CN115820405A - 一种气泡射流耦合撞击流强化好氧发酵工艺装置 - Google Patents

Abstract

一种气泡射流耦合撞击流强化好氧生物发酵工艺装置，涉及一种发酵工艺及装置，为好氧菌在培养液中的发酵提供良好的氧环境。所述发酵工艺结合气泡射流技术与撞击流技术，工作时气泡射流在罐体中发生撞击，形成高度湍动的撞击区并产生大量无序涡结构。喷嘴中气液剪切、卷吸形成气泡射流，并且气泡射流撞击时气泡发生破碎，形成微气泡群，增大气液接触面积，强化气液传质效果，有利于提高发酵反应效率。无需机械搅拌形成微气泡群，强化气液传质和内部混合，可有效调控液体溶氧量，能够提高发酵效率和反应效率且具有结构简单、混合过程不损伤菌群、溶氧量大、易于清洗消毒、耗能低、价格低廉等特点。可用于多物系、复杂流体环境的好氧发酵过程，适用于生物工程领域。

Description

一种气泡射流耦合撞击流强化好氧发酵工艺装置

技术领域

本发明涉及一种发酵工艺装置，特别是涉及一种气泡射流耦合撞击流强化好氧发酵工艺装置。

背景技术

好氧菌类的发酵过程对液体含氧量要求高，需维持液体环境下菌类的呼吸平衡。菌类受力敏感，受到机械碰撞容易造成菌类自溶降低产量，且发酵过程流体环境复杂，一般为多物系、多组分的发酵过程。

气泡射流技术结合撞击流技术能够显著强化液体中氧的传递，并可通过气泡射流水力工况调控液体溶氧量。液体内部撞击产生大量无序涡结构会破碎气泡并扰动上升过程的气泡流型，形成由罐体底部至液面的环形涡流区，对液体不同液位的氧传质有利并能保证多物系流体环境下的菌群密度分布均匀。

传统发酵工艺装置，直接在气液进料过程完成了气液传质和内部混合的强化降低了液体溶氧量，装置结构混合过程溶氧量低、损伤菌群，同时，现有装置不易于清洗消毒、耗能大，影响发酵效率和反应速率，特别不适宜用于多物系、复杂流体环境的好氧发酵。

发明内容

本发明的目的在于提供一种气泡射流耦合撞击流强化好氧发酵工艺装置，本发明装置将两种技术耦合实现溶解氧及反应环境的调控，强化好氧发酵菌类反应效率，有利于提高好氧菌类的发酵效果，装置不损伤菌群，适用于多种生物发酵工程领域。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种气泡射流耦合撞击流强化好氧发酵工艺装置，该装置包括罐体、溢流口、夹套、闸阀、喷嘴、进气口、进液口、流量计、排气口、排液口、集气瓶、集液桶、储液筒、储气瓶、气泵、液泵、气压计、在线溶解氧浓度监测仪，所述装置气泡射流发生系统设置于发酵罐两侧，喷嘴水平同轴设置于罐体侧面，分别与气泵、液泵流量计相连，发酵罐两侧设有储气桶和储液筒供应气液原料，集气筒和集液筒收集气液产物；气泡射流发生系统为耦合气泡射流和撞击流混合构成；装置中喷嘴中气液剪切、卷吸形成气泡射流，并在罐体内撞击区产生高度湍动生成大量无序涡流，气泡射流撞击气泡发生破碎，形成微小气泡群，撞击后径向气泡射流流型发生转变，流体内部形成环形涡流区运动形式，完成气液接触、混合；气液泵送至喷嘴中预混，经喷嘴结构变化产生压力差，气体以气泡形式发散于液体中形成气泡射流；撞击流通过在罐体两侧水平对称布置两个喷嘴，两侧气泡射流同时射出于轴线中心位置撞击，撞击后两股流体径向偏转，流场内部形成多种交替涡流、环形涡流流型；喷嘴的一侧为三段变径结构对应于喷嘴内设的进液口，处于同一个轴线；喷嘴腔内的上部开制有进气口，进气口的内口与喷嘴内设的进液口锥面相对，进液口的进口端与喷嘴的另一端呈垂直封闭状，液体只能从进液口进入喷嘴内腔。

所述的一种气泡射流耦合撞击流强化好氧发酵工艺装置，所述发酵罐的罐体为立式圆柱体上下有椭圆形封头，外壁设有夹套，上封头设有排气口、压力计、在线溶解氧浓度监测仪，下封头设有排液口，侧面设有溢流口。

所述的一种气泡射流耦合撞击流强化好氧发酵工艺装置，所述发酵罐的构成为：罐体、喷嘴、夹套、溢流口、排气口、排液口、气压计、在线溶解氧浓度监测仪。

所述的一种气泡射流耦合撞击流强化好氧发酵工艺装置，所述罐体外壁设置夹套，右侧设置溢流口，上方设置排气口与集气瓶相连通，下方设置排液口与集液桶相连通，喷嘴水平同轴设置于罐体两侧。

所述的一种气泡射流耦合撞击流强化好氧发酵工艺装置，所述气泵与储气瓶与泵连接至进气口，液泵与储液桶经泵连接至进液口，之间设备设置流量计和闸阀。

所述的一种气泡射流耦合撞击流强化好氧发酵工艺装置，所述罐体内部温度为25℃。

本发明的优点与效果是：

1.本发明装置结合气泡射流技术与撞击流技术特点，特别针对好氧生物的发酵，利用气液预混产生的气泡射流在罐体内进行撞击反应，上升的气泡群流型发生转变，罐体内部形成由液体底部至液面的环形涡流区，滞止区内部流体受到扰动，气液混合得到强化，造成不同液位菌群密度分布均匀，利于菌类呼吸平衡，可显著提高发酵产量。发酵过程可通过气液进料流速比调控液体内部溶氧量及混合程度，保证了好氧发酵工艺中氧浓度的要求，满足多物系复杂流体环境下的发酵工艺。

2本发明所述装置无机械搅拌结构，工作过程不会对发酵菌类造成损伤，具有调控氧传递、提高效率的特点，适宜于应用于多种生物系、多组分复杂流体的发酵过程。发酵装置耗能低、容易清洗消毒，简单易行，效果突出。。

附图说明

图1为本发明装置整体结构示意图；

图2为本发明喷嘴结构示意图。

图中 部件：1―液泵、2―储液筒、3―集气瓶、4―气泡流、5―排气口、6―气压计、7―罐体、8―溢流口、9―夹套、10―闸阀、11―在线溶解氧浓度监测仪、12―进气口、13―进液口、14―流量计、15―气泵、16―储气瓶、17―喷嘴、18―集液筒、19―排液口。

具体实施方式

下面结合附图所示实施例对本发明进行详细说明。

本发明装置主体由气泡射流发生系统、发酵罐及部件组成。发酵罐的罐体为立式圆柱体上下有椭圆形封头，外壁设有夹套，上封头设有排气口、压力计、在线溶解氧浓度监测仪，下封头设有排液口，侧面设有溢流口。气泡射流发生系统布置于发酵罐两侧，喷嘴水平同轴设置于罐体侧面，分别与气泵、液泵流量计相连，发酵罐两侧设有储气桶和储液筒用于供应气液原料，集气筒和集液筒用于收集气液产物。

实施例

本发明装置如图1所示，其中罐体7外壁设置夹套9维持发酵过程中内部温度恒定，右侧设置溢流口8控制液位高度，上方设置排气口5用于排放气体至集气瓶3，下方设置排液口19用于排放液体至集液桶18，气压计6用于监测罐体内部气压，在线溶解氧浓度监测仪11用于实时监测液体溶氧量。喷嘴17水平同轴设置于罐体7两侧。

如图2所示，喷嘴17结构包含进气口12、进液口13。喷嘴17与气泵15液泵1相连，气泵15从储气瓶16泵送气体至进气口12，液泵1从储液桶2泵送液体至进液口13，通过流量计14和闸阀10进行流量控制。闸阀10、气泵15和液泵1同时从储气瓶16和储液桶2泵送气体和液体至喷嘴17的进气口12和进液口13，通过流量计14和闸阀10控制气液流量。气液原料在喷嘴17中进行气液预混，由于喷嘴17内部结构变化引起的压力变化，气体被破碎成许多气泡分散于液体中形成气泡射流，两侧气泡射流同时射出后在喷嘴轴线的中心位置发生撞击，撞击区气泡发生破碎并由此向径向偏转形成气泡流4，撞击产生的大量无序涡结构和高度湍动区域强化了内部动量与质量传递，并对气泡流4进行干扰，气泡流型发生转变产生环形涡流区再次强化气液混合，提高液体中氧的传递速率。喷嘴17的一侧为三段变径结构对应于喷嘴17内设的进液口13，处于同一个轴线；喷嘴17腔内的上部开制有进气口12，进气口12的内口与喷嘴17内设的进液口13锥面相对，进液口13的进口端与喷嘴17的另一端呈垂直封闭状，液体只能从进液口13的、进入喷嘴17内腔；这种结构有利于液体的冲击、流动。

工作时，首先打开闸阀10，通过气泵15将储气瓶16中的空气泵送至进气口12，通过液泵将储液筒2中的培养液泵送至进液口13，且气液泵送流量通过流量计14和闸阀10控制。空气和培养液在喷嘴17中气液预混，由于喷嘴17内部结构变化引起压力变化，空气被剪碎成许多气泡分散于培养液中形成气泡射流，气泡射流射出后相撞于喷嘴轴线的中心位置，并由此向径向偏转形成气泡流4。撞击区高度湍动并产生的大量无序涡结构，碎化气泡并对气泡流4上升流型进行干扰。气泡流型发生转变产生环形涡流区，发酵液与氧的接触面积增大、接触时间延长，有利于发酵液中氧的传递速率提高。夹套9保证罐体7内部温度适宜，夹套9保证罐体7内部温度维持在25℃，溢流口8控制内部液位高度，在线溶解氧浓度监测仪11和气压计6实时监测内部培养液溶氧量和压力，达到发酵适宜环境。发酵完成后含有青霉菌的发酵液由排液口19排出至集液筒18进行收集，产生的气体由排气口5排至集气瓶3进行收集。

Claims (6)

1.一种气泡射流耦合撞击流强化好氧发酵工艺装置，该装置包括罐体、溢流口、夹套、闸阀、喷嘴、进气口、进液口、流量计、排气口、排液口、集气瓶、集液桶、储液筒、储气瓶、气泵、液泵、气压计、在线溶解氧浓度监测仪，其特征在于，所述装置气泡射流发生系统设置于发酵罐两侧，喷嘴水平同轴设置于罐体侧面，分别与气泵、液泵流量计相连，发酵罐两侧设有储气桶和储液筒供应气液原料，集气筒和集液筒收集气液产物；气泡射流发生系统为耦合气泡射流和撞击流混合构成；装置中喷嘴中气液剪切、卷吸形成气泡射流，并在罐体内撞击区产生高度湍动生成大量无序涡流，气泡射流撞击气泡发生破碎，形成微小气泡群，撞击后径向气泡射流流型发生转变，流体内部形成环形涡流区运动形式，完成气液接触、混合；气液泵送至喷嘴中预混，经喷嘴结构变化产生压力差，气体以气泡形式发散于液体中形成气泡射流；撞击流通过在罐体两侧水平对称布置两个喷嘴，两侧气泡射流同时射出于轴线中心位置撞击，撞击后两股流体径向偏转，流场内部形成多种交替涡流、环形涡流流型；喷嘴的一侧为三段变径结构对应于喷嘴内设的进液口，处于同一个轴线；喷嘴腔内的上部开制有进气口，进气口的内口与喷嘴内设的进液口锥面相对，进液口的进口端与喷嘴的另一端呈垂直封闭状，液体只能从进液口进入喷嘴内腔。

2.根据权利要求1所述的一种气泡射流耦合撞击流强化好氧发酵工艺装置，其特征在于，所述发酵罐的罐体为立式圆柱体上下有椭圆形封头，外壁设有夹套，上封头设有排气口、压力计、在线溶解氧浓度监测仪，下封头设有排液口，侧面设有溢流口。

3.根据权利要求2所述的一种气泡射流耦合撞击流强化好氧发酵工艺装置，其特征在于，所述发酵罐的构成为：罐体、喷嘴、夹套、溢流口、排气口、排液口、气压计、在线溶解氧浓度监测仪。

4.根据权利要求1所述的一种气泡射流耦合撞击流强化好氧发酵工艺装置，其特征在于，所述罐体（7）外壁设置夹套，右侧设置溢流口（8）上方设置排气口（5）与集气瓶（3）相连通，下方设置排液口（19）与集液桶（18）相连通，喷嘴（17）水平同轴设置于罐体（7）两侧。

5.根据权利要求1所述的一种气泡射流耦合撞击流强化好氧发酵工艺装置，其特征在于，所述气泵（15）与储气瓶（16）与泵连接至进气口（12），液泵（1）与储液桶（2）经泵连接至进液口（13）之间设备设置流量计（14）和闸阀（10）。

6.根据权利要求1所述的一种气泡射流耦合撞击流强化好氧发酵工艺装置，其特征在于，所述罐体（7）内部温度为25℃。

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