專利名稱：用于高粘體系多粘類芽孢桿菌發(fā)酵的攪拌裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種反應(yīng)器，具體涉及一種用于高粘體系多粘類芽孢桿菌發(fā)酵的
氣液兩相攪拌裝置。
背景技術(shù)：
多粘類芽孢桿菌在農(nóng)業(yè)、工業(yè)和環(huán)保方面用途廣泛，但該菌生長時會產(chǎn)生大量多
糖，發(fā)酵液粘度高，發(fā)酵過程混合差、供氧困難，這是限制該菌大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸問題。與常 規(guī)高粘度發(fā)酵相比，多粘類芽孢桿菌發(fā)酵體系的粘度更高(可達30Pa. s)，且該菌在農(nóng)業(yè)上 應(yīng)用時(如微生物農(nóng)藥)的發(fā)酵目的是要獲得高含量菌體。常規(guī)高粘度發(fā)酵的設(shè)備和工藝 難以直接應(yīng)用于多粘類芽孢桿菌的發(fā)酵，而該菌高粘度發(fā)酵裝備和發(fā)酵工藝優(yōu)化與放大方 面的研究，未見文獻報道。多粘類芽孢桿菌發(fā)酵過程由于產(chǎn)生大量多糖使發(fā)酵液粘度很高， 不僅菌體濃度難以提高，而且隨著發(fā)酵過程的逐步放大，活菌含量進一步下降。微生物農(nóng)藥 康地蕾得的有效成分為活菌(發(fā)酵過程產(chǎn)生的多糖對產(chǎn)品中的活菌穩(wěn)定性起重要的保護 作用)，而低活菌含量的發(fā)酵液使產(chǎn)品中的有效成分含量偏低，從而導(dǎo)致農(nóng)民在使用康地蕾 得時的畝用量大(2 3kg/畝)、成本高。 在多粘類芽孢桿菌的生產(chǎn)中，由于發(fā)酵液較高的粘度從而使物料的混合及氣泡的 分散能力大大下降，因而出現(xiàn)供氧不足，使發(fā)酵無法繼續(xù)進行，限制了其產(chǎn)量的進一步提 高。針對高粘度發(fā)酵采用的反應(yīng)器，國內(nèi)外對機械攪拌罐和氣升式(內(nèi)循環(huán)和外循環(huán))反 應(yīng)器都有很多研究，其中機械攪拌罐在黃原膠上的應(yīng)用比較成功，并已實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。與 黃原膠等高粘度發(fā)酵相比，多粘類芽孢桿菌發(fā)酵具有二個特點(l)前者的粘度(一般不超 過lOPa. s)遠低于后者(超過30Pa. s) ; (2)多粘類芽孢桿菌在農(nóng)業(yè)上應(yīng)用時(如微生物農(nóng) 藥康地蕾得)，發(fā)酵的目的是要獲得高濃度菌含量。因此，用于黃原膠發(fā)酵的設(shè)備和工藝難 以直接應(yīng)用于多粘類芽孢桿菌的發(fā)酵。 為有效利用空氣中的氧，增加氣體在設(shè)備內(nèi)的停留時間，發(fā)酵罐的高徑比通常大 于2。因此傳統(tǒng)發(fā)酵罐一般安裝二或三層以徑向流為主的圓盤渦輪槳。其中作為底層攪拌 槳的六平葉渦輪槳具有功耗大，氣體處理能力低，通氣時，直葉片背面附著大量氣穴，使其 泵送能力降低；在高氣速下，有時整個攪拌器被氣穴所包裹，攪拌器近于空轉(zhuǎn)，效率很低。由 于圓盤的存在，在槳葉上下形成了以圓盤為界的上下兩個循環(huán)區(qū)，因而整個發(fā)酵罐形成了4 或6個循環(huán)區(qū)，不利于全罐混合。葉輪附近高剪切，促進氣體分散，形成富氧區(qū)，而遠離葉輪 區(qū)域，傳質(zhì)受到限制，出現(xiàn)貧氧區(qū)。罐的大型化，以及發(fā)酵液的非牛頓性，都加劇了這種傾 向；若是增大葉輪直徑，以圖減弱這種趨勢，則功耗就會急劇上升。多粘類芽孢桿菌這樣的 高粘度發(fā)酵體系，對攪拌槳的要求既要有較強剪切力，又要有較大的流體循環(huán)和高的溶氧 特性，因此采用單一的徑流型攪拌槳是達不到要求的。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于提供一種用于高粘體系多粘類芽孢桿菌發(fā)酵的攪拌裝置，在殼
殼體
渦輪
以克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷。 為實現(xiàn)前述目的，本實用新型的用于高粘體系多粘類芽孢桿菌發(fā)酵的攪拌裝置， 其特點是，包括密閉的殼體，設(shè)置于殼體內(nèi)的攪拌軸，連接在攪拌軸上而攪拌軸具有連動關(guān) 系的渦輪斜葉槳和一個或多個翼型軸流槳，以及設(shè)置在殼體下部的氣體入口 ；其中翼型軸 流槳作為上層槳，渦輪斜葉槳作為下層槳。 所述的用于高粘體系多粘類芽孢桿菌發(fā)酵的攪拌裝置，其進一步的特點是，渦輪 斜葉槳的外形的直徑為殼體內(nèi)徑的1/3-2/5倍。 所述的用于高粘體系多粘類芽孢桿菌發(fā)酵的攪拌裝置，其進一步的特點是， 軸流槳的外形的直徑為殼體內(nèi)徑的0. 4-0. 45倍。 所述的用于高粘體系多粘類芽孢桿菌發(fā)酵的攪拌裝置，其進一步的特點是， 體的壁面上設(shè)有多個擋板，擋板的寬度為殼體的內(nèi)徑的1/12-1/10倍。 所述的用于高粘體系多粘類芽孢桿菌發(fā)酵的攪拌裝置，其進一步的特點是， 的下部與徑流槳的距離為殼體的內(nèi)徑的1/4-1/3倍。 所述的用于高粘體系多粘類芽孢桿菌發(fā)酵的攪拌裝置，其進一步的特點是， 斜葉槳與翼型軸流槳的間距為殼體的內(nèi)徑的1/2-2/3倍。 該一種用于高粘體系多粘類芽孢桿菌發(fā)酵的攪拌裝置，與現(xiàn)有的技術(shù)相比主要有 如下特點。 (1)本發(fā)明的一種用于高粘體系多粘類芽孢桿菌發(fā)酵的攪拌裝置，采用徑向流的 渦輪斜葉槳與軸向流的翼型槳組合，有利于全釜能型成一個大的循環(huán)，槳葉傾斜，既能形成 徑向流又有軸向流，且功耗較低，可滿足多粘類芽孢桿菌高粘度發(fā)酵過程對混合和供氧的 需要，在工況相同的情況下，在相同的攪拌功耗下，其攪拌槳組合比現(xiàn)的多層(直葉)徑向 流槳的組合體系的傳質(zhì)系數(shù)提高超過10%。 (2)渦輪斜葉翼型組合槳的氧傳質(zhì)系數(shù)比現(xiàn)有的雙層透平組合槳高，雙層透平組 合槳混合實驗中可清楚地觀察到槳葉間分區(qū)現(xiàn)象，多層攪拌下，分區(qū)現(xiàn)象阻礙了槽內(nèi)流體 有效混勻，且隨著槳葉層數(shù)和液位的增加，區(qū)間對流的限制性作用更加明顯。強化對流流動 可以明顯改善氧傳遞，翼型槳產(chǎn)生軸向流動，軸向排出流有更多比例轉(zhuǎn)化為分區(qū)間對流流 動，因而翼型組合槳氧傳質(zhì)系數(shù)高于多層透平組合槳。透平槳排出流為徑向流動，各層槳葉 間氣泡向心運動和聚并傾向嚴重；翼型軸向排出流有利于促進氣泡循環(huán)和均勻分布，有利 于降低氧濃度梯度，采用渦輪斜葉翼型組合槳全釜混合有所改善。

圖1是用于高粘體系多粘類芽孢桿菌發(fā)酵的攪拌裝置示意圖。 圖2顯示了渦輪斜葉槳。 圖3顯示了翼型軸流槳。
具體實施方式參見圖l，本發(fā)明的用于高粘體系多粘類芽孢桿菌發(fā)酵的攪拌裝置，包括圓柱形 的密閉的殼體1 ;設(shè)置于殼體1內(nèi)部的攪拌軸2和固定在攪拌軸2上的徑流槳5和軸流槳 6 ;設(shè)置于殼體1下部的氣體入口 4 ;以及設(shè)置于殼體1的內(nèi)壁面上的擋板3。[0019] 如圖2所示，徑流槳5為渦輪斜葉槳，其外形的直徑為殼體1內(nèi)徑的1/3-2/5倍。 該渦輪斜葉槳具有一圓盤50以及從圓盤50邊緣延伸出的多個(例如六個)平板槳葉51， 平板槳葉51相對圓盤50的中心軸線傾斜預(yù)定角度。 如圖3所示，軸流槳6為翼型軸流槳，在攪拌軸2上可安裝1-3只，軸流槳6的外 形的直徑為殼體1內(nèi)徑的0. 4-0. 45倍。軸流槳6具有輪轂60以及從輪轂60的邊緣延伸 出的多個螺旋槳葉61。 參見圖l，在殼體1的壁面上設(shè)有多個軸向延伸的擋板3，以提高循環(huán)量，擋板3的 寬度為殼體1內(nèi)徑的1/12-1/10倍。 繼續(xù)參見圖1，殼體1的下部與徑流槳5之間的距離為殼體1內(nèi)徑的1/4-1/3倍。 進一步，參見圖l，徑流槳5與軸流槳6的間距為殼體1內(nèi)徑的1/2-2/3倍。 可用CFD軟件CFX11. 0模擬50L和500L多粘類芽孢桿菌發(fā)酵，結(jié)果表明采用改進 后的槳型組合，在相同的功率下，傳質(zhì)系數(shù)提高超過20 % 。 在50L發(fā)酵罐中考察槳型組合對多粘類芽孢桿菌發(fā)酵中溶氧的影響，當用雙層渦 輪組合槳進行發(fā)酵時，在經(jīng)過14. 5h后體系中的氧濃度降為零，這時體系缺氧，不利于發(fā)酵 的進行。而用圖1所示的渦輪斜葉翼型組合槳進行發(fā)酵時，在經(jīng)過20h后體系的氧濃度降 低到最低點，可以看出體系缺氧情況有了改善。即采用雙層渦輪組合槳進行發(fā)酵時更早地 進入缺氧狀態(tài)，且進入發(fā)酵后期的時間也提前。 在500L發(fā)酵罐中考察槳型組合對多粘類芽孢桿菌發(fā)酵中溶氧的影響，比較渦輪 槳-斜葉槳-渦輪槳和改進后的槳型渦輪斜葉槳-翼型槳-翼型槳(即在圖1中增加一翼 型軸流槳)下進行多粘類芽孢桿菌發(fā)酵，原來槳型組合在48h內(nèi)消耗功率為35. 8kw，改進后 的槳型在48h內(nèi)消耗功率為29. 3kw，改進后的槳型功率消耗降低18. 16%，而兩組發(fā)酵溶氧 水平及傳質(zhì)系數(shù)相近，既采用改進后的渦輪斜葉槳_翼型槳_翼型槳進行發(fā)酵對比原來的 渦輪槳_斜葉槳_渦輪槳進行發(fā)酵，在獲得相同的溶氧水平下可以節(jié)能18%。
權(quán)利要求一種用于高粘體系多粘類芽孢桿菌發(fā)酵的攪拌裝置，其特征在于，包括密閉的殼體，設(shè)置于殼體內(nèi)的攪拌軸，連接在攪拌軸上而攪拌軸具有連動關(guān)系的渦輪斜葉槳和一個或多個翼型軸流槳，以及設(shè)置在殼體下部的氣體入口；其中翼型軸流槳作為上層槳，渦輪斜葉槳作為下層槳。
2. 如權(quán)利要求1所述的用于高粘體系多粘類芽孢桿菌發(fā)酵的攪拌裝置，其特征在于， 渦輪斜葉槳的外形的直徑為殼體內(nèi)徑的1/3-2/5倍。
3. 如權(quán)利要求1所述的用于高粘體系多粘類芽孢桿菌發(fā)酵的攪拌裝置，其特征在于， 翼型軸流槳的外形的直徑為殼體內(nèi)徑的0. 4-0. 45倍。
4. 如權(quán)利要求1所述的用于高粘體系多粘類芽孢桿菌發(fā)酵的攪拌裝置，其特征在于， 在殼體的壁面上設(shè)有多個擋板，擋板的寬度為殼體的內(nèi)徑的1/12-1/10倍。
5. 如權(quán)利要求1所述的用于高粘體系多粘類芽孢桿菌發(fā)酵的攪拌裝置，其特征在于， 殼體的下部與徑流槳的距離為殼體的內(nèi)徑的1/4-1/3倍。
6. 如權(quán)利要求1所述的用于高粘體系多粘類芽孢桿菌發(fā)酵的攪拌裝置，其特征在于， 渦輪斜葉槳與翼型軸流槳的間距為殼體的內(nèi)徑的1/2-2/3倍。
專利摘要一種用于高粘體系多粘類芽孢桿菌發(fā)酵的攪拌裝置，其特征在于，包括密閉的殼體，設(shè)置于殼體內(nèi)的攪拌軸，連接在攪拌軸上而攪拌軸具有連動關(guān)系的渦輪斜葉槳和一個或多個翼型軸流槳，以及設(shè)置在殼體下部的氣體入口；其中翼型軸流槳作為上層槳，渦輪斜葉槳作為下層槳。在該攪拌裝置中，軸向流和徑向流能很好組合，充分發(fā)揮各自作用，全釜形成一個大的循環(huán)，釜內(nèi)氣液兩相充分混合，提供高的氧傳質(zhì)系數(shù)。
文檔編號C12M1/06GK201459112SQ20092007159
公開日2010年5月12日 申請日期2009年5月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月5日
發(fā)明者吳高杰, 戴干策, 祝賀, 陳劍佩, 雷建奇 申請人:華東理工大學