CN2033011U - 固定化生物催化剂反应器 - Google Patents

Abstract

一种固定化酶或细胞为催化剂的喷射环流反应器，该反应器的长径比H/D为2/1—5/1，导管直径为(1/5—4/5)D，底部为球形。该反应器上部设有网、布、膜类过滤物制成的环形分离部件。本实用新型的反应器可形成固定化粒子较密集均匀分布的状态，在循环流动过程中强化传质和排气能力，在导管作用下循环流动具有较好的定向性和稳定性，易于放大。该反应器结构简单，与现有工业生产用设备外形相近，易于利用现有设备、厂房进行技术改造。

Description

本实用新型属于酶学或微生物学用的装置。

现在工业上采用的发酵方法大多还是传统的游离菌酶发酵法。该方法菌酶浓度低、生产能力小、且菌酶的损失严重，成本高，又不易实现连续化和自动化生产。固定化菌酶反应器弥补了游离菌酶发酵法的缺点，这些固定化反应器属于固定床、流化床和悬浮床三大类。一般固定床的粒子填充率高，但排气困难，传质较差，流化床则相反，传质较好，排气容易，粒子填充率低。悬浮床处于两者之间。膜片式固定化生物催化剂反应器是改进的固定床形式〔“Chemical Economy & Engineering Review， 15（4）17（1983）〕。该床型的排气性能较好。但难于放大，传质仍不易强化。多段上下圆锥床是一种效果很好的结构形式（“日本

酵工学会大会講演要旨集”，1979年，P15）但结构复杂，与常用设备相差很大。由于用产生的CO₂作为推动力，在反应器内气体体积比例较大，当产生的气体不利于反应进行时，该结构的应用更受到限制。Blenk对喷射环流反应器进行了大量研究〔Advance in Biochemistry & Bioengineering”， 13，121（1977）〕，但是对气液过程而进行的。Blenk推荐的结构是H／D为7／1，导管直径 7/10 D（等截面积原则）。本发明者曾将此结构用在固化生物催化过程中，发现固体粒子装填率较低。一般在20％以下，气泡逸出反应物系经过的平均距离长，供气性能好，但排气性能有所减弱。

本实用新型的目的是提供一种新型的固定化酶（或固定化细胞）反应器，使非供气性，尤其是厌氧气类的发酵过程，如乙醇发酵等，能更有效地进行。

本实用新型的设备结构如图1所示。反应罐的罐体1的长径比H／D为5／1以下，甚至可以至搅拌的结构比例，即H／D＝2－3／1。罐内设导流管2，其直径与罐直径之比d／D＝1／5－4／5，高度之比h／H＝2／5－4／5，罐底设喷咀3，内径为 1/100 D－ 5/100 D，喷咀、导管和罐体三者同轴心，导管下端距罐底为 1/4 D－D。此外，还要在适当位置配置液固分离装置6。本实用新型中提出的是环带形的液固分离器。设置在反应罐内的上部。组件6、6.1、6.2是该环形分离带的三种不同结构。

液固分离器6的分离面是圆台侧面的形状。该侧面的下边缘与反应罐壁封闭，并在必要时固定在反应罐壁上。侧面的上边缘，根据需要作三种处理。第一种处理，将上边缘与特定构件封闭，必要时进行固定。该特定构件与罐壁、分离面围成环形空间，液体可经分离面进入该空间而固定化粒子被阻止。该空间连通出口，液体经一个或多个出口流出反应罐进行外循环或流入下一阶段。当该分离面适于在反应器内较高位置时，可将上边缘直接与反应罐壁的上部封闭，形成一环形空间。第二种处理是，上边缘不与罐壁封闭，也不与特定物件封闭，只在必要时进行适当固定，以维持其形状和位置，分离比较容易时，将有相当部分剩余分离面在液面以上，不会有粒子越过分离面，上面两种处理的A向视图如图2所示。第三种处理是将上边缘与另加分离面封闭，形成无下底面的圆台表面形分离面，其A向视图为图3。

图4的6.1是结构与6有所不同的分离器。其分离面为圆柱侧面形。该圆柱侧面的下边缘与特定的构件封闭，必要时固定在该构件上。该构件与反应器壁封闭，其本身不允许固定化粒子通过，圆柱侧面的上边缘也按6的三种处理做类似处理，局部放大图如图5。

图6的6.2是环带形分离器的另一种结构，其分离面也是柱侧面形状，但不同于6.1，该分离面贴紧于罐壁，贴紧处的罐壁开有适当数量大小的孔，并在罐壁外相应位置附加适当宽度的环带，构成与反应器隔分离面呈半连通一即固体粒子不能通过而液体可通过的夹层，流体经分离面过壁孔流进夹层，然后经出口流出。局部放大图为图7。

上述分离带可有效地限制固定化粒子随液体流出反应器，并具如下优点：结构简单，易于实现；分离面积大，能力强，可做溢流控制；结构的对称性，利于循环流动的均匀；有一定的消泡作用。

本实用新型的工作方式是：流体在泵4的作用下，经喷咀3高速射入反应器罐内，推动导管2内外液体及粒子形成管内向上、环隙部分向下的循环流动；同时，部分液体流出反应罐又重新经缓冲罐5、泵4、喷咀3进入反应罐内，形成另一循环，在两个循环过程作用下，反应器可达到全混状态，过程产生的气体从气体出口7离开罐。

本实用新型与已有同类装置相比，其优点是，在反应器内形成固定化粒子较密集而均匀的分布状态，固定化粒子的装填率可达35－45％，并在循环流动过程中强化了传质及排气能力，在导流管的作用下，循环流动的定向性及稳定性较好，循环强度易于控制，放大比较容易。此外，本实用新型与现有工业生产用设备的外形相近，易于利用现有设备及厂房进行技术改造。

例一：单级反应器实验：

反应器体积51，长径比H／D＝3.5／1，导管直径d＝ 1/2 D，喷咀内径为0.04D。圆台侧面形分离带，上边缘不固定，固定化酵母装填率35％。原料糖浓度150g／l（按糖密的总糖量计），停留时间3.3hr，转化率达75％，乙醇浓度51.5g／l，生产能力15.5g／l.hr。

例二：串级实验：

由两个喷射环流反应器和一个固定床反应器串联。喷射环流反应器设在产气较多的前两级。每个反应器同为51。喷射环流反应器的导管内径为 1/3 D，喷咀直径为0.015D，其余同实例1。固定化粒子装填率为40％。固定床体积也是51，长径比为8／1。粒子装填率为65％，葡萄糖为原料，原料糖浓度为185g／l，总停留时间4.5hr，转化率98.4％，乙醇浓度80g／l，生产能力为18.0g／l.hr。

Claims (3)

1、一种酶学或微生物学用装置，该装置的特征是：反应罐体的长径比H/D为2/1-5/1、导管直径为(1/5-4/5)D，导管长度为(2/5-4/5)H，反应罐上部为分离装置，下部为设有液体喷咀的球形底或椭球形底。

2、根据权利要求1的分离装置，其特征是：该装置由网、布、膜类过滤物制成，分离面在反应器内呈环带状。该环带状分离带在罐内有以下三种形式：分离带的下边缘与反应器壁封闭，不加盖时分离面呈圆台侧面形，加盖时呈无下底面的圆台表面形；分离面呈圆柱侧面形或无下底圆柱表面形，粒子不能进入的区域是分离面与反应罐壁之间；分离面呈圆柱测面形，分离面与反应罐壁贴紧，贴紧处有孔，粒子不能进入的区域在罐体外。

3、根据权利要求1的液体喷咀，其特征是：喷咀直径为（0.01－0.05）D。

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