專(zhuān)利名稱(chēng)：一種帶有折流元件的生物反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生物反應(yīng)器，特別是一種帶有折流元件的生物反應(yīng)器。
當(dāng)代微生物培養(yǎng)的主要方向之一是菌體高密度培養(yǎng)和生產(chǎn)大型化。而供氧問(wèn)題和散熱問(wèn)題常常成為限制性因素。例如蘇云金芽胞桿菌液體深層發(fā)酵生產(chǎn)生物農(nóng)藥，在菌體增殖的高峰，每毫升發(fā)酵液中的菌體應(yīng)在100億個(gè)以上。雖然此時(shí)發(fā)酵液粘度不過(guò)5至10mPa·s，但供氧不足始終是影響其產(chǎn)量和質(zhì)量的一個(gè)基本因素。此外及時(shí)將大量代謝熱排走也是一個(gè)要解決的重要問(wèn)題。生物反應(yīng)器現(xiàn)仍多為機(jī)械攪拌式。雖經(jīng)多方面改進(jìn)，但由于固有的特征，仍存在能耗高、投資大、加工復(fù)雜、維修困難、攪拌軸密封處易漏氣染雜菌和難以大型化等缺點(diǎn)。氣升式反應(yīng)器無(wú)攪拌裝置，相對(duì)于攪拌式由于無(wú)菌空氣用量要成倍增加和大型化時(shí)傳熱性能下降等缺點(diǎn)也帶來(lái)許多操作上的困難，也嚴(yán)重制約了它的使用范圍?，F(xiàn)有氣升式反應(yīng)器的改進(jìn)有針對(duì)高粘度生物反應(yīng)體系(如CN86108918A、CN1056895A和CN2078322U)或使結(jié)構(gòu)復(fù)雜和要求反應(yīng)器高度很大(如CN2102931U和CN2099763U)。
本發(fā)明的目的是要解決現(xiàn)有氣升式生物反應(yīng)器存在的在菌體高密度培養(yǎng)過(guò)程中供氧和散熱不足等問(wèn)題，將攪拌式和氣升式優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，采取的措施是利用對(duì)氣—液—固多相流體混合和分散性能良好的新型折流元件來(lái)強(qiáng)化傳氧和傳熱過(guò)程，并使該反應(yīng)器易于制造和操作及適用范圍較廣泛。
本發(fā)明的帶有折流元件的生物反應(yīng)器包括上封頭、下封頭、氣體分布器、內(nèi)管、外管，以及封頭上開(kāi)有的進(jìn)氣口、出氣口、進(jìn)料口、出料口、接種口、補(bǔ)料口及人孔，特別是內(nèi)管的設(shè)計(jì)包括一個(gè)長(zhǎng)管或2-6個(gè)同心的短管。每個(gè)短管同由定距板固定，在長(zhǎng)管或短管內(nèi)裝有折流元件、外管的高度與內(nèi)徑之比在2.5～25之間；內(nèi)管總高度與外管內(nèi)徑之比在3～30之間；內(nèi)管的橫截面積和內(nèi)管與外管之間的環(huán)隙面積之比在0.3～9之間。
所述內(nèi)管采用2-6個(gè)同心的短管時(shí)，短管的數(shù)目和每個(gè)短管的長(zhǎng)度應(yīng)根據(jù)內(nèi)管的總長(zhǎng)度和具體的生物反應(yīng)體系確定。每個(gè)短管的長(zhǎng)度為1～4米，相鄰兩短管的間距為0.01～0.5米，間距由定距板固定。最上面的短管的頂端沿圓周可開(kāi)有2～10個(gè)缺口；還可以在缺口的下面沿圓周再鉆1～5排小孔以增加操作彈性，孔的直徑在0.005～0.1米之間，相鄰孔的中心距與孔的直徑之比在1.2～5之間，孔的形狀還可以是長(zhǎng)方形或三角形。
內(nèi)管6的短管帶有0-6個(gè)夾套式換熱器，夾套內(nèi)可安裝有螺旋上升式導(dǎo)流板或圓鋼。裝有折流元件4的短管并帶有夾套式換熱器3時(shí)，還可提高它的傳熱能力。
本發(fā)明所述短管內(nèi)裝有的折流元件4是由許多很窄的上面設(shè)有1～5排小孔的板條有序交叉組合形成的；板條寬度在0.005～0.2米之間，孔徑在0.002～0.1米之間，開(kāi)孔率在0.05～0.5之間，板條與內(nèi)管軸向夾角α在20°～70°之間；單個(gè)折流元件的長(zhǎng)度與內(nèi)管的內(nèi)徑之比在0.3至3之間；板條之間的固定采用焊接或其它方式。折流元件的固定可以靠折流元件與內(nèi)管壁面之間的摩擦力，和/或再用焊接方式加固其與內(nèi)管的聯(lián)接。
本發(fā)明的帶有折流元件的生物反應(yīng)器中所述的外管上還可以設(shè)有夾套式換熱器7；夾套內(nèi)可裝有螺旋上升形導(dǎo)流板或圓鋼，夾套也可以是由焊接在外壁上的螺旋上升形半圓管形成；夾套的外壁接有進(jìn)水管和出水管；外管外壁接有內(nèi)管夾套的進(jìn)水管14和出水管11；根據(jù)需要外管的外壁還可接有取樣管等。
本發(fā)明中所述內(nèi)管6中還可以裝有螺旋片式折流元件，或與本發(fā)明的折流元件交錯(cuò)使用；折流元件可以連續(xù)安裝或間斷安裝；相鄰折流元件可呈任意角度或方向排布。
本發(fā)明的帶有折流元件的生物反應(yīng)器可解決現(xiàn)有氣升式生物反應(yīng)器存在的在菌體高密度培養(yǎng)過(guò)程中供氧和散熱不足等問(wèn)題，將氣升式和攪拌式反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合。利用對(duì)氣—液—固多相流體混合和分散性能良好的新型折流元件來(lái)強(qiáng)化傳氧和傳熱過(guò)程，顯著降低了發(fā)酵成本，投資少，操作過(guò)程簡(jiǎn)便，不需要維修；節(jié)能、節(jié)水；且由于本發(fā)明的生物反應(yīng)器中沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，不容易染雜菌，制造較容易，不一定需要很高的廠(chǎng)房，因而也適用于對(duì)現(xiàn)有攪拌式生物反應(yīng)器和氣升式生物反應(yīng)器的改造。特別是由干本發(fā)明生物反應(yīng)器中采用了強(qiáng)化傳氧和傳熱過(guò)程的、對(duì)氣—液—固多相流體混合和分散性能良好的新型折流元件，使得本生物反應(yīng)器的適用范圍較廣泛，下僅適用于一般的發(fā)酵過(guò)程，還較適用于強(qiáng)化高粘度的發(fā)酵過(guò)程和強(qiáng)化需低通氣量的動(dòng)植物細(xì)胞的培養(yǎng)過(guò)程。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的描述。
附

圖1是本發(fā)明的帶有折流元件的生物反應(yīng)器的示意圖附圖2是附圖1中內(nèi)管的最上面短管的局部剖示圖；附圖3是附圖1中內(nèi)管的短管內(nèi)帶有的折流元件的剖示圖。
如附圖1所示的生物反應(yīng)器包括下封頭1、氣體分布器2，內(nèi)短管夾套式換熱器3，折流元件4，定距板5、內(nèi)管6，外管的夾套換熱器7，外管8，上封頭9，出氣口10，內(nèi)管夾套換熱器上的出水管11和進(jìn)水管14，外管夾套換熱器上的進(jìn)水管13和出水管12，進(jìn)氣口15以及出料口16。
附圖1中的內(nèi)管6是由上下兩個(gè)短管組成。下短管上帶有夾套式換熱器3，夾套內(nèi)是螺旋上升式導(dǎo)流板，短管內(nèi)裝有兩個(gè)折流元件4，兩折流元件的安裝方向完全相同且為連續(xù)安裝；可同時(shí)強(qiáng)化傳質(zhì)和傳熱并使反應(yīng)器內(nèi)的流體物性沿徑向均勻化。
附圖2是A的局部放大圖，表示上短管的頂部開(kāi)有的小孔6-2和缺口6-1。
附圖3表示的是沿板條4-1′所在平面B-B上的折流元件的剖面，該平面上每條板條上均開(kāi)有1排小孔。B-B平面與內(nèi)管的交線(xiàn)是一個(gè)橢圓。板條4-3′所在的平面與內(nèi)管的交線(xiàn)也是一個(gè)橢圓。這兩個(gè)橢圓完全相同。這兩個(gè)橢圓的短軸等于內(nèi)管的直徑。這兩個(gè)橢圓的長(zhǎng)軸等于內(nèi)管直徑除以Sinα的商。附圖3中的a-a線(xiàn)條即表示這兩個(gè)橢圓的交線(xiàn)位置。這兩個(gè)橢圓相交后，它們的短軸重合，附圖1中內(nèi)管軸線(xiàn)上的0點(diǎn)即是這兩個(gè)橢圓的交線(xiàn)的一個(gè)投影。如果將板條4-3′所在平面上的板條旋轉(zhuǎn)到附圖3所表示的B-B平面上，則正好將B-B平面上的板條組成的橢圓的空隙充滿(mǎn)，結(jié)果可形成一個(gè)完整的完全由板條組成的橢圓。板條4-2′所在平面上的板條和板條4-4′所在平面上的板條(基本上)分別是這個(gè)旋轉(zhuǎn)平面上的板條的左半部或右半部。同理板條4-5′所在平面上的板條和板條4-6′所在平面上的板條(基本上)分別是B-B平面上的板條的左半部或右半部。即組成本發(fā)明的折流元件的6個(gè)平面上的板條如果與內(nèi)管相交，則由各平面上的板條與內(nèi)管壁面相切的切點(diǎn)或切線(xiàn)決定的6個(gè)橢圓是同一尺寸的橢圓。
板條4-2′所在平面的板條、板條4-3′所在平面的板條和板條4-4′所在平面的板條相互平行并與板條4-1′所在的平面B-B相交，當(dāng)α＝45°時(shí)且為正交。同理，板條4-1′所在平面的板條、板條4-5′所在平面的板條和板條4-6′所在平面的板條相互平行并與板條4-3′所在的平面相交，當(dāng)α＝45°時(shí)且為正交。
從附圖1中看，由板條4-2′所在平面上的板條及相鄰板條4-5′所在平面上的板條和它們對(duì)面的板條4-4′所在平面上的板條及板條4-6′所在平面上的板條的投影是1個(gè)棱形。該棱形有兩個(gè)頂點(diǎn)分別與內(nèi)管軸線(xiàn)相交。附圖1中內(nèi)管軸線(xiàn)上的a點(diǎn)和b點(diǎn)即是表示該棱形的這兩個(gè)交點(diǎn)。當(dāng)α＝45°時(shí)該棱形的4個(gè)棱角均是90°采用如附圖1所示的帶有折流元件的高效環(huán)流生物反應(yīng)器用作發(fā)酵罐培養(yǎng)蘇云金芽胞桿菌以生產(chǎn)生物農(nóng)藥。其公稱(chēng)容積為20m3，外管直徑2m，高度7m，裝料系數(shù)0.65，通風(fēng)比為0.7(v、v、m)。內(nèi)管高度為4.4m，內(nèi)管的橫截面積和內(nèi)管與外管之間的環(huán)隙面積之比為1∶1，內(nèi)管上面的短管的長(zhǎng)度為2.1m，下面的短管的長(zhǎng)度為2.1m，兩短管的間矩為0.2m，上短管的頂端沿圓周開(kāi)有6個(gè)長(zhǎng)方形缺口，缺口下面沿圓周還鉆有86個(gè)小孔，小孔孔徑為0.01m，相鄰孔的中心矩與孔的直徑之比為3；下短管上帶有夾套式換熱器，夾套內(nèi)設(shè)有螺旋上升式導(dǎo)流板；上述的折流元件4，是由許多很窄的上面設(shè)有1排小孔的板條有序交叉組合形成的；極條寬度為0.06米，孔徑為0.02米 開(kāi)孔率為0.15。板條與內(nèi)管軸向夾角α為45°單個(gè)折流元件的長(zhǎng)度與內(nèi)管的內(nèi)徑之比為1、板條之間的固定采用焊接；折流元件的固定可以采用焊接方式以加固其與內(nèi)管的聯(lián)接。
與培養(yǎng)蘇云金芽胞桿菌常用的公稱(chēng)容積20立方米的帶有機(jī)械攪拌的發(fā)酵罐培養(yǎng)蘇云金芽胞桿菌的結(jié)果相比，二者幾乎完全相同。由于二者工藝條件也相同，但本發(fā)明的反應(yīng)器沒(méi)有機(jī)械攪拌裝置，完全省去了35千W的攪拌功率，故發(fā)酵能耗下降了約40％和節(jié)約冷卻水約25％，顯著降低了發(fā)酵成本，投資省。操作簡(jiǎn)便且不需要維修。
權(quán)利要求
1.一種帶有折流元件的生物反應(yīng)器，它包括上封頭、下封頭、氣體分布器、內(nèi)管、外管、以及封頭上開(kāi)有的進(jìn)氣口、出氣口、進(jìn)料口、出料口、接料口、補(bǔ)料口及人孔，其特征是內(nèi)管的設(shè)計(jì)包括一個(gè)長(zhǎng)管或2-6個(gè)同心的短管，每個(gè)短管間由定矩板固定，且長(zhǎng)管或短管內(nèi)裝有折流元件；外管的高度與內(nèi)徑之比在2.5～25之間，內(nèi)管總高度與外管內(nèi)徑之比在3～30之間，內(nèi)管的橫截面積和內(nèi)管與外管之間的環(huán)隙面積之比在0.3～9之間。
2.如權(quán)利要求1的生物反應(yīng)器，其特征是所述內(nèi)管采用2-6個(gè)同心的短管時(shí)，短管的數(shù)目和每個(gè)短管的長(zhǎng)度應(yīng)根據(jù)內(nèi)管的總長(zhǎng)度和具體的生物反應(yīng)體系確定；每個(gè)短管的長(zhǎng)為1～4米，相鄰兩短管的間距為0.01～0.5米，間距由定距板固定。
3.如權(quán)利要求1的生物反應(yīng)器，其特征是最上面的短管的頂端沿圓周開(kāi)有2～10個(gè)缺口。
4.如權(quán)利要求1的生物反應(yīng)器，其特征是在缺口的下面沿圓周再鉆1～5排小孔以增加操作彈性，孔的直徑在0.005～0.1米之間，相鄰孔的中心距與孔的直徑之比在1.2～5之間。
5.如權(quán)利要求1的生物反應(yīng)器，其特征是孔的形狀是長(zhǎng)方形或三角形。
6.如權(quán)利要求1的生物反應(yīng)器，其特征是內(nèi)管的短管帶有0～6個(gè)夾套式換熱器；所述的外管上也設(shè)有夾套式換熱器。
7.如權(quán)利要求6的生物反應(yīng)器，其特征是夾套內(nèi)安裝有螺旋上升式導(dǎo)流板或圓鋼。
8.如權(quán)利要求6的生物反應(yīng)器，其特征是夾套式換熱器可由直接焊在外壁上的螺旋上升形半圓管替代。
9.如權(quán)利要求1的生物反應(yīng)器，其特征是所述短管內(nèi)裝有的折流元件是由許多很窄的上面設(shè)有1～5排小孔的板條有序交叉組合形成的；板條寬度在0.005～0.2米之間，孔徑在0.002～0.1米之間，開(kāi)孔率在0.05～0.5之間，板條與內(nèi)管軸向夾角α在20°-70°之間，單個(gè)折流元件的長(zhǎng)度與內(nèi)管的內(nèi)徑之比在0.3～3之間；板條之間的固定采用焊接；折流元件的固定靠折流元件與內(nèi)管壁面之間的摩擦力，和/或用焊接方式從加固其與內(nèi)管的聯(lián)接。
10.如權(quán)利要求1的生物反應(yīng)器，其特征是所述內(nèi)管中裝有螺旋片式折流元件，或與本發(fā)明的折流元件交錯(cuò)使用折流元件連續(xù)安裝或間斷安裝；相鄰折流元件呈任意角度或方向排布。
全文摘要
本發(fā)明為一種帶有折流元件的內(nèi)環(huán)流氣升式生物反應(yīng)器。本發(fā)明的主要目的在于解決了現(xiàn)有好氧型氣升式生物反應(yīng)器在低氣速時(shí)氣液傳質(zhì)性能較差和在高氣速時(shí)操作性能較差,特別是帶有一般結(jié)構(gòu)的折流元件的氣升式生物反應(yīng)器在提高低粘度生物反應(yīng)系的氣液傳質(zhì)性能時(shí)效果不顯著或需要?dú)馍缴锓磻?yīng)器的總高度很大等問(wèn)題。本發(fā)明的技術(shù)特點(diǎn)是在內(nèi)管內(nèi)裝有對(duì)氣—液—固多相流體具有良好的混合和分散性能的新型折流元件;內(nèi)外管均可以兼作夾套式換熱器;內(nèi)管可以由多個(gè)同心的短管串聯(lián)而成。
文檔編號(hào)C12M1/04GK1186853SQ9810007
公開(kāi)日1998年7月8日 申請(qǐng)日期1998年1月22日 優(yōu)先權(quán)日1998年1月22日
發(fā)明者楊建州, 張洪勛, 莊亞輝 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心