專利名稱：氣體閉路循環(huán)式生化反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于化工設(shè)備領(lǐng)域，涉及一種生化過程反應(yīng)裝置，更具體地說涉及一種氣體閉路循環(huán)式生化反應(yīng)器，該反應(yīng)器尤其適合于微生物學(xué)方法將氣體底物(H2、CO、CO2、O2、CH4等)吸收固定轉(zhuǎn)化成各種有用產(chǎn)品的生產(chǎn)過程。
背景技術(shù)：
在生化工業(yè)生產(chǎn)中，經(jīng)常遇到氣體在微生物細(xì)胞或酶催化劑的轉(zhuǎn)化作用下被吸收固定的生化反應(yīng)過程，如合成煤氣經(jīng)紅螺菌發(fā)酵生產(chǎn)乙醇、乙酸等產(chǎn)品的生產(chǎn)過程；甲烷氣體在甲烷氧化細(xì)菌轉(zhuǎn)化作用下生產(chǎn)甲醇的過程，等。要完成這種轉(zhuǎn)化過程，從目前的情況來看，通常在反應(yīng)釜內(nèi)采用氣體分布器通氣鼓泡或攪拌加鼓泡的方式來實(shí)行，但隨著應(yīng)用的日益深入，此類裝置已開始暴露出其諸多的技術(shù)弊端。
第一，其混合傳遞能力較差，影響到反應(yīng)速率和產(chǎn)品收率。此類以通氣鼓泡或攪拌加通氣鼓泡的氣液混合過程存在著氣泡分散率差、氣液相間傳遞能力低等問題。前面介紹的發(fā)酵系統(tǒng)利用的都是溶解度不大的氣體底物(H2、CO、CO2、CH4等)，與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動和代謝滿足生產(chǎn)要求，只有提高氣體底物在溶液中的溶解速率。傳統(tǒng)生產(chǎn)裝置通過增大氣體流量和加強(qiáng)機(jī)械攪拌強(qiáng)度來強(qiáng)化氣液間傳質(zhì)，但其所能達(dá)到的氣體溶解速率在一定程度上仍然難已滿足生化反應(yīng)過程的要求。
第二，氣體資源和動力能源損耗過高。傳統(tǒng)通氣鼓泡或攪拌加通氣鼓泡的反應(yīng)器其單位體積培養(yǎng)液消耗功率一般都大于1.0kw/M3，同時氣體資源的利用效率極低，多數(shù)情況下氣體資源不作循環(huán)使用，直接從排氣口排除。少數(shù)情況下稀有氣體、有毒氣體等的回收利用進(jìn)一步加大了動力能源的消耗和設(shè)備前期投資和維護(hù)費(fèi)用。
生化反應(yīng)器的設(shè)計和操作，是生化工程中一個極其重要的課題，它對產(chǎn)品的成本和質(zhì)量有很大影響，判斷其好壞的唯一標(biāo)準(zhǔn)是該反應(yīng)器能否適合工藝要求以取得最大的生產(chǎn)效率。因此，針對此類復(fù)雜生化過程合理地設(shè)計通氣攪拌設(shè)備，使之既能保證足夠的底物氣體供給，又盡可能節(jié)省能量，且不使微生物細(xì)胞或酶催化劑失活是提出的新問題。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題和不足，提供一種氣體資源能循環(huán)使用、氣液傳遞效率高的生化反應(yīng)過程裝置。
本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下本實(shí)用新型的氣體閉路循環(huán)式生化反應(yīng)器，它包括壓力傳感器口(1)、通氣口(2)、進(jìn)料口(3)，手孔或人孔(5)、固定支架(6)、夾套(7)、導(dǎo)氣管(8)及罐體，其反應(yīng)器上還裝有消聲除沫氣管罩(4)、自吸氣液混合強(qiáng)化器(9)和壓力控制裝置，所述的消聲除沫氣管罩(4)安裝在導(dǎo)氣管(8)頂端，所述的自吸氣液混合強(qiáng)化器(9)安裝在反應(yīng)器底部中央，所述的壓力控制裝置通過壓力傳感器(23)與反應(yīng)器頂部空間相連。本實(shí)用新型的氣體閉路循環(huán)式生化反應(yīng)器中所述的消聲除沫氣管罩(4)安裝在導(dǎo)氣管(8)頂端，頂端高度超出罐內(nèi)液面位置，吸氣開口朝下，消聲除沫氣管罩(4)與導(dǎo)氣管(8)通過固定支架(6)一起固定于罐體壁面；所述的自吸氣液混合強(qiáng)化器(9)主要包括通氣罩(12)、轉(zhuǎn)子(13)、射流通道(14)、磁力傳動件(15)、底部托盤(16)、混合器電機(jī)(17)及分布管(18)，轉(zhuǎn)子(13)配合射流通道(14)高速運(yùn)轉(zhuǎn)；所述的轉(zhuǎn)子(13)與混合器電機(jī)(17)的連接方式采用磁力傳動；所述的射流通道(14)可以自由連接各種形狀的分布管(18)，各種形狀的分布管(18)可根據(jù)反應(yīng)器底部封頭形狀和循環(huán)混合要求設(shè)計成各種優(yōu)勢取向角度；所述壓力控制裝置包括智能控制儀(19)、排氣電磁閥(20)、進(jìn)氣電磁閥(22)、壓力傳感器(23)及配氣室(24)。
本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比其有益效果是具有以下明顯優(yōu)點(diǎn)和積極進(jìn)步1)采用罐頂部壓氣方式進(jìn)氣，使得進(jìn)氣自由度大，反應(yīng)的壓力環(huán)境可以自主調(diào)節(jié)，壓力操作范圍也較大，有利于增大氣相在液相中的溶解度。
2)自吸氣液混合強(qiáng)化器具有自吸氣功能，其連接的導(dǎo)氣管設(shè)計在罐體內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)了氣體資源的循環(huán)利用，提高了氣體資源利用率，降低了成本。
3)采用本實(shí)用新型提出的氣體閉路循環(huán)式生化反應(yīng)器，由于氣液混合強(qiáng)化器能產(chǎn)生強(qiáng)烈的湍動、攪拌、剪切，氣泡直徑大幅度減小，氣泡數(shù)目增多，氣泡的比表面積增大，氣體分子更易從氣相轉(zhuǎn)移到液相，提高了氣體溶解速率。
4)在設(shè)計中選用了磁力傳動機(jī)構(gòu)，確保在高壓的情況下無泄漏，并克服了普通軸封機(jī)構(gòu)在長時間運(yùn)轉(zhuǎn)時發(fā)熱磨損的現(xiàn)象，無污染，噪音小。
5)采用了本實(shí)用新型提出的氣體閉路循環(huán)式生化反應(yīng)器的反應(yīng)過程，防止揮發(fā)性成分損失，也不致造成泡沫的飛濺。同時導(dǎo)氣管頂端裝配的消聲除沫氣管罩具有自動減除發(fā)酵過程產(chǎn)生的泡沫，合理地避免了消泡劑添加對發(fā)酵過程的影響。


圖1為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本實(shí)用新型的自吸氣液混合強(qiáng)化器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本實(shí)用新型的自吸氣液混合強(qiáng)化器的分布管結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為本實(shí)用新型的氣源壓力控制原理圖。
附圖中1.壓力傳感器口，2.通氣口，3.進(jìn)料口，4.消聲除沫氣管罩，5.手孔或人孔，6.固定支架，7.夾套，8.導(dǎo)氣管，9.自吸氣液混合強(qiáng)化器，10.支腿，11.四氟套，12.通氣罩，13.轉(zhuǎn)子，14.射流通道，15.磁力傳動件，16.托盤，17.混合器電機(jī)，18.分布管，19.智能控制儀，20.排氣電磁閥，21.進(jìn)料閥，22.進(jìn)氣電磁閥，23.壓力傳感器，24.配氣室。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的描述如圖1、圖2、圖3、圖4所示，本實(shí)用新型的氣體閉路循環(huán)式生化反應(yīng)器包括壓力傳感器口1、通氣口2、進(jìn)料口3，手孔或人孔5、固定支架6、夾套7、導(dǎo)氣管8及罐體等，其特征在于反應(yīng)器上還裝有消聲除沫氣管罩4、自吸氣液混合強(qiáng)化器9和壓力控制裝置，所述的消聲除沫氣管罩4安裝在導(dǎo)氣管8頂端，頂端高度超出罐內(nèi)液面位置一段距離，吸氣開口朝下，其目的就是減除吸氣過程導(dǎo)氣管8中產(chǎn)生的簫叫聲和發(fā)酵過程產(chǎn)生的泡沫。消聲除沫氣管罩4與導(dǎo)氣管8通過固定支架6一起固定于罐體壁面。所述的自吸氣液混合強(qiáng)化器9，安裝于反應(yīng)器底部中央，它主要包括通氣罩12、轉(zhuǎn)子13、射流通道14、磁力傳動件15、底部托盤16、混合器電機(jī)17及分布管18，射流通道14為12個，分布管18與射流通道14個數(shù)相同。轉(zhuǎn)子13配合射流通道14高速運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子13與混合器電機(jī)17的連接方式采用磁力傳動，永磁鐵偶合力強(qiáng)，不留轉(zhuǎn)，可以徹底解決下伸軸的泄漏問題和防止污染雜菌。自吸氣液混合強(qiáng)化器9的射流通道14連接圓柱形分布管18，分布管18的進(jìn)口方向在射流通道14的中心線上，射流通道14排出氣液混合液經(jīng)分布管18改變方向后形成良好的循環(huán)混合效果。所述的壓力控制裝置包括智能控制儀19、排氣電磁閥20、進(jìn)氣電磁閥22、壓力傳感器23及配氣室24。進(jìn)氣管與出氣管由罐頂同一管口接出，互成三通結(jié)構(gòu)。其主要功能是在給反應(yīng)器通換氣的同時為反應(yīng)器提供一穩(wěn)定的壓力環(huán)境，增大氣相在液相中的溶解度。
本實(shí)用新型的罐體可以為耐高壓容器，罐頂部同時設(shè)有安全閥、爆破膜等安全防護(hù)裝置。視反應(yīng)條件的需要在罐體外部增設(shè)不同類型的溫控裝置，如循環(huán)水夾套或電加熱保溫層等。
本實(shí)用新型的工作原理如下啟動自吸氣液混合強(qiáng)化器，轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)促使液流激烈湍動，使轉(zhuǎn)子周圍的動能增加而位能減少，從而轉(zhuǎn)子周圍高動能的液體壓力低于轉(zhuǎn)子中心低動能的液體壓力，形成負(fù)壓狀態(tài)，反應(yīng)器頂部空間氣體通過導(dǎo)氣管，再經(jīng)轉(zhuǎn)子氣孔被分散于液體中。液體從自吸氣液混合強(qiáng)化器的上部空間吸入，在葉輪的推動力下經(jīng)射流通道和分布管噴射入液體中。由于水流噴射極強(qiáng)，氣體分割成眾多細(xì)小氣泡，分散后的氣泡自動上浮與液相充分接觸進(jìn)行氣液交換，再浮出液面回到氣相中。這樣通過自吸氣液混合強(qiáng)化器不斷的從反應(yīng)器頂部空間引入氣體，并被攪拌分散，周而復(fù)始，形成均勻的氣液混合體系。
通過自吸氣液混合強(qiáng)化器和壓力控制裝置操作條件的組合優(yōu)化，本實(shí)用新型可為微生物吸收固定一氧化碳、二氧化碳、氫氣、甲烷等氣體的生長代謝過程提供良好而滿意的環(huán)境。
對比例1采用有效容積為20L的普通機(jī)械攪拌罐進(jìn)行厭氧發(fā)酵法固定CO2生產(chǎn)丁二酸。葡萄糖濃度(10～20g/L)的情況下經(jīng)過78小時的發(fā)酵，產(chǎn)物生產(chǎn)濃度達(dá)到40g/L左右，丁二酸轉(zhuǎn)化率達(dá)到了50％以上，CO2用氣量為2.1kg。而采用本實(shí)用新型的15L氣體閉路循環(huán)式生化反應(yīng)器，在發(fā)酵時間46小時，產(chǎn)物生產(chǎn)濃度已達(dá)到60g/L左右，丁二酸轉(zhuǎn)化率達(dá)到了87％以上，CO2用氣量僅為0.35kg。通過實(shí)驗(yàn)測試表明氣體閉路循環(huán)式生化反應(yīng)器其氣體有效轉(zhuǎn)傳輸率能達(dá)到1.5～1.8kg/kw.h，為傳統(tǒng)的通分?jǐn)嚢柘到y(tǒng)的1.2～1.5倍，節(jié)約能耗50％左右，CO2氣體消耗量降低了近84％。
權(quán)利要求1.一種氣體閉路循環(huán)式生化反應(yīng)器，它包括壓力傳感器口(1)、通氣口(2)、進(jìn)料口(3)，手孔或人孔(5)、固定支架(6)、夾套(7)、導(dǎo)氣管(8)及罐體，其特征在于反應(yīng)器上還裝有消聲除沫氣管罩(4)、自吸氣液混合強(qiáng)化器(9)和壓力控制裝置，所述的消聲除沫氣管罩(4)安裝在導(dǎo)氣管(8)頂端，所述的自吸氣液混合強(qiáng)化器(9)安裝在反應(yīng)器底部中央，所述的壓力控制裝置通過壓力傳感器(23)與反應(yīng)器頂部空間相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體閉路循環(huán)式生化反應(yīng)器，其特征在于所述的消聲除沫氣管罩(4)安裝在導(dǎo)氣管(8)頂端，頂端高度超出罐內(nèi)液面位置，吸氣開口朝下，消聲除沫氣管罩(4)與導(dǎo)氣管(8)通過固定支架(6)一起固定于罐體壁面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體閉路循環(huán)式生化反應(yīng)器，其特征在于所述的自吸氣液混合強(qiáng)化器(9)主要包括通氣罩(12)、轉(zhuǎn)子(13)、射流通道(14)、磁力傳動件(15)、底部托盤(16)、混合器電機(jī)(17)及分布管(18)，轉(zhuǎn)子(13)配合射流通道(14)高速運(yùn)轉(zhuǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的氣體閉路循環(huán)式生化反應(yīng)器，其特征在于所述的轉(zhuǎn)子(13)與混合器電機(jī)(17)的連接方式采用磁力傳動。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的氣體閉路循環(huán)式生化反應(yīng)器，其特征在于所述的射流通道(14)可以自由連接分布管(18)，分布管(18)可根據(jù)反應(yīng)器底部封頭形狀和循環(huán)混合要求設(shè)計成各種優(yōu)勢取向角度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體閉路循環(huán)式生化反應(yīng)器，其特征在于所述壓力控制裝置包括智能控制儀(19)、排氣電磁閥(20)、進(jìn)氣電磁閥(22)、壓力傳感器(23)及配氣室(24)。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種氣體閉路循環(huán)式生化反應(yīng)器，它包括壓力傳感器口(1)、通氣口(2)、進(jìn)料口(3)，手孔或人孔(5)、固定支架(6)、夾套(7)、導(dǎo)氣管(8)及罐體，其反應(yīng)器上還裝有消聲除沫氣管罩(4)、自吸氣液混合強(qiáng)化器(9)和壓力控制裝置，所述的消聲除沫氣管罩(4)安裝在導(dǎo)氣管(8)頂端，所述的自吸氣液混合強(qiáng)化器(9)安裝在反應(yīng)器底部中央，所述的壓力控制裝置通過壓力傳感器(23)與反應(yīng)器頂部空間相連。整個裝置結(jié)構(gòu)緊湊，設(shè)備制造和維護(hù)費(fèi)用低；同時本裝置具有氣體資源能循環(huán)使用、氣液傳遞效率高、能耗低等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號C12M1/04GK2885873SQ200620073159

公開日2007年4月4日 申請日期2006年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月8日
發(fā)明者張慶文, 洪厚勝, 楊志, 張繼民 申請人:南京匯瑞生化設(shè)備有限公司