【技术实现步骤摘要】
本专利技术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。
技术介绍
1、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，反应器的搅拌混合系统对于为细胞或酶提供所需反应环境至关重要。
2、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
3、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。
4、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系统，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系统，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。
5、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。
技术实现思路
1、针对上述技术问题，本专利技术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。
2、为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：
3、一种强化液流循环的气升式生物反应器，包括：
4、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；
5、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；
6、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。
7、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，
8、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。
9、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。
10、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；
11、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，
12、所述导流筒换热管盘绕在所述导流筒的内壁或外壁；或者，
13、所述导流筒换热管纵向和/或横向拼接成所述导流筒。
14、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。
15、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。
16、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本文档来自技高网...
【技术保护点】
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：
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，
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)；
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
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，
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，
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，
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，
...【技术特征摘要】
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：
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，
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)；
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...
【专利技术属性】
技术研发人员：姜文侠，
申请(专利权)人：中国科学院天津工业生物技术研究所，
类型：发明
国别省市：
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