CN203700349U - 一种生物发酵设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种生物发酵设备，属于生物发酵技术领域。它解决了现有生物发酵设备搅拌混合效果差，传质性能低的问题。本生物发酵设备包括发酵罐和外循环冷却管路，发酵罐包括圆筒状的壳体，壳体内设置有搅拌轴，在壳体上设置有用于带动搅拌轴旋转的电机，壳体的侧壁上固连有若干抽液管，壳体的下端侧壁上固连有若干根回流管，抽液管的一端和回流管的一端均伸入壳体内，若干根回流管沿壳体的周向间隔设置，回流管喷入的物料能在壳体内形成旋流且旋流方向与搅拌轴的旋转方向相同，抽液管的另一端和回流管的另一端之间通过外循环冷却管路相连通。本实用新型具有搅拌混合效果好、传质性能好等优点。

Description

一种生物发酵设备

技术领域

本实用新型属于生物发酵技术领域，涉及一种生物发酵设备。

背景技术

发酵是人类较早接触的一种生物化学反应，如今在食品工业、生物和化学工业中均有广泛应用。大多数的生化反应都是需氧的，故通气发酵设备是需氧生化反应设备的核心和基础。无论是使用微生物、媒或动植物细胞（或组织）作为生物催化剂，也不管其目的的产物是抗生素、酵母、氨基酸、有机酸或是酶，所需的生物发酵设备均应具有结构严密、防杂菌污染、培养流动与混合良好、结构简单、方便维护检修以及能耗低等特点，更为重要的，生物发酵设备还应具有良好的传质和传热性能。

发酵罐是生物发酵设备的核心，目前，常用的发酵罐有机械搅拌式、气升环流式、鼓泡式和自吸式等，其中机械搅拌式发酵罐一直占据着主导地位。如中国专利文献公开了一种机械搅拌式循环复合发酵反应器【申请号：200920078689.4】，包括反应罐和换热器，所述换热器设置在反应罐内，反应罐底部设置有产品出口,反应罐底部为进料端,反应罐与换热器之间的间隙为进料反应通道,换热器顶部开口与环状空间连通,换热器底部开口与产品出口对应,换热器内腔中设置有推进式搅拌器,进料反应通道与换热器内腔形成物料内循环通道，所述换热器由换热元件组成，换热元件包括两个换热板，两个换热板四周封闭，两个换热板之间经多个焊点焊接连接，相邻两焊点之间的空隙形成一个通道，多个通道配合形成冷却通道，换热元件上设置有与冷却通道连通的冷却液入口和冷却液出口。该发酵罐内液体的流动完全依靠搅拌器的搅动来实现，使得该发酵罐的搅拌器负荷较大，在一定程度上降低了搅拌器的使用寿命；更为重要的，仅通过搅拌器的搅动实现罐内液体的流动，其液体流动雷诺系数不高，导致罐内液体与罐内换热盘管的传热系数不高，不利于罐内换热盘管的传热效果，使得该发酵罐对于高发热量的生物菌种，比如发热量达30瓦/升以上，就无法有效的完成热量传递，或者是需要很大的换热面积而设置很多的换热盘管，换热盘管的增多造成搅拌空间减少，其结果必然导致发酵罐无法完成良好的搅拌混合效果，传质性能降低，并降低了溶氧传质。

发明内容

本实用新型的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种生物发酵设备，本实用新型所要解决的技术问题是如何使发酵罐具有较好的传质性能。

本实用新型的目的可通过下列技术方案来实现：一种生物发酵设备，本生物发酵设备包括发酵罐和外循环冷却管路，所述发酵罐包括圆筒状的壳体，所述壳体内设置有搅拌轴，在壳体上设置有用于带动搅拌轴旋转的电机，其特征在于，所述壳体的侧壁上固连有若干抽液管，所述壳体的下端侧壁上固连有若干根回流管，所述抽液管的一端和回流管的一端均伸入所述壳体内，若干根回流管沿壳体的周向间隔设置，所述回流管喷入的物料能在壳体内形成旋流且旋流方向与搅拌轴的旋转方向相同，所述抽液管的另一端和回流管的另一端之间通过外循环冷却管路相连通。

本发酵罐为机械搅拌式通风发酵罐，发酵罐的壳体内设置有起传热作用的换热盘管，电机设置在发酵罐壳体的顶部，搅拌轴竖直设置在壳体内，在搅拌轴上沿其轴线方向间隔设置有若干搅拌桨。电机带动搅拌轴旋转时，能带动壳体内的物料产生轴向和径向的流动，从而对发酵罐内的物料进行混合。由于壳体下端的侧壁上沿壳体周向设置有多根回流管，回流管喷入的物料能在壳体内形成旋流，且旋流方向与搅拌轴的旋转方向相同，这样的设计一方面能使物料混合更加良好，使液体中的固态物质保持悬浮状态，有利于固体和营养物质充分接触，便于营养吸收。同时还可以打碎气泡，增加气液接触面积，提高气液间的传质速率，使发酵罐传质性能提升；另一方面，旋流的形成还能增加壳体内物料流动的雷诺系数，物料流动的雷诺系数增加，使物料与换热盘管的传热系数增高，提升发酵罐内换热盘管的传热效果，使得该发酵罐对于高发热量的生物菌种也能很好地完成传热，在传热效果相当的条件下能减少换热盘管的数量，从而留出较多的搅拌空间，使发酵罐能够实现良好的搅拌混合效果，进一步提高传质性能。

在上述的生物发酵设备中，所述壳体下端侧壁上开设有若干安装孔，所述安装孔位于同一高度，若干安装孔沿壳体的周向均匀间隔设置，所述回流管固定插设在所述安装孔内。每个安装孔内固定插设有一个回流管。由于安装孔位于同一高度，因此使回流管也位于同一高度，各回流管从同一高度不同方向喷入物料，能更加容易形成旋流，增加物料混合效果。

在上述的生物发酵设备中，所述回流管为一直管，该回流管水平设置，所述回流管轴心线的延长线位于搅拌轴一侧。回流管沿水平方向倾斜设置在壳体上，使回流管轴心线的延长线位于搅拌轴一侧，此时回流管喷出物料的流向朝向搅拌轴一侧，使各回流管喷出的物料形成旋流。

在上述的生物发酵设备中，所述抽液管数量和回流管数量相同。

在上述的生物发酵设备中，所述外循环冷却管路包括水泵和输送管道，所述水泵的进水口与抽液管相连通，所述水泵的出水口与输送管道的一端相连通，所述输送管道的另一端和回流管之间设有换热器，所述输送管道上还设置有能向输送管道内物料补充气体介质的射流器。外循环冷却管路的组数与抽液管数量相等，一组外循环冷却管路对应一个抽液管和一个回流管，即每个抽液管均通过一组外循环冷却管路连接一个回流管。射流器和换热气均为现有技术，可以在市场上直接购买到，如“成都绿水科技有限公司”便有出售射流器，射流器起到气液混合的作用，它能向输送管道内物料补充空气或其他气体介质，从而保证微生物生长、繁殖过程具有充足的氧气。外循环冷却管路的工作原理为：水泵将壳体内的物料从抽液管抽出，然后流进输送管道内，此时射流器向输送管道内补充空气形成气液混合物，气液混合物流进换热器进行冷却，然后再从回流管流入发酵罐内。

在上述的生物发酵设备中，所述抽液管设置在壳体的上端侧壁上，所述抽液管呈L形管状。

在上述的生物发酵设备中，所述壳体的下端侧壁上固连有进气管，所述进气管的一端伸至壳体内腔的底部。

在上述的生物发酵设备中，所述回流管的数量为4～8根。作为优选，回流管的数量为6根，同时抽液管也为6根。

与现有技术相比，本生物发酵设备具有以下优点：

1、本生物发酵设备由于在发酵罐底端设置有多根回流管，回流管喷入的物料能在壳体内形成旋流，且旋流方向与搅拌轴的旋转方向相同，因此能降低电机和搅拌轴的负荷，使电机具有较长的使用寿命，同时能节省电能。

2、发酵罐中物料与换热盘管具有较高的传热系数，因此换热盘管传热效果更好，使得该发酵罐能适用于高发热量的生物菌种，具有传热性能好、通用性强的优点。

3、本生物发酵设备的发酵罐能对物料进行更好地混合，有利于固体和营养物质充分接触，从而提高产量。

4、本生物发酵设备还具有制造成本低、实用性强、传质性能好等优点。

附图说明

图1是本生物发酵设备的结构示意图。

图2是本生物发酵设备回流管的安装示意图。

图中，1、发酵罐；2、壳体；21、安装孔；3、搅拌轴；4、电机；5、抽液管；6、回流管；7、水泵；8、输送管道；9、换热器；91、冷却水进口；92、冷却水出口；10、射流器；101、进气口；11、进气管；12、换热盘管；13、搅拌桨；14、产品出管。

具体实施方式

以下是本实用新型的具体实施例并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步的描述，但本实用新型并不限于这些实施例。

如图1和图2所示，本生物发酵设备包括发酵罐1和外循环冷却管路，发酵罐1为机械搅拌式通风发酵罐，该发酵罐1包括圆筒状的壳体2，壳体2内竖直设置有搅拌轴3，在壳体2顶部设置有电机4，壳体2内设置有起传热作用的换热盘管12，在搅拌轴3上沿其轴线方向间隔设置有若干搅拌桨13，电机4带动搅拌轴3旋转，能带动壳体2内的物料产生轴向和径向的流动，从而对发酵罐1内的物料进行混合。壳体2下端侧壁上固连有进气管11，进气管11的一端伸至壳体2内腔的底部。在壳体2底部还设有用于排出发酵液的产品出管14。壳体2的上端侧壁上固连有六根抽液管5，抽液管5呈L形管状。壳体2下端侧壁上开设有六个安装孔21，安装孔21位于同一高度，六个安装孔21沿壳体2的周向均匀间隔设置，每个安装孔21内固定插设有一根回流管6。回流管6为一直管，该回流管6水平设置，回流管6轴心线的延长线位于搅拌轴3一侧，回流管6喷入的物料能在壳体2内形成旋流且旋流方向与搅拌轴3的旋转方向相同。抽液管5和回流管6的数量可以根据实际情况适当进行增减，但两者数量始终相同，一般回流管6和抽液管5的数量为4～8根。抽液管5的一端和回流管6的一端均伸入壳体2内，抽液管5的另一端和回流管6的另一端之间通过外循环冷却管路相连通。

如图1所示，外循环冷却管路具有六组，每组外循环冷却管路对应一个抽液管5和一个回流管6，即每个抽液管5均通过一组外循环冷却管路连接一个回流管6。外循环冷却管路包括水泵7和输送管道8，水泵7的进水口与抽液管5相连通，水泵7的出水口与输送管道8的一端相连通，输送管道8的另一端和回流管6之间设有换热器9，输送管道8上还设置有能向输送管道8内物料补充气体介质的射流器10。水泵7将壳体2内的物料从抽液管5抽出，然后流进输送管道8内，此时射流器10向输送管道8内补充空气形成气液混合物，气液混合物流进换热器9进行冷却，然后再从回流管6流入发酵罐1内。射流器10具有供气体吸入的气体进口，换热器9具有冷却水进口91和冷却水出口92，冷却水从冷却水进口91进入换热器9对流经换热器9的物料进行冷却，然后形成高温的冷却水从冷却水出口92排出。

本生物发酵设备实现了较好的传热和传质性能，其具体解决方案为：传热问题解决方案，发酵罐1内按照5瓦/升的发热量设置较少的换热盘管12，其余的热量利用设于发酵罐1外的换热器9来处理。具体地，利用水泵7将物料（该物料一般指发酵液和微生物菌种的混合液）从抽液管5抽出，进入换热器9冷却，然后再回到发酵罐1内，如此循环实现传热；

溶氧问题解决方案：按照1Kg(O2)/kg(增值细胞)的需氧量设计进气管11的进气量，另外再通过射流器10的进气口101补充空气，从而保证微生物生长、繁殖过程具有充足的氧气。

传质问题解决方案：一方面通过搅拌轴3带动搅拌桨13转动来对壳体2内物料进行混合，同时从壳体2外冷却回来的物料大致沿着壳体切线方向进入，形成旋流且旋流方向与搅拌轴3的旋转方向相同，从而增加壳体2内物料流动的雷诺系数，使壳体2内物料更好地混合，同时雷诺系数的增加使发酵罐1内物料和换热盘管12的传热系数会提高，所以同时也提高了换热盘管12的传热效果。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了发酵罐1、壳体2、安装孔21、搅拌轴3、电机4、抽液管5、回流管6、水泵7、输送管道8、换热器9、冷却水进口91、冷却水出口92、射流器10、进气口101、进气管11、换热盘管12等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本实用新型的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本实用新型精神相违背的。

Claims (8)

1.一种生物发酵设备，本生物发酵设备包括发酵罐（1）和外循环冷却管路，所述发酵罐（1）包括圆筒状的壳体（2），所述壳体（2）内设置有搅拌轴（3），在壳体（2）上设置有用于带动搅拌轴（3）旋转的电机（4），其特征在于，所述壳体（2）的侧壁上固连有若干抽液管（5），所述壳体（2）的下端侧壁上固连有若干根回流管（6），所述抽液管（5）的一端和回流管（6）的一端均伸入所述壳体（2）内，若干根回流管（6）沿壳体（2）的周向间隔设置，所述回流管（6）喷入的物料能在壳体（2）内形成旋流且旋流方向与搅拌轴（3）的旋转方向相同，所述抽液管（5）的另一端和回流管（6）的另一端之间通过外循环冷却管路相连通。

2.根据权利要求1所述的生物发酵设备，其特征在于，所述壳体（2）下端侧壁上开设有若干安装孔（21），所述安装孔（21）位于同一高度，若干安装孔（21）沿壳体（2）的周向均匀间隔设置，所述回流管（6）固定插设在所述安装孔（21）内。

3.根据权利要求2所述的生物发酵设备，其特征在于，所述回流管（6）为一直管，该回流管（6）水平设置，所述回流管（6）轴心线的延长线位于搅拌轴（3）一侧。

4.根据权利要求3所述的生物发酵设备，其特征在于，所述抽液管（5）数量和回流管（6）数量相同。

5.根据权利要求4所述的生物发酵设备，其特征在于，所述外循环冷却管路包括水泵（7）和输送管道（8），所述水泵（7）的进水口与抽液管（5）相连通，所述水泵（7）的出水口与输送管道（8）的一端相连通，所述输送管道（8）的另一端和回流管（6）之间设有换热器（9），所述输送管道（8）上还设置有能向输送管道（8）内物料补充气体介质的射流器（10）。

6.根据权利要求1到5中任意一项所述的生物发酵设备，其特征在于，所述抽液管（5）设置在壳体（2）的上端侧壁上，所述抽液管（5）呈L形管状。

7.根据权利要求1到5中任意一项所述的生物发酵设备，其特征在于，所述壳体（2）的下端侧壁上固连有进气管（11），所述进气管（11）的一端伸至壳体（2）内腔的底部。

8.根据权利要求4所述的生物发酵设备，其特征在于，所述回流管（6）的数量为4～8根。