CN117757595A - 一种强化液流循环的气升式生物反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种强化液流循环的气升式生物反应器，包括：罐体，所述罐体内设置有至少一个与所述罐体同轴布置的导流筒或所述罐体的外壁上设置有至少一个与罐内流体导通连接的外循环管；轮缘推进器，数量至少为一个，设置于所述导流筒上端或者悬吊于所述罐体内，亦或者设置于所述外循环管内。本发明的轮缘推进器无需复杂沉重的轴***等传动机构、轴封***和减速机，不仅结构紧凑、集成度高，体积小、重量轻，噪音低，振动小，而且效率高。在反应器内设气囊，调节和稳定液面的高度。因此，本发明的反应器保持了气升式生物反应器无动密封，密封性好，不易染菌等优势，液流循环和传质得到强化，工艺的适应性更强。

Description

一种强化液流循环的气升式生物反应器

技术领域

本发明涉及一种强化液流循环的气升式生物反应器，属于生物反应器技术领域。

背景技术

大型生物反应器是生物工业生产的核心设备，为细胞或酶提供良好的反应环境，在生物产业中发挥着重要作用。随着反应器的大型化，反应体系的异质性越发突出。通常情况下，细胞暴露在波动的环境中往往会对生物过程的生产率产生负面影响，但在某些情况下，受控的环境异质性可以提高生物工艺性能。混合的效果是影响反应体系均匀性的重要因素，因此，反应器的搅拌混合***对于为细胞或酶提供所需反应环境至关重要。

大多数工业发酵属于好氧发酵，反应在通氧的条件下进行。在好氧液态深层发酵中，机械搅拌式通风生物反应器占据着生物反应器的主导地位，通过搅拌转速和通风量两种方式控制培养液中的溶氧浓度和液相的循环，反应器内气体和物料的分散较均匀，平均氧传质效率较高。但是，机械搅拌式通风生物反应器也有一些有待解决的不足，比如：(1)一般要有多级搅拌桨，搅拌的能耗与搅拌桨的级数正相关，因此，运行能耗高，其机械搅拌装置的能耗大约占发酵过程能耗的一半左右。(2)结构复杂，制造、安装和维护成本高。(3)搅拌轴封处潜在的染菌风险大。(4)流场复杂，要实现理性放大，仍欠缺该类型生物反应器发酵过程优化和放大的高效的理论指导和技术手段。(5)搅拌转速较高，对于植物细胞、微生物菌丝体的发酵培养，细胞和菌丝体受到搅拌桨叶旋转剪切力破坏，代谢和生产率会受到影响。(6)对于大直径的反应器，远离搅拌桨的罐壁附近会形成一个滞留区，该区域的通气受到限制。(7)对于高粘度的反应液，远离搅拌桨的反应液混合效果差，甚至几乎处于静止状态，表现严重的溶氧限制，当通气量过大时，搅拌桨被气体包裹，搅拌桨就出现“气泛”现象，体积氧传递系数(K_La)不再增加。(8)随着生物反应器向大型化发展，罐顶电机的体积和功率越来越大，占用空间，搅拌***的尺寸和强度也随之增大。

因此，对于某些对成本非常敏感的产品以及反应速率较慢、生产强度较弱的反应过程，使用机械搅拌式通风生物反应器的运行成本在经济上往往难以承受。

而气升式生物反应器的运行能耗低，用于微生物发酵、动植物细胞培养、酶催化反应以及废水处理等。气升式生物反应器没有机械搅拌***，不需要搅拌的轴封，密封性好，染菌的几率小，还避免了搅拌桨叶的剪切力对细胞和菌丝的损伤，结构简单，易于放大，高径比通常较大，气泡在反应液中的滞留时间较长，因而气体的利用率较高。气升式生物反应器制造、安装、运行和维护成本比机械搅拌式通风生物反应器低很多。但是传统的大型气升式生物反应器也有不足，使其应用受限：(1)普遍认为气升式生物反应器由于没有机械搅拌***，混合时间长，气液混合及气体的分散效果差，大规模反应器的混合限制导致反应环境的若干异质性，对工艺的盈利能力有负面影响。(2)反应液溶氧和细胞摄氧周期性波动的幅度大，在反应器底部培养液得到充分的供氧，进入升液区，但在降液区尽管发酵液的有气泡夹带，由于没有新鲜空气输入，因而，降液区总体上仍处于缺氧状态且CO₂浓度过高。(3)操作弹性小，气升式生物反应器只能通过调整通气量的一种方式调节反应液中的溶氧浓度、液相的循环周期与混合时间，而不能分别控制。(4)当细胞和酶的效率提高到一定程度后，传质就成为提高生物反应器效率的限制因素。通入的压缩气体是导致气升式生物反应器内反应液混合与循环的单一能量来源，要依赖大量通气输入动量，促使反应液的传质与循环，在低气速时混合与循环的效果较差，因此，单位体积反应液的通气量往往要高于机械搅拌式通风生物反应器，通气的能耗高。对于某些对反应液中氧的浓度非常敏感的细胞要，须严格监控溶氧水平，而降低通气量又导致流体的传质、传热严重不足。此外，过量的通气驱除了反应液中的二氧化碳和乙烯，对植物细胞的培养不利。(5)不适合固形物含量高、黏度大的反应液。(6)内循环气升式生物反应器的导流筒位置是固定的，外循环气升式生物反应器的外循环管位置也是固定的，而反应液的气含率及反应过程中的接种、补料、取样、放料、连续反应等操作都影响反应器内反应液的表观体积及其液面高度，反应液液面高度的波动影响反应液的流动循环，进而影响反应器内的整个流场。

对于植物细胞培养、光合发酵、气体发酵、电发酵、酶电催化、光酶催化等新兴反应的规模化，现有的气升式生物反应器仍需很多改良。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种强化液流循环的气升式生物反应器，该反应器克服了现有机械搅拌式通风生物反应器和气升式生物反应器的不足，对工艺的适应性强。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种强化液流循环的气升式生物反应器，包括：

罐体，所述罐体内设置有至少一个与所述罐体同轴布置或以所述罐体的轴心为中心均匀分布的导流筒，亦或者所述罐体的外壁设置有至少一个与罐内流体导通连接的外循环管；

轮缘推进器，数量至少为一个，设置于所述导流筒上端或者悬吊于所述罐体内，亦或者设置于所述外循环管内；

气囊，数量至少为一个，设置于所述罐体内，所述气囊与外部的管道连接，用于通入流体。

所述的气升式生物反应器，优选地，所述轮缘推进器包括轮缘推进器定子、轮缘推进器转子和轮缘推进器桨叶，所述轮缘推进器定子开设有容纳所述轮缘推进器转子的空腔，所述轮缘推进器转子与所述轮缘推进器桨叶一体化设计或可拆卸连接；或者，

所述轮缘推进器包括轮缘推进器定子、轮缘推进器转子和轮缘推进器桨叶，所述轮缘推进器转子套设在所述轮缘推进器定子的外部，所述轮缘推进器转子与所述轮缘推进器桨叶一体化设计或可拆卸连接。

所述的气升式生物反应器，优选地，所述导流筒为一体式圆筒或由若干分段式圆筒同轴布置而成，相邻两个所述分段式圆筒之间设置有环隙，所述轮缘推进器定子与所述导流筒连接或者所述轮缘推进器定子与所述外循环管的管壁连接，亦或者所述轮缘推进器定子通过固定件固定在所述罐体内。

所述的气升式生物反应器，优选地，所述导流筒的内壁和/或外壁上设置有夹套或导流筒换热管；

所述导流筒换热管在所述导流筒的内壁和/或外壁上沿其轴向延伸且在其周向均匀布置；或者，

所述导流筒换热管盘绕在所述导流筒的内壁或外壁；或者，

所述导流筒换热管纵向和/或横向拼接成所述导流筒。

所述的气升式生物反应器，优选地，还包括气体分布器，所述气体分布器包括上端气体分布器和/或下端气体分布器，所述上端气体分布器悬挂于所述罐体的内罐顶或设置于所述轮缘推进器定子与所述轮缘推进器转子之间，所述下端气体分布器设置于所述罐体的内底部。

所述的气升式生物反应器，优选地，所述下端气体分布器为气旋推进式气体分布器，包括下端通气管以及设置于所述下端通气管出气口处的气旋推进式气体分布器涡轮。

所述的气升式生物反应器，优选地，所述气旋推进式气体分布器涡轮内均匀分布有沿径向开口的旋片，所述气旋推进式气体分布器涡轮的上端连接有推动流体轴向上升的气旋推进式气体分布器桨叶；或者，

所述气旋推进式气体分布器涡轮由若干个切向流的气旋推进式气体分布器喷嘴组成。

所述的气升式生物反应器，优选地，所述气旋推进式气体分布器为磁悬浮式气体分布器。

所述的气升式生物反应器，优选地，所述轮缘推进器为磁悬浮式推进器。

所述的气升式生物反应器，优选地，所述罐体的底部设置有导流锥，和/或，

所述罐体内设置有若干多孔筛板。

所述的气升式生物反应器，优选地，所述罐体的升液区和降液区内设置有若干涡流导流板，和/或，

所述导流筒的上方设置有扰流板。

所述的气升式生物反应器，优选地，所述轮缘推进器为外转子轮缘推进器，所述轮缘推进器转子套设在所述轮缘推进器定子的外部，所述轮缘推进器桨叶为消泡桨。

所述的气升式生物反应器，优选地，所述轮缘推进器转子和所述轮缘推进器定子共同组成叶轮，所述叶轮内部设计成空腔，成为自吸式叶轮，所述叶轮的内部空腔与轮缘推进器固定管的下端相连通，所述轮缘推进器固定管的上端开设有吸气孔，所述轮缘推进器固定管的上端固定在所述罐体的内顶部。

所述的气升式生物反应器，优选地，所述罐体内设置有光源或光源阵列，用于光发酵，所述光源或所述光源阵列布置在导流板、所述导流筒的内外壁、所述外循环管的内壁或所述罐体的内壁上；或者，

所述罐体内设置有电极，用于电发酵。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、通过反应器内气囊的充涨程度调节和稳定反应液的液面高度，控制及稳定顶部反应液的混合与循环，避免因顶部反应液高度的失控而导致整个流场失控。

2、轮缘推进器为气升式生物反应器内反应液的混合与循环提供了第二动能来源，与下端气体分布器的通气量共同调节反应液的液速、循环周期和混合时间，可以在一定程度上调控反应液压强和气体含量的波动周期与波动程度。

3、轮缘推进器无需复杂沉重的轴***等传动机构、轴封***和减速机，不仅结构紧凑、集成度高，体积小、重量轻，噪音低，振动小，而且效率高。因此，本发明的反应器保持了气升式生物反应器无动密封，密封性好，不易染菌的优势。

4、与机械搅拌式通风生物反应器的多级搅拌器相比，由于轮缘推进器推动液流轴向循环，轴向混合性能好，可以适应高粘度或含有大量固形物的反应液；轮缘推进器较低的转速即可对反应液实现较大的推进力，能耗低，桨叶对细胞和菌丝的剪切力较小。

5、向培养液的降液区通入新鲜气体，可以提高降液区的气含率、溶氧浓度(DO)，降低反应液中气体、DO周期性波动的幅度，既可以适应高呼吸强度的发酵，又可以提高反应器内的反应均匀程度。

6、通过轮缘推进器的转速、上端气体分布器的通气量及下端气体分布器的通气量来调控流体混合的强度、升液区和降液区的气体含量、DO，不仅工艺操作的弹性增加了，而且为实施流场环境控制、温度场控制、浓度场控制等新的调控方式提供了可能。

7、流场较简单，易于放大。通过增加扰流板、导流板、多孔筛板等增加流场的湍流，进一步分散气泡，强化流体的径向混合。

8、提高反应体系的均匀性，降低了因反应体系的异质性对反应的负面影响。

9、本发明的反应器可以用于气体发酵、厌氧发酵。且反应器容易改造，以适应光合发酵、电发酵、酶电催化、光酶催化和植物细胞培养等新兴的大规模生物反应，也可以用于其他化学反应。

附图说明

图1为本发明提供的一种内循环气升式反应器示意图；

图2为本发明提供的另外一种内循环气升式反应器示意图；

图3为本发明提供的第三种内循环气升式反应器示意图；

图4为图1、图2、图6、图7、图8、图9、图12、图13、图14、图15中内转子轮缘推进器的剖面图；

图5为图3、图16中外转子轮缘推进器的俯视图；

图6为本发明提供的单循环管的外循环气升式反应器示意图；

图7为本发明提供的多循环管的外循环气升式反应器示意图；

图8为本发明提供的另外一种多循环管的外循环气升式反应器俯视示意图；

图9为本发明提供的第三种多循环管的外循环气升式反应器示意图；

图10为本发明提供的气升式反应器中气旋推进式气体分布器俯视图；

图11为本发明提供的气升式反应器中喷射气旋推进式气体分布器的俯视图；

图12为本发明提供的有多孔筛板的外循环气升式反应器示意图；

图13为本发明提供的有导流板的内循环气升式反应器示意图；

图14为本发明提供的有多导流筒的内循环气升式反应器示意图；

图15为本发明提供的球形罐体的气升式反应器示意图；

图16为本发明提供的罐顶垂吊轮缘推进器的气升式反应器示意图；

图17为本发明提供的自吸式叶轮结构示意图；

图18为本发明提供的罐顶气流循环示意图；

图19为本发明提供的具有换热功能的导流筒纵切面结构示意图；

图20为本发明提供的具有换热功能的导流筒横切面结构示意图；

图中各标记如下：

100-罐体；101-外循环管；112-人孔；113-排气口；114-放料口；

200-导流筒；201-环隙；202-导流筒换热管；210-下端通气管；211-下端气体分布器；212-气旋推进式气体分布器；213-气旋推进式气体分布器桨叶；214-气旋推进式气体分布器涡轮；215-气旋推进式气体分布器喷嘴；216-上端通气管；217-上端气体分布器；218-通气管A；219-吸气孔；220-消泡桨；221-消泡桨支架；

300-反应液；301-气液分离区；302-升液区；303-降液区；304-液流方向；305-气流方向；

400-轮缘推进器；401-轮缘推进器桨叶；402-轮缘推进器定子；403-轮缘推进器转子；404-轮缘推进器端盖；405-轮缘推进器固定筋；406-轮缘推进器固定管；407-自吸式叶轮；

500-气囊；501-气囊固定筋；

600-扰流板；601-导流板；602-多孔筛板；603-导流锥。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”、“第三”、“第四”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。

为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“上面”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。

传统的大型气升式生物反应器也有不足，使其应用受限：(1)普遍认为气升式生物反应器由于没有机械搅拌***，混合时间长，气液混合及气体的分散效果差，大规模反应器的混合限制导致反应环境的若干异质性，对工艺的盈利能力有负面影响。(2)反应液溶氧和细胞摄氧周期性波动的幅度大，在反应器底部培养液得到充分的供氧，进入升液区，但在降液区尽管发酵液的有气泡夹带，由于没有新鲜空气输入，因而，降液区总体上仍处于缺氧状态且CO₂浓度过高。(3)操作弹性小，气升式生物反应器只能通过调整通气量的一种方式调节反应液中的溶氧浓度、液相的循环周期与混合时间，而不能分别控制(机械搅拌式通风生物反应器通过通气量、搅拌转速二个参数来控制)。(4)当细胞和酶的效率提高到一定程度后，传质就成为提高生物反应器效率的限制因素。通入的压缩气体是导致气升式生物反应器内反应液混合与循环的单一能量来源，要依赖大量通气输入动量，促使反应液的传质与循环，在低气速时混合与循环的效果较差，因此，单位体积反应液的通气量往往要高于机械搅拌式通风生物反应器，通气的能耗高。对于某些对反应液中氧的浓度非常敏感的细胞要，要严格监控溶氧水平，而降低通气量又导致流体的传质、传热严重不足。此外，过量的通气驱除了反应液中的二氧化碳和乙烯，对植物细胞的培养不利。(5)不适合固形物含量高、黏度大的反应液。(6)内循环气升式生物反应器的导流筒位置是固定的，外循环气升式生物反应器的外循环管位置也是固定的，而反应液的气含率及反应过程中的接种、补料、取样、放料、连续反应等操作都影响反应器内反应液的表观体积及其液面高度，反应液液面高度的波动影响反应液的流动循环，进而影响反应器内的整个流场。

针对上述技术问题，本发明提供一种强化液流循环的气升式生物反应器，该反应器克服了现有机械搅拌式通风生物反应器和气升式生物反应器的不足，对工艺的适应性强，可扩展性强。

本发明所述涉及的一些名词术语做出如下解释。

反应液：反应器内的液体、气-液混合物、气-液-固混合物、液-固混合物的统称，包括发酵液、培养液、酶催化反应液、化学反应液。

光合发酵：光能驱动的生物催化反应，包括培养通过光合作用自养的植物细胞、微藻、光合细菌、人工构建的光合细胞，光生电子进入细胞的氧化呼吸链，为细胞的代谢提供能量，以获得有机化学品和/或生物质(Biomass)。光合发酵还包括光照培养。

氢能发酵：以氢气提供还原力的发酵或生化反应。

光酶催化：结合光催化与酶催化的反应。

气含率：气相占气液混合物体积的百分率。

电发酵(Electro-Fermentation，EF)：通过电极给予的电能提供还原力，微生物在通电的环境中会改变其发酵从而能产生并提供目标产物。电发酵中的电极可以充当电子受体(即阳极电发酵，AEF)或供体(即阴极电发酵，CEF)，或仅作为控制氧化还原电位的手段。

气体发酵：以一种或多种常温常压条件下为气体的物质作为碳源或能源，通过一种或多种生物或/和酶来生成一种或多种化合物或/和细胞生物量的生物反应过程。

阳光隧道：可以通过反射将反应器外的光引入反应器内的筒状结构。

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1、图2、图3所示，轮缘推进器400又称“轮缘驱动推进器(Rim DrivenThruster，RDT)”、无轴推进器、集成电机推进器，其是将推进器的转子与桨叶集成为一体，不使用轴传递扭矩，电动机产生的扭矩通过转子直接传递给轮缘桨叶的轮缘部，带动轮缘桨叶旋转，完全取消了传统搅拌器中穿过罐体的搅拌轴系和轴封***。轮缘推进器400按照转子的位置分为内转子轮缘推进器(详见图4)和外转子轮缘推进器(详见图5)。与传统轴搅拌***相比，由于不需轴系设备，重量轻很多，噪音来源减少，振动很低；还具有效率高，结构紧凑体积小的优点；此外，其电机效率更高，转速范围更大。轮缘推进器400的定子和转子可以采用磁悬浮技术。

轮缘推进器400浸没于反应液中，有三种在反应器内的固定方式：(1)在内循环气升式反应器导流筒200的上端固定轮缘推进器400，轮缘推进器400的筒状定子与导流筒200连接，如图1、图2、图3所示。(2)在外循环气升式反应器外循环管101管壁或罐体100上部固定轮缘推进器400，如图6、图7、图8、图9、图12所示，外循环管101内的轮缘推进器400的筒状定子连接在外循环管101的管壁或作为外循环管101的一部分，罐体100内轮缘推进器400的定子由固定筋(轮缘推进器固定筋405)连接于罐壁。(3)用固定杆或空心的轮缘推进器固定管406将轮缘推进器400悬吊于罐顶，如图16所示。

本发明将集成为一体的转子和桨叶称为“叶轮”，叶轮可以有多种设计形式。轮缘推进器400的桨叶优选为斜叶桨或近似于螺旋面叶，有二个或多个，对称分布。轮缘推进器400运转时，桨叶将对应区域的流体向下压，强化降液区反应液的流速，加速反应液的循环与混合，并将反应液上部聚并的气泡打碎。

轮缘推进器400可以是电力驱动的电动轮缘推进器，也可以是压缩气体驱动的气动轮缘推进器。气动轮缘推进器以压缩气体驱动转子旋转的同时，向反应液中通入气体，因此，压缩气体驱动既可以充分利用压缩气体的动能，又可以向降液区通入新鲜气体。压缩气体驱动轮缘推进器可以避免电力驱动难以使发酵罐与外界形成电位差的困难。电动轮缘推进器的电缆和气动轮缘推进器压缩气体管线在反应器内容易布置，容易密封，占用空间少。

轮缘推进器400的上方可以无需“挡板”，因为静止时，转子落在定子上；另一方面桨叶转动时，将培养液向下压，会产生向上的力托举转子。轮缘推进器400的转子环上可以架设消泡桨支架221以支撑连接消泡桨220，如图3所示，消泡桨220随转子旋转，在气液分离区301起到消泡的作用。

也可以从罐顶垂下一个外转子轮缘推进器，将其桨叶更换为消泡桨220，如图13所示，根据泡沫的情况启动该消泡桨220及调节消泡桨220的转速，无泡沫时不启动，节省电能，泡沫多时，启动消泡桨220，甚至可以更高速地旋转将泡沫离心到罐壁，以实现快速消泡。独立控制转速的消泡桨220可以有多种形式，包括但不限于：耙式、刮板式、涡轮式、离心式、碟片式。

内循环气升式反应器内导流筒200上端的轮缘推进器400转速提高至一定程度，轮缘推进器400产生的涡流达到叶轮上部，液面以上的气体被夹带到反应液300中，反应器顶部空间的部分气体再次进入反应液300参与反应。这种方式带来的另一个好处是：反应液300液面漂浮的泡沫被夹带回到反应液300中，起到消泡的作用。

如图1、图2、图3所示，内循环气升式反应器中引导反应液循环流动的导流筒200是与罐体100同轴的圆筒，导流筒200可以是一个整体，也可以是分段的二个或多个同轴的圆筒。分段的二个相邻的圆筒之间的间隙称为环隙201。轮缘推进器400的筒状定子与导流筒200之间可以没有环隙201也可以有环隙201。导流筒200可以是规整的圆筒，也可以螺旋的圆筒，其引导反应液螺旋式上升或螺旋式下降，增加流场的切向流和湍流，延长气泡在反应器内的滞留时间和流动路径，打碎大气泡。

如图14、图15所示，内循环气升式反应器中布置有若干以罐体100的轴心为中心均匀分布的导流筒200。

罐体100的外壁和外循环管101的管壁外有用以对反应液实施热交换的夹套或盘管，优选半圆盘管结构。为增加反应器的换热面积，通过设置夹套或导流筒换热管202使导流筒200兼具热交换器的功能。

导流筒200可以设置有内部空心的导流筒换热管202；导流筒换热管202可以是导流筒200的内壁和/或外壁上的盘管(图19A为导流筒200内壁有半圆盘管)或纵向的立管(图20A为导流筒200内壁纵向的圆立管，图20B为导流筒200内壁纵向的方立管，图20C为导流筒200外壁的半圆立管)；也可以直接用导流筒换热管202纵向和/或横向拼接成导流筒的外形(图19B为方管横向螺旋拼接成导流筒200的外形，图20D为方管纵向拼接成导流筒200的外形)。导流筒200的空心夹套或导流筒换热管202的内部通入用于热交换的流体，使导流筒200兼具热交换器的功能，对反应液实施加热和冷却，提高内循环气升式反应器的控温性能，升温、降温更快，不仅节省灭菌的升温降温时间，提高设备利用率，而且可以适应放热量大的发酵。

为了提高降液区303的气含率，克服降液区303缺氧现象，可以在降液区303的上部设气体分布器，即上端气体分布器217，通入新鲜气体。上端气体分布器217通入的气体被轮缘推进器400打碎，随反应液下降，解决降液区303新鲜气体含量或DO不足的问题。上端气体分布器217也可以在轮缘推进器400的定子和转子之间。上端气体分布器217和下端气体分布器211的通气量可以分别控制，既可以同时使用上、下二端的气体分布器通气，也可以单独使用上端或下端气体分布器仅使单级气体分布器通气。

气体分布器可以有单管式、伞罩式、小孔盘管式、射流式和旋流式等多种形式。气体分布器的气体出口可以是微滤膜，优选陶瓷膜和金属烧结膜，其优点是：(1)通入的气泡较小；(2)该气体分布器可以反向从反应器内抽出滤液。

下端气体分布器211优选气旋推进式气体分布器212(如图10所示)，可以充分利用压缩气体的喷射动能提高液相上升的流速。气旋推进式气体分布器212(如图3所示)在下端通气管210的出气口有一个以出气口为轴旋转的空腔涡轮(气旋推进式气体分布器涡轮214)，空腔涡轮内均匀分布的旋片延径向开口，空腔涡轮上部连接着推动流体轴向上升的桨叶(气旋推进式气体分布器桨叶213)。下端气体分布器211向反应器内的喷入气体时，气体被涡轮内的旋片引导，气体动能推动涡轮反向旋转，涡轮上的桨叶随之旋转，进而推动反应液向上运动，强化升液区流体的流速，同时进一步打碎气泡。气旋推进式气体分布器212的涡轮也可以由多个切向流的气体喷嘴(气旋推进式气体分布器喷嘴215)构成，如图11所示。气旋推进式气体分布器212的定子和转子可以采用磁悬浮技术，以减少旋转盘与通气管间的摩擦，降低能耗，延长寿命。

好氧发酵反应液中的溶氧浓度(DO)、气体发酵反应液中对应的气体浓度是反应过程重要的操作变量，其调控水平又直接影响其他多个变量参数的变化。本发明可以通过上端气体分布器217的通气量、下端气体分布器211的通气量、轮缘推进器400的转速来调控反应液中的DO、气体含量、表观液速、液相的循环时间及混合强度，为实施流场环境、温度场、浓度场等的新控制方式提供了可能。

如图3、图7、图9、图15、图16所示，还可以在罐底设导流锥603，引导罐底物料的混合及循环，避免罐底中央部分物料成为流动死区，防止颗粒物的存留。可以在反应器内增加多孔筛板602进一步分散气泡，增加流场的湍流，如图12所示。可以在升液区302和降液区303设涡流导流板601，如图13所示，加强液流的旋转混合，导流板601本身可以是多孔的，兼具多孔板分散气泡的作用。可以在导流筒200上方设扰流板600，加强反应液顶部物料的混合。

气升式生物反应器的导流筒200或外循环管以上的液相高度对反应液的混合循环影响很大，这部分由气-液或气-液-固分散相组成，其高度既随罐内液体体积而变化，又随气体的喷入量而变化。反应液300的气含率，反应过程中的接种、补料、取样、放料、连续发酵等操作都影响反应器内反应液的体积及其液面高度。为稳定和调节反应器内液面的高度，本发明在反应器内液面以下装设气囊500，气囊500连接通向罐外的管道，通过管道向气囊500内充入流体或从气囊500排出流体，控制气囊500的充盈程度来改变气囊500的体积，进而调节反应器内反应液的液面高度。气囊500内可以充入气体和液体，优选充入压缩空气。可以设置液面高度传感器，反馈控制气囊500的充盈程度。

气囊500的纵截面呈梭形，囊壁由能够承受发酵灭菌温度和压力的弹性聚合物材料构成。对于内循环气升式生物反应器，气囊500可以围成圆筒状，替代一部分内导流筒200，气囊500的位置优选在内导流筒200的中段，气囊500上下两端优选固定于其上方和下方的导流筒200，如图1、图3、图13、图18所示；气囊500也可以设置于其他适合的位置，如图15所示。对于外循环气升式生物反应器，气囊500优选设于罐体100的中轴线位置，如图6、图7、图9、图12、图16所示。气囊500的位置可以用气囊固定筋501固定，气囊固定筋501优选管状结构，气囊固定筋501的管道与气囊500内、反应器外管路连通。一个反应器可以有一个或多个气囊500，如图6、图7、图15所示。

适当的反应液柱高度，有利于延长气体在反应液300内的滞留时间，提高气体的利用率。因此，气升式反应器的高径比通常在4～12，工业生产规模反应器的高度甚至会达到30m以上。但是，大型气升式生物反应器的反应液300液面过高使得气液分布不均匀，在反应液300的循环过程中细胞承受的压力周期性变化幅度较大。此外，料液静压大，必须提高气体压缩机出口的压力，气体压缩机耗电量大幅度增加，反应器设计的承压也大，罐体100的制造和安装成本高。反应器下部的静压力可能会直接影响细胞存活率，或者气体溶解度增加可能会影响代谢活动，从而影响生产率和产品质量。为此，可以在保证有效容积的前提下，降低气升式生物反应器的高度，增加罐体100的直径，即降低反应器的高径比。为保证较小高径比气升式反应器的液流循环，对于外循环气升式反应器可以设置多个外循环管101，如图7、图8、图9所示；对于内循环气升式生物反应器在罐体100内设置多组空气分布器和导流筒200，如图14所示。进一步，这种内部多组空气分布器和导流筒200的内循环气升式生物反应器的外形可以是球形的，如图15所示。同等容积，球形罐体100所需要的罐壁材料的面积最少，承压能力更强，罐壁可以更薄。

本发明由于采用电驱动的轮缘推进器400向反应液300传递动能，不通入气体也可以实现反应液300的传质和传热，因而本发明既可以用于通气的好氧反应，又可以用于不通氧的厌氧反应，还可以用于在一个反应周期分为好氧阶段和厌氧阶段的反应。

通气反应所需的压缩气体需要电动的气体压缩机，电耗很高，空压机的能耗占发酵过程总用电量的30～70％。利用风能来获得压缩气体(利用风力带动风轮旋转，进而驱动气体压缩机来获得压缩气体，储存于储气罐内，使用时按照需要的流量和压力将气体从储气罐中释放出来)，而不是依赖于电能压缩气体，则反应器供气的能耗成本可以大幅度降低。

本发明的反应器也可以通入氢气、低碳气体(例如：甲烷、二氧化碳、一氧化碳)、NH₃、H₂S、SO₂、合成气(syngas)等气体，实施氢能发酵、气体发酵、生物脱碳、生物脱硫、生物净化等。气体发酵与反应器的设计和发酵过程参数的控制密切相关，本发明的轮缘推进器400的转速可以独立控制，不仅为此提供了适应性，还能提高原料气体的利用率。

本发明提高原料气体利用率的方法是：将叶轮内部设计成空腔，成为自吸式叶轮，如图17所示，叶轮内部空腔连通轮缘推进器固定管406下端，如图18所示，在罐内轮缘推进器固定管406的上端开吸气孔219。提高叶轮的转速，即可以从吸气孔219将反应器顶部空间的气体吸入反应液中，实现反应器顶部空间气体的再循环，从而使反应气体得到充分的利用，减少废气的排放和处理尾气的费用。其机理是：叶轮旋转，在叶轮周围形成液流，不断排斥周围的反应液，当叶轮高速旋转达到临界转速时，叶轮周围液体的压强低于叶轮空腔中心的压强，具有空腔的叶轮在其末端开孔处产生压差，局部压降克服反应液位压头时，空心的轮缘推进器固定管406内的气体到达转子的末端开孔处高速喷射出，轮缘推进器固定管406上端的吸气孔219吸入反应器顶部空间气体，实现气体的再循环。自吸式叶轮可以有多种设计方式/结构，本发明不作限制。如果轮缘推进器固定管406连通罐外的通气管A 218，如图18所示，则可以同时吸入罐内和罐外的气体。

本发明的气升式生物反应器内可以布设发光二极管、光导纤维或导光棒(从罐外取光)、阳光隧道等光源，实施光合发酵、光酶催化反应。光导纤维或导光棒和阳光隧道在自动追日装置配合下，可以充分利用阳光，节省电能。光源可以布置在导流板601、导流筒200内外壁、外循环管101内壁、罐体100内壁。由于光的穿透距离短，在反应液中衰减严重，为此，可以在反应器内布置光源阵列，比如：在反应器内设多层同轴的导流筒，在导流筒的内壁和外壁布置光源。可以仅在反应器内的局部布设光源(如仅在导流筒200内或仅在导流筒200外或仅在外循环管101内)，使反应液在循环过程中流经光照区和无光的暗区，实施光、暗的交替培养。

本发明的反应器也适用于酶催化反应，包括需要通入气体的酶催化反应。

在反应器内加设电极后，本发明的反应器可以作为电能生物反应器，用于电发酵。电极可以是一组或多组，电极可以是板状，可以是筒状，可以在反应器内呈螺旋状，兼具导流与混合的功能。

为减少黏附和腐蚀，反应器的内壁及内部部件可以涂覆疏水的共聚物膜，优选中国发明专利CN 02110796270.8所公开的自组装强黏附共聚物膜。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (14)

1.一种强化液流循环的气升式生物反应器，其特征在于，包括：

罐体(100)，所述罐体(100)内设置有至少一个与所述罐体(100)同轴布置或以所述罐体(100)的轴心为中心均匀分布的导流筒(200)，亦或者所述罐体(100)的外壁上设置有至少一个与罐内流体导通连接的外循环管(101)；

轮缘推进器(400)，数量至少为一个，设置于所述导流筒(200)的上端或者悬吊于所述罐体(100)内，亦或者设置于所述外循环管(101)内；

气囊(500)，数量至少为一个，设置于所述罐体(100)内，所述气囊(500)与外部的管道连接，用于通入流体。

2.根据权利要求1所述的气升式生物反应器，其特征在于，所述轮缘推进器(400)包括轮缘推进器定子(402)、轮缘推进器转子(403)和轮缘推进器桨叶(401)，所述轮缘推进器定子(402)内开设有容纳所述轮缘推进器转子(403)的空腔，所述轮缘推进器转子(403)与所述轮缘推进器桨叶(401)一体化设计或可拆卸连接；或者，

所述轮缘推进器(400)包括轮缘推进器定子(402)、轮缘推进器转子(403)和轮缘推进器桨叶(401)，所述轮缘推进器转子(403)套设在所述轮缘推进器定子(402)的外部，所述轮缘推进器转子(403)与所述轮缘推进器桨叶(401)一体化设计或可拆卸连接。

3.根据权利要求2所述的气升式生物反应器，其特征在于，所述导流筒(200)为一体式圆筒或由若干分段式圆筒同轴布置而成，相邻两个所述分段式圆筒之间设置有环隙(201)，所述轮缘推进器定子(402)与所述导流筒(200)连接或者所述轮缘推进器定子(402)与所述外循环管(101)的管壁连接，亦或者所述轮缘推进器定子(402)通过固定件固定在所述罐体(100)内。

4.根据权利要求3所述的气升式生物反应器，其特征在于，所述导流筒(200)的内壁和/或外壁上设置有夹套或导流筒换热管(202)；

所述导流筒换热管(202)在所述导流筒(200)的内壁和/或外壁上沿所述导流筒(200)的轴向延伸且在其周向均匀布置；或者，

所述导流筒换热管(202)盘绕在所述导流筒(200)的内壁或外壁；或者，

所述导流筒换热管(202)纵向和/或横向拼接成所述导流筒(200)。

5.根据权利要求1所述的气升式生物反应器，其特征在于，还包括气体分布器，所述气体分布器包括上端气体分布器(217)和/或下端气体分布器(211)，所述上端气体分布器(217)悬挂于所述罐体(100)的内罐顶或设置于所述轮缘推进器定子(402)与所述轮缘推进器转子(403)之间，所述下端气体分布器(211)设置于所述罐体(100)的内底部。

6.根据权利要求5所述的气升式生物反应器，其特征在于，所述下端气体分布器(211)为气旋推进式气体分布器(212)，包括下端通气管(210)以及设置于所述下端通气管(210)出气口处的气旋推进式气体分布器涡轮(214)。

7.根据权利要求6所述的气升式生物反应器，其特征在于，所述气旋推进式气体分布器涡轮(214)内均匀分布有沿径向开口的旋片，所述气旋推进式气体分布器涡轮(214)的上端连接有推动流体轴向上升的气旋推进式气体分布器桨叶(213)；或者，

所述气旋推进式气体分布器涡轮(214)由若干个切向流的气旋推进式气体分布器喷嘴(215)组成。

8.根据权利要求6所述的气升式生物反应器，其特征在于，所述气旋推进式气体分布器(212)为磁悬浮式气体分布器。

9.根据权利要求1所述的气升式生物反应器，其特征在于，所述轮缘推进器(400)为磁悬浮式推进器。

10.根据权利要求1所述的气升式生物反应器，其特征在于，所述罐体(100)的底部设置有导流锥(603)，和/或，

所述罐体(100)内设置有若干多孔筛板(602)。

11.根据权利要求10所述的气升式生物反应器，其特征在于，所述罐体(100)的升液区(302)和降液区(303)内设置有若干设涡流导流板(601)，和/或，

所述导流筒(200)的上方设置有扰流板(600)。

12.根据权利要求2所述的气升式生物反应器，其特征在于，所述轮缘推进器(400)为外转子轮缘推进器，所述轮缘推进器转子(403)套设在所述轮缘推进器定子(402)的外部，所述轮缘推进器桨叶(401)为消泡桨(220)。

13.根据权利要求2所述的气升式生物反应器，其特征在于，所述轮缘推进器转子(403)和所述轮缘推进器定子(402)共同组成叶轮，所述叶轮内部设计成空腔，成为自吸式叶轮，所述叶轮的内部空腔与轮缘推进器固定管(406)的下端相连通，所述轮缘推进器固定管(406)的上端开设有吸气孔(219)，所述轮缘推进器固定管(406)的上端固定在所述罐体(100)的内顶部。

14.根据权利要求1所述的气升式生物反应器，其特征在于，所述罐体(100)内设置有光源或光源阵列，用于光发酵，所述光源或所述光源阵列布置在导流板(601)、所述导流筒(200)的内外壁、所述外循环管(101)的内壁或所述罐体(100)的内壁上；或者，

所述罐体(100)内设置有电极，用于电发酵。