CN2885873Y - 气体闭路循环式生化反应器 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种气体闭路循环式生化反应器，它包括压力传感器口(1)、通气口(2)、进料口(3)，手孔或人孔(5)、固定支架(6)、夹套(7)、导气管(8)及罐体，其反应器上还装有消声除沫气管罩(4)、自吸气液混合强化器(9)和压力控制装置，所述的消声除沫气管罩(4)安装在导气管(8)顶端，所述的自吸气液混合强化器(9)安装在反应器底部中央，所述的压力控制装置通过压力传感器(23)与反应器顶部空间相连。整个装置结构紧凑，设备制造和维护费用低；同时本装置具有气体资源能循环使用、气液传递效率高、能耗低等优点。

Description

气体闭路循环式生化反应器
技术领域
本实用新型属于化工设备领域，涉及一种生化过程反应装置，更具体地说涉及一种气体闭路循环式生化反应器，该反应器尤其适合于微生物学方法将气体底物(H2、CO、CO2、O2、CH4等)吸收固定转化成各种有用产品的生产过程。
背景技术
在生化工业生产中，经常遇到气体在微生物细胞或酶催化剂的转化作用下被吸收固定的生化反应过程，如合成煤气经红螺菌发酵生产乙醇、乙酸等产品的生产过程；甲烷气体在甲烷氧化细菌转化作用下生产甲醇的过程，等。要完成这种转化过程，从目前的情况来看，通常在反应釜内采用气体分布器通气鼓泡或搅拌加鼓泡的方式来实行，但随着应用的日益深入，此类装置已开始暴露出其诸多的技术弊端。
第一，其混合传递能力较差，影响到反应速率和产品收率。此类以通气鼓泡或搅拌加通气鼓泡的气液混合过程存在着气泡分散率差、气液相间传递能力低等问题。前面介绍的发酵系统利用的都是溶解度不大的气体底物(H2、CO、CO2、CH4等)，与常用的水溶性底物葡萄糖等有很大的不同，所以要使微生物生命活动和代谢满足生产要求，只有提高气体底物在溶液中的溶解速率。传统生产装置通过增大气体流量和加强机械搅拌强度来强化气液间传质，但其所能达到的气体溶解速率在一定程度上仍然难已满足生化反应过程的要求。
第二，气体资源和动力能源损耗过高。传统通气鼓泡或搅拌加通气鼓泡的反应器其单位体积培养液消耗功率一般都大于1.0kw/M3，同时气体资源的利用效率极低，多数情况下气体资源不作循环使用，直接从排气口排除。少数情况下稀有气体、有毒气体等的回收利用进一步加大了动力能源的消耗和设备前期投资和维护费用。
生化反应器的设计和操作，是生化工程中一个极其重要的课题，它对产品的成本和质量有很大影响，判断其好坏的唯一标准是该反应器能否适合工艺要求以取得最大的生产效率。因此，针对此类复杂生化过程合理地设计通气搅拌设备，使之既能保证足够的底物气体供给，又尽可能节省能量，且不使微生物细胞或酶催化剂失活是提出的新问题。
发明内容
本实用新型的目的是针对上述现有技术中存在的问题和不足，提供一种气体资源能循环使用、气液传递效率高的生化反应过程装置。
本实用新型的技术方案如下：
本实用新型的气体闭路循环式生化反应器，它包括压力传感器口(1)、通气口(2)、进料口(3)，手孔或人孔(5)、固定支架(6)、夹套(7)、导气管(8)及罐体，其反应器上还装有消声除沫气管罩(4)、自吸气液混合强化器(9)和压力控制装置，所述的消声除沫气管罩(4)安装在导气管(8)顶端，所述的自吸气液混合强化器(9)安装在反应器底部中央，所述的压力控制装置通过压力传感器(23)与反应器顶部空间相连。本实用新型的气体闭路循环式生化反应器中所述的消声除沫气管罩(4)安装在导气管(8)顶端，顶端高度超出罐内液面位置，吸气开口朝下，消声除沫气管罩(4)与导气管(8)通过固定支架(6)一起固定于罐体壁面；所述的自吸气液混合强化器(9)主要包括通气罩(12)、转子(13)、射流通道(14)、磁力传动件(15)、底部托盘(16)、混合器电机(17)及分布管(18)，转子(13)配合射流通道(14)高速运转；所述的转子(13)与混合器电机(17)的连接方式采用磁力传动；所述的射流通道(14)可以自由连接各种形状的分布管(18)，各种形状的分布管(18)可根据反应器底部封头形状和循环混合要求设计成各种优势取向角度；所述压力控制装置包括智能控制仪(19)、排气电磁阀(20)、进气电磁阀(22)、压力传感器(23)及配气室(24)。
本实用新型与现有技术相比其有益效果是具有以下明显优点和积极进步：
1)采用罐顶部压气方式进气，使得进气自由度大，反应的压力环境可以自主调节，压力操作范围也较大，有利于增大气相在液相中的溶解度。
2)自吸气液混合强化器具有自吸气功能，其连接的导气管设计在罐体内部，实现了气体资源的循环利用，提高了气体资源利用率，降低了成本。
3)采用本实用新型提出的气体闭路循环式生化反应器，由于气液混合强化器能产生强烈的湍动、搅拌、剪切，气泡直径大幅度减小，气泡数目增多，气泡的比表面积增大，气体分子更易从气相转移到液相，提高了气体溶解速率。
4)在设计中选用了磁力传动机构，确保在高压的情况下无泄漏，并克服了普通轴封机构在长时间运转时发热磨损的现象，无污染，噪音小。
5)采用了本实用新型提出的气体闭路循环式生化反应器的反应过程，防止挥发性成分损失，也不致造成泡沫的飞溅。同时导气管顶端装配的消声除沫气管罩具有自动减除发酵过程产生的泡沫，合理地避免了消泡剂添加对发酵过程的影响。
附图说明
图1为本实用新型结构示意图。
图2为本实用新型的自吸气液混合强化器结构示意图。
图3为本实用新型的自吸气液混合强化器的分布管结构示意图。
图4为本实用新型的气源压力控制原理图。
附图中：1.压力传感器口，2.通气口，3.进料口，4.消声除沫气管罩，5.手孔或人孔，6.固定支架，7.夹套，8.导气管，9.自吸气液混合强化器，10.支腿，11.四氟套，12.通气罩，13.转子，14.射流通道，15.磁力传动件，16.托盘，17.混合器电机，18.分布管，19.智能控制仪，20.排气电磁阀，21.进料阀，22.进气电磁阀，23.压力传感器，24.配气室。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步详细的描述：
如图1、图2、图3、图4所示，本实用新型的气体闭路循环式生化反应器包括压力传感器口1、通气口2、进料口3，手孔或人孔5、固定支架6、夹套7、导气管8及罐体等，其特征在于反应器上还装有消声除沫气管罩4、自吸气液混合强化器9和压力控制装置，所述的消声除沫气管罩4安装在导气管8顶端，顶端高度超出罐内液面位置一段距离，吸气开口朝下，其目的就是减除吸气过程导气管8中产生的箫叫声和发酵过程产生的泡沫。消声除沫气管罩4与导气管8通过固定支架6一起固定于罐体壁面。所述的自吸气液混合强化器9，安装于反应器底部中央，它主要包括通气罩12、转子13、射流通道14、磁力传动件15、底部托盘16、混合器电机17及分布管18，射流通道14为12个，分布管18与射流通道14个数相同。转子13配合射流通道14高速运转，转子13与混合器电机17的连接方式采用磁力传动，永磁铁偶合力强，不留转，可以彻底解决下伸轴的泄漏问题和防止污染杂菌。自吸气液混合强化器9的射流通道14连接圆柱形分布管18，分布管18的进口方向在射流通道14的中心线上，射流通道14排出气液混合液经分布管18改变方向后形成良好的循环混合效果。所述的压力控制装置包括智能控制仪19、排气电磁阀20、进气电磁阀22、压力传感器23及配气室24。进气管与出气管由罐顶同一管口接出，互成三通结构。其主要功能是在给反应器通换气的同时为反应器提供一稳定的压力环境，增大气相在液相中的溶解度。
本实用新型的罐体可以为耐高压容器，罐顶部同时设有安全阀、爆破膜等安全防护装置。视反应条件的需要在罐体外部增设不同类型的温控装置，如循环水夹套或电加热保温层等。
本实用新型的工作原理如下：启动自吸气液混合强化器，转子高速旋转促使液流激烈湍动，使转子周围的动能增加而位能减少，从而转子周围高动能的液体压力低于转子中心低动能的液体压力，形成负压状态，反应器顶部空间气体通过导气管，再经转子气孔被分散于液体中。液体从自吸气液混合强化器的上部空间吸入，在叶轮的推动力下经射流通道和分布管喷射入液体中。由于水流喷射极强，气体分割成众多细小气泡，分散后的气泡自动上浮与液相充分接触进行气液交换，再浮出液面回到气相中。这样通过自吸气液混合强化器不断的从反应器顶部空间引入气体，并被搅拌分散，周而复始，形成均匀的气液混合体系。
通过自吸气液混合强化器和压力控制装置操作条件的组合优化，本实用新型可为微生物吸收固定一氧化碳、二氧化碳、氢气、甲烷等气体的生长代谢过程提供良好而满意的环境。
对比例1：
采用有效容积为20L的普通机械搅拌罐进行厌氧发酵法固定CO2生产丁二酸。葡萄糖浓度(10～20g/L)的情况下经过78小时的发酵，产物生产浓度达到40g/L左右，丁二酸转化率达到了50％以上，CO2用气量为2.1kg。而采用本实用新型的15L气体闭路循环式生化反应器，在发酵时间46小时，产物生产浓度已达到60g/L左右，丁二酸转化率达到了87％以上，CO2用气量仅为0.35kg。通过实验测试表明：气体闭路循环式生化反应器其气体有效转传输率能达到1.5～1.8kg/kw.h，为传统的通分搅拌系统的1.2～1.5倍，节约能耗50％左右，CO2气体消耗量降低了近84％。

Claims (6)

1、一种气体闭路循环式生化反应器，它包括压力传感器口(1)、通气口(2)、进料口(3)，手孔或人孔(5)、固定支架(6)、夹套(7)、导气管(8)及罐体，其特征在于反应器上还装有消声除沫气管罩(4)、自吸气液混合强化器(9)和压力控制装置，所述的消声除沫气管罩(4)安装在导气管(8)顶端，所述的自吸气液混合强化器(9)安装在反应器底部中央，所述的压力控制装置通过压力传感器(23)与反应器顶部空间相连。
2、根据权利要求1所述的气体闭路循环式生化反应器，其特征在于所述的消声除沫气管罩(4)安装在导气管(8)顶端，顶端高度超出罐内液面位置，吸气开口朝下，消声除沫气管罩(4)与导气管(8)通过固定支架(6)一起固定于罐体壁面。
3、根据权利要求1所述的气体闭路循环式生化反应器，其特征在于所述的自吸气液混合强化器(9)主要包括通气罩(12)、转子(13)、射流通道(14)、磁力传动件(15)、底部托盘(16)、混合器电机(17)及分布管(18)，转子(13)配合射流通道(14)高速运转。
4、根据权利要求3所述的气体闭路循环式生化反应器，其特征在于所述的转子(13)与混合器电机(17)的连接方式采用磁力传动。
5、根据权利要求3所述的气体闭路循环式生化反应器，其特征在于所述的射流通道(14)可以自由连接分布管(18)，分布管(18)可根据反应器底部封头形状和循环混合要求设计成各种优势取向角度。
6、根据权利要求1所述的气体闭路循环式生化反应器，其特征在于所述压力控制装置包括智能控制仪(19)、排气电磁阀(20)、进气电磁阀(22)、压力传感器(23)及配气室(24)。
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