CN201485447U - 节能型高粘度发酵罐内置式均质混合器及其发酵罐 - Google Patents

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张士楚
周龙海
王恒新
朱震黎
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    • C12M27/02—Stirrer or mobile mixing elements

Abstract

本实用新型提供了一种节能型高粘度发酵罐内置式均质混合器及其发酵罐。所述混合器包括：空气均布器，其中所述空气均布器连通气体进口；设在所述空气均布器上的喷嘴；相应于所述喷嘴的喷射方向设置的带有引流装置的气液均质喷射器，且所述引流装置朝向所述喷嘴的喷射方向；其中，所述带有引流装置的气液均质喷射器的轴线在水平截面上的投影与喷嘴出口处的圆周切线呈一夹角α，且该轴线与水平面呈一夹角β，使得各个气液均质喷射器形成的喷射气液流方向沿发酵罐的搅拌轴方向倾斜向上。本实用新型提供了一种作为生产高粘度发酵液特性的耗氧发酵设备的辅助节能装置，特别适用于高粘度发酵罐的节能装置。

Description

节能型高粘度发酵罐内置式均质混合器及其发酵罐
技术领域
本实用新型型涉及一种节能型高粘度发酵罐内置式均质混合器及其含有该混合器的发酵罐。
背景技术
在采用发酵罐对高粘度体系进行搅拌时，容易产生混合不均的问题。例如，结冷胶等产品的发酵过程中发酵液的粘度最高可达7000-10000cp甚至更高。在发酵初期表现为低粘度的牛顿体系，搅拌系统很容易在全罐内形成湍流，从而达到全混；随着发酵时间的延长结冷胶逐渐形成和积累，发酵液变得越来越粘稠，发酵液粘度也逐渐加大，到发酵后期(约占发酵全程三分之一到五分之二)表现为高粘度的假塑性非牛顿体系，这时仅桨叶周围的发酵液随桨叶旋转，而由于粘滞力的作用，距离搅拌桨叶越远的区域，发酵液的动能、速率、气含量也越来越低，而到罐壁处时发酵液几乎处于静止状态，即产生了“死区”(参见图1)，对于料液的混合、气体的分散以及温度的传递都极为不利，从而造成细胞代谢受到抑制，糖代谢途径发生转移，从而造成产胶速率及糖的转化率急剧降低。具体如图1所示，所述发酵罐6内部设有搅拌浆叶2，在发酵后期，所述发酵罐围绕搅拌桨叶2形成可搅拌区域200和无法搅拌区域100(也即“死区”)，其中的“死区”的面积较大，也即粘滞现象较为严重。
现在的发酵生产上一般采取加大罐体的高径比、改变搅拌桨叶的类型及配合方式来改善发酵环境，但是目前还是无法解决靠近罐壁的搅拌死区的问题，而且，加大搅拌功率同时会加大搅拌系统的加工及安装难度，从而提高成本。
国内外现有的专利与文献并未提供专门针对解决高粘度发酵后期存在的搅拌死区及气体分散困难等特点的设计。现有文献报道过在发酵罐内安装喷射器，主要是利用分布器将进气气泡打碎、利用射流增加罐体流体动能，达到节能的目的。但是主要是通过对射流器的结构进行改造。但是这些方法中射流器的结构较为复杂，因此容易滞留产品，对于产品的纯度可能造成影响，而且对后期存在的死区的效果不明显。
因此，本领域缺乏一种可以减少发酵罐后期的粘滞现象，可实现对高粘度发酵罐的节能性能进行改造的装置。
实用新型内容
本实用新型的第一目的是提供一种可以减少发酵罐后期的粘滞现象，可实现对高粘度发酵罐的节能性能进行改造的节能型高粘度发酵罐内置式均质混合器。
本实用新型的第二目的是提供一种可以减少发酵罐后期的粘滞现象，可实现节能改造的高粘度发酵罐。
本实用新型第一方面提供一种节能型高粘度发酵罐内置式均质混合器，所述混合器包括：
-空气均布器，其中所述空气均布器连通气体进口；
-设在所述空气均布器上的喷嘴；
-相应于所述喷嘴的喷射方向设置的带有引流装置的气液均质喷射器，且所述引流装置朝向所述喷嘴的喷射方向；
其中，
所述带有引流装置的气液均质喷射器的轴线在水平截面上的投影与喷嘴出口处的圆周切线呈一夹角α，该轴线与水平面呈一夹角β，使得各个气液均质喷射器形成的喷射气液流方向沿发酵罐的搅拌轴方向倾斜向上。
在一优选例中，所述高粘度发酵罐是指高粘度体系用的发酵罐。
在一优选例中，所述喷嘴的喷射方向对应于带有引流装置的气液均质喷射器，也即喷射方向沿搅拌方向倾斜向下，气体喷射方向在水平截面上的投影与喷嘴出口处的圆周切线的夹角为0～90°，带有引流装置的气液均质喷射器的轴线与水平方向的夹角为0～90°。
在本实用新型的一个具体实施方式中，所述夹角α为0～90°；所述夹角β的角度为0～90°，且在夹角α为0时夹角β不为90°。
在本实用新型的一个具体实施方式中，所述引流装置的靠近喷嘴的一端为喇叭口状。
在本实用新型的一个具体实施方式中，所述引流装置距喷嘴口的距离为气液均质喷射器的管径的1.5-2倍.
在本实用新型的一个具体实施方式中，所述空气均布器为圆环式向罐壁辐射结构。
在一优选例中，所述圆环式向罐壁辐射结构为使得空气通过气体进口进入中心圆环然后通过四个均布管导向外圈的分布圆环，且在所述分布圆环上均布4-8个带有延伸向罐壁的喷嘴。
在本实用新型的一个具体实施方式中，所述空气均布器上均匀分布4-8个喷嘴。
在本实用新型的一个具体实施方式中，且所述喷嘴设置在同一平面上。
在本实用新型的一个具体实施方式中，所述喷嘴的出口面积为气体进口的面积的1/4-1/8。
在本实用新型的一个具体实施方式中，所述喷嘴与所述气液均质喷射器的入口处距离为所述气液均质喷射器内径的0～3倍。
本实用新型的第二方面提供一种发酵罐，所述发酵罐包括：
-罐体；
-设在罐体中部的搅拌桨叶
-设在搅拌桨叶下方的空气均布器，其中所述空气均布器连通气体进口；
-设在所述空气均布器上的喷嘴；
-相应于所述喷嘴的喷射方向设置的带有引流装置的气液均质喷射器，其中所述引流装置朝向所述喷嘴喷口方向；
其中，
所述带有引流装置的气液均质喷射器的轴线在水平截面上的投影与喷嘴出口处的圆周切线呈一夹角α，该轴线与水平面呈一夹角β，使得各个气液均质喷射器形成的喷射气液流方向沿发酵罐的搅拌轴方向倾斜向上。
在一优选例中，底搅拌叶的下方设置一圈气体喷嘴，喷射方向沿搅拌方向倾斜向下，气体喷射方向在水平截面上的投影与喷嘴出口处的圆周切线的夹角为0～90°，带有引流装置的气液均质喷射器的轴线与水平方向的夹角为0～90°。
本实用新型的有益效果在于：
本实用新型的空气均布器可以将通入的空气经过喷嘴均匀分布输出，输出的气体及发酵罐内的发酵液通过均质混合器达到细化均质混合并向上形成喷射气液流。通过上述结构，在高粘度胶体发酵过程中提高进入发酵罐内的气体分散度、细化物态增加气液固的混合效果，消除搅拌死区，改善物料流动性，提高胶体产率，缩短发酵时间，从而大幅度降低发酵能耗。本装置为发酵罐内置式不增加染菌几率，结构简单，设置方便，容易清洗，成本低廉，对原发酵罐不作改动。对于高粘度发酵系统有普遍的适用性。
附图说明
图1示出了现有技术的发酵罐中的“死区”现象示意图。
图2示出了本实用新型的发酵罐中“死区”面积降低的示意图。
图3示出了本实用新型的节能型高粘度发酵罐内置式均质混合器的一个具体实施方式的所述的侧视示意图，示出了所述空气均布器5的位置。
图4示出了图3的节能型高粘度发酵罐内置式均质混合器的俯视示意图，其中，
所述带有引流装置的气液均质喷射器的轴线(AA)在水平截面上的投影(DD)与喷嘴4出口处的圆周切线(BB)呈一夹角α。
图5示出了图3的节能型高粘度发酵罐内置式均质混合器的侧视示意图，示出了带有引流装置31的气液均质喷射器3。
图6示出了图3的节能型高粘度发酵罐内置式均质混合器的俯视示意图，其中，
所述带有引流装置的气液均质喷射器的轴线(AA)在水平截面上的投影(DD)与喷嘴4出口处的圆周切线(BB)呈一夹角α。
图中标号说明如下：
1-气体进口；2-搅拌桨叶；3-带引流的射流混合器；4-喷嘴；5-空气分布器
具体实施方式
本实用新型设计人经过广泛而深入的研究，通过改进制备工艺，使得死区的面积大为降低，并意外地发现其在节能方面特别优异，故特别适合作为对现有的发酵罐进行改造的应用。在此基础上完成了本实用新型。
本实用新型的其他方面由于本文的公开内容，对本领域的技术人员而言是显而易见的。
节能型高粘度发酵罐内置式均质混合器
本实用新型的一种节能型高粘度发酵罐内置式均质混合器，所述混合器包括：
-空气均布器，其中所述空气均布器连通气体进口；
-设在所述空气均布器上的喷嘴；
-相应于所述喷嘴的喷射方向设置的带有引流装置的气液均质喷射器，且所述引流装置朝向所述喷嘴的喷射方向；
其中，
所述带有引流装置的气液均质喷射器的轴线AA在水平截面上的投影与喷嘴出口处的圆周切线BB呈一夹角α，该轴线AA与水平面CC呈一夹角β，使得各个气液均质喷射器形成的喷射气液流方向沿发酵罐的搅拌轴方向倾斜向上。
所述空气均布器可以采用本领域常规的空气均布器。例如，可以是环形分布结构。更具体地例如为圆环式向罐壁辐射结构。所述空气均布器设在发酵罐的内部，较佳地设在发酵罐内部的下方位置，更佳地设在发酵罐内部搅拌器的下方位置。
在一优选例中，所述圆环式向罐壁辐射结构为使得空气通过气体进口进入中心圆环然后通过四个均布管导向外圈的分布圆环，且在所述分布圆环上均布4-8个带有延伸向罐壁的喷嘴。
所述喷嘴的喷射方向对应于带有引流装置的气液均质喷射器，也即喷射方向沿搅拌方向倾斜向下，气体喷射方向在水平截面上的投影与喷嘴出口处的圆周切线的夹角为0～90°，带有引流装置的气液均质喷射器的轴线与水平方向的夹角为0～90°。更具体地，所述夹角α为0～90°，优选0～85°；所述夹角β的角度为0～90°0～85°，优选，且在夹角α为0时夹角β不为90°。通常，在罐底靠近罐壁处设置通过气体均布器设置一圈的喷嘴，每一个喷嘴的方向均对应一个带有引流装置的气液均质喷射器。
所述带有引流装置的气液均质喷射器中，所述引流装置可采用本领域各种结构。优选地，为了使得引流效果佳且不会导致反应物残留，优选地引流装置靠近喷嘴的一端为喇叭口状。该形状达到了类似文丘里装置的效果。
更优选地，所述引流装置距喷嘴口的距离为气液均质喷射器的管径的1.5-2倍.
所述空气均布器上均匀分布喷嘴。所述喷嘴的个数没有具体限制，较佳地为设置4-8个喷嘴。较佳地，所述喷嘴设置在同一平面上。当然也可以采用其他方式设在所述空气均布器上，较佳地采用对称的方式设在所述空气均布器上。
较佳地，所述喷嘴的出口面积为气体进口的面积的1/4-1/8。这种面积比例可以达到更佳的喷射效果。采用更小或更大的比例也是允许的，视具体反应体系而定。
具体地，所述喷嘴与所述气液均质喷射器的入口处距离为所述气液均质喷射器内径的0～3倍。
发酵罐
本实用新型还提供一种发酵罐，所述发酵罐包括：
-罐体；
-设在罐体中部的搅拌桨叶
-设在搅拌桨叶下方的空气均布器，其中所述空气均布器连通气体进口；
-设在所述空气均布器上的喷嘴；
-相应于所述喷嘴的喷射方向设置的带有引流装置的气液均质喷射器(3)，其中所述引流装置朝向所述喷嘴喷口方向；
其中，
所述带有引流装置的气液均质喷射器的轴线(AA)在水平截面上的投影与喷嘴出口处的圆周切线(BB)呈一夹角α，该轴线(AA)与水平面(CC)呈一夹角β，使得各个气液均质喷射器形成的喷射气液流方向沿发酵罐的搅拌轴方向倾斜向上。
在一优选例中，底搅拌叶的下方设置一圈气体喷嘴，喷射方向沿搅拌方向倾斜向下，气体喷射方向在水平截面上的投影与喷嘴出口处的圆周切线的夹角为0～90°，带有引流装置的气液均质喷射器的轴线与水平方向的夹角为0～90°。
所述高粘度发酵罐是指高粘度体系用的发酵罐。所述高粘度体系可以在反应过程中粘度不变，也可以是在反应期间产生高粘度。例如，结冷胶等产品的发酵过程中发酵液的粘度最高可达7000-10000cp甚至更高，该粘度是在反应后期产生的。
所述搅拌桨叶没有基体限制，只要其形状不对本实用新型的气液均质喷射器产生限制即可。
以下结合具体实施例，进一步阐明本实用新型。应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用以限定本实用新型的实质技术内容范围，本实用新型的实质技术内容是广义地定义于申请的权利要求范围中，任何他人完成的技术实体或方法，若是与申请的权利要求范围所定义的完全相同，也或是一种等效的变更，均将被视为涵盖于该权利要求范围之中。
除非另有定义或说明，本文中所使用的所有专业与科学用语与本领域技术熟练人员所熟悉的意义相同。此外任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本实用新型中。
实施例
图2示出了本实用新型的减少“死区”的效果(未示出节能型高粘度发酵罐内置式均质混合器)。
本实用新型的结构如图3～6所示，本实用新型的发酵气液混合系统，由罐体6、电机(图中未示)、搅拌桨叶2、空气均布器5及气液均质喷射器3组成。在罐体6的底部设置所述空气均布器5及气液均质喷射器3。
在罐底靠近罐壁处搅拌桨叶2下方设置一圈的喷嘴4，每一个喷嘴的方向均对应一个气液均质喷射器3。所述气液均质喷射器3靠近喷嘴4的一端设有引流装置31。
所述的气液混合系统中，每一个气液均质喷射器3形成的喷射气液流方向沿搅拌方向倾斜向上，气液均质喷射器3的轴线AA在罐体水平截面上的投影DD与喷嘴4出口处的圆周切线BB的夹角α为0～90°，均质喷射装置的轴线AA与水平方向的夹角β为0～90°；喷嘴距均质气液混合器的入口处距离为气液混合器内径的0～3倍。
所述的空气均布器5上还连接气体进口1，通常所述气体为空气或惰性气体。所述空气均布器5为圆环式向罐壁辐射结构，使得空气通过气体进口1进入中心圆环然后通过四个均布管导向外圈的分布圆环，且在所述分布圆环上均布4-8个带有延伸向罐壁的喷嘴4。
所述喷嘴4的喷射方向是与所述气液均质喷射器3相对应的，也即喷射方向沿搅拌方向倾斜向下，气体喷射方向在水平截面上的投影与喷嘴出口处的圆周切线的夹角为0～90°，均质喷射装置的轴线与水平方向的夹角为0～90°。喷嘴出口面积为气体进口面的4-8倍。所述喷嘴4设置在同一平面上。且所述喷嘴4的出口面积为气体进口1的面积的1/4-1/8。
所述引流装置31的靠近喷嘴的一端为喇叭口状，且所述引流装置31距喷嘴口的距离为气液均质喷射器的管径的1.5-2倍。
本实用新型是这样运作的：
所述发酵罐为一种气液混合系统，其中空气均布器5可以将通入的空气经过喷嘴4均匀分布输出，输出的气体及发酵罐内的发酵液通过本实用新型的具有特定结构的气液均质喷射器3中的固置螺旋多位叶片达到均质混合并向上形成喷射气液流。
在本实用新型的喷射角度的作用下，沿搅拌方向向罐壁方向喷射的气液流形成二重涡流消除高粘度发酵的搅拌死区。
本实用新型的优点是：
在不改变现有高粘度胶体发酵罐的前提下，仅利用发酵罐底部的有限空间，通过增加的气液均质喷射混合系统从而使气液混合液对靠近罐壁的搅拌死区起到有效的扰动，从而改善发酵的传质全混，在达到同样的混合效果的情况下可以降低5％-10％的通气比。同时沿搅拌方向的喷射气液流又起到一定的混合效果，在一定的程度上降低了搅拌桨的功耗。本实用新型为内置式，避免增加染菌可能；其结构简单，设置方便，容易清洗，成本低廉，对原发酵罐不作改动。予高粘度发酵系统有普遍的适用性。
在一优选例中，所述圆环式向罐壁辐射结构为使得空气通过气体进口进入中心圆环然后通过四个均布管导向外圈的分布圆环，且在所述分布圆环上均布4-8个带有延伸向罐壁的喷嘴。
本实用新型在生产中的具体应用如下：
本实用新型应用于50m3的结冷胶的发酵罐的改造。改造前搅拌功率最大为2.64kw/m3；通气量最大为0.8vvm；发酵产胶率为12g/l。改造后搅拌功率最大为2kw/m3；通气量最大为0.6vvm；发酵产胶率为16-18g/l。
在本实用新型提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本实用新型的上述内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种节能型高粘度发酵罐内置式均质混合器，其特征在于，所述混合器包括：
-空气均布器(5)，其中所述空气均布器(5)连通气体进口(1)；
-设在所述空气均布器(5)上的喷嘴(4)；
-相应于所述喷嘴(4)的喷射方向设置的带有引流装置(31)的气液均质喷射器(3)，且所述引流装置(31)朝向所述喷嘴(4)的喷射方向；
其中，
所述带有引流装置的气液均质喷射器的轴线(AA)在水平截面上的投影(DD)与喷嘴(4)出口处的圆周切线(BB)呈一夹角α，该轴线(AA)与水平面(CC)呈一夹角β，使得各个气液均质喷射器形成的喷射气液流方向沿发酵罐的搅拌轴方向倾斜向上。
2.如权利要求1所述的混合器，其特征在于，所述夹角α为0～90°；所述夹角β的角度为0～90°，且在夹角α为0时夹角β不为90°。
3.如权利要求1所述的混合器，其特征在于，所述引流装置(31)的靠近喷嘴的一端为喇叭口状。
4.如权利要求1所述的混合器，其特征在于，所述引流装置(31)距喷嘴口的距离为气液均质喷射器的管径的1.5-2倍.
5.如权利要求1所述的混合器，其特征在于，所述空气均布器(5)为圆环式向罐壁辐射结构。
6.如权利要求1所述的混合器，其特征在于，所述空气均布器(5)上均匀分布4-8个喷嘴(4)。
7.如权利要求6所述的混合器，其特征在于，且所述喷嘴(4)设置在同一平面上。
8.如权利要求1所述的混合器，其特征在于，所述喷嘴(4)的出口面积为气体进口(1)的面积的1/4-1/8。
9.如权利要求1所述的混合器，其特征在于，所述喷嘴(4)与所述气液均质喷射器(3)的入口处距离为所述气液均质喷射器(3)内径的0～3倍。
10.一种发酵罐，其特征在于，所述发酵罐包括：
-罐体(6)；
-设在罐体(6)中部的搅拌桨叶(2)
-设在搅拌桨叶(2)下方的空气均布器(5)，其中所述空气均布器(5)连通气体进口(1)；
-设在所述空气均布器(5)上的喷嘴(4)；
-相应于所述喷嘴(4)的喷射方向设置的带有引流装置(31)的气液均质喷射器(3)，其中所述引流装置(31)朝向所述喷嘴(4)喷射方向；
其中，
所述带有引流装置的气液均质喷射器的轴线(AA)在水平截面上的投影与喷嘴(4)出口处的圆周切线(BB)呈一夹角α，该轴线(AA)与水平面(CC)呈一夹角β，使得各个气液均质喷射器形成的喷射气液流方向沿发酵罐的搅拌轴方向倾斜向上。
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