CN1304558C - 一种喷射式内循环生物反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种喷射式内循环生物反应器，主要包括壳体、进气管、与进气管相接的文丘里管、位于壳体内的导流筒，以及液体循环管和液泵，所述的文丘里管末端连有喷嘴，所述的液泵泵体内置于壳体底部，所述液泵泵体上设置有导流伞，所述导流伞顶端伸入导流筒中，底部露出于导流筒外，所述液泵出口与液体循环管相连，液体循环管另一端与文丘里管相接，所述文丘里管自上而下伸入导流筒内。本反应器内置耐热液泵，解决了外循环液泵型生物反应器容易染菌的问题，并且具有流型规整、传热传质性能优良、结构简单、投资和操作费用低、能耗小、放大容易等优点，特别适用于好氧微生物培养等生物反应过程。

Description

一种喷射式内循环生物反应器
(一)技术领域
本发明涉及一种喷射式内循环生物反应器，属于环流反应器范畴。
(二)背景技术
环流反应器因其内部流体有规则地循环流动而得名，内部流体的循环流动可使流体达到充分的混合而改善反应条件。与机械搅拌釜相比环流反应器具有体积传质系数大、结构简单、造价低、能耗低、易密封、易大型化以及操作方便等优点。
液泵型的主要特点是，依靠液泵强制实现液体循环，液体循环量大小可以控制。其主要代表是文氏管喷射式生物反应器。这种设备是用泵将反应器内液体压入文氏管，文氏管收缩段中液体的流速增加，形成真空将空气吸入，并使气泡分散与液体混合，这种混合是由液体带动空气而实现的，与气升式反应器相反。
喷射式液泵型生物反应器的研究开始于1979年，Blenke首次报道喷射式液泵型生物反应器，研究结果表明该反应器能克服传统反应器的许多缺陷，并且易于放大。有关该类反应器在工业中成功应用也相继有所报道。
喷射式反应器分为上喷式和下喷式两种。下喷式的优点是气体在反应器内的停留时间较长。近年来，一些文献对下喷式液泵型反应器的流体力学和传质特性进行研究，研究主要在化工领域，在生物工程领域没有相关的报道。目前，国外所使用的主要为外循环液泵型生物反应器。但是，外循环液泵型生物反应器因将泵外置于外界，不易解决染菌问题。
(三)发明内容
为解决现有外循环液泵型生物反应器易染菌的缺点，本发明提供了一种内置液泵的符合无菌要求、且传质效率高的喷射式内循环生物反应器。
为达到发明目的本发明采用的技术方案是：
一种喷射式内循环生物反应器，主要包括壳体、进气管、与进气管相接的文丘里管、位于壳体内的导流筒，以及液体循环管和液泵，所述的文丘里管末端连有喷嘴，所述的液泵泵体内置于壳体底部，所述液泵泵体上设置有导流伞，所述导流伞顶端伸入导流筒中，底部露出于导流筒外，所述液泵出口与液体循环管相连，液体循环管另一端与文丘里管相接，所述文丘里管自上而下伸入导流筒内。
本发明反应器是喷射内循环生物反应器，反应器基于喷射和环流的特点，设置了内部导流筒，喷射式液泵型生物反应器利用外部泵体的动力驱动以及内部导流筒达到内外双循环效果，提高了溶氧传质效率，省去了搅拌装置，减少对发酵菌体的剪切力损伤，其基本原理是利用高速液体射流的动能使气相在反应器中均匀分散、悬浮、继而在反应器内形成整体的环流，使各相达到密切接触。
所述的液泵为耐热磁力驱动式液泵，可以免除液泵旋转工作部件密封泄漏造成污染的可能性。其次，选择适宜的定量液泵，可以将外部输送管路系统改变为内部输送管路，以利于灭菌过程的可靠进行。
喷头结构选择：由于喷头的主要工作部件是喷嘴，参照经验公式进行参数设计。根据计算，选择A型喷头，所使用的喷嘴进气方式，采用引射式进气方式。
本发明反应器在反应器内设置导流筒，并在喷嘴出口设置导流伞构成反应器内规整环流。所述的导流伞优选为锥形导流伞。
所述的导流筒直径为反应器内径的0.3～0.6倍。
优选的，所述的导流筒直径为反应器内径的0.4倍，所述的导流筒高度与反应器直径之比为0.93。所述的喷射式内循环生物反应器高径比优选为2.3。以20L本发明反应器(壳体直径D＝220mm，高度510mm)为例，导流筒直径参照常规气升式发酵罐的导流筒直径DE的选择标准，即导流筒所形成的内外截面积基本相等为基础(此时液流在导流筒内外的流动速度基本相等)。由于考虑将射流喷头设置在导流筒内的中心部位，因此，在喷头喷射作用下，液流流经内筒下部时将不依内筒的截面积的大小而快速流过，并转入筒体的外部向上流动，为了延长液流上升的时间(以便提高溶氧效果)，希望降低其上升速度，则必然要增大导流筒外部的截面积，即将导流筒的内径DE适当减小，以发酵罐内径D的1/2(即DE＝D/2)为基准(此时筒内截面积与筒外部的环形截面积之比为1∶3)做冷模试验对导流筒直径进行优化。导流筒最大高度LE的确定，必须考虑到液流能顺利进行循环，同时导流筒顶部必须低于液面一定距离。选取导流筒下部与发酵罐底部的距离为50mm，顶部与液面距离为100mm，得到导流筒的最大高度LE ma为225mm。以体积氧传质系数为优化目标，经冷模试验，得到导流筒的最佳直径是88mm(DE＝0.4D)，最佳高度205mm(LE/D＝0.93)。
本发明所述的喷射式内循环生物反应器的有益效果主要体现在：(1)本发明反应器内置耐热液泵，解决了外循环液泵型生物反应器容易染菌的问题，特别适用于好氧微生物培养等生物反应过程；(2)以液体循环混合方式替代了搅拌装置，从而使剪切力对细胞产生的损伤大大降低；(3)传质效率高、操作简便、成本低。
(四)说明书附图
图1为本发明所述的喷射式内循环生物反应器的结构示意图。
(五)具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：
实施例1：
如附图1所示，一种20L喷射式内循环生物反应器(壳体直径D＝220mm，高度510mm)，主要包括壳体1、壳体外的夹套2、进气管4、与进气管相接的文丘里管7、位于壳体内的导流筒10，以及液体循环管6和液泵，所述的文丘里管末端连有喷嘴8，所述的液泵泵体5内置于壳体底部，液泵电机3置于反应器之外，所述液泵泵体上设置有导流伞9，所述导流伞9顶端伸入导流筒10中，底部露出于导流筒10外，所述液泵出口与液体循环管6相连，液体循环管6另一端与文丘里管7相接，所述文丘里管7自上而下伸入导流筒10内。导流筒下部与和反应器底部距离为50mm，顶部与液面距离为100mm，导流筒的直径为88mm、高度205mm。
在外部泵体动力驱动下，空气与循环液体在文丘里管7混合，从喷嘴8喷出，喷出流体在锥形导流伞9的引导下，向下向四周分流，从导流筒10外部上升，在反应器内部形成整规流型，从而达到内外双循环的目的，发酵液各相在循环和喷射过程中充分接触混合，大大强化了氧传质。
采用20L本发明反应器与同体积的搅拌式生物反应器作对比试验，在相同的电机功率下，试验了黑曲霉(Aspergillus niger)在两种反应器内发酵生产β-葡聚糖酶的情况。实验结果是，本发明生物反应器发酵黑曲霉所得的β-葡聚糖酶的酶活是搅拌式反应器2.3倍，而且高峰期提前6个小时。酶活提高的原因是：在相同的电机功率下，本发明反应器的氧传质系数高于搅拌式反应器，而剪切力却小得多，菌丝的损伤较小，酶的剪切失活也较小。

Claims (7)

1.一种喷射式内循环生物反应器，主要包括壳体、进气管、与进气管相接的文丘里管、位于壳体内的导流筒，以及液体循环管和液泵，所述的文丘里管末端连有喷嘴，其特征在于：所述的液泵泵体内置于壳体底部，所述液泵泵体上设置有导流伞，所述导流伞顶端伸入导流筒中，底部露出于导流筒外，所述液泵出口与液体循环管相连，所述的液体循环管另一端与文丘里管相接，所述文丘里管自上而下伸入导流筒内。
2.如权利要求1所述的喷射式内循环生物反应器，其特征在于所述的液泵为耐热磁力驱动式液泵。
3.如权利要求1所述的喷射式内循环生物反应器，其特征在于所述的导流伞为锥形导流伞。
4.如权利要求1～3之一所述的喷射式内循环生物反应器，其特征在于所述的导流筒直径为反应器内径的0.3～0.6倍。
5.如权利要求4所述的喷射式内循环生物反应器，其特征在于所述的导流筒直径为反应器内径的0.4倍。
6.如权利要求5所述的喷射式内循环生物反应器，其特征在于所述的导流筒高度与反应器直径之比为0.93。
7.如权利要求6所述的喷射式内循环生物反应器，其特征在于所述反应器高径比为2.3。
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