CN1228435C - 一体化的供氧与搅拌装置 - Google Patents

Abstract

本发明设计了一种一体化的供氧与搅拌装置，它由传动系统、导气系统和搅拌桨总成组成，能够实现同步供氧与搅拌。与其它系统相比较，本系统的供氧效率高，能源消耗低，结构简单，维修方便。

Description

一体化的供氧与搅拌装置

技术领域

本发明涉及生物反应器的供氧和搅拌装置，尤其是一种集供氧和搅拌功能于一身的装置。

背景技术

在用于培养细胞、微生物等的生物反应器中，供氧通气装置和搅拌装置向来是其中的核心装置，供氧及搅拌的效率会直接影响到培养的成败、进程与时间。

按照传统理论，在任何有氧发酵装置或生物反应器系统中，供氧和搅拌是相互独立的两个系统。参见中国专利95113902.9和91217060.3。

供氧系统一般由供气源、通气管道、气体分布器组成。常见的供气源包括：鼓风机、空气压缩机、空气/氧气瓶或氧气发生器；气体分布器可以作出管状或盘状等不同的形状，根据具体需要而分布不同大小的出气孔。如果根据通气供氧的不同方式进行分类，使用这些供气源的供氧系统都属于吹入式通气系统。吹入式通气供氧的典型装置如图1所示，氧气/空气由进气管道1进入气体分布器2，然后从气体分布器的出气孔进入培养液。

搅拌系统一般由电动机3，传动轴4和搅拌桨5组成。根据不同的情况，可以把搅拌系统安装在生物反应器的顶部进行上搅拌，或把搅拌桨安装在生物反应器的底部进行下搅拌。除了上搅拌和下搅拌的区别之外，不同生物反应器的搅拌系统主要在搅拌桨叶片轮的形状、数目、大小上有所差异，以用来适应不同目的和种类的发酵罐和生物反应器。

传统的吹入式供氧系统的优点是供气量的控制和测量都比较容易实现、过程简单；但是，由于进气分布装置的设计有比较大的难度，往往难以满足实际需要，而且出气孔易堵塞；另外，供气源的压力损失随布气装置在罐体中的深度增加而增大，氧气的转化利用率较低。

为了解决上述吹入式供氧系统的缺陷，美国工程师T.A.Rowand于1927年研制出了吸入式供氧系统，参见美国专利1,726,125。德国科学家Hubert Fuchs在70年代初将此吸入式供氧系统用于高温好氧发酵系统。吸入式供氧系统的典型装置如图2所示，它直接从大气中吸取空气，不象吹入式系统那样需要供气源。其工作原理是：叶轮9由电动机10带动在液体中高速旋转，使液体产生涡流，从而在叶轮周围的局部区域形成负压。在内外压力差的推动下，空气从发酵罐外经导气管11进入培养液中。被吸入的空气在叶轮与液体的相对作用下形成微小的气泡，扩散到液体中去。此后，在该技术的基础上又发展起来多种吸入式供氧装置，如美国专利2,609,189；3,584,840；3,796,417；4,018,859；5,013,490；加拿大专利2232581和2054044；法国专利1474582。它们除了在结构上略有差异外，作用原理都是一样的。

吸入式供氧系统的优点是省去了供气源，减少了由供气源以及布气系统产生的安装及维修保养间题。但是，吸入式供氧系统也有其局限性，具体表现在：

1)只能向生物反应器中提供空气，当需要培养液具有较高的溶解氧浓度时，该装置就难以满足其需要；

2)不易实现吸入气体的灭菌和凈化，容易造成培养液污染杂菌；

3)必需保证叶轮在一定的转速以上，才能形成足够的负压以吸入空气；但是，这时的叶轮转速往往又难以达到理想的搅拌效果；

4)叶轮的形状设计和转速选择是以吸气为主要目的，未必能够满足对搅拌的设计要求和操作要求；

5)开口式的导气管或叶轮进气管在局部易堵塞，造成进气困难；

6)由于是被动式的供气方式，进气量测量与监控比较困难，不利于过程的控制。

发明内容

本发明的目的是将吹入式供氧系统和吸入式供氧系统的技术优点结合到一起，同时克服它们各自的技术缺陷，并且把供氧系统和搅拌系统巧妙的结合到一起，使设备的结构更加紧凑、合理，提供一种高效、实用、操作维修方便的一体化供氧搅拌装置。

本发明将吹入式供氧系统与搅拌系统合二为一，设计了一体化的供氧搅拌装置，它由传动系统、导气系统和搅拌桨总成组成，导气系统的两端分别与传动系统和搅拌桨总成相连接。

由该设计方案制造的供氧搅拌装置，具有同步供氧与搅拌的功能，并可以单独控制通气量的大小和搅拌转速，避免了吸入式供氧系统的供氧效率对搅拌转速的依赖。从外表上看，一体化供氧搅拌装置类似于普通的搅拌系统，但其内部结构和设计则有很大的不同。

1)传动系统

传动系统可以包括电动机、机架、轴套。轴套将电动机传动轴和搅拌轴连接在一起，维修时可以在此处拆卸开。传动系统的功能是给搅拌轴提供搅拌动力。根据不同的需要，可以将传动系统安装在生物反应器的上法兰或者罐底部。

2)导气系统

导气系统可以包括进气管、导气座总成和输气搅拌轴。进气管的外端口用于与供气管道相接，内端通入导气座的气室。搅拌轴为穿过导气座气室的中空轴，其上端与电动机传动轴相连的部分是实心段。搅拌轴在穿过导气座气室的区域开有适量的进气孔，使导气座气室中的气体可以进入其内部的空腔，即使在搅拌轴转动的过程中，气体也可以畅通。

导气系统的功能是为外界的氧气/空气到搅拌桨总成提供一条通道，并且将电动机传动轴的搅拌动力传递到搅拌桨总成。

3)搅拌桨总成

搅拌桨总成可以包括锥型加固罩、连接套、布气盘和搅拌桨组成。连接套套接在输气搅拌轴一端的外面，其外边固定有锥型加固罩，这种结构可以使搅拌桨叶片与搅拌轴连接得更加牢固。锥型加固罩的外缘固定有合适数量的搅拌桨叶片。布气盘位于锥型加固罩的下面，并固定在输气搅拌轴或其外面的连接套上，外缘与搅拌桨叶片相连接。

搅拌桨总成的功能是使输气导气轴中的氧气/空气以微泡的形式均匀地导入发酵罐，同时利用搅拌轴传递过来的动能充分搅动发酵罐内的培养液，满足培养的需要。

输气搅拌轴在与布气盘相连的部分可以开有出气孔。

布气盘为中空结构，其底部可以由微孔刚性材料制成。

布气盘外缘在与搅拌桨叶片相连接处可以开有小孔。

搅拌桨叶片在与布气盘外缘相连接处可以开有小孔。

搅拌桨叶片可以为中空结构，叶片背部由微孔刚性材料制成。

一体化供氧搅拌装置的工作原理如下：

氧气/空气由进气管进入导气座的气室，再经输气搅拌轴的进气孔进入输气搅拌轴内气腔，到达另一端后，由出气孔进入搅拌桨总成。由于搅拌桨总成的布气盘底部以及搅拌桨叶片的背部均由微孔刚性材料特制而成，进入搅拌桨总成的氧气/空气由布气盘底部以及搅拌桨叶片背部的微孔以微细的气泡形式渗入培养液。

由于搅拌桨作顺时针方向转动，液体产生的阻力主要作用在桨叶的正面，即迎水面(由光面刚性材料制成)；而其背部(逆水面)与培养液之间则形成局部真空，布气盘的底部也由于搅拌桨旋转运动形成涡流而造成局部真空。由于气体是在局部真空区域进入培养液，避免了水阻力和水头压力造成的压力损失，从而降低了对供气源压力的要求，减少了供气源的能源消耗。

该设计除了能降低供气源的能源消耗之外，还能提高供氧效率。其原理是：氧转换率与溶解氧成正比，而溶解氧与气泡的大小成反比。在本发明的装置中，布气盘底部以及搅拌桨叶片的背部均采用特制微孔渗透材料，孔径可小于5微米，使气体以微细的气泡渗入培养液，增加了溶解氧浓度。其次，从布气盘底部以及搅拌桨叶片的背部进入培养液的微细气泡在接触液体的瞬间即受到搅拌桨叶片正面的撞击，变成更微细小的气泡，在不断搅拌的作用下迅速扩散并溶入液体中，因此培养液的溶解氧含量较传统给氧方式更高。

一体化供氧搅拌装置集供氧和搅拌功能于一身，与传统的吹入式和吸入式供氧系统相比较，其具有以下优点：

1)结构简单，安装与维护保养均方便容易，可以节省运行开支；

2)由于采用主动供气方式，供气可靠，易于监测与控制；

3)有多种不同的供气源方式可供选择；

4)可以实现气源的灭菌，去杂易于实现；

5)对供气源的压力要求低，降低能源消耗；

6)采用微孔供气，可以提高培养液中的溶解氧含量，氧转化率高，而且能够降低供氧能耗；

7)搅拌功能不受供气功能的限制，能够满足多种搅拌需要。

附图说明

图1是吹入式通气供氧的典型装置。

图2是吸入式通气供氧的典型装置。

图3是一体化的供氧搅拌装置。

图4是一体化的供氧搅拌装置的搅拌桨总成。

具体实施方式

下面的实施例将对本发明作进一步的解释，但是本发明并不仅仅局限于这些实施例，这些实施例不以任何方式限制本发明的范围。本领域的技术人员在权利要求的范围内所做出的某些改变和调整也应认为属于本发明的范围。

实施例1

本发明设计了一套一体化的供氧搅拌装置，它由三部分组成，如图3所示。

1)传动系统

传动系统由电动机13、机架14、轴套15组成。轴套15将搅拌轴18和电动机传动轴连接在一起，维修时可以在此处拆卸开。传动系统的功能是提供搅拌动力。根据不同的需要，可以将传动系统安装在生物反应器的上法兰或者罐底部。

2)导气系统

导气系统由进气管16、导气座总成17和输气搅拌轴18组成。进气管16的外端口用于与供气管道相接，内端通入导气座的气室20。搅拌轴18为穿过导气座气室20的中空轴，其上端与电动机传动轴相连的部分是实心段，另一末端也是封闭的。搅拌轴在穿过导气座气室的区域开有适量的进气孔21，使导气座气室中的气体可以进入其内部的气腔22，即使在搅拌轴转动的过程中，气体也可以畅通。导气系统的功能是为外界的氧气/空气到达搅拌桨总成19提供一条通道，并且将电动机传动轴的搅拌动力传递到搅拌桨总成19。

3)搅拌桨总成

如图4所示，搅拌桨总成19由锥型加固罩40、连接套41、布气盘42和搅拌桨组成。连接套41套接在输气搅拌轴18的外面，其外边固定有锥型加固罩40，这种结构可以使搅拌桨叶片与搅拌轴连接得更加牢固。锥型加固罩的外缘固定有合适数量的搅拌桨叶。布气盘42是空心圆盘，位于锥型加固罩40的底部，并固定在输气搅拌轴18或其外面的连接套41上，其外缘与搅拌桨叶片相连接，二者均在相连处开孔，形成气体通道。布气盘底部以及搅拌桨叶片的背部均采用特制微孔不锈钢材料。输气搅拌轴18在与布气盘42相连的部分开有合适数量的出气孔44，使输气搅拌轴中的气体能够到达搅拌桨叶片，然后从搅拌桨叶片背部43的布气孔逸出进入培养液。培养液的微细气泡在接触液体的瞬间即受到搅拌桨叶片正面45的撞击，变成更细小的气泡，在不断搅拌的作用下迅速扩散并溶入液体中。搅拌桨总成的功能是将适量的氧气/空气以微泡的形式均匀地导入发酵罐，同时利用搅拌轴传递过来的动能充分搅拌发酵罐内的培养液，满足培养的需要。

在具体设计一体化的供氧搅拌装置时，要根据生物反应器的大小和培养用途的不同，确定合适的搅拌桨叶片的形状、个数、面积以及电动机的功率。

根据本发明的原理，申请人制造了适用于1000升发酵罐的一体化供氧搅拌装置，并制造了一套采用相同样式和面积(450平方厘米)的搅拌桨叶片的传统吹入式供氧搅拌装置，然后使用它们向同一高温好氧发酵系统的培养液中供氧，对分别得到的溶解氧含量进行比较，实验条件与结果如下。

实验条件：

培养液成分：有机废弃物匀浆

培养液中的固含量：10％

培养液体积：1000升

反应温度：65℃

搅拌速度：100转/分

供气量：25升/分

出气口距液面深度：1.2米

两系统的功率配置与测得的溶解氧含量如表1所示：

	一体化供氧搅拌装置	吹入式供氧搅拌装置
			搅拌电机功率供气泵功率溶解氧(mg/L)	1.5HP0.09HP5-7mg/L	1.5HP2HP＜1mg/L

从表1中可以看出，一体化供氧搅拌装置对供气源的压力要求低，节省供气源能源消耗，并增加了溶解氧含量，氧转化率较高。

Claims (7)

1.一体化的供氧与搅拌装置，包括传动系统、导气系统和搅拌桨总成，所述导气系统包括气体连通的进气管(16)、导气座总成(17)和输气搅拌轴(18)，且所述输气搅拌轴与所述传动系统机械连接；且其中所述搅拌桨总成包括连接并气体连通于所述输气搅拌轴(18)的中空布气盘(42)和搅拌桨，所述布气盘为圆盘形，垂直连设于所述输气搅拌轴上，且其底部为微孔刚性材料。

2.如权利要求1所述的一体化的供氧与搅拌装置，其特征在于，所述导气座总成的内部设有一个气室(20)，所述输气搅拌轴的内部有一个导气气腔(22)，所述进气管一端露出在导气座总成之外，另一端与导气座总成内部的气室连通，输气搅拌轴从气室中穿过，并在穿过导气座气室的区域开有进气孔(21)，而形成所述的气体连通。

3.如权利要求1所述的一体化的供氧与搅拌装置，其特征在于，所述搅拌桨总成还包括锥型加固罩(40)、连接套(41)，所述连接套套接在所述输气搅拌轴的外面，锥形加固罩固定在连接套外边，搅拌桨叶片固定在加固罩的外缘，布气盘位于锥型加固罩的下面并固定在输气搅拌轴或其外面的连接套上，其外缘与搅拌桨叶片相连接，从而实现所述的布气盘和搅拌桨与所输导气系统的连接。

4.如权利要求3所述的一体化的供氧与搅拌装置，其特征在于，所述输气搅拌轴在与布气盘相连的部分开有出气孔。

5.如权利要求4所述的一体化的供氧与搅拌装置，其特征在于，所述布气盘外缘在与搅拌桨叶片相连接处开有小孔。

6.如权利要求3所述的一体化的供氧与搅拌装置，其特征在于，所述搅拌桨叶片在与布气盘外缘相连接处开有小孔。

7.如权利要求3、5或6中任一项所述的一体化的供氧与搅拌装置，其特征在于，所述的搅拌桨叶片为中空结构，叶片背部为微孔刚性材料。

Images