專(zhuān)利名稱：采用膜管曝氣的外循環(huán)氣升式反應(yīng)器的制作方法
采用膜管曝氣的外循環(huán)氣升式反應(yīng)器技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于外循環(huán)氣升式反應(yīng)器領(lǐng)域，涉及一種采用膜管曝氣的外循環(huán)氣升式反應(yīng)器。
背景技術(shù)：
氣升式反應(yīng)器主要分成兩大類(lèi)，即內(nèi)循環(huán)氣升式反應(yīng)器和外循環(huán)氣升式反應(yīng)器。兩種反應(yīng)器主要是根據(jù)不同的流體循環(huán)路徑來(lái)區(qū)分的。當(dāng)在升流區(qū)內(nèi)曝氣，由于升、降流區(qū)內(nèi)空氣含率不同造成的表觀流體密度的差異，最終導(dǎo)致流體在反應(yīng)器外循環(huán)。外循環(huán)氣升式反應(yīng)器可看成是由兩個(gè)氣液鼓泡床以及兩者頂部與底部連接部分組成。
氧在水中的溶解度較低，常溫常壓下，純水中氧的溶解度為0.2mmol/L，在發(fā)酵液中的溶解度則更低。而在發(fā)酵過(guò)程發(fā)酵液中氧氣濃度是限制微生物生長(zhǎng)和代謝的重要因素，所以生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)對(duì)其傳質(zhì)性能要求較高。特別是隨著反應(yīng)器體積的增大，其內(nèi)部各區(qū)域的局部氣含率及傳質(zhì)性能將成為反應(yīng)器設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。氧傳遞的強(qiáng)化在生物發(fā)酵過(guò)程中十分重要，尤其在高密度發(fā)酵中氧的傳遞常常成為限制性因素。
單位體積發(fā)酵液每小時(shí)的耗氧量，一般為25-lOOmmol/ (L*h)。谷氨酸發(fā)酵18h耗氧速率為51mmol/(L*h)，同一類(lèi)微生物的耗氧速率還受溫度、發(fā)酵液成分和濃度的影響，如當(dāng)供氧不足，葡萄糖濃度為1%時(shí)，酵母的耗氧速率為15-18mmol/(L*h)，而供氧充足，葡萄糖濃度為15%時(shí)，耗氧速率則達(dá)342-396mmol/(L*h)。所以提高反應(yīng)器傳質(zhì)性能可以大大提高微生物發(fā)酵好氧速率，提高生產(chǎn)菌的生長(zhǎng)、代謝速率。在實(shí)際的攪拌槳發(fā)酵罐發(fā)酵過(guò)程中，通常是利用攪拌槳來(lái)提高混合效果和提高傳質(zhì)效果，然而，攪拌槳的能耗很大，其能夠占到總能耗的1/3。
采用納米孔徑的膜管進(jìn)行曝氣，一方面由于產(chǎn)生的氣泡直徑較小，比表面積較小，導(dǎo)致氣液接觸面積較大。另一方面，小氣泡能夠隨著液體流動(dòng)進(jìn)入降流區(qū)，提高降流區(qū)的溶氧濃度。所以采用膜管布?xì)獾玫降捏w積傳質(zhì)系數(shù)要大于一般噴嘴式和孔板式。這樣既可以節(jié)約能源，也可以提高氣液反應(yīng)器的傳質(zhì)。
采用膜管曝氣是一種技術(shù)手段，相比于噴嘴式或孔板式，采用膜管曝氣的優(yōu)勢(shì)在于傳質(zhì)性能好、能耗低、適應(yīng)性大、經(jīng)濟(jì)性好等，但目前尚未有將膜管應(yīng)用于外循環(huán)氣升式反應(yīng)器的報(bào)道。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種采用膜管曝氣的外循環(huán)氣升式反應(yīng)器，解決現(xiàn)有的外循環(huán)氣升式反應(yīng)器中采用噴嘴式和孔板式布?xì)獾玫降捏w積傳質(zhì)系數(shù)較低，不利于好氧微生物發(fā)酵、限制菌體生長(zhǎng)、代謝的問(wèn)題。
本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):采用膜管曝氣的外循環(huán)氣升式反應(yīng)器，包括外循環(huán)氣升式反應(yīng)器，所述的外循環(huán)氣升式反應(yīng)器的上升區(qū)和下降區(qū)內(nèi)分別設(shè)置具有多個(gè)扇形板翅換熱片的板翅式換熱器一和板翅式換熱器二 ；板翅式換熱器一上端有蒸汽進(jìn)口和冷卻水出口法蘭一，下端有蒸汽冷凝水出口和冷卻水進(jìn)口法蘭一，其中，蒸汽進(jìn)口和冷卻水出口法蘭一通過(guò)環(huán)管一把扇形的板翅換熱片連成一個(gè)整體，蒸汽冷凝水出口和冷卻水進(jìn)口法蘭一通過(guò)環(huán)管二把扇形的板翅換熱片連成一個(gè)整體；板翅式換熱器二上端有蒸汽進(jìn)口和冷卻水出口法蘭二，下端有蒸汽冷凝水出口和冷卻水進(jìn)口法蘭二，其中，蒸汽進(jìn)口和冷卻水出口法蘭二通過(guò)環(huán)管三把扇形的板翅換熱片連成一個(gè)整體，蒸汽冷凝水出口和冷卻水進(jìn)口法蘭二通過(guò)環(huán)管四把扇形的板翅換熱片連成一個(gè)整體；所述的攪拌式反應(yīng)器的底部裝有氣體分布器，氣體分布器上連接有多根具有納米級(jí)孔徑的膜管。所述的氣體分布器和膜管之間為螺紋連接。所述的板翅式換熱器一與外循環(huán)氣升式反應(yīng)器之間為活動(dòng)連接。所述的活動(dòng)連接為支撐件一和螺栓相連接。所述的板翅式換熱器二與外循環(huán)氣升式反應(yīng)器之間為活動(dòng)連接。所述的活動(dòng)連接為支撐件二和螺栓相連接。采用上述技術(shù)方案的積極效果:本發(fā)明將膜管應(yīng)用于外循環(huán)氣升式反應(yīng)器，利用膜管的納米級(jí)孔徑，使得從膜管中逸出的氣泡直徑小，數(shù)量多，克服了噴嘴式和板孔式分布器氣泡較大，使得傳質(zhì)性能大大提高，有利于對(duì)發(fā)酵液中溶氧的控制；另外，膜管與氣體分布器之間是通過(guò)螺紋來(lái)連接的，可以大大方便拆卸檢修。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意 圖2是圖1中A-A向和B-B向的俯視圖。圖中，I外循環(huán)氣升式反應(yīng)器，2板翅式換熱器一，3蒸汽進(jìn)口和冷卻水出口法蘭一，4環(huán)管一，5支撐件一，6蒸汽冷凝水出口和冷卻水進(jìn)口法蘭一，7環(huán)管二，8蒸汽進(jìn)口和冷卻水出口法蘭二，9環(huán)管三，10板翅式換熱器二，11支撐件二，12蒸汽冷凝水出口和冷卻水進(jìn)口法蘭二，13環(huán)管四，14氣體分布器，15膜管。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例和對(duì)比例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的說(shuō)明，但不應(yīng)理解為對(duì)發(fā)明的限制:
實(shí)施例1
圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是圖1中A-A向和B-B向的俯視圖，結(jié)合圖1、圖2所示，采用膜管曝氣的外循環(huán)氣升式反應(yīng)器，包括外循環(huán)氣升式反應(yīng)器I，外循環(huán)氣升式反應(yīng)器I的上升區(qū)和下降區(qū)內(nèi)分別設(shè)置具有多個(gè)扇形板翅換熱片的板翅式換熱器一2和板翅式換熱器二 10，扇形板翅換熱片用于交換熱量，圖1所示的為具有兩個(gè)上升區(qū)的外循環(huán)氣升式反應(yīng)器。板翅式換熱器一 2上端有蒸汽進(jìn)口和冷卻水出口法蘭一 3，下端有蒸汽冷凝水出口和冷卻水進(jìn)口法蘭一 6，其中，蒸汽進(jìn)口和冷卻水出口法蘭一 3通過(guò)環(huán)管一 4把扇形的板翅換熱片連成一個(gè)整體，蒸汽冷凝水出口和冷卻水進(jìn)口法蘭一 6通過(guò)環(huán)管二 7把扇形的板翅換熱片連成一個(gè)整體，便于蒸汽或者冷卻水的流動(dòng)。板翅式換熱器二 10上端有蒸汽進(jìn)口和冷卻水出口法蘭二 8，下端有蒸汽冷凝水出口和冷卻水進(jìn)口法蘭二 12，其中，蒸汽進(jìn)口和冷卻水出口法蘭二 8通過(guò)環(huán)管三9把扇形的板翅換熱片連成一個(gè)整體，蒸汽冷凝水出口和冷卻水進(jìn)口法蘭二 12通過(guò)環(huán)管四13把扇形的板翅換熱片連成一個(gè)整體，便于蒸汽或者冷卻水的流動(dòng)。外循環(huán)氣升式反應(yīng)器I的底部裝有氣體分布器14，氣體分布器14上連接有多根具有納米級(jí)孔徑的膜管15。氣體分布器14用于曝氣，和打氣裝置相連接，氣體從膜管15的納米級(jí)孔徑中逸出，加大發(fā)酵液中的溶氧。
為了方便拆卸檢修，氣體分布器14和膜管15之間為螺紋連接，同時(shí)，板翅式換熱器一 2與外循環(huán)氣升式反應(yīng)器I之間為活動(dòng)連接，只要能夠?qū)崿F(xiàn)便于拆裝的活動(dòng)連接均可，本實(shí)施例中板翅式換熱器一 2與外循環(huán)氣升式反應(yīng)器I為支撐件一 5和螺栓相連接。同理，板翅式換熱器二 10與外循環(huán)氣升式反應(yīng)器I之間也為活動(dòng)連接，為支撐件二 11和螺栓相連接。
當(dāng)需要時(shí)，蒸汽從板翅式換熱器一 2和板翅式換熱器二 10的上端的蒸汽進(jìn)口進(jìn)入，通過(guò)環(huán)管一 4和環(huán)管三9到達(dá)板翅式換熱器一 2和板翅式換熱器二 10的板翅換熱片，交換熱量后進(jìn)入環(huán)管二 7和環(huán)管四13，然后從下端的蒸汽冷凝水出口排出；當(dāng)需要冷卻時(shí)，冷卻水從板翅式換熱器一 2和板翅式換熱器二 10的下端的冷卻水進(jìn)口進(jìn)入，通過(guò)環(huán)管二 7和環(huán)管四13到達(dá)板翅式換熱器一 2和板翅式換熱器二 10的板翅換熱片，交換熱量后進(jìn)入環(huán)管一 4和環(huán)管三9，然后從上端的冷卻水出口排出。同時(shí)，氣體經(jīng)過(guò)氣體分布器8后，從膜管9的納米級(jí)孔徑中逸出，由于膜管9的納米級(jí)孔徑，使得產(chǎn)生的氣泡直徑小，數(shù)量多，克服了噴嘴式和板孔式分布器氣泡較大，使得傳質(zhì)性能大大提高，有利于對(duì)發(fā)酵液中溶氧的控制。
實(shí)施例2本實(shí)施例用于說(shuō)明利用10 m3的反應(yīng)器采用膜管曝氣方式發(fā)酵生產(chǎn)L-賴氨酸的方法。
首先進(jìn)行培養(yǎng)基滅菌，開(kāi)啟攪拌電機(jī)，轉(zhuǎn)速在lOOr/min，使發(fā)酵液受熱均勻。當(dāng)溫度升到95度以上即可停止攪拌。再進(jìn)行空氣過(guò)濾器和空氣管道的滅菌，稍開(kāi)過(guò)濾器和排水閥，從而保證空氣管道滅菌。最后出料口、采樣閥、蒸汽閥門(mén)以及出口閥稍開(kāi)，保證該管路滅菌。
發(fā)酵培養(yǎng)與結(jié)果:按10%的接種量將產(chǎn)L-賴氨酸的大腸桿菌(購(gòu)買(mǎi)自CGMCC，菌種保藏編號(hào)為CGMCC1.0281)接入裝有5 m3發(fā)酵培養(yǎng)基的10 m3采用膜管進(jìn)行曝氣的攪拌式反應(yīng)器中(1L發(fā)酵培養(yǎng)基含:葡萄糖2(T40 g/L，(NH4)2SO4 1.5 1.8 g，KH2PO4 1.2 g，玉米漿Γ2 g，L-蘇氨酸0.2 0.4 g)，通氣量為200 250 m3/h，攪拌轉(zhuǎn)速100 200 r/min，發(fā)酵溫度35 37 V，流加氨水以控制pH在6.5 6.8，每隔2 4 h檢測(cè)殘?zhí)菨舛?，并流?00 g/L的葡萄糖，維持殘?zhí)菨舛仍?(T15 g/L,發(fā)酵結(jié)束前Γ5 h，停止流加糖液，當(dāng)殘?zhí)墙抵? 7g/L時(shí)，即發(fā)酵結(jié)束，整個(gè)發(fā)酵周期約72 h。發(fā)酵過(guò)程中，氣體經(jīng)過(guò)氣體分布器8后，從膜管9的納米級(jí)孔徑中逸出，從出口閥通入大氣中。在發(fā)酵高峰期將進(jìn)氣量提高至最大，使得氧的溶解度能夠達(dá)到3-4ppm，但需要注意的是，因?yàn)榘l(fā)酵過(guò)程中是手動(dòng)控制罐壓的，所以在調(diào)節(jié)空氣流量時(shí)，須同時(shí)調(diào)節(jié)出口閥，從而使得罐壓恒定大于0.03Mpa。
對(duì)比常規(guī)的反應(yīng)器不具備膜管曝氣結(jié)構(gòu)，而其他的結(jié)構(gòu)與本發(fā)明反應(yīng)器相同，由鎮(zhèn)江東方生物工程設(shè)備技術(shù)有限責(zé)任公司制造， 反應(yīng)器大小10m3，發(fā)酵方式和培養(yǎng)基和本實(shí)施例一致。通過(guò)發(fā)酵結(jié)果如下:本發(fā)明的反應(yīng)器采用膜管曝氣得到的溶氧為4.3ppm，對(duì)比常規(guī)反應(yīng)器的溶氧數(shù)據(jù)為2.6ppm。由上述數(shù)據(jù)可以看出，本發(fā)明的采用膜管曝氣的反應(yīng)器，其提高了溶氧濃度，提高了反應(yīng)器總體傳質(zhì)系數(shù)。
實(shí)施例3本實(shí)施例用于說(shuō)明利用50 m3反應(yīng)器采用膜管曝氣方式發(fā)酵生產(chǎn)檸檬酸的方法。
首先進(jìn)行培養(yǎng)基滅菌，開(kāi)啟攪拌電機(jī)，轉(zhuǎn)速在100r/min，使發(fā)酵液受熱均勻。當(dāng)溫度升到95度以上即可停止攪拌。再進(jìn)行空氣過(guò)濾器和空氣管道的滅菌，稍開(kāi)過(guò)濾器和排水閥，從而保證空氣管道滅菌。最后出料口、采樣閥、蒸汽閥門(mén)以及出口閥稍開(kāi)，保證該管路滅菌。
發(fā)酵培養(yǎng)與結(jié)果:按10%的接種量將產(chǎn)檸檬酸黑曲霉(購(gòu)買(mǎi)自CGMCC，黑曲霉的保藏編號(hào)為CGMCC5343)接入裝有35m3發(fā)酵培養(yǎng)基的50m3的采用膜管進(jìn)行曝氣的反應(yīng)器中(1L發(fā)酵培養(yǎng)基含:薯干5(T70 g，α-淀粉酶80 U/g原料，(NH4)2SO4 45 65 g)，通氣量為2500^4000 m3/h，攪拌轉(zhuǎn)速100 150 r/min，發(fā)酵溫度28 30 °C，整個(gè)發(fā)酵周期約65 h。發(fā)酵過(guò)程中，氣體經(jīng)過(guò)氣體分布器8后，從膜管9的納米級(jí)孔徑中逸出，從出口閥通入大氣中。在發(fā)酵高峰期將進(jìn)氣量提高至最大，使得氧的溶解度能夠達(dá)到3-4ppm，但需要注意的是，因?yàn)榘l(fā)酵過(guò)程中是手動(dòng)控制罐壓的，所以在調(diào)節(jié)空氣流量時(shí)，須同時(shí)調(diào)節(jié)出口閥，從而使得罐壓恒定大于0.03Mpa。
對(duì)比常規(guī)的反應(yīng)器不具備膜管曝氣結(jié)構(gòu)，而其他的結(jié)構(gòu)與本發(fā)明反應(yīng)器相同，由鎮(zhèn)江東方生物工程設(shè)備技術(shù)有限責(zé)任公司制造，反應(yīng)器大小50m3，發(fā)酵方式和培養(yǎng)基和本實(shí)施例一致。通過(guò)發(fā)酵結(jié)果如下:本發(fā)明的反應(yīng)器采用膜管曝氣得到的溶氧為3.9ppm，對(duì)比常規(guī)反應(yīng)器的溶氧數(shù)據(jù)為2.3ppm。由上述數(shù)據(jù)可以看出，本發(fā)明的采用膜管曝氣的反應(yīng)器，其提高了溶氧濃度，提高了反應(yīng)器總體傳質(zhì)系數(shù)。
實(shí)施例4 本實(shí)施例用于說(shuō)明利用20 m3反應(yīng)器采用膜管曝氣方式發(fā)酵生產(chǎn)AM的方法。
首先進(jìn)行培養(yǎng)基滅菌，開(kāi)啟攪拌電機(jī)，轉(zhuǎn)速在lOOr/min，使發(fā)酵液受熱均勻。當(dāng)溫度升到95度以上即可停 止攪拌。再進(jìn)行空氣過(guò)濾器和空氣管道的滅菌，稍開(kāi)過(guò)濾器和排水閥，從而保證空氣管道滅菌。最后出料口、采樣閥、蒸汽閥門(mén)以及出口閥稍開(kāi)，保證該管路滅菌。
發(fā)酵培養(yǎng)與結(jié)果:按10%的接種量將產(chǎn)ALA的高山被孢霉(菌株代號(hào)為ME-AA01，購(gòu)自于中國(guó)工業(yè)微生物菌種保藏管理中心)接入裝有12m3發(fā)酵培養(yǎng)基的20m3的采用膜管進(jìn)行曝氣的反應(yīng)器中(發(fā)酵培養(yǎng)基成分為80g/L葡萄糖，20g/L酵母粉，500mg/L磷酸鹽，添力口 500mg/L谷氨酸鈉鹽)，通氣量為400 500 m3/h，攪拌轉(zhuǎn)速100 150 r/min，發(fā)酵溫度28 30°C，整個(gè)發(fā)酵周期約180 h。發(fā)酵過(guò)程中，氣體經(jīng)過(guò)氣體分布器8后，從膜管9的納米級(jí)孔徑中逸出，從出口閥通入大氣中。在發(fā)酵高峰期將進(jìn)氣量提高至最大，使得氧的溶解度能夠達(dá)到3-4ppm，但需要注意的是，因?yàn)榘l(fā)酵過(guò)程中是手動(dòng)控制罐壓的，所以在調(diào)節(jié)空氣流量時(shí)，須同時(shí)調(diào)節(jié)出口閥，從而使得罐壓恒定大于0.03Mpa。
對(duì)比常規(guī)的反應(yīng)器不具備膜管曝氣結(jié)構(gòu)，而其他的結(jié)構(gòu)與本發(fā)明反應(yīng)器相同，由鎮(zhèn)江東方生物工程設(shè)備技術(shù)有限責(zé)任公司制造，反應(yīng)器大小20m3，發(fā)酵方式和培養(yǎng)基和本實(shí)施例一致。通過(guò)發(fā)酵結(jié)果如下:本發(fā)明的反應(yīng)器采用膜管曝氣得到的溶氧為4.1ppmji比常規(guī)反應(yīng)器的溶氧數(shù)據(jù)為2.5ppm。由上述數(shù)據(jù)可以看出，本發(fā)明的采用膜管曝氣的反應(yīng)器，其提高了溶氧濃度，提高了反應(yīng)器總體傳質(zhì)系數(shù)。
權(quán)利要求
1.一種采用膜管曝氣的外循環(huán)氣升式反應(yīng)器，包括外循環(huán)氣升式反應(yīng)器(1)，所述的外循環(huán)氣升式反應(yīng)器(I)的上升區(qū)和下降區(qū)內(nèi)分別設(shè)置具有多個(gè)扇形板翅換熱片的板翅式換熱器一(2)和板翅式換熱器二(10);板翅式換熱器一(2)上端有蒸汽進(jìn)口和冷卻水出口法蘭一(3 )，下端有蒸汽冷凝水出口和冷卻水進(jìn)口法蘭一(6 )，其中，蒸汽進(jìn)口和冷卻水出口法蘭一(3)通過(guò)環(huán)管一(4)把扇形的板翅換熱片連成一個(gè)整體，蒸汽冷凝水出口和冷卻水進(jìn)口法蘭一(6)通過(guò)環(huán)管二(7)把扇形的板翅換熱片連成一個(gè)整體；板翅式換熱器二(10)上端有蒸汽進(jìn)口和冷卻水出口法蘭二(8)，下端有蒸汽冷凝水出口和冷卻水進(jìn)口法蘭二( 12 )，其中，蒸汽進(jìn)口和冷卻水出口法蘭二( 8 )通過(guò)環(huán)管三(9 )把扇形的板翅換熱片連成一個(gè)整體，蒸汽冷凝水出口和冷卻水進(jìn)口法蘭二( 12)通過(guò)環(huán)管四(13)把扇形的板翅換熱片連成一個(gè)整體，其特征在于:所述的攪拌式反應(yīng)器(I)的底部裝有氣體分布器(14)，氣體分布器(8)上連接有多根具有納米級(jí)孔徑的膜管(15)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用膜管曝氣的外循環(huán)氣升式反應(yīng)器，其特征在于:所述的氣體分布器(14)和膜管(15)之間為螺紋連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用膜管曝氣的外循環(huán)氣升式反應(yīng)器，其特征在于:所述的板翅式換熱器一(2)與外循環(huán)氣升式反應(yīng)器(1)之間為活動(dòng)連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的采用膜管曝氣的外循環(huán)氣升式反應(yīng)器，其特征在于:所述的活動(dòng)連接為支撐件一(5)和螺栓相連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用膜管曝氣的外循環(huán)氣升式反應(yīng)器，其特征在于:所述的板翅式換熱器二(10)與外循環(huán)氣升式反應(yīng)器(I)之間為活動(dòng)連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的采用膜管曝氣的外循環(huán)氣升式反應(yīng)器，其特征在于:所述的活動(dòng)連接為支撐件二( 11)和螺栓相連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種采用膜管曝氣的外循環(huán)氣升式反應(yīng)器，包括外循環(huán)氣升式反應(yīng)器，所述的外循環(huán)氣升式反應(yīng)器的底部裝有氣體分布器，氣體分布器上連接有具有納米級(jí)孔徑的膜管。本發(fā)明將膜管應(yīng)用于外循環(huán)氣升式反應(yīng)器，利用膜管的納米級(jí)孔徑，使得從膜管中逸出的氣泡直徑小，數(shù)量多，克服了噴嘴式和板孔式分布器氣泡較大，使得傳質(zhì)性能大大提高，有利于對(duì)發(fā)酵液中溶氧的控制。
文檔編號(hào)C12M1/02GK103215180SQ201310166258
公開(kāi)日2013年7月24日 申請(qǐng)日期2013年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月7日
發(fā)明者韋策, 李干祿, 吳兵, 李暉, 陳可泉, 歐陽(yáng)平凱 申請(qǐng)人:南京工業(yè)大學(xué)