專利名稱：氣升式循環(huán)復(fù)合發(fā)酵反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種生物發(fā)酵反應(yīng)裝置，尤其涉及一種氣升式循環(huán)復(fù)合發(fā)酵 反應(yīng)器，主要適用于由甲醇制甲醇蛋白等生物發(fā)酵反應(yīng)。
背景技術(shù)：
目前我國詞料產(chǎn)業(yè)每年需要甲醇蛋白約500萬噸以上。而目前國內(nèi)甲醇蛋白 工業(yè)尚處于初始階段，尚未建立生產(chǎn)裝置。因此，單純依靠種植糧食類等農(nóng)作物 或海洋漁業(yè)生產(chǎn)的魚粉來滿足人類對蛋白質(zhì)的需求已遠不能滿足日益增長的市場 需求。合成單細胞蛋白(single cell protein)是解決我國糧食問題的重要途徑之一。 而甲醇單細胞蛋白可從煤或天然氣為原料出發(fā)，經(jīng)由甲醇生化反應(yīng)而制得。它含 有豐富的蛋白質(zhì)、氨基酸和多種維生素，產(chǎn)品安全而無毒，能促進牲畜生產(chǎn)和提 高飼料利用率。由于生產(chǎn)甲醇蛋白勿需依賴耕地的傳統(tǒng)生產(chǎn)模式和海洋漁業(yè)資源，
以甲醇為原料合成甲醇蛋白用作高能量的精詞料，每l噸甲醇蛋白可節(jié)省糧食3.5 噸，可配制10噸飼料，社會效益和經(jīng)濟效益均十分可觀。所以，發(fā)展甲醇蛋白是 解決我國養(yǎng)殖業(yè)及食品工業(yè)蛋白質(zhì)短缺問題的重要途徑之一。
現(xiàn)有技術(shù)中，氣升式發(fā)酵反應(yīng)器是從化工生產(chǎn)中引入發(fā)酵生產(chǎn)中的新型發(fā)酵 反應(yīng)器，國內(nèi)外研究的氣升式發(fā)酵反應(yīng)器目前只限于兩種基本類型內(nèi)循環(huán)式和 外循環(huán)式?；竟ぷ髟硎且詢?nèi)循環(huán)式好氧發(fā)酵反應(yīng)為例，利用空氣噴入的動 力和空氣在液體中的浮升力，在反應(yīng)器底部通人空氣和加入發(fā)酵液體原料及營養(yǎng) 物，用空氣噴入的動力和浮升力推動空氣與液體物料混氣、上升，并形成上下的 循環(huán)流動，在循環(huán)的同時，氣泡在液體中的攪動及篩板對氣泡的不斷破碎，使空 氣中的氧充分地溶解到液體中，滿足發(fā)酵所需供氧和固液間的傳質(zhì)、傳熱。內(nèi)循 環(huán)式結(jié)構(gòu)其主要部件通氣噴嘴、氣液上升區(qū)循環(huán)筒、發(fā)酵罐體、夾套熱交換器、
進料口、排料口。由于該氣升式發(fā)酵反應(yīng)器氣液接觸效果差，使發(fā)酵液中的溶解 氧未能有效地保證微生物生長及產(chǎn)物代謝的要求，更為重要的是不能及時，致使 發(fā)酵罐內(nèi)溫度及其均勻性不能得到有效控制，因而導(dǎo)致產(chǎn)物產(chǎn)率和提取收率低， 發(fā)酵罐只能選用小規(guī)模、小體積的罐體。
也有如下結(jié)構(gòu)的發(fā)酵反應(yīng)器不銹鋼發(fā)酵反應(yīng)罐金屬外殼外壁焊設(shè)水冷蛇形 伴管、反應(yīng)罐內(nèi)設(shè)置1 4組水冷蛇形盤管、罐內(nèi)設(shè)置電動攪拌器促進物料混合均
勻、發(fā)酵反應(yīng)均勻性和熱量移出均勻性有所改善。采用上述結(jié)構(gòu)的發(fā)酵反應(yīng)器存
3在的主要問題是1、負有及時從反應(yīng)罐中均勻移出反應(yīng)熱的水冷蛇形盤管，不僅 有死角存在，不利于發(fā)酵生化反應(yīng)，并且加工、焊接、安裝和維修麻煩，更重要 的是體積大、傳熱效率較差，而且無法形成有效的控制反應(yīng)罐內(nèi)反應(yīng)均勻性和移
出熱量均勻可靠性的條件，即反應(yīng)罐內(nèi)溫度均勻性及可控性仍不令人滿意；伴 隨發(fā)酵反應(yīng)罐增大，致使我國至今好氧發(fā)酵單罐罐體容積僅為200立方米左右。 雖然厭氧發(fā)酵反應(yīng)的反應(yīng)熱較小，其反應(yīng)罐的單罐罐體容積也僅為1000立方左 右，也未能實現(xiàn)大型化。2、甲醇好氧發(fā)酵反應(yīng)的放出的熱量比目前其他物料好氧 發(fā)酵的反應(yīng)熱大的多，要實現(xiàn)甲醇蛋白生產(chǎn)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，甲醇好氧發(fā)酵反應(yīng)罐大 型化更無法依賴現(xiàn)有技術(shù)來完成。
20多年來，我國多個單位對甲醇制甲醇蛋白項目的研究均停留在小試驗階段, 發(fā)酵反應(yīng)罐的結(jié)構(gòu)的制約影響是顯而易見的。

實用新型內(nèi)容
本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有甲醇制甲醇蛋白等生物發(fā)酵反應(yīng)裝置存在的 上述問題，提供一種氣升式循環(huán)復(fù)合發(fā)酵反應(yīng)器，本實用新型采用內(nèi)循環(huán)和外循 環(huán)相結(jié)合的方式，內(nèi)循環(huán)中，冷卻水溫度均勻，提高了傳熱效率，使反應(yīng)罐內(nèi)反 應(yīng)均勻、移出熱量均勻可靠、反應(yīng)罐內(nèi)溫度均勻；外循環(huán)中可分流、調(diào)控、強化 發(fā)酵反應(yīng)過程，并且移出部分反應(yīng)熱，內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)相結(jié)合使本實用新型可應(yīng) 用在甲醇制甲醇蛋白等大型生物發(fā)酵反應(yīng)中。
為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用的技術(shù)方案如下
一種氣升式循環(huán)復(fù)合發(fā)酵反應(yīng)器，包括反應(yīng)罐和換熱器，其特征在于所述 換熱器設(shè)置在反應(yīng)罐內(nèi)，反應(yīng)罐底部設(shè)置有產(chǎn)品出口，換熱器內(nèi)腔底部為進料端， 頂部為溢流端，換熱器與反應(yīng)罐之間的環(huán)狀空間和換熱器內(nèi)腔形成物料內(nèi)循環(huán)通 道；所述換熱器由換熱元件組成，換熱元件包括兩個換熱板，兩個換熱板四周封 閉，兩個換熱板之間經(jīng)多個焊點焊接連接，相鄰兩焊點之間的空隙形成一個通道， 多個通道配合形成冷卻通道，換熱元件上設(shè)置有與冷卻通道連通的冷卻液入口和 冷卻液出口。
本實用新型還包括外循環(huán)裝置，所述外循環(huán)裝置包括與反應(yīng)罐上的混合介質(zhì) 出口連通并補加反應(yīng)介質(zhì)的外循環(huán)混合噴射器、與外循環(huán)混合噴射器連接的換熱 反應(yīng)器和與換熱反應(yīng)器連接的物料循環(huán)泵，物料循環(huán)泵與換熱器內(nèi)腔底部的混合 介質(zhì)入口連接。
所述換熱元件為多個，多個換熱元件組合焊接形成上部呈筒狀下部呈圓錐狀 的換熱器。
所述換熱板為弧形板，冷卻通道截面呈橢圓狀。 所述換熱器的內(nèi)腔中設(shè)置有多個多孔篩板。所述進料端還設(shè)置有與換熱器內(nèi)腔底部的環(huán)形進料通道連通位于反應(yīng)罐外的 進料混合噴射器，反應(yīng)罐外壁上設(shè)置有水冷伴管。 采用本實用新型的優(yōu)點在于
一、 本實用新型采用圓筒狀水冷板式的換熱器，冷卻水是通過較薄且互相連 通的截面呈橢圓狀的冷卻通道，阻力小、冷卻水溫度較均勻，提高了傳熱效率； 水冷板式換熱器的內(nèi)部的冷卻水可以向不同方向交錯流動，流速比現(xiàn)有的蛇形盤 管中的水流速快、傳熱速度較高，水冷板式換熱器比管式換熱單元的傳熱系數(shù)約 大1.5~2.0倍，特別適合要求需要移出放熱較多的甲醇好氧發(fā)酵罐的傳熱要求條 件。
二、 本實用新型的水冷板式換熱器可以在混合反應(yīng)物料側(cè)與冷卻水側(cè)兩側(cè)的
溫差為l(TC時已有較好傳熱效果，可以滿足控制發(fā)酵反應(yīng)灌的發(fā)酵溫度要求。
三、 本實用新型的水冷板式換熱器自身厚度遠比蛇形盤管直徑小，所占的空 間比蛇形盤管少10%~15%,不但提高了反應(yīng)罐的容積利用率，而且在滿足換熱要 求的同時，還可以承擔(dān)將反應(yīng)罐分隔成幾個同心圓的發(fā)酵反應(yīng)區(qū)，相當(dāng)于將幾個 較小的反應(yīng)罐合理組合起來，成為一個大型發(fā)酵反應(yīng)罐。
四、 本實用新型的水冷板式換熱器加工制作方便、兩側(cè)水冷面很光滑、維修 也很方便，其投資比采用蛇形盤管換熱方式可節(jié)省約15%，降低了生產(chǎn)成本和維 修、管理成本。
五、 本實用新型中設(shè)置了兩個混合噴射器，使需要均勻混合的氣體與待發(fā)酵 的物料在進入反應(yīng)罐時，己經(jīng)是混合較均勻的物料，有利于均勻反應(yīng)、均勻放熱， 提高了發(fā)酵反應(yīng)罐有效容積的利用效率，為實現(xiàn)發(fā)酵反應(yīng)罐大型化作出了貢獻。
六、 本實用新型中，發(fā)酵反應(yīng)器中混合物料從圓筒狀水冷板式換熱器內(nèi)外兩 側(cè)循環(huán)流動，冷卻水在水冷板式換熱器壁內(nèi)冷卻通道通過，傳熱效率遠高于水冷 蛇形盤管的傳熱效率，使發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)的內(nèi)循環(huán)中發(fā)酵反應(yīng)和移出反應(yīng)熱的效率 更高；依靠物料循環(huán)泵控制外循環(huán)中的物料流量和調(diào)控管殼式換熱反應(yīng)器的冷卻 水量，可以有效地分流和調(diào)控發(fā)酵反應(yīng)罐的運行溫度等條件，氣一液物料的外循 環(huán)對于分流、調(diào)控、強化發(fā)酵反應(yīng)過程，并且移出部分反應(yīng)熱是實現(xiàn)發(fā)酵反應(yīng)罐 大型化的又一重要的保證手段。
七、 本實用新型由多個水冷板式換熱元件組合焊接形成上部呈筒狀下部呈圓 錐狀的換熱器，換熱器內(nèi)腔底部為進料端，頂部為出料端，換熱器與反應(yīng)罐之間 的環(huán)狀間隙和換熱器內(nèi)腔形成物料內(nèi)循環(huán)通道，以利于在空氣上升力推動下反應(yīng) 物流形成內(nèi)循環(huán)流動。


圖1為本實用新型結(jié)構(gòu)示意圖圖2為圖1中A—A剖面結(jié)構(gòu)示意圖 圖3為本實用新型換熱元件結(jié)構(gòu)示意圖
圖中標記為1、反應(yīng)罐，2、換熱器，.3、換熱元件，4、外循環(huán)混合噴射器， 5、換熱反應(yīng)器，6、物料循環(huán)泵，7、多孔篩板，8、進料混合噴射器，9、水冷伴管。
具體實施方式
一種氣升式循環(huán)復(fù)合發(fā)酵反應(yīng)器，包括反應(yīng)罐1和換熱器2，將換熱器2設(shè) 置在反應(yīng)罐l內(nèi)，反應(yīng)罐底部設(shè)置有與反應(yīng)罐內(nèi)腔連通的產(chǎn)品出口N3，反應(yīng)罐l 上還設(shè)置有與換熱器2內(nèi)腔連通的混合介質(zhì)入口 N7，反應(yīng)罐1頂部設(shè)有廢氣出口 Nl，換熱器2內(nèi)腔底部為進料端，進料端處設(shè)置有環(huán)形進料通道，混合物料經(jīng)換 熱器2頂部溢流到換熱器2與反應(yīng)罐1筒體間的環(huán)狀間隙向下流動，換熱器2與 反應(yīng)罐1之間的環(huán)狀間隙和換熱器2內(nèi)腔形成物料內(nèi)循環(huán)通道；所述換熱器2由 換熱元件3組成，換熱元件3包括兩個換熱板，兩個換熱板四周封閉，兩個換熱 板之間經(jīng)多個焊點焊接連接，相鄰兩焊點之間的空隙形成一個通道，多個通道交 錯配合連通后形成冷卻通道，例如冷卻水通道，換熱元件3上設(shè)置有與冷卻通道 連通的冷卻液入口 N5a和冷卻液出口 N5b。
本實用新型還包括外循環(huán)裝置，外循環(huán)裝置包括與反應(yīng)罐1上的混合介質(zhì)出 口 N2連通并補加反應(yīng)物料的外循環(huán)混合噴射器4、與外循環(huán)混合噴射器4連接的 換熱反應(yīng)器5和與換熱反應(yīng)器5連接的物料循環(huán)泵6，物料循環(huán)泵6與混合介質(zhì) 入口N7連接，混合介質(zhì)出口N2與反應(yīng)罐內(nèi)腔連通。發(fā)酵物料經(jīng)外循環(huán)裝置完成 外循環(huán)過程，換熱反應(yīng)器5上設(shè)置有冷卻水入口N8和冷卻水出口N9，換熱反應(yīng) 器5為管殼式換熱反應(yīng)器，反應(yīng)罐1上的混合介質(zhì)出口 N2與外循環(huán)混合噴射器4 之間的連接通道上設(shè)置有反應(yīng)物入口 N10b，外循環(huán)混合噴射器4上設(shè)有空氣入口 N6b。
本實用新型中，換熱元件3可為一個或多個，當(dāng)為多個時，多個換熱元件組 合焊接形成上部呈筒狀下部呈圓臺狀的換熱器，上、下部不封口，以利于在空氣 上升力推動下反應(yīng)物流形成內(nèi)循環(huán)流動。換熱板為弧形板最佳，冷卻通道截面呈 橢圓狀。在換熱器2內(nèi)設(shè)置有多孔篩板7，且多孔篩板為多個。在進料端還設(shè)置 有與換熱器進料端的環(huán)形進料通道連通的位于反應(yīng)罐1外的進料混合噴射器8， 進料混合噴射器8上設(shè)有空氣入口N6a，反應(yīng)罐1外壁上設(shè)置有水冷伴管9，水 冷伴管9上設(shè)置有冷卻水入口 N4a和冷卻水出口 N4b。反應(yīng)物料經(jīng)反應(yīng)物入口 N10a通過進料混合噴射器8混合后經(jīng)環(huán)形進料通道輸入到換熱器2內(nèi)腔中。
本實用新型中，根據(jù)裝置生產(chǎn)規(guī)模和發(fā)酵反應(yīng)罐直徑大小，可以設(shè)置1—6 個不同直徑的呈圓筒狀的水冷板式換熱器，將反應(yīng)罐分隔成2—7個環(huán)狀空間，以
6利于氣一液物料循環(huán)流動、混合均勻、強化生化反應(yīng)、強化傳熱、發(fā)酵反應(yīng)熱均 勻移出，在最內(nèi)圈的水冷板式換熱器內(nèi)不同高度可按需要分設(shè)1一10塊多孔篩板, 促進氣一液物料均勻混合、反應(yīng)和移出反應(yīng)熱。 本實用新型的工作原理過程如下
按發(fā)酵反應(yīng)要求做好各項準備，包括滅菌處理，充裝初始培養(yǎng)液和營養(yǎng)物， 控制反應(yīng)罐內(nèi)所需溫度、壓力、pH值等條件，接入發(fā)酵反應(yīng)菌種，通入所需空氣， 反應(yīng)罐內(nèi)菌種培育達要求后，發(fā)酵混合物料和空氣在進料混合噴射器中混合均勻 后從換熱器內(nèi)腔底部的進料端向上噴入并靠空氣動力向上流動，通過多孔篩板升 到換熱器頂部后沿換熱器與反應(yīng)罐之間的環(huán)狀間隙，靠重力向下流動，直至反應(yīng) 罐底部，形成物料內(nèi)循環(huán)過程，在內(nèi)循環(huán)過程中逐漸完成發(fā)酵反應(yīng)，發(fā)酵反應(yīng)放 出的熱量被換熱器及時移出；物料循環(huán)泵從發(fā)酵反應(yīng)罐混合介質(zhì)出口抽出部分未
反應(yīng)完全的混合物料并補加部分新鮮空氣和部分待發(fā)酵物料及營養(yǎng)物經(jīng)外循環(huán)混 合噴射器混合均勻后進行發(fā)酵反應(yīng)，進入管殼式換熱反應(yīng)器中繼續(xù)發(fā)酵反應(yīng)，同 時移出發(fā)酵反應(yīng)熱并控制其溫度后，被物料循環(huán)泵經(jīng)混合介質(zhì)入口進入換熱器內(nèi) 腔，完成外循環(huán)過程，依靠物料循環(huán)泵的動力，除保證外循環(huán)運行外，還可以補 充內(nèi)循環(huán)所需的動力。當(dāng)發(fā)酵反應(yīng)罐環(huán)狀空間下部混合物料中發(fā)酵產(chǎn)物濃度達到 要求濃度后由產(chǎn)品出口穩(wěn)定放出。
以上所述的僅是本實用新型的優(yōu)選實施方式。應(yīng)當(dāng)指出，對于本領(lǐng)域的普通 技術(shù)人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，無需經(jīng)過創(chuàng)造性勞動就能夠 聯(lián)想到的技術(shù)特征，還可以做出若干變型和改進，這些變化顯然都應(yīng)視為等同特 征，仍屬于本實用新型專利的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1、一種氣升式循環(huán)復(fù)合發(fā)酵反應(yīng)器，包括反應(yīng)罐(1)和換熱器(2)，其特征在于所述換熱器(1)設(shè)置在反應(yīng)罐(2)內(nèi)，反應(yīng)罐(2)底部設(shè)置有產(chǎn)品出口(N3)，換熱器(2)內(nèi)腔底部為進料端，頂部為溢流端，換熱器(2)與反應(yīng)罐(1)之間的環(huán)狀空間和換熱器(2)內(nèi)腔形成物料內(nèi)循環(huán)通道；所述換熱器(2)由換熱元件(3)組成，換熱元件(3)包括兩個換熱板，兩個換熱板四周封閉，兩個換熱板之間經(jīng)多個焊點焊接連接，相鄰兩焊點之間的空隙形成一個通道，多個通道配合形成冷卻通道，換熱元件(3)上設(shè)置有與冷卻通道連通的冷卻液入口(N5a)和冷卻液出口(N5b)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣升式循環(huán)復(fù)合發(fā)酵反應(yīng)器，其特征在于還包括 外循環(huán)裝置，所述外循環(huán)裝置包括與反應(yīng)罐(1)上的混合介質(zhì)出口 (N2)連通 并補加反應(yīng)介質(zhì)的外循環(huán)混合噴射器(4)、與外循環(huán)混合噴射器(4)連接的換熱 反應(yīng)器(5)和與換熱反應(yīng)器(5)連接的物料循環(huán)泵(6)，物料循環(huán)泵(6)與換 熱器內(nèi)腔底部的混合介質(zhì)入口 (N7)連接。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的氣升式循環(huán)復(fù)合發(fā)酵反應(yīng)器，其特征在于所 述換熱元件(3)為多個，多個換熱元件組合焊接形成上部呈筒狀下部呈圓錐狀的 換熱器。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的氣升式循環(huán)復(fù)合發(fā)酵反應(yīng)器，其特征在于所 述換熱板為弧形板，冷卻通道截面呈橢圓狀。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的氣升式循環(huán)復(fù)合發(fā)酵反應(yīng)器，其特征在于所 述換熱器(2)的內(nèi)腔中設(shè)置有多個多孔篩板(7)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的氣升式循環(huán)復(fù)合發(fā)酵反應(yīng)器，其特征在于所 述進料端還設(shè)置有與換熱器內(nèi)腔底部的環(huán)形進料通道連通位于反應(yīng)罐外的進料混 合噴射器(8)，反應(yīng)罐(1)外壁上設(shè)置有水冷伴管(9)。'
專利摘要本實用新型公開了一種氣升式循環(huán)復(fù)合發(fā)酵反應(yīng)器，包括反應(yīng)罐和換熱器，將換熱器設(shè)置在反應(yīng)罐內(nèi)，反應(yīng)罐底部設(shè)置有產(chǎn)品出口，換熱器內(nèi)腔底部為進料端，頂部為溢流端，換熱器與反應(yīng)罐之間的環(huán)狀間隙和換熱器內(nèi)腔形成物料內(nèi)循環(huán)通道。本實用新型采用內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)相結(jié)合的方式，內(nèi)循環(huán)中，冷卻水溫度均勻，提高了傳熱效率，使反應(yīng)罐內(nèi)反應(yīng)均勻、移出熱量均勻可靠、反應(yīng)罐內(nèi)溫度均勻；外循環(huán)中可分流、調(diào)控、強化發(fā)酵反應(yīng)過程，并且移出部分反應(yīng)熱，內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)相結(jié)合使本實用新型可應(yīng)用在甲醇制甲醇蛋白等大型生物發(fā)酵反應(yīng)中。
文檔編號C12M1/02GK201330250SQ200920078688

公開日2009年10月21日 申請日期2009年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月15日
發(fā)明者馮友茵, 馮孝庭, 熊世平, 南 胡, 董永良 申請人:江蘇煤化工程研究設(shè)計院有限公司;馮孝庭;胡 南