液旋流混合器与罐体同轴设置，且气液旋流混合器位于冷却导流盘管的下方，冷却导流盘管为单层或多层设置的环形管，进入罐体内的发酵液即可沿冷却导流盘管在罐体内形成轴向大循环，也可通过冷却导流盘管自身的导程间隙内外流动，罐体的外壁上布设有冷却半圆盘管。
2.根据权利要求1所述的气升式发酵罐，其特征在于：所述冷却导流装置还包括多组用于增加冷却效果的冷却螺旋管，冷却螺旋管环向均匀间隔设置在冷却导流盘管与罐体的内壁之间。
3.根据权利要求1或2所述的气升式发酵罐，其特征在于：所述气液旋流混合器包括内壳体和外壳体，其中内壳体具有中空内圈，进气口单侧设置在内壳体的顶部或底部、位于中空内圈的外侧，进液口为二个，分别设置在外壳体的顶部和底部，冷却导流盘管内部回流发酵液穿过中空内圈从下部被旋流混合器吸入再次进入循环，内壳体和外壳体内呈圆周状分布有若干叶片分隔形成气流旋流通道，而内壳体和外壳体之间形成气液混合的涡流通道。
4.根据权利要求3所述的气升式发酵罐，其特征在于：所述气液旋流混合器的进液口的位置在冷却导流盘管的筒径内，出液口的位置在冷却导流盘管外，出液口呈水平向外顺发酵液旋流方向设置，或者呈向上倾斜5～15°角度顺发酵液旋流方向设置。
5.根据权利要求4所述的气升式发酵罐，其特征在于：所述进气口设置在内壳体的底部与进气管相连接，进气管上设有控制阀门。
6.根据权利要求2所述的气升式发酵罐，其特征在于：所述冷却螺旋管为单层、双层或三层设置，且各层圆环同心布置，冷却螺旋管的组数为4个、6个、8个或12个。
7.根据权利要求1或2所述的气升式发酵罐，其特征在于：所述冷却导流盘管的螺旋朝向既顺着气液旋流混合器喷射方向，或者逆气液旋流混合器喷射方向。
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