CN201330250Y - 气升式循环复合发酵反应器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种气升式循环复合发酵反应器，包括反应罐和换热器，将换热器设置在反应罐内，反应罐底部设置有产品出口，换热器内腔底部为进料端，顶部为溢流端，换热器与反应罐之间的环状间隙和换热器内腔形成物料内循环通道。本实用新型采用内循环和外循环相结合的方式，内循环中，冷却水温度均匀，提高了传热效率，使反应罐内反应均匀、移出热量均匀可靠、反应罐内温度均匀；外循环中可分流、调控、强化发酵反应过程，并且移出部分反应热，内循环和外循环相结合使本实用新型可应用在甲醇制甲醇蛋白等大型生物发酵反应中。

Description

气升式循环复合发酵反应器

技术领域

本实用新型涉及一种生物发酵反应装置，尤其涉及一种气升式循环复合发酵反应器，主要适用于由甲醇制甲醇蛋白等生物发酵反应。

背景技术

目前我国饲料产业每年需要甲醇蛋白约500万吨以上。而目前国内甲醇蛋白工业尚处于初始阶段，尚未建立生产装置。因此，单纯依靠种植粮食类等农作物或海洋渔业生产的鱼粉来满足人类对蛋白质的需求已远不能满足日益增长的市场需求。合成单细胞蛋白(single cell protein)是解决我国粮食问题的重要途径之一。而甲醇单细胞蛋白可从煤或天然气为原料出发，经由甲醇生化反应而制得。它含有丰富的蛋白质、氨基酸和多种维生素，产品安全而无毒，能促进牲畜生产和提高饲料利用率。由于生产甲醇蛋白勿需依赖耕地的传统生产模式和海洋渔业资源，以甲醇为原料合成甲醇蛋白用作高能量的精饲料，每1吨甲醇蛋白可节省粮食3.5吨，可配制10吨饲料，社会效益和经济效益均十分可观。所以，发展甲醇蛋白是解决我国养殖业及食品工业蛋白质短缺问题的重要途径之一。

现有技术中，气升式发酵反应器是从化工生产中引入发酵生产中的新型发酵反应器，国内外研究的气升式发酵反应器目前只限于两种基本类型：内循环式和外循环式。基本工作原理是：以内循环式好氧发酵反应为例，利用空气喷入的动力和空气在液体中的浮升力，在反应器底部通人空气和加入发酵液体原料及营养物，用空气喷入的动力和浮升力推动空气与液体物料混气、上升，并形成上下的循环流动，在循环的同时，气泡在液体中的搅动及筛板对气泡的不断破碎，使空气中的氧充分地溶解到液体中，满足发酵所需供氧和固液间的传质、传热。内循环式结构其主要部件：通气喷嘴、气液上升区循环筒、发酵罐体、夹套热交换器、进料口、排料口。由于该气升式发酵反应器气液接触效果差，使发酵液中的溶解氧未能有效地保证微生物生长及产物代谢的要求，更为重要的是不能及时，致使发酵罐内温度及其均匀性不能得到有效控制，因而导致产物产率和提取收率低，发酵罐只能选用小规模、小体积的罐体。

也有如下结构的发酵反应器：不锈钢发酵反应罐金属外壳外壁焊设水冷蛇形伴管、反应罐内设置1～4组水冷蛇形盘管、罐内设置电动搅拌器促进物料混合均匀、发酵反应均匀性和热量移出均匀性有所改善。采用上述结构的发酵反应器存在的主要问题是：1、负有及时从反应罐中均匀移出反应热的水冷蛇形盘管，不仅有死角存在，不利于发酵生化反应，并且加工、焊接、安装和维修麻烦，更重要的是体积大、传热效率较差，而且无法形成有效的控制反应罐内反应均匀性和移出热量均匀可靠性的条件，即：反应罐内温度均匀性及可控性仍不令人满意；伴随发酵反应罐增大，致使我国至今好氧发酵单罐罐体容积仅为200立方米左右。虽然厌氧发酵反应的反应热较小，其反应罐的单罐罐体容积也仅为1000立方左右，也未能实现大型化。2、甲醇好氧发酵反应的放出的热量比目前其他物料好氧发酵的反应热大的多，要实现甲醇蛋白生产技术产业化，甲醇好氧发酵反应罐大型化更无法依赖现有技术来完成。

20多年来，我国多个单位对甲醇制甲醇蛋白项目的研究均停留在小试验阶段，发酵反应罐的结构的制约影响是显而易见的。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有甲醇制甲醇蛋白等生物发酵反应装置存在的上述问题，提供一种气升式循环复合发酵反应器，本实用新型采用内循环和外循环相结合的方式，内循环中，冷却水温度均匀，提高了传热效率，使反应罐内反应均匀、移出热量均匀可靠、反应罐内温度均匀；外循环中可分流、调控、强化发酵反应过程，并且移出部分反应热，内循环和外循环相结合使本实用新型可应用在甲醇制甲醇蛋白等大型生物发酵反应中。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种气升式循环复合发酵反应器，包括反应罐和换热器，其特征在于：所述换热器设置在反应罐内，反应罐底部设置有产品出口，换热器内腔底部为进料端，顶部为溢流端，换热器与反应罐之间的环状空间和换热器内腔形成物料内循环通道；所述换热器由换热元件组成，换热元件包括两个换热板，两个换热板四周封闭，两个换热板之间经多个焊点焊接连接，相邻两焊点之间的空隙形成一个通道，多个通道配合形成冷却通道，换热元件上设置有与冷却通道连通的冷却液入口和冷却液出口。

本实用新型还包括外循环装置，所述外循环装置包括与反应罐上的混合介质出口连通并补加反应介质的外循环混合喷射器、与外循环混合喷射器连接的换热反应器和与换热反应器连接的物料循环泵，物料循环泵与换热器内腔底部的混合介质入口连接。

所述换热元件为多个，多个换热元件组合焊接形成上部呈筒状下部呈圆锥状的换热器。

所述换热板为弧形板，冷却通道截面呈椭圆状。

所述换热器的内腔中设置有多个多孔筛板。

所述进料端还设置有与换热器内腔底部的环形进料通道连通位于反应罐外的进料混合喷射器，反应罐外壁上设置有水冷伴管。

采用本实用新型的优点在于：

一、本实用新型采用圆筒状水冷板式的换热器，冷却水是通过较薄且互相连通的截面呈椭圆状的冷却通道，阻力小、冷却水温度较均匀，提高了传热效率；水冷板式换热器的内部的冷却水可以向不同方向交错流动，流速比现有的蛇形盘管中的水流速快、传热速度较高，水冷板式换热器比管式换热单元的传热系数约大1.5～2.0倍，特别适合要求需要移出放热较多的甲醇好氧发酵罐的传热要求条件。

二、本实用新型的水冷板式换热器可以在混合反应物料侧与冷却水侧两侧的温差为10℃时已有较好传热效果，可以满足控制发酵反应灌的发酵温度要求。

三、本实用新型的水冷板式换热器自身厚度远比蛇形盘管直径小，所占的空间比蛇形盘管少10％～15％，不但提高了反应罐的容积利用率，而且在满足换热要求的同时，还可以承担将反应罐分隔成几个同心圆的发酵反应区，相当于将几个较小的反应罐合理组合起来，成为一个大型发酵反应罐。

四、本实用新型的水冷板式换热器加工制作方便、两侧水冷面很光滑、维修也很方便，其投资比采用蛇形盘管换热方式可节省约15％，降低了生产成本和维修、管理成本。

五、本实用新型中设置了两个混合喷射器，使需要均匀混合的气体与待发酵的物料在进入反应罐时，已经是混合较均匀的物料，有利于均匀反应、均匀放热，提高了发酵反应罐有效容积的利用效率，为实现发酵反应罐大型化作出了贡献。

六、本实用新型中，发酵反应器中混合物料从圆筒状水冷板式换热器内外两侧循环流动，冷却水在水冷板式换热器壁内冷却通道通过，传热效率远高于水冷蛇形盘管的传热效率，使发酵反应器内的内循环中发酵反应和移出反应热的效率更高；依靠物料循环泵控制外循环中的物料流量和调控管壳式换热反应器的冷却水量，可以有效地分流和调控发酵反应罐的运行温度等条件，气—液物料的外循环对于分流、调控、强化发酵反应过程，并且移出部分反应热是实现发酵反应罐大型化的又一重要的保证手段。

七、本实用新型由多个水冷板式换热元件组合焊接形成上部呈筒状下部呈圆锥状的换热器，换热器内腔底部为进料端，顶部为出料端，换热器与反应罐之间的环状间隙和换热器内腔形成物料内循环通道，以利于在空气上升力推动下反应物流形成内循环流动。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图

图2为图1中A-A剖面结构示意图

图3为本实用新型换热元件结构示意图

图中标记为：1、反应罐，2、换热器，3、换热元件，4、外循环混合喷射器，5、换热反应器，6、物料循环泵，7、多孔筛板，8、进料混合喷射器，9、水冷伴管。

具体实施方式

一种气升式循环复合发酵反应器，包括反应罐1和换热器2，将换热器2设置在反应罐1内，反应罐底部设置有与反应罐内腔连通的产品出口N3，反应罐1上还设置有与换热器2内腔连通的混合介质入口N7，反应罐1顶部设有废气出口N1，换热器2内腔底部为进料端，进料端处设置有环形进料通道，混合物料经换热器2顶部溢流到换热器2与反应罐1筒体间的环状间隙向下流动，换热器2与反应罐1之间的环状间隙和换热器2内腔形成物料内循环通道；所述换热器2由换热元件3组成，换热元件3包括两个换热板，两个换热板四周封闭，两个换热板之间经多个焊点焊接连接，相邻两焊点之间的空隙形成一个通道，多个通道交错配合连通后形成冷却通道，例如冷却水通道，换热元件3上设置有与冷却通道连通的冷却液入口N5a和冷却液出口N5b。

本实用新型还包括外循环装置，外循环装置包括与反应罐1上的混合介质出口N2连通并补加反应物料的外循环混合喷射器4、与外循环混合喷射器4连接的换热反应器5和与换热反应器5连接的物料循环泵6，物料循环泵6与混合介质入口N7连接，混合介质出口N2与反应罐内腔连通。发酵物料经外循环装置完成外循环过程，换热反应器5上设置有冷却水入口N8和冷却水出口N9，换热反应器5为管壳式换热反应器，反应罐1上的混合介质出口N2与外循环混合喷射器4之间的连接通道上设置有反应物入口N10b，外循环混合喷射器4上设有空气入口N6b。

本实用新型中，换热元件3可为一个或多个，当为多个时，多个换热元件组合焊接形成上部呈筒状下部呈圆台状的换热器，上、下部不封口，以利于在空气上升力推动下反应物流形成内循环流动。换热板为弧形板最佳，冷却通道截面呈椭圆状。在换热器2内设置有多孔筛板7，且多孔筛板为多个。在进料端还设置有与换热器进料端的环形进料通道连通的位于反应罐1外的进料混合喷射器8，进料混合喷射器8上设有空气入口N6a，反应罐1外壁上设置有水冷伴管9，水冷伴管9上设置有冷却水入口N4a和冷却水出口N4b。反应物料经反应物入口N10a通过进料混合喷射器8混合后经环形进料通道输入到换热器2内腔中。

本实用新型中，根据装置生产规模和发酵反应罐直径大小，可以设置1-6个不同直径的呈圆筒状的水冷板式换热器，将反应罐分隔成2-7个环状空间，以利于气—液物料循环流动、混合均匀、强化生化反应、强化传热、发酵反应热均匀移出，在最内圈的水冷板式换热器内不同高度可按需要分设1-10块多孔筛板，促进气—液物料均匀混合、反应和移出反应热。

本实用新型的工作原理过程如下：

按发酵反应要求做好各项准备，包括灭菌处理，充装初始培养液和营养物，控制反应罐内所需温度、压力、pH值等条件，接入发酵反应菌种，通入所需空气，反应罐内菌种培育达要求后，发酵混合物料和空气在进料混合喷射器中混合均匀后从换热器内腔底部的进料端向上喷入并靠空气动力向上流动，通过多孔筛板升到换热器顶部后沿换热器与反应罐之间的环状间隙，靠重力向下流动，直至反应罐底部，形成物料内循环过程，在内循环过程中逐渐完成发酵反应，发酵反应放出的热量被换热器及时移出；物料循环泵从发酵反应罐混合介质出口抽出部分未反应完全的混合物料并补加部分新鲜空气和部分待发酵物料及营养物经外循环混合喷射器混合均匀后进行发酵反应，进入管壳式换热反应器中继续发酵反应，同时移出发酵反应热并控制其温度后，被物料循环泵经混合介质入口进入换热器内腔，完成外循环过程，依靠物料循环泵的动力，除保证外循环运行外，还可以补充内循环所需的动力。当发酵反应罐环状空间下部混合物料中发酵产物浓度达到要求浓度后由产品出口稳定放出。

以上所述的仅是本实用新型的优选实施方式。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，无需经过创造性劳动就能够联想到的技术特征，还可以做出若干变型和改进，这些变化显然都应视为等同特征，仍属于本实用新型专利的保护范围之内。

Claims (6)

1、一种气升式循环复合发酵反应器，包括反应罐(1)和换热器(2)，其特征在于：所述换热器(1)设置在反应罐(2)内，反应罐(2)底部设置有产品出口(N3)，换热器(2)内腔底部为进料端，顶部为溢流端，换热器(2)与反应罐(1)之间的环状空间和换热器(2)内腔形成物料内循环通道；所述换热器(2)由换热元件(3)组成，换热元件(3)包括两个换热板，两个换热板四周封闭，两个换热板之间经多个焊点焊接连接，相邻两焊点之间的空隙形成一个通道，多个通道配合形成冷却通道，换热元件(3)上设置有与冷却通道连通的冷却液入口(N5a)和冷却液出口(N5b)。

2、根据权利要求1所述的气升式循环复合发酵反应器，其特征在于：还包括外循环装置，所述外循环装置包括与反应罐(1)上的混合介质出口(N2)连通并补加反应介质的外循环混合喷射器(4)、与外循环混合喷射器(4)连接的换热反应器(5)和与换热反应器(5)连接的物料循环泵(6)，物料循环泵(6)与换热器内腔底部的混合介质入口(N7)连接。

3、根据权利要求1或2所述的气升式循环复合发酵反应器，其特征在于：所述换热元件(3)为多个，多个换热元件组合焊接形成上部呈筒状下部呈圆锥状的换热器。

4、根据权利要求1或2所述的气升式循环复合发酵反应器，其特征在于：所述换热板为弧形板，冷却通道截面呈椭圆状。

5、根据权利要求1或2所述的气升式循环复合发酵反应器，其特征在于：所述换热器(2)的内腔中设置有多个多孔筛板(7)。

6、根据权利要求1或2所述的气升式循环复合发酵反应器，其特征在于：所述进料端还设置有与换热器内腔底部的环形进料通道连通位于反应罐外的进料混合喷射器(8)，反应罐(1)外壁上设置有水冷伴管(9)。

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