一种高好氧非牛顿流体生物反应器制造技术

本发明专利技术提供了一种高好氧非牛顿流体生物反应器，包括罐体、动力装置、进气装置、动态膜气体分布器和非牛顿流体搅拌桨叶，动态膜气体分布器包括搅拌空心轴和设置于搅拌空心轴下部的曝气叶轮，搅拌空心轴密封地进入罐体，动力装置在罐体之外与搅拌空心轴的顶端固定连接，进气装置在罐体之外连通与搅拌空心轴的内部；曝气叶轮为中空结构，包括中空的曝气桨叶，曝气桨叶的下侧壁为敞口结构，在敞口处设有微孔曝气膜片，曝气叶轮的内部与搅拌空心轴内部相通；非牛顿流体搅拌桨叶固定于搅拌空心轴上，位于曝气叶轮的上方。本发明专利技术强化了非牛顿流体的传质传热，提高产品收率和品质，节省能耗，减少碳排放，适合石油化工、生物化工和医药等领域的多相反应。等领域的多相反应。等领域的多相反应。

【技术实现步骤摘要】
一种高好氧非牛顿流体生物反应器


[0001]本专利技术属于化工
，具体涉及一种高好氧非牛顿流体生物反应器。

技术介绍

[0002]以高粘度为特征的微生物发酵产品是近年来利用现代工业生物技术开发的新型产品，比如生物多糖、聚谷氨酸、聚乳酸等，在食品、石油、医药等工业中具有广泛应用前景。由于我国在高粘度高好氧发酵技术方面与国外存在一定差距，所以高品质和高性能微生物发酵产品生产基本上被国外著名生产企业所垄断，主要是因为传统搅拌桨叶的传质和混合效率不能满足高粘度发酵的需要，气体分散效果不理想，生产过程的能耗占成本的比重较大。因此，迫切需要建立自主创新的支撑技术和装备来克服高粘度高好氧发酵过程中存在的关键问题。
[0003]牛顿流体和非牛顿流体，研究者发现非牛顿流体在搅拌罐内的死区较多；研究者进一步研究了非牛顿流体在搅拌槽内的死区以及死区的微粒混合情况，发现使用偏心搅拌、动态混合、添加挡板、设计特殊形式的桨叶等方法可以减小非牛顿流体中的死区，促进流体在槽内的分散和混合。由于受到表面张力、粘性力、惯性力和浮力的共同作用，加之流体固有复杂性，非牛顿流体中的气泡往往会表现出不同的形状和轨迹，从而影响气液两相的传质、传热和化学反应。在搞粘性非牛顿流体中，由于气泡上升速度较小，气泡不容易聚并和破裂，因此气泡的生成行为就显得尤为重要。因此，流体的流动混合和初始气泡的形成是非牛顿流体体系发酵传质的关键问题。
[0004]在气液两相流的研究中，牛顿流体模型自提出以来被众多研究者作为流体研究的标准。不过随着工业技术的快速发展，研究发现，简单的牛顿流体模型并不适用大量新型高分子溶液即非牛顿流体溶液。非牛顿流体因其自身相对复杂的流变性，气泡在非牛顿流体中会表现出异于牛顿流体中的形态特性、运动特性以及气泡之间聚并和碰撞行为。因此，研究非牛顿流体中气泡的运动和相互作用以及气泡对周围液相场的影响对实际液相接触的工艺过程设备工作效率的提高以能耗的降低有着重要的意义。在气液两相传质和反应动力学的研究中，气泡的生成及上升运动行为的研究起到了至关重要的作用。气泡的产生过程对气泡初始尺寸以及初始扰动等起到了决定性作用，而气泡的上升过程则会影响气液相间的接触时间，进而影响相间的传递进程。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种高好氧非牛顿流体生物反应器，其不仅能利用自身搅拌装置的旋转带动动态膜气体分布器产生微小气泡，还根据非牛顿流体的特性在反应装置内的搅拌轴上设置适合非牛顿流体的桨叶，强化了非牛顿流体的传质传热，提高产品收率和品质，节省能耗，减少碳排放，适合石油化工、生物化工和医药等领域的多相反应；该生物反应器具有初始气泡分布均匀及粒径小，整体混合效果好，结构简单，维修方便，操作灵活等特点。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用如下的技术方案：一种高好氧非牛顿流体生物反应器，包括罐体、动力装置、进气装置、动态膜气体分布器和非牛顿流体搅拌桨叶，所述罐体上设有出气口、进料口和出料口；所述动态膜气体分布器包括搅拌空心轴和设置于搅拌空心轴下部的曝气叶轮，所述搅拌空心轴密封地进入罐体，所述动力装置在罐体之外与搅拌空心轴的顶端固定连接，所述进气装置在罐体之外连通与搅拌空心轴的内部；所述曝气叶轮为中空结构，包括中空的曝气桨叶，所述曝气桨叶的下侧壁为敞口结构，在敞口处设有微孔曝气膜片，所述曝气叶轮的内部与搅拌空心轴内部相通；所述非牛顿流体搅拌桨叶固定于搅拌空心轴上，位于曝气叶轮的上方；在罐体的内壁设有挡板。
[0007]动力搅拌装置旋转时，其带动曝气叶轮同时旋转，处理后的气体由进气装置进入搅拌空心轴，通过微孔曝气膜片的微孔进入非牛顿流体反应液中，形成微气泡，同时动态膜气体分布器将微气泡分散至溶液中，旋转的膜孔可以避免传统方法产生微气泡或微小液滴时造成孔径堵塞的潜在风险。
[0008]尽管初始的气泡有比较高的传质效果，但是，非牛顿流体的特性使反应液中气
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液和液
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液混合传质差，反应体系中的死区较多，本专利技术采用非常适合非牛顿流体的螺带式和螺旋螺杆式桨叶，大大降低反应体系的死区，将曝气桨叶的曝气面设置为朝下，消除反应器底部死区，也能够更好分布均匀，提高发酵产品的收率和品质，节约了生产成本。
[0009]进一步的，所述曝气桨叶采用平桨式或斜桨式桨叶，优选斜桨式桨叶。
[0010]进一步的，所述微孔曝气膜片采用金属烧结膜、陶瓷膜、工程塑料膜中的一种，膜孔径在500nm~20um，优选800nm~10um。
[0011]进一步的，当所述曝气桨叶为斜桨式桨叶时，其与搅拌空心轴的夹角α为5~30度，优选10~15度。
[0012]进一步的，所述曝气叶轮与搅拌空心轴采用双O型圈密封，并用螺丝锁紧。
[0013]进一步的，所述微孔曝气膜片与曝气桨叶采用烧结、焊接、对夹、粘结、卡槽镶嵌中的一种方式制成。
[0014]进一步的，所述非牛顿流体桨叶为双层对流桨叶和螺旋式桨叶的组合或者为桨板式桨叶和翻转式桨叶的组合。
[0015]进一步的，在所述双层对流桨叶和螺旋式桨叶的组合中，双层对流桨叶位于螺旋式桨叶的上方，双层对流桨叶为斜叶平桨，流场为上下对流；螺旋式桨叶桨叶上开有5~10mm小孔，开孔率为60%；其旋转直径为罐体1内壁挡板内径的0.9~0.98倍，搅拌转速为0.5~200rpm，优选5~100 rpm。
[0016]进一步的，在所述桨板式桨叶和翻转式桨叶的组合中，桨板式桨叶和翻转式桨叶自上而下交替间隔设置，其旋转直径为罐体1内壁挡板内径的0.9~0.98倍，搅拌转速10~250rpm，优选50~200 rpm。
[0017]非牛顿流体具有爬杆性、无管虹吸、射流胀大和湍流减阻性，因此，非牛顿流体的流动特性与牛顿流体相差较大；所以两者的混合机理不同。一般流体混合过程的机理为对流混合、剪切混合和扩散混合；与牛顿流体不同，非牛顿流体的混合机理主要是剪切混合和对流混合，扩散混合作用几乎没有。对于反应器中非牛顿流体的混合，单有推动力的剪切作用是不够的，因为反应器中剪切速率分布不均匀，局部混合效率有快有慢，在螺旋螺杆桨叶
旋转背面会出现“抱团”，即有死区现象，在螺旋螺杆桨叶开孔可以消除“抱团”现象，改变了流体流动特性，减少桨叶附近死区问题。
[0018]进一步的，所述进气装置包括进气口和进气腔，所述进气口与进气腔相通，所述搅拌空心轴穿过进气腔伸入罐体内，且搅拌空心轴在进气腔内设置有气孔，进气腔的上下端面通过密封装置与搅拌空心轴密封连接。
[0019]进一步的，所述罐体上还设置有夹套，所述夹套上设置有夹套内介质出口和夹套内介质进口。
[0020]进一步的，所述罐体上还设置有取样口。
[0021]进一步的，所述罐体上还设置有仪表检测探头口。
[0022]进一步的，所述空心轴与罐体相接触处设置有机械密封。
[0023]进一步的，所述机械密封为单面密封或双端面密封。
[0024]与现有技术相比，本专利技术具本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高好氧非牛顿流体生物反应器，其特征在于，包括罐体（1）、动力装置（2）、进气装置（3）、动态膜气体分布器和非牛顿流体搅拌桨叶（8），所述罐体（1）上设有出气口（4）、进料口（5）和出料口（13）；所述动态膜气体分布器包括搅拌空心轴（14）和设置于搅拌空心轴（14）下部的曝气叶轮（10），所述搅拌空心轴（14）密封地进入罐体（1），所述动力装置（2）在罐体（1）之外与搅拌空心轴（14）的顶端固定连接，所述进气装置（3）在罐体（1）之外连通与搅拌空心轴（14）的内部；所述曝气叶轮（10）为中空结构，包括中空的曝气桨叶（10
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4），所述曝气桨叶（10
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4）的下侧壁为敞口结构，在敞口处设有微孔曝气膜片（10
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1），所述曝气叶轮（10）的内部与搅拌空心轴（14）内部相通；所述非牛顿流体搅拌桨叶（8）固定于搅拌空心轴（14）上，位于曝气叶轮（10）的上方；在罐体（1）的内壁设有挡板（7）。2.根据权利要求1所述的高好氧非牛顿流体生物反应器，其特征在于，所述曝气桨叶（10
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4）采用平桨式或斜桨式桨叶，优选斜桨式桨叶。3.根据权利要求1所述的高好氧非牛顿流体生物反应器，其特征在于，所述微孔曝气膜片（10
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1）采用金属烧结膜、陶瓷膜、工程塑料膜中的一种，膜孔径在500nm~20um，优选800nm~10um。4.根据权利要求2所述的高好氧非牛顿流体生物反应器，其特征在于，当所述曝气桨叶（10
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4）为斜桨式桨叶时，其与搅拌空心轴（14）的夹角α为5~30度，优选10~15度。5.根据权利要求1所述的高好氧非牛顿流体生物反应器，其特征在于，所述曝气叶轮（10）与搅拌空心轴（14）采用双O型圈密封，并用螺丝锁紧。6.根据权利要求1所述的高好氧非牛顿流体生物反应器，其特征在于，所述微孔曝气膜片（10
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【专利技术属性】
技术研发人员：李干禄，黎兴燕，陈可泉，李辉，陈家俊，甘建，何峰，张阿磊，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：