CN212833749U - 一种循环多管进料的气升式发酵罐 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种循环多管进料的气升式发酵罐，其特征在于，其在罐体(7)上设有出气口(1)、进料口(2)、进气口(3)和出料口(5)，在该发酵罐内底部设有气体分布器(4)、在该发酵罐内顶部设有CIP喷淋球(6)，其中，出气口(1)位于发酵罐顶部，进料口(2)设有多个分散于罐体(7)的圆柱面上，进气口(3)开设于罐体(7)的管壁上且位于管壁底部上方位置，所述进气口(3)与所述位于罐内底部的气体分布器(4)连通，所述出料口(5)位于发酵罐罐体(7)底部。应用本实用新型的循环多管进料的气升式发酵罐，可以使发酵罐内的空气分布更加均匀，能够使物料混合更为均匀，从而提高发酵罐的生产效率。

Description

一种循环多管进料的气升式发酵罐

技术领域

本实用新型涉及本实用新型涉及一种气升式发酵罐，具体来说，涉及一种循环多管进料的气升式发酵罐。

背景技术

常用的通气发酵罐有机械搅拌式、自吸式和气升式，其中，机械搅拌通气发酵罐应用最为广泛，自吸式发酵罐的应用局限于醋酸等的发酵，气升式发酵罐目前主要应用于维生素C、酵母、生物燃料发酵及废水处理等。

相较于机械搅拌通气发酵罐，气升式发酵罐有多种优势：一是由于气升式发酵罐没有内部搅拌部件，能耗低，操作简单，所以投资、运行及维护成本低；二是气升式发酵罐结构简洁，不易染菌；三是因为没有叶片的搅拌，所以剪切力小，对生物细胞损伤小；四是噪音小；五是焊缝不易因震动而开裂；六是通气量不受限制。

在气升式发酵罐中，气液混合与传质的主要动力来源是由罐底气体分布器进入罐内的高速气体，为了控制发酵罐中的温度为发酵生产的最佳温度以及为了使发酵罐中的气液混合更均匀，发酵液在离心泵的作用下，从发酵罐底部的物料出口以一定的速度流出发酵罐后沿物料管循环流动完成热量交换，最后通过罐体中上部的物料进口管以一定的速度进入罐内。

目前现有的气升式发酵罐存在混合效果较差的情况，例如申请号为CN201420123193.5、CN201821227167.1、CN201920380758.0的中国专利申请所涉及的气升式发酵罐都是只有一个进料管，在这种单进料管式发酵罐中，整个发酵液中会存在部分气含率极低的区域以及发酵液流微弱的区域，当发酵液从单进料管以一定的速度进入发酵罐时，会对发酵罐内气液循环特征和规律产生比较大的影响，会影响到溶氧分布和混合效果，也就是说，在发酵罐中局部区域存在溶氧分布“死区”及混合效果较差的情况，从而导致发酵罐的生产效率不是很理想。

实用新型内容

为了解决现有技术在发酵罐中局部区域存在溶氧分布“死区”及混合效果较差的问题，本实用新型提供如下技术方案：

一种循环多管进料的气升式发酵罐，其在罐体7上设有出气口1、进料口2、进气口3和出料口5，在该发酵罐内底部设有气体分布器 4、在该发酵罐内顶部设有喷淋球6(优选为CIP喷淋球)，其中，出气口1位于发酵罐顶部，进料口2设有多个分散于罐体7的圆柱面上，进气口3开设于罐体7的管壁上且位于管壁底部的上方位置，所述进气口3与所述位于罐内底部的气体分布器4连通，所述出料口5位于发酵罐罐体7底部。

优选地，根据上述循环多管进料的气升式发酵罐，其中，该罐体7上还设有用于观察的人孔8。

优选地，所述多个进料口2沿发酵罐的圆柱面均匀分布或者在发酵罐圆柱面上以圆心为中心进行对称分布。

优选地，根据上述循环多管进料的气升式发酵罐，其中，所述多个进料口2在发酵罐圆柱面上以直径为轴进行轴对称分布。

优选地，根据上述循环多管进料的气升式发酵罐，其中，所述多个进料口2在发酵罐圆柱面上以直径为轴按15-75度角对称分布。

优选地，根据上述循环多管进料的气升式发酵罐，其中，所述多个进料口2在发酵罐圆柱面上以直径为轴按60度角、按45度角或者按30度角对称分布。

优选地，根据上述循环多管进料的气升式发酵罐，其中，在发酵罐内部通过管道L将所述进气口3与所述气体分布器4连通。

优选地，根据上述循环多管进料的气升式发酵罐，根据上述循环多管进料的气升式发酵罐，其中，所述多个进料口分布在发酵罐圆柱面上相同的高度处。

根据上述循环多管进料的气升式发酵罐，其中，所述多个进料口分布在发酵罐圆柱面上距底面距离为发酵罐总高度的三分之一至三分之二处。

优选地，根据上述循环多管进料的气升式发酵罐，其中，所述多个进料口分布在发酵罐圆柱面上距底面二分之一高度处。

优选地，根据上述循环多管进料的气升式发酵罐，其中，所述进料口有二个、三个或四个。

应用本实用新型的循环多管进料的气升式发酵罐，可以使发酵罐内的空气分布更加均匀，能够使物料混合更为均匀，提高发酵罐的生产效率。

附图说明

图1a是本实用新型的发酵罐的立体图；

图1b是图1a所示发酵罐的俯视图。

图2a是现有技术的单进料管式发酵罐中的气含率云图。

图2b是本实用新型的循环多管进料的气升式发酵罐中的气含率云图。

图3a是现有技术的单进料管式发酵罐中的液体速度矢量图。

图3b是本实用新型的循环多管进料的气升式发酵罐中的液体速度矢量图。

图4a是现有技术的单进料管式发酵罐中的液体速度云图。

图4b是本实用新型的循环多管进料的气升式发酵罐中的液体速度云图。

其中，1-出气口，2-进料口，3-进气口，4-气体分布器，5-出料口，6-CIP喷淋球，7-罐体，8-人孔。

具体实施方式

针对现有技术的单进料管式发酵罐中局部区域存在溶氧分布“死区”及混合效果较差的问题，本实用新型的发明人通过研究惊奇地发现，将一个进料管改成两个或更多个进料口，并且设计该气升式发酵罐具有特定结构和特定布局位置的进料管、进料口、进气口、出气口、气体分布器、出料口和CIP喷淋球，使得溶氧分布存在的“死区”及混合效果差等这些问题迎刃而解，极大地改善了发酵罐中的溶氧情况和发酵液的流动情况，提高了发酵罐的生产效率。

本实用新型提供了一种循环多管进料的气升式发酵罐，其在罐体7上设有出气口1、进料口2、进气口3和出料口5，在该发酵罐内底部设有气体分布器4、在该发酵罐内顶部设有CIP喷淋球6，其中，出气口1位于发酵罐顶部，进料口2设有多个分散于罐体7的圆柱面上，进气口3开设于罐体7的管壁上且位于管壁底部的上方位置，所述进气口3与所述位于罐内底部的气体分布器4连通，所述出料口 5位于发酵罐罐体7底部。

这些进料口可以分布在不同的高度，可以随机分布，但是优选分布在同一高度处，根据本实用新型发明人的多年研究，这些进料口分布在距发酵罐底面同一高度处时，效果更好，其距底面的高度不能太高，也不能太低，或者会导致发酵液流动过快或过慢的情况，优选设置在距底面距离为发酵罐总高度的约三分之一到三分之二处，更优选设置在中间高度处，即，二分之一高度处。

这些进料口在同一高度处的圆周面上优选均匀分布，例如，如果有四个进料口，则四个进料口中相邻的两两之间的圆心角为90度，如果有三个进料口，则三个进料口中相邻的两两之间的圆心角为120 度，如果有两个进料口，则两个进料口位于同一条直径的两端，即，二者在一条直线上，二者可以形成任意角度的圆心角，例如30-150 度的圆心角。对于有两个进料口的情况，这两个进料口在发酵罐圆柱面上可以以直径为轴按60度角对称分布，即，二者形成的圆心角为 120度；也可以在发酵罐圆柱面上以直径为轴按45度角对称分布，即，二者形成的圆心角为90度；也可以在发酵罐圆柱面上以直径为轴按30度角对称分布，即，二者形成的圆心角为60度。

实施例

下面以一个实施例演示本实用新型的技术方案。

图1a是本实用新型的循环多管进料的气升式发酵罐的立体示意图，图1b是其对应的俯视图。图2a是现有技术的单进料管式发酵罐中的气含率云图，图2b是本实用新型的循环多管进料的气升式发酵罐中的气含率云图。

由图1a、图1b、图2a和图2b可以看出，本实用新型提供的这种循环多管进料的气升式发酵罐，罐体7上设有出气口1、进料口2、进气口3、气体分布器4、出料口5、CIP(CleaningInPlace,就地清洗) 喷淋球6和人孔8，其中，出气口1位于发酵罐顶部，进气口3开设于管壁上且位于管壁底部的上方位置，气体分布器4位于发酵罐内置于罐体底部，在发酵罐内部优选通过一管道L将进气口与气体分布器 4连通，出料口5位于发酵罐罐体底部，并且延伸至罐体外面，进料口2有两个，间隔该发酵罐底部一定距离约为发酵罐总高度的五分之一，这两个进料口2位于距发酵罐底面相同的高度处，即在距发酵罐底部的距离约为发酵罐总高度的三分之一，其在发酵罐圆柱面上以直径为轴按30度角对称分布，即，二者形成的圆心角为60度。其中，所述CIP喷淋球6设于发酵罐顶部，优选设于发酵罐顶部中央位置，以便喷淋高温、高浓度的洗净液进行清洗。

其工作流程为：作为该气升式生物反应器的主要动力来源的压缩的高压空气从进气口3进入位于发酵罐底部的气体分布器4，然后经分布在气体分布器4上表面的大量小气孔喷出，在发酵液中形成压力差，引起发酵罐中的流体混合与循环。最后绝大部分气体从出气口 1流出发酵罐。同时，发酵液在离心泵的作用下从出料管5流出罐内进入循环管，完成热量交换后又以一定的速度从两个高度一致，位置左右对称的进料口3进入发酵罐。

本实用新型的发明人通过CFD(Computational Fluid Dynamics, 计算流体动力学)数值模拟技术对现有技术的单进料管式发酵罐和体现本实用新型的实施例的双进料口发酵罐中的溶氧和发酵液流动情况进行了对比试验。

图2a是现有技术的单进料管式发酵罐中的气含率云图，图2b 是体现本实用新型的双管进料的气升式发酵罐中的气含率云图。其中，对于该发酵罐的设计为，其中，2个进料口2分布在发酵罐圆柱面相同高度处，以在发酵罐圆柱面上以直径为轴按45度角对称分布，并且分布在距底面距离为发酵罐总高度的二分之一处；并且，在发酵罐内部通过管道L将所述进气口3与所述气体分布器4联通；对比图 2a和图2b的气含率云图，可以直观显示两种发酵罐中不同的溶氧分布情况，与现有技术单进料管气升式发酵罐相比，本实用新型的双进料管气升式发酵罐中的溶氧分布更加均匀：其中，深色区域A区域气含率低(气含率变化范围：0-0.1)且分布不均匀，浅色区域即灰白色区域B区域气含率高且分布均匀，图2b中的B区域(灰白色区域：气含率变化范围是0.1-0.5)相比于图2a中的灰白色区域明显增多，同时消除了在单进料管发酵罐中会存在的A区域(图2a中的深色颜色区域)溶氧分布不均匀以及溶氧极其低的现象，在图2b中的深色颜色区域A明显大大减少到仅仅在紧挨管壁的区域存在A区域。

图3a是现有技术的单进料管式发酵罐中的液体速度矢量图，图 4a是现有技术的单进料管式发酵罐中的液体速度云图；图3b是体现本实用新型的如上所述优选实施方案(具有图2b所示气含率云图的发酵罐结构)中双管进料的气升式发酵罐中的液体速度矢量图，图 4b是体现本实用新型如上所述优选实施方案(具有图2b所示气含率云图的发酵罐结构)中双管进料的气升式发酵罐中的液体速度云图。将图3a、图3b和图4a、图4b进行结合对比分析，可以明显看出，发酵液在两个发酵罐中的流动和循环情况。通过图3a、图3b可以看出，与单进料管气升式发酵罐图3a所示情况相比，双进料管气升式发酵罐中的发酵液的流动和循环明显要更剧烈(图3b的浅色区域B 明显比图3a的浅色区域B增多)，有更强的混合传质作用，这对菌体的生长代谢十分有利。通过图4a、图4b可以看出，深色区域A区域 (随颜色由深到浅，对应液体速度的主要变化范围是0-0.5m/s)发酵液的流动的较弱。浅色区域B区域(随颜色由深到浅，对应液体速度的主要变化范围是0.5-6m/s)发酵液的流动和循环剧烈。在循环和流动速度的大小方面，单进料管反应器的右侧偏下出现了大范围的液相流动的较弱的区域(深色区域A)，存在大范围液相流动较弱的区域不利于发酵液中营养物质以及氧气的均匀分布，而双进料管发酵罐中就没有这种情况的出现(即，如图4b所示，发酵罐右侧偏下未见到深色区域A，浅色区域B范围在图4b中比图4a中更广泛)。

虽然实施例只给出了双进料口的例子，但是这只是用双进料口的例子具体演示本实用新型，不能以此理解为此实施例限定本实用新型的保护范围，因此，在不背离本实用新型的精神和原则的情况下，可以对本实用新型进行各种改变或改进，这些改变或改进都在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种循环多管进料的气升式发酵罐，其特征在于，其在罐体(7)上设有出气口(1)、进料口(2)、进气口(3)和出料口(5)，在该发酵罐内底部设有气体分布器(4)、在该发酵罐内顶部设有喷淋球(6)，其中，出气口(1)位于发酵罐顶部，进料口(2)设有多个分散于罐体(7)的圆柱面上，进气口(3)开设于罐体(7)的管壁上且位于管壁底部上方位置，所述进气口(3)与所述位于罐内底部的气体分布器(4)连通，所述出料口(5)位于发酵罐罐体(7)底部。

2.根据权利要求1所述的循环多管进料的气升式发酵罐，其中，该罐体(7)上还设有用于观察的人孔(8)。

3.根据权利要求1所述的循环多管进料的气升式发酵罐，其中，所述多个进料口(2)沿发酵罐的圆柱面均匀分布或者在发酵罐圆柱面上以圆心为中心进行对称分布。

4.根据权利要求2所述的循环多管进料的气升式发酵罐，其中，所述多个进料口(2)在发酵罐圆柱面上以直径为轴进行轴对称分布。

5.根据权利要求4所述的循环多管进料的气升式发酵罐，其中，所述多个进料口(2)在发酵罐圆柱面上以直径为轴按15-75度角对称分布。

6.根据权利要求5所述的循环多管进料的气升式发酵罐，其中，所述多个进料口(2)在发酵罐圆柱面上以直径为轴按60度角、按45度角或者按30度角对称分布。

7.根据权利要求1所述的循环多管进料的气升式发酵罐，其中，在发酵罐内部通过管道(L)将所述进气口(3)与所述气体分布器(4)连通。

8.根据权利要求1-7任一项所述的循环多管进料的气升式发酵罐，其中，所述多个进料口(2)分布在发酵罐圆柱面上相同的高度处。

9.根据权利要求8所述的循环多管进料的气升式发酵罐，其中，所述多个进料口(2)分布在发酵罐圆柱面上距底面距离为发酵罐总高度的三分之一至三分之二处。

10.根据权利要求1所述的循环多管进料的气升式发酵罐，其中，所述进料口有二个、三个或四个。

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