CN2078322U - 高粘度发酵气升式生物反应器 - Google Patents

Abstract

本实用新型为一种内环流式的高粘度发酵气升 式生物反应器，其主要特点是在反应器的罐体内设有 多段提升管。该反应器与传统机构搅拌发酵罐比较， 具有投资低，加工容易，节省能耗(节能30％)，维修 方便，操作稳定，不易染菌，液体混合良好，气液传质 强度高，剪切力低，有菌丝体生长的适宜条件，适用范 围广。除适用于高粘度的微生物多糖发酵外，还适用 于其他种类的微生物发酵及动植物细胞培养等。

Description

本发明涉及一种微生物发酵反应器，特别涉及一种高粘度发酵气升式内环流式生物反应器。

现有微生物发酵用生物反应器多为机械搅拌式，通称为标准发酵罐，内装六叶水平园盘式透平桨，罐壁安装4块垂直挡板，罐体及搅拌浆叶的尺寸已标准化。目前虽有多种改进的型式，但其基本结构仍然不变，其主要特点是机械搅拌式通风发酵罐。现有机械搅拌式发酵罐虽然有长期的使用经验及稳定可靠，适应性大等优点，但其突出的缺点为能耗高，以及由于叶轮的高剪切力的作用对菌丝体易造成伤害（M.B.Moo－Young，Comprehensive  Biotechnology.Vo1.2，Pergamon  Press，N.Y.，1985）。特别是在高粘度发酵的情况下，机械搅拌罐的性能显著下降，能耗增高，流体混合恶化，传质效率降低，以致使某些微生物不能正常生长。此外，机械搅拌发酵罐还有投资大，加工复杂，维修困难等缺点，且由于搅拌轴密封处易漏气，故易染菌。

目前还有一种适用于低粘度发酵的气升式生物反应器（也称作气体提升式发酵罐）。其主要特点为外环流式及内环流式（Rehm，H.J.and  G.Reed，Biotechnology，Vo1.2，VCH，1985）两种，外环流式的结构主要由直立式气体提升管及降液管组成。两管的顶、底用联接管连接，气体从气体提升管通入后，夹带液体上升，至顶部进入扩大段，大部分气体分离后由扩大段的顶部逸出，少部分随液体经连接管进入降液管下降，至底部再经底部联接管进入气体提升管之底部，形成液体有规则的循环流动，进行流体的混合及气液间氧的传递，以保证发酵之需要。内环流式的结构主要由立式的筒体及同心园内筒构成。内筒为气体提升管，内筒与外筒的环隙作为降液管，其流体的运动规律与外环流式相同，功能也基本上相同。

现存的气体提升式发酵罐当用于高粘度发酵时，由于发酵介质粘度高达数百至上万厘泊，仍有供氧不足及混合不良的缺点，因而效率不高。

为了克服机械搅拌发酵罐和现行的气体提升式发酵罐存在的上述缺点，特发明了一种直立式高粘度发酵气升式生物反应器。

本发明″高粘度发酵气升式生物反应器″（高粘度气体提升式发酵罐），主要包括发酵罐体、提升管、扩大段、气室、加料接种口、排料口等，其特征在于发酵罐体内装有3～10段同心园筒形的内管，内管可做为提升管，内管与罐体的环间做为降液管。也可以反过来使用，即内管与罐体的环间做为提升管，而把内管做为降液管。提升管的底部设有气体分布器，分布器可为单个或多个气体喷嘴，或环管形、栅条形气体分布器，内管各段之间由连接杆连接，且由支点固定在罐体底部。

本发明的高粘度发酵气升式生物反应器亦为内环流式。当反应器的内管做为提升管时，提升管顶部可设有挡帽，当内管与罐体的环间做为提升管时，提升管顶部扩大段内可设有环形挡板。这样可以防止喷溅，减少排气的雾沫夹带，使操作更加稳定，并形成一定高度的泡沫层，可增大气液传质。提升管底部设有单个或多个气体喷嘴，或环形、栅条形气体分布器，使气体分布均匀，同时形成较大升力，使液体形成循环流动，并可使气体分散成小气泡，增大气液接触面积。提升管分成多段，可保证液体良好的局部及总体循环以及更好的混合和供氧条件，使上下的供氧条件比较均匀，特别是在降液管内氧的供应也比较充分。由于分段的结果，提升管的每一段的内外构成一个小循环区。同时还形成总体的大循环。所以可保证有良好的混合及供氧条件。

该反应器的整个发酵罐体的高径比为6～20，罐体与内管直径比为1.3～2，罐高度与每段内管的高度比为3～10，内管段间距为罐体高度的1／10～1／100。

该发明的反应器是采用气体为动力，利用气体膨胀功提供能量，驱动液体进行循环，并使空气均匀分散在液相中进行良好的接触，以促进气液传质。由于省去机械搅拌，故其总能量消耗可节省20～30％。同时可获得良好的物料混合，较高的气液传质强度，低剪切速度及适宜的微生物生长条件，可显著提高碳源利用率，缩短发酵周期，增加产率。由于没有机械传动部分，结构简单，加工费用低，且操作方便，维修容易，易实现自动化。发明的发酵反应器，由于其独特的内部结构，适应范围广，发酵介质的粘度可由数厘泊至上万厘泊。已成功地用于高粘度发酵，如微生物多糖的发酵等。对其他类型的发酵，如动植物细胞培养也将是高效、节能的设备。本发明反应器亦可用于常规粘度的发酵，如细菌、霉菌、酵母菌类的发酵。

下面结合附图，实施例具体描述本发明。

图1为本发明一种″高粘度发酵气升式生物反应器″的示意图。

图2为环管形气体分布器示意图，图3为栅条形气体分布器示意图。

该反应器是由罐体（1）、内管（2）、连接杆（3）、换热夹套（4）、液位计（5）、挡帽（6）、扩大段（7）、加料接种口（8）、排气口（9）、压力表（10）、流加口消泡器口（11）、手（人）孔（12）、探头孔、取样口（13）、出水口（14）、托耳（15）、法兰（16）、排料口（17）、进气口（18）、气室（19）、气体分布器（喷嘴）（20）、及进水口（21）等组成。两段内管（2）之间用3－4根连接杆（3）焊接。最下一根内管用3－4个托耳（15）支撑在罐体底部。

如图1所示，当内管做提升管时，压缩空气由进气口（18）进入气室（19），通过喷嘴（气体分布器）（20）进入发酵罐，通过内管（2）夹带液体逐段上升，至扩大段（7）与液体分离后由排气口（9）排出。液体则由内管（2）外的环间下降，再由底部进入内管构成循环，直至发酵终结由排料口（17）排出。如图1的内管（2）下部呈直筒形，也可做成喇叭口形，以利于气流集中在管内上升。气体分布器（20）也可以做成如图2的环管形或图3的栅条形分布器，管上开有朝上的小孔，当内管为提升管时，环管的直径应略小于内管直径。本发明的反应器，可用于间歇分批作业，亦可用于连续或半连续（流加）作业。

实施例：

1.如图1所示的高粘度发酵气升式生物反应器，容积200升，罐体高5010mm、罐体直径250mm、提升管直径160mm、提升管分三段，每段1300mm，每段间的距离为100mm，反应器有效容积180升。气体分布器用单个喷嘴。各部件均用不锈钢制造。

采用5％蔗糖溶液为培养基，配加如下营养成份（％）：KH₂PO₄0.2，NaCl 0.1，MgSO₄7H₂O 0.2， 尿素0.02，酵母膏0.2。使用出芽短梗霉（Aureobasidium Pullulans）为菌种，经24小时培养后，以5％的接种量接种，发酵条件为：温度28±2℃，通风量为1vvm，96小时后培养基的碳源转化率可达50％，生成短梗霉多糖（Pullulan）发酵液粘度接近1000厘泊，多糖分子量可达4～5×10⁴。操作稳定，产品性能良好。与传统标准搅拌罐比较，可节省能量30％，碳源转化率提高5％，发酵周期缩短12小时。

2.如图1所示的3000升高粘度发酵气升式生物反应器，罐体高10800mm，罐体直径600mm，提升管直径为400mm，气升管为7段，每段为1000mm，间距为200mm，反应器有效容积为2500升，气体分布器为4个喷嘴或采用如图3的栅条形气体分布器，反应器由不锈钢材料制作。

采用与实施例1相同的发酵过程，通风量为0.75vvm，其他条件相同，获得与实施例1中相同的碳源转化率及相同的产品质量，与传统的标准搅拌罐相比较，可节省能量30％，碳源转化率可提高5％，发酵周期缩短12小时以上。

3.一种200升高粘度发酵气升式生物反应器，采用如图2的环管形气体分布器，使气体均匀分布在园筒形内管与反应罐体的环间，（此时环间成为提升管），使气体带动液体在环间上升，然后液体自内管下降，此时，内管变为降液管使用，气体从顶部经环形档板逸出（原位于内管上面的挡帽取消），其他结构与图1所示相同。反应器的罐体高5010mm，直径为250mm，内管内径150mm，共分三段，每段1000mm，间距为100mm。

在上述反应器中采用实施例1相同的发酵工艺条件，也获得同实施例1相同的实验结果。

Claims (4)

1、一种发酵气升式生物反应器，主要包括发酵罐体、提升管、扩大段、气室、加料接种口、排料口等，其特征在于发酵罐体内装有3～10段同心园筒形的内管，内管可做为提升管或内管与罐体的环间可做为提升管，提升管的底部设有气体分布器，分布器可为单个或多个的气体喷嘴，或环管形、栅条形气体分布器，内管各段之间由连接杆连接，且由支点固定在罐体底部。

2、根据权利要求1所述的生物反应器，其特征在于反应器的内管作为提升管时，可在提升管的顶部设有挡帽，当内管与罐体的环间作为提升管时，可在扩大段部分的内管外的环间设环形挡板。

3、根据权利要求1或2所述的生物反应器，其特征在于反应器的罐体高径比为6～20，罐体与内管的直径比为1.3～2，罐体高度与每段内管的高度比为3～10，内管段间距离为罐体高度的1／10～1／100。

4、根据权利要求1或2所述的生物反应器，其特征在于反应器的内管作为提升管时，内管下部可以是直筒形，也可以是喇叭口形。

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