CN2542671Y - 离心力场逆流传质生物反应器 - Google Patents

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Abstract

一种离心力场逆流传质生物反应器，包括罐体、机械搅拌装置、换热装置及附属工艺管口。在培养液面以下的搅拌轴上设置若干层上排液轴流搅拌桨，在搅拌桨外围设置与搅拌轴同轴的导流筒；在液面以上的搅拌轴上固装离心混合转子。以在离心混合转子所提供的离心力场中进行高效气液逆流传质替代液下深层鼓泡，并与轴流叶轮及导流筒配合在反应器内组织起良好的培养液内循环来实现氧的供给。可大幅降低压缩空气静压强从而节约能耗，同时显著强化气液传递。

Description

离心力场逆流传质生物反应器
本实用新型涉及一种生物反应器，特别是离心力场逆流传质生物反应器。
现有的好氧型生物反应器主要包括：机械搅拌式生物反应器、气升环流式生物反应器及高位塔式生物反应器等几大类。其供氧的机理全都基于深层鼓泡，即压缩空气从反应器底部吹入，在向上穿过培养液的过程中实现氧从气相至液相的传递。这就必然导致了现有生物反应器存在的两个不易克服的不尽如人意之处：
1.压缩空气从反应器的底部吹入，一般都要求有一定的初始速度，同时又需克服数米至数十米的培养液柱所产生的压强，这就要求压缩空气必须具备足够高的静压强，一般不低于2.0-4.0Kgf/cm2。从而使制备压缩空气的能耗很高，在产品最终成本中所占的比例也始终居高不下。
2.空气自下而上穿过培养液的过程中，受气泡的聚并及现有二次分散器件如机械搅拌、静态混合元件、筛板等的分散能力的限制，单位体积培养液内的气液接触面积和传质效率都受到一定程度的局限。空气中大部分氧气未被利用就从培养液中逸出。从而空气中氧气及鼓入空气所消耗的能量利用率很低。
本实用新型的目的是克服现有生物反应器存在的上述不足，提供了一种采用新型气液传质方式的生物反应器。具体说是离心力场逆流传质生物反应器。该反应器以在液面以上混合转子所提供的离心力场中进行高效逆流气液传质替代液下深层鼓泡，并与轴流叶轮及导流筒配合，在反应器内组织起良好的培养液内循环来实现氧的供给。从而达到大幅降低压缩空气静压强、同时强化气液传质的目的。
本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：
离心力场逆流传质生物反应器，包括罐体、机械搅拌装置、换热装置及附属工艺管口。其搅拌装置的特征为：在培养液面以下的搅拌轴上设置若干层上排液轴流搅拌桨，在搅拌桨外围设置与搅拌轴同轴的可随轴同步转动或与罐体相对固定的导流筒；在液面以上的搅拌轴上设置类似旋转床结构的离心混合转子。当搅拌轴以一定转速转动时，轴流搅拌桨与导流筒配合，将反应器底部的培养液在导流筒内向上推送，进入液面上方的离心混合转子中，从转子中心的液体分配器喷出，并在离心力场中沿混合转子中的环形填料床径向向外移动。压缩空气从设置在罐体顶部的进气口通入充满反应器液面以上区域并维持一定压力。排气管的前段为空心搅拌轴内的空腔管或实心搅拌轴外的同心管，在罐内与离心混合转子的中心区域相连，罐外通过排气管后段与外界大气相连。新鲜空气在压力梯度的作用下，从离心转子的周边向中心排气管前段移动。在填料床中与培养液进行激烈的大接触面的高效逆流传质，将大量氧气溶入培养液并带走培养液中生物反应产生的二氧化碳。经过混合转子高效传质的富氧培养液被离心力甩出落至导流筒外的液面，随反应器内由轴流搅拌桨与导流筒组织起来的液体流型在导流筒外向反应器底部流动，随后被抽吸入导流筒内并由轴流叶轮向上推送再次进入离心混合转子。如此循环，使培养液反复与新鲜空气混合，以满足生物反应的需氧量。针对于个别固相含量高且沉降速度快的培养液，为避免固相的沉积，可在反应器底部设置扰流挡板。
本实用新型与现有技术相比具有如下优点和效果：
1.由于采用在液面以上混合转子所提供的离心力场中进行高效逆流气液传质替代液下深层鼓泡，使对压缩空气静压强的要求从2.0-4.0Kgf/cm2以上降至0.5Kgf/cm2以下，从而可大幅节约制备压缩空气的能耗。
2.在离心混合转子中进行的逆流传质，气液两相接触面积大、相间膜表面更新速度快、传质效率高，从而大大提高了空气中氧气的利用率。较传统的生物反应器可显著节约空气用量、缩短生产周期、提高生产指数。
下面结合附图对本实用新型作详细说明：
附图一是本实用新型离心力场逆流传质生物反应器的结构示图。
附图二是本实用新型离心力场逆流传质生物反应器离心混合转子的立体示意图。
附图三是本实用新型离心力场逆流传质生物反应器离心混合转子的轴向剖视图。
图中：1-驱动装置，2-搅拌轴，3-排气管前段与排气管后段之间的动密封连接部件，4-排气管后段，5-离心混合转子，5-1-轴套，5-2-上导流筒，5-3-液体分配器，5-4-排气管前段，5-5-填料床，5-6-填料床上面板，6-7-填料床下面板，5-8-上导流筒与轴套的固接支撑，5-9-排气管前段与轴套的固接支撑，5-10-填料，5-11-液体喷出口，6-上排液辅流搅拌桨，7-下导流筒与罐体的固接支撑，8-半圆管，9-下导流筒，10-出料管，11-底轴承，12-培养液液面，13-罐体，14-进料口，15-空气进口，16-机械密封，17-键。
参照附图说明实施例如下：
图一为本实用新型的结构示意图，在罐体13上开设进气管15、进料管14、排料管10等任何工艺所要求的管口。在罐体13外壁缠绕半圆管8，内通换热介质以维持生物反应所需的适宜温度。搅拌轴2由驱动装置1驱动，下轴头通过底轴承11定位。在正常装料液面12以下的搅拌轴上，安装两层上排液轴流搅拌桨6，在搅拌桨6外设置与搅拌轴2同心的下导流筒9，下导流筒9通过支撑7固定在罐体13内壁上。在正常装料液面12以上的搅拌轴上固装离心混合转子5，转子下方延伸出上导流筒5-2，可延伸至液面以下与下导流筒9以小间距相接。在上导流筒5-2内搅拌轴上设置一层上排液轴流搅拌桨6；离心混合转子5上方延伸出排气管前段5-4通过动密封连接部件3与罐外排气管后段4相连，排气管前段5-4与罐体13通过机械密封16实现动密封。当搅拌轴2以一定转速转动时，培养液在罐内所形成的流型如图一中带箭头实线所示，其特征为下导流筒9内的培养液在轴流搅拌6的推送下向上流动，进入上导流筒5-2又经轴流叶轮6  加压后进入离心混合转子5中心，之后在离心力的作用下从混合转子5边缘甩出落入上导流筒5-2外液面并向下流动，再次从罐底被抽吸入下导流筒9。新鲜空气的运动轨迹如图一中带箭头虚线所示，其特征为：自罐顶进气口15通入的新鲜空气充满反应器培养液面以上的空间，并维持一定压力。在压力梯度的作用下，从混合转子5的四周边缘向转子中心的排气管前段5-4流动，之后从排气管4排至外界。气液两相在离心混合转子的填料床5-5中进行高效的逆流传质。
如图二、图三所示离心混合转子的结构，轴套5-1通过键17与搅拌轴2配合安装，可使混合转子5随轴2同步旋转。在轴套5-1外自下而上依次固装上导流筒5-2、液体分配器5-3及排气管前段5-4。在液体分配器5-3外围一定距离固装环形填料床5-5，床内填充适于气液传质的填料或混合元件，图中以同心圆环平板填料5-10为例。填料床的上面板5-6、下面板5-7分别与排气管前段54及上导流筒5-2外缘固连，实现填料床5-5的上下封闭。上导流筒5-2通过支撑5-8固装在轴套5-1上。上导流筒5-2的上方连接液体分配器5-3，液体分配器5-3为上端封闭、截面为六角形的中空叶轮，叶轮尖端开有纵缝作为液体喷出口5-11，培养液自液体分配器5-11喷出的范围应全部覆盖环形填料床的内圆周面。液体分配器5-3上方设置排气管前段5-4靠支撑5-9固定于轴套5-1上，其内径小于液体分配器5-3外径。当离心混合转子5以一定的转速随搅拌轴2转动时，培养液自上导流筒5-2进入液体分配器5-3，从液体分配器5-3边缘的喷出口5-11喷出，然后在离心力的作用下通过环形填料床5-5从混合转子5的周边甩出。而空气则由混合转子5的周边进入环形填料床5-5，与培养液逆流传质后，进入转子中心区域，因液体分配器5-3为叶轮状结构，所以，当混合转子5转动时，在转子中心又形成区域性的离心力场，将气体中所夹带的培养液分离，无液体夹带的气体则经排气管前段5-4及排气管4排出。
本实用新型所涉及的离心力场逆流传质生物反应器离心混合转子中的填料床5-5可根据所培养生物的类型及培养液的流体力学性质，配置相应的填料或混合元件，对其的主要评价指标为提供的气液接触面积、气液湍动程度及对气液两相的阻力损失。

Claims (5)

1.一种离心力场逆流传质生物反应器，包括罐体、机械搅拌装置、换热装置及附属工艺管口，其特征为在培养液面以下的搅拌轴上设置若干层上排液轴流搅拌桨，在搅拌桨外围设置与搅拌轴同轴的可随轴同步转动或与罐体相对固定的导流筒，在液面以上的搅拌轴上设置供气液逆流传递用的离心混合转子。
2.按权利要求1所述的离心力场逆流传质生物反应器，其特征为离心混合转子的结构为在与搅拌轴配合并可随之同步转动的轴套外缘自下而上依次固装上导流筒、液体分配器、排气管前段，在液体分配器外围一定距离固装环形填料床，填料床的上下面板分别与排气管前段及导流筒的外缘固连，实现填料床的上下封闭。
3.按权利要求1所述的离心力场逆流传质生物反应器，其特征为离心混合转子中的排气管前段可以是空心搅拌轴内的空腔管，也可以是实心搅拌轴外的同心管。
4.按权利要求1所述的离心力场逆流传质生物反应器，其特征为离心混合转子中的液体分配器为上端封闭、截面为多角形的中空叶轮，叶轮尖端开有纵缝供液体喷出。
5.按权利要求1所述的离心力场逆流传质生物反应器，其特征为离心混合转子中的填料床可根据目标生物类型及培养液的流体力学性质，配置相应的混合元件或填料。
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