CN201834919U - 一种卧式搅拌生物反应器 - Google Patents

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黄和
尤江英
彭超
纪晓俊
路金淼
魏萍
仝倩倩
刘欣
丛蕾蕾
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Abstract

本实用新型公开的卧式搅拌生物反应器包括卧式罐体、搅拌装置、供气及灭菌装置、控温装置、消泡装置、进料口、出料口、补料口;所述的搅拌装置包括置于转轴上的采用涡轮式-双向推进式-涡轮式搅拌桨的组合方式的组合式搅拌桨;所述的供气及灭菌装置包括一个以上的双向直管式气体分布管,双向直管式气体分布管置于液位下方,且不影响搅拌桨的转动;所述的控温装置包括U型控温管束,U型控温管束置于液位下方,且不影响搅拌桨的转动;所述的消泡装置包括置于补料口内的喷射口和置于液位上方的空气消泡管。本实用新型具有结构简单,高溶氧,良好传质、混合效果、节约能耗、可操作性强、成本低、花生四烯酸产量高等特点。

Description

一种卧式搅拌生物反应器
技术领域
本实用新型涉及一种生物反应器,具体涉及高效生产花生四烯酸的生物反应器。
背景技术
花生四烯酸(Arachidonic acid,ARA,即5,8,11,14-二十碳四烯酸)属于ω-6系列长链多不饱和脂肪酸(PUFAs),是一种人体最活跃和必需的多不饱和脂肪酸,具有促进智力发育、提高人体视力、降低血脂、增强免疫力和抗癌等功效,被广泛应用于功能保健、生物医药、化妆品及饲料添加剂等方面。由于ARA在成年人体内合成量极少,婴幼儿体内则无法合成,因此从食物中摄取额外的ARA对人体许多组织特别是脑组织的生长发育至关重要。2009年卫生部公布:“花生四烯酸作为高级营养强化剂在婴幼儿食品中的添加量扩大到230mg/100g。”
ARA的传统来源是从动物肝脏、猪肾上腺、血液、鱼油中提取,但动物组织中的ARA含量很低(约为0.2%),来源少,且受季节限制,价格昂贵,无法满足日益增长的市场需求。微生物合成ARA具有生产周期短、环境污染小、原料来源广泛、可持续发展性强和产品质量好等优点,因此,传统ARA的制备方法逐渐被微生物发酵法所替代。
据文献报道,低等真菌,特别是被孢霉属中的Mortierella亚属真菌体内含有大量的ARA,如:高山被孢霉(M.alpina)、长被孢霉(M.elongata)、深黄被孢霉(M.isabellina)和拉曼被孢霉(M.ramanniana)等,通过对50多种Mortierella亚属分析,研究发现M.alpina的ARA含量最高(Higashiyama K,Biotechnology and Bioprocess Engineering,2002,7:252-262)。
高山被孢霉深层液体发酵生产ARA属于好氧发酵体系,因此工业发酵设备需要具有较好的传质、传热和混合效果以满足菌体生长条件。目前,ARA的发酵生产过程主要是在立式搅拌生物反应器中(CN101613724A),该常规搅拌生物反应器主要包括反应器本体,控制系统,搅拌系统,控温系统和通气系统等。长期生产实践表明,这种立式反应器主要缺点是其基础为框架结构,竖向尺寸大,所以动力消耗大;用耳式支座,所以振动也大;再加上电机悬装在反应器上端抖动大,损伤电机使用寿命。更为重要的是,工业生产使用的大型生物反应器往往高达十几米,静压下对溶氧量有着严重的影响,如表1所示。
表1
 水深(m)   溶氧量(mg/L)
  1   2.66
  2   2.88
  3   1.03
  4   0.79
对于好氧发酵体系而言,微生物对氧的利用率首先取决于发酵液中氧的溶解量和氧传递速率。采取高密度培养方法提高生产效率时,高密度的细胞对氧的需求远远超过现有的生物反应设备的氧传递的能力。此时,氧传递速率成为提高产量的限制因素,氧的供应不足可能引起生产菌种的不可弥补的损失或可能导致细胞代谢转向所不需的化合物的产生。为提高微生物的反应速度,就必须提高氧的溶解量和传递速率。与此同时,在生物培养时一方面需要呼吸消耗氧,另一方面需要释放出二氧化碳等代谢产物,这些代谢物只有通过与空气混合后从液体中逸出的气体带走,否则就存在生物中毒因素,气体逸出率与相界面面积直接相关。因此,解决好氧传递和代谢产物的释放成为发酵过程的关键问题。因常规立式搅拌生物反应器竖向尺寸大,所以相间界面面积相对偏小直接影响二氧化碳等代谢产物的排放。反应器内不同液深处的静压力的差异,导致发酵液搅拌时受力不均,也影响传质效果。为突破常规立式搅拌生物反应器结构对混合传质效果的制约。本实用新型从改善大型生物反应设备的气液传质混合效果出发,改进微生物生长环境中的混合效果,设计一种结构简单,高溶氧,良好传质、混合效果,低能耗的新型搅拌式生物反应器。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种高效生产花生四烯酸的卧式搅拌生物反应器。该反应器结构简单,高溶氧,具有良好的传质、混合效果,具有较低能耗。
为解决上述技术问题,本实用新型采用的技术方案如下:
一种卧式搅拌生物反应器,包括卧式罐体、搅拌装置、供气及灭菌装置、控温装置、消泡装置、进料口、出料口、补料口;
所述的搅拌装置包括置于罐体外的电机,由电机驱动的置于卧式罐体中心的转轴,置于转轴上的组合式搅拌桨;所述组合式搅拌桨包含至少2个涡轮式搅拌桨和至少一组双向推进式搅拌桨,并采用涡轮式-双向推进式-涡轮式搅拌桨间隔组合方式,且保证沿转轴方向两边最外侧是涡轮式搅拌桨;
所述的供气及灭菌装置包括一个以上的双向直管式气体分布管,双向直管式气体分布管通过通气管道可选择性的与罐体外的空气压缩机或蒸汽发生器相连,双向直管式气体分布管置于液位下方,且不影响搅拌桨的转动;
所述的控温装置包括U型控温管束,U型控温管束可选择性的与加热器或制冷机相连,U型控温管束置于液位下方,且不影响搅拌桨的转动;
所述的消泡装置包括置于补料口内的喷射口和置于液位上方的空气消泡管;
所述的进料口置于卧式罐体的顶部;
所述的补料口置于卧式罐体的顶部;
所述的出料口置于卧式罐体的底部。
其中,所述的卧式罐体为圆筒形,罐体的长径比为2~6∶1。
其中,所述的搅拌桨在转轴上的位置可调。
其中,供气及灭菌装置中与空气压缩机相连的通气管道设有流量控制阀。
其中,所述的双向直管式气体分布器上表面设有出气小孔。
其中,所述的空气消泡管设有上下贯通的出气小孔。
其中,所述的U型控温管束置于双向直管式气体分布管的下方。
其中,所述的进料口和出料口为螺口设计。
对于溶氧监测、pH监测等传感器装置给予预设的接口,是本领域技术人员熟知的内容,本实用新型不做详述。
由以上技术方案可以看出,本实用新型通过卧式搅拌生物反应器,采用双向直管多孔式空气分布器供氧,利用“涡轮式-双向推进式-涡轮式”组合式搅拌浆混合气液反应体系,达到良好传质、传热和混合效果,实现低转速情况下,利用高山被孢霉高效生产花生四烯酸。
本实用新型技术与已有技术相比有如下优点及效果:
(1)溶氧浓度、CO2释放速率高
本实用新型卧式搅拌生物反应器从根本上解决了立式生物反应器内高静压下,氧气溶解度下降的状况。同时,反应器内不同液深处的静压力的差异小,氧浓度分布更加均匀;卧式搅拌生物反应器中二氧化碳等代谢产物更容易逸出,从而为微生物提供一个良好的生长环境,为高山被孢霉的高密度发酵提供了条件。
(2)良好混合传质、传热效果
本实用新型卧式搅拌生物反应器采用双向直管多孔式空气分布器供氧,增强了供氧,根据需要可以实行多管并排供氧;同时利用“涡轮式-双向推进式-涡轮式”组合式搅拌浆混合气液反应体系,其中涡轮式搅拌浆用于打碎气泡,使气体分布更均匀,双向推进式搅拌浆用于加强反应器的轴向流动,增强反应器的混合效果。U型控温管束结构简单、效果明显。
(3)占空间小,成本低,可操作性强、节约能耗
本实用新型卧式搅拌生物反应器不需要框架结构,省材料,占用空间小,而且设备卧置,设备与基础连接的刚性好,所以操作时振动小,卧式搅拌生物反应器动力消耗小,结构简单,安装方便易于拆卸。卧式搅拌反应器结构紧凑,易实现多级偶联大规模生产,检修方便,可操作性强。
附图说明
图1为本实用新型卧式搅拌生物反应器结构示意图;
图2为本实用新型直管多孔式空气分布器的俯视图;
图3为本实用新型U型控温管束的俯视图;
图4为本实用新型两组涡轮式-双向推进式-涡轮式组合搅拌桨连接示意图;
图5为本实用新型多组涡轮式-双向推进式-涡轮式组合搅拌桨连接示意图;
图中标号:1-蒸汽发生器、2-流量控制阀、3-U型控温管束、4-直管式气体分布器、5-转轴、6-罐体、7-进料口、8-反向推进式搅拌浆、9-空气消泡管、10-喷射口、11-正向推进式搅拌浆、12-涡轮式平叶搅拌浆、13-电机、14-出料口、15-空气压缩机、16-出气小孔、17-补料口。
具体实施方式
根据下述实施例,可以更好地理解本实用新型。然而,本领域的技术人员容易理解,实施例中所描述的仅用于说明本实用新型,而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本实用新型。
实施例1:
卧式搅拌生物反应器,其结构连接如图1所示,具体包括卧式罐体6、搅拌装置、供气及灭菌装置、控温装置、消泡装置、进料口7、出料口14、补料口17。
所述的卧式罐体6为圆筒形,罐体的长径比为2~6∶1。
所述的搅拌装置包括置于罐体6外的电机13,由电机13驱动的置于卧式罐体6中心的转轴,置于转轴上的组合式搅拌桨;所述组合式搅拌桨包含至少两个涡轮式搅拌桨和至少一组双向推进式搅拌桨,并采用涡轮式-双向推进式-涡轮式搅拌桨间隔组合方式,且保证沿转轴方向两边最外侧是涡轮式搅拌桨。例如图1所示,由正向推进式搅拌浆11与反向推进式搅拌浆8构成“双向推进式”组合搅拌浆,两个涡轮式平叶搅拌浆12和“双向推进式”组合搅拌浆构成“涡轮式-双向推进式-涡轮式”组合式搅拌浆的结构,也可以采用图4的方式,“涡轮式-双向推进式-涡轮式-双向推进式-涡轮式”组合式搅拌浆。或者采用图5的方式,“涡轮式-双向推进式-涡轮式-双向推进式-涡轮式-双向推进式-涡轮式”组合式搅拌浆。所述的各个搅拌桨在转轴上的位置可调。
所述的供气及灭菌装置包括一个以上的双向直管式气体分布管4,双向直管式气体分布管4通过通气管道可选择性的与罐体6外的空气压缩机5或蒸汽发生器1相连,通气管道设有流量控制阀2,双向直管式气体分布管4置于液位下方,且不影响搅拌桨的转动,所述的双向直管式气体分布器4上表面设有出气小孔16,如图2所示。
所述的控温装置包括U型控温管束3,U型控温管束可选择性的与加热器或制冷机相连达到控温的目的,U型控温管束3置于液位下方,且不影响搅拌桨的转动。所述的U型控温管束3置于双向直管式气体分布管4的下方。图3为U型控温管束的俯视图,不实用新型不局限所使用U型管路的数量。
所述的消泡装置包括置于补料口17内的喷射口10和置于液位上方的空气消泡管9,所述的空气消泡管9设有上下贯通的出气小孔。
所述的进料口7置于卧式罐体6的顶部;所述的补料口17置于卧式罐体6的顶部;所述的出料口14置于卧式罐体6的底部。所述的进料口7和出料口14为螺口设计,方便通过管道将两个以上的卧式搅拌生物反应器的出料口14与进料口7串联起来,组合成多级偶联的卧式搅拌生物器。
本实用新型工作过程简要概括如下:清洗生物反应器罐内,将发酵培养基从进料口加入罐体内,利用灭菌系统使用蒸汽发生器通过双向直管式气体分布管对发酵培养基进行灭菌,待冷却至室温,从进料口接入菌种。双向供气的直管式气体分布器的气体流量可以通过阀门2控制各自的流量。转速由搅拌系统提供可以调节控制。控温装置通过转换冷水、热水循环调节反应器温度。消泡装置通过空气消泡管管壁上的小孔吹出的气体将泡沫打碎;喷射口可喷射消泡剂,消泡剂喷射到反应器内,搅拌作用使其均匀分布在整个液面上,起到消泡作用。本实用新型具有结构简单,溶氧高,传质、混合效果良好,能耗低等优点。本实用新型具备在低转速情况下达到良好的混合溶氧传质效果、高效地完成气体交换,为微生物生长提供良好的生长环境,实现发酵培养低能耗,降低生产成本,提高花生四烯酸生产效率。

Claims (8)

1.一种卧式搅拌生物反应器,包括卧式罐体(6)、搅拌装置、供气及灭菌装置、控温装置、消泡装置、进料口(7)、出料口(14)、补料口(17);其特征在于,
所述的搅拌装置包括置于罐体(6)外的电机(13),由电机(13)驱动的置于卧式罐体(6)中心的转轴,置于转轴上的组合式搅拌桨;所述组合式搅拌桨包含至少2个涡轮式搅拌桨和至少一组双向推进式搅拌桨,并采用涡轮式-双向推进式-涡轮式搅拌桨间隔组合方式,且保证沿转轴方向两边最外侧是涡轮式搅拌桨;
所述的供气及灭菌装置包括一个以上的双向直管式气体分布管(4),双向直管式气体分布管(4)通过通气管道可选择性的与罐体(6)外的空气压缩机(5)或蒸汽发生器(1)相连,双向直管式气体分布管(4)置于液位下方,且不影响搅拌桨的转动;
所述的控温装置包括U型控温管束(3),U型控温管束(3)置于液位下方,且不影响搅拌桨的转动;
所述的消泡装置包括置于补料口(17)内的喷射口(10)和置于液位上方的空气消泡管(9);
所述的进料口(7)置于卧式罐体(6)的顶部;
所述的补料口(17)置于卧式罐体(6)的顶部;
所述的出料口(14)置于卧式罐体(6)的底部。
2.根据权利要求1所述的卧式搅拌生物反应器,其特征在于所述的卧式罐体(6)为圆筒形,罐体的长径比为2~6∶1。
3.根据权利要求1所述的卧式搅拌生物反应器,其特征在于所述的搅拌桨在转轴上的位置可调。
4.根据权利要求1所述的卧式搅拌生物反应器,其特征在于供气及灭菌装置中与空气压缩机(5)相连的通气管道设有流量控制阀(2)。
5.根据权利要求1所述的卧式搅拌生物反应器,其特征在于所述的双向直管式气体分布管(4)上表面设有出气小孔(16)。
6.根据权利要求1所述的卧式搅拌生物反应器,其特征在于所述的空气消泡管(9)设有上下贯通的出气小孔。
7.根据权利要求1所述的卧式搅拌生物反应器,其特征在于所述的U型控温管束(3)置于双向直管式气体分布管(4)的下方。
8.根据权利要求1所述的卧式搅拌生物反应器,其特征在于所述的进料口(7)和 出料口(14)为螺口设计。 
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