一种利用尾气提高反应体系传质效率的生物反应器制造技术

本发明专利技术涉及一种利用尾气提高反应体系传质效率的生物反应器。本发明专利技术提供了一种设计合理、使用方便的外置式气动搅拌装置，其可利用生物反应过程发生的尾气的压力能量来驱动所述的搅拌装置，充分回收利用尾气的气体动能，减小电力驱动搅拌所消耗的电量，有效的降低生物反应过程所需的生产能耗。

A Bioreactor for Improving Mass Transfer Efficiency of Reaction System by Using Tail Gas

【技术实现步骤摘要】
一种利用尾气提高反应体系传质效率的生物反应器
本专利技术属于生物反应器领域，更具体地，本专利技术涉及一种利用尾气提高反应体系传质效率的生物反应器。
技术介绍
随着能源的日益短缺，节约能源已经被作为可持续发展的一个重要方面，很多企业也把节能挖潜作为降低成本、提高利润的最直接手段。在微生物发酵领域，随着微生物发酵生产规模的日益扩大，生物反应器越来越向大型化、规模化方向发展，其容积越来越大，使得能耗成了除原材料之外最大的消耗。其中，使用电驱动的搅拌式发酵罐来进行微生物发酵生产所需的能耗是非常大的。尽管近些年来，本领域人员通过各种措施来降低能耗，例如安装变频设备、调整搅拌装置的性状大小等。并且，在微生物发酵领域内还出现了以气升和气混方式替代搅拌桨的新技术。根据气体混合的方式分为气升环流式、鼓泡式、空气喷射式等。但是，由于发酵品类个性差异以及发酵过程中对气液流的剪切、融混等机理的特殊要求，气升和气混方式在应用过程中存在不少难以克服的问题，搅拌式发酵罐目前仍是生物发酵生产的主流设备。因此，在保持良好的、传质充分的反应的同时，有效地减少发酵反应过程中的能耗是目前值得关注的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种利用尾气提高反应体系传质效率的生物反应器。在本专利技术的第一方面，提供一种利用尾气提高反应体系传质效率的生物反应器，该生物反应器包括：生物反应器本体(1)；搅拌装置(2)；气动组件(3)，其位于生物反应器上方并与搅拌装置(2)的搅拌杆连接，其藉由气体产生动能并带动搅拌杆运转；进气管(4)，其用于为生物反应器内的反应体系输入气体；通气管(5)，其一端连通生物反应器本体(1)，另一端连通气动组件(3)，用于输出生物反应器的尾气至气动组件(3)的进气口(34)，为气动组件(3)供气；排出管(6)，用于输出气动组件(3)流出的气体。在一个优选例中，所述的气动组件(3)包括：封闭仓(31)；叶轮(32)；叶轮中心(33)，其能由叶轮(32)驱动旋转，其与搅拌装置(2)的搅拌杆连接，从而带动搅拌装置(2)转动。在另一优选例中，所述的封闭仓(31)为U型密闭仓。在另一优选例中，所述的封闭仓(31)包括进气口以及出气口，且所述进气口以及出气口以阀门控制气体进入以及输出。在另一优选例中，所述的叶轮中心(33)与搅拌装置(2)的搅拌杆通过气动组件固定架(10)连接。在另一优选例中，所述的进气管(4)包括：进气阀(41)；单向止回阀(43)；气体流量计(42)。在另一优选例中，所述的通气管(5)包括进气阀(51)；较佳地，所述的通气管(5)还设置一排气管，其上设置排空阀(52)。在另一优选例中，所述的进气管(4)伸入到生物反应器的下部空间，且与气体分布器(8)连通。在另一优选例中，所述的生物反应器的底部，还包括：生物反应液输入输出管路，且还包括一阀门(9)。在另一优选方式中，所述叶轮中心与搅拌杆连接位置设有密封圈，避免气体逃逸。在另一优选方式中，所述的生物反应器本体(1)与搅拌杆相交处设有密封圈，避免气体逃逸。在另一优选例中，通气管(5)上，通过三通来控制生物反应器、气动组件、排气管之间的气体流动。在本专利技术的另一方面，提供所述的生物反应器的用途，用于进行生物反应，所述的生物反应是需要气体参与的生物反应；较佳地，所述的气体是为生物反应系统提供碳、氢或氧的气体；更佳地，所述的生物反应是通气量在≥4Nm3/h的生物反应。在本专利技术的另一方面，提供一种利用所述的生物反应器进行生物反应的方法，所述方法包括：(a)在生物反应器本体(1)内加入生物反应底物(或反应液)并接种入微生物；(b)从进气管(4)通入气体，为生物反应器内的反应体系输入气体；(c)保持通气管(5)连通，步骤(b)输入的气体流经微生物及反应底物组成的反应系统后，逸出的尾气经由通气管(5)输出到气动组件(3)，从而使气动组件(3)藉由气体产生动能并带动搅拌装置(2)的搅拌杆运转；根据生物反应所需的气体量及搅拌速度，调整进气管(4)的气体流入量。在一个优选例中，所述的生物反应是需要气体参与的生物反应；在进行需要搅拌的反应时：进气管(4)上的进气阀(41)为连通状态；进气管(4)上的单向止回阀(43)为工作状态，阻止气体回流；通气管(5)上的进气阀(51)为连通状态，且，通气管(5)上的排空阀(52)为封闭状态；在不需要搅拌时：进气管(4)上的进气阀(41)为连通状态；进气管(4)上的单向止回阀(43)为工作状态，阻止气体回流；通气管(5)上的进气阀(51)为封闭状态，且通气管(5)上的排空阀(52)为连通状态。在另一优选例中，搅拌装置(2)的搅拌速率为持续的定值，或为持续的不定值。本专利技术的其它方面由于本文的公开内容，对本领域的技术人员而言是显而易见的。附图说明图1、本专利技术的实施例1的生物反应器的结构示意图。图2、左图为图1生物反应器中的气动组件(3)的结构示意图；右图为搅拌装置与气动组件的连接示意图。附图标记如下：1：生物反应器本体；2：搅拌装置；3：气动组件；31：封闭仓；32：叶轮；33：叶轮中心；34：气动组件进气口；35：气动组件出气口；4：进气管；41：进气阀；42：气体流量计；43：单向止回阀；5：通气管；51：进气阀；52：排空阀；6：排出管；7：溶氧电极；8：气体分布器；9：生物反应器底部阀门。图3、单位时间内溶氧的变化曲线。图4、气液传质系数KLa的获得。图5、排气法测定气液传质系数的曲线。其中，A为溶氧浓度C*；B为斜率计算。图6、搅拌功率准数Np的求解。具体实施方式本专利技术致力于研究生物反应器的高效传质，在深入研究的基础上，提供了一种设计合理、使用方便的外置式气动搅拌装置，其可利用生物反应过程发生的尾气的压力能量来驱动所述的搅拌装置，充分回收利用尾气的气体动能，减小电力驱动搅拌所消耗的电量，有效的降低生物反应过程所需的生产能耗。如本文所用，所述的“生物反应器”与“发酵罐”可互换使用。生物反应器本专利技术提供了一种利用尾气提高反应体系传质效率的生物反应器，该生物反应器包括：生物反应器本体；搅拌装置；气动组件，其位于生物反应器上方并与搅拌装置的搅拌杆连接，其藉由气体产生动能并带动搅拌杆运转；进气管，其用于为生物反应器内的反应体系输入气体；通气管其一端连通生物反应器本体，另一端连通气动组件，用于输出生物反应器的尾气至气动组件的进气口，为气动组件供气；排出管，用于输出气动组件流出的气体。所述的搅拌装置包括位于生物反应器内部的部分，以及位于生物反应器外部的部分，通过一个贯穿内外的搅拌杆有机连接。搅拌装置的外部部分与气动装置连接，其内部部分的一端插入到生物反应的反应体系中，其运行时可伴随着反应体系传质效率的提高。所述的气动组件包括：封闭仓和叶轮。叶轮的中心位置的轴向与搅拌装置搅拌杆连接，从而气体(发酵尾气)被鼓入封闭仓后，叶轮在气体推动下发生单向的旋转，带动搅拌装置发生转动。所述的封闭仓包括进气口以及出气口，且所述进气口以及出气口以阀门控制气体进入以及输出，通过其进气口将生物反应产生的尾气输入到封闭仓，其出气口则排除流经叶轮后的气体。所述的封闭仓的形状可以是多种多样的，通常，半环形以及U型是较为适宜的，优选地，所述的封闭仓为U型结构的密闭仓。所述的叶轮中心与搅拌装置的搅拌杆本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用尾气提高反应体系传质效率的生物反应器，其特征在于，该生物反应器包括：生物反应器本体(1)；搅拌装置(2)；气动组件(3)，其位于生物反应器上方并与搅拌装置(2)的搅拌杆连接，其藉由气体产生动能并带动搅拌杆运转；进气管(4)，其用于为生物反应器内的反应体系输入气体；通气管(5)，其一端连通生物反应器本体(1)，另一端连通气动组件(3)，用于输出生物反应器的尾气至气动组件(3)的进气口(34)，为气动组件(3)供气；排出管(6)，用于输出气动组件(3)流出的气体。

【技术特征摘要】
1.一种利用尾气提高反应体系传质效率的生物反应器，其特征在于，该生物反应器包括：生物反应器本体(1)；搅拌装置(2)；气动组件(3)，其位于生物反应器上方并与搅拌装置(2)的搅拌杆连接，其藉由气体产生动能并带动搅拌杆运转；进气管(4)，其用于为生物反应器内的反应体系输入气体；通气管(5)，其一端连通生物反应器本体(1)，另一端连通气动组件(3)，用于输出生物反应器的尾气至气动组件(3)的进气口(34)，为气动组件(3)供气；排出管(6)，用于输出气动组件(3)流出的气体。2.如权利要求1所述的生物反应器，其特征在于，所述的气动组件(3)包括：封闭仓(31)；叶轮(32)；叶轮中心(33)，其能由叶轮(32)驱动旋转，其与搅拌装置(2)的搅拌杆连接，从而带动搅拌装置(2)转动。3.如权利要求2所述的生物反应器，其特征在于，所述的封闭仓(31)包括进气口以及出气口，且所述进气口以及出气口以阀门控制气体进入以及输出。4.如权利要求2所述的生物反应器，其特征在于，所述的叶轮中心(33)与搅拌装置(2)的搅拌杆通过气动组件固定架(10)连接。5.如权利要求1所述的生物反应器，其特征在于，所述的进气管(4)包括：进气阀(41)；单向止回阀(43)；气体流量计(42)。6.如权利要求1所述的生物反应器，其特征在于，所述的通气管(5)包括进气阀(51)；较佳地，所述的通气管(5)还设置一排气管，其上设置排空阀(52)。7.如权利要求1所述的生物反应器，其特征在于，所述的进气管(4)伸入到...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡鹏，张福春，石文静，张猛，金文学，
申请(专利权)人：上海吉态来生物技术有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31