专利名称：用于高粘体系多粘类芽孢杆菌发酵的搅拌装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种反应器，具体涉及一种用于高粘体系多粘类芽孢杆菌发酵的
气液两相搅拌装置。
背景技术：
多粘类芽孢杆菌在农业、工业和环保方面用途广泛，但该菌生长时会产生大量多
糖，发酵液粘度高，发酵过程混合差、供氧困难，这是限制该菌大规模应用的瓶颈问题。与常 规高粘度发酵相比，多粘类芽孢杆菌发酵体系的粘度更高(可达30Pa. s)，且该菌在农业上 应用时(如微生物农药)的发酵目的是要获得高含量菌体。常规高粘度发酵的设备和工艺 难以直接应用于多粘类芽孢杆菌的发酵，而该菌高粘度发酵装备和发酵工艺优化与放大方 面的研究，未见文献报道。多粘类芽孢杆菌发酵过程由于产生大量多糖使发酵液粘度很高， 不仅菌体浓度难以提高，而且随着发酵过程的逐步放大，活菌含量进一步下降。微生物农药 康地蕾得的有效成分为活菌(发酵过程产生的多糖对产品中的活菌稳定性起重要的保护 作用)，而低活菌含量的发酵液使产品中的有效成分含量偏低，从而导致农民在使用康地蕾 得时的亩用量大(2 3kg/亩)、成本高。 在多粘类芽孢杆菌的生产中，由于发酵液较高的粘度从而使物料的混合及气泡的 分散能力大大下降，因而出现供氧不足，使发酵无法继续进行，限制了其产量的进一步提 高。针对高粘度发酵采用的反应器，国内外对机械搅拌罐和气升式(内循环和外循环)反 应器都有很多研究，其中机械搅拌罐在黄原胶上的应用比较成功，并已实现工业化生产。与 黄原胶等高粘度发酵相比，多粘类芽孢杆菌发酵具有二个特点(l)前者的粘度(一般不超 过lOPa. s)远低于后者(超过30Pa. s) ; (2)多粘类芽孢杆菌在农业上应用时(如微生物农 药康地蕾得)，发酵的目的是要获得高浓度菌含量。因此，用于黄原胶发酵的设备和工艺难 以直接应用于多粘类芽孢杆菌的发酵。 为有效利用空气中的氧，增加气体在设备内的停留时间，发酵罐的高径比通常大 于2。因此传统发酵罐一般安装二或三层以径向流为主的圆盘涡轮桨。其中作为底层搅拌 桨的六平叶涡轮桨具有功耗大，气体处理能力低，通气时，直叶片背面附着大量气穴，使其 泵送能力降低；在高气速下，有时整个搅拌器被气穴所包裹，搅拌器近于空转，效率很低。由 于圆盘的存在，在桨叶上下形成了以圆盘为界的上下两个循环区，因而整个发酵罐形成了4 或6个循环区，不利于全罐混合。叶轮附近高剪切，促进气体分散，形成富氧区，而远离叶轮 区域，传质受到限制，出现贫氧区。罐的大型化，以及发酵液的非牛顿性，都加剧了这种倾 向；若是增大叶轮直径，以图减弱这种趋势，则功耗就会急剧上升。多粘类芽孢杆菌这样的 高粘度发酵体系，对搅拌桨的要求既要有较强剪切力，又要有较大的流体循环和高的溶氧 特性，因此采用单一的径流型搅拌桨是达不到要求的。
实用新型内容本实用新型的目的在于提供一种用于高粘体系多粘类芽孢杆菌发酵的搅拌装置，在壳
壳体
涡轮
以克服现有技术存在的上述缺陷。 为实现前述目的，本实用新型的用于高粘体系多粘类芽孢杆菌发酵的搅拌装置， 其特点是，包括密闭的壳体，设置于壳体内的搅拌轴，连接在搅拌轴上而搅拌轴具有连动关 系的涡轮斜叶桨和一个或多个翼型轴流桨，以及设置在壳体下部的气体入口 ；其中翼型轴 流桨作为上层桨，涡轮斜叶桨作为下层桨。 所述的用于高粘体系多粘类芽孢杆菌发酵的搅拌装置，其进一步的特点是，涡轮 斜叶桨的外形的直径为壳体内径的1/3-2/5倍。 所述的用于高粘体系多粘类芽孢杆菌发酵的搅拌装置，其进一步的特点是， 轴流桨的外形的直径为壳体内径的0. 4-0. 45倍。 所述的用于高粘体系多粘类芽孢杆菌发酵的搅拌装置，其进一步的特点是， 体的壁面上设有多个挡板，挡板的宽度为壳体的内径的1/12-1/10倍。 所述的用于高粘体系多粘类芽孢杆菌发酵的搅拌装置，其进一步的特点是， 的下部与径流桨的距离为壳体的内径的1/4-1/3倍。 所述的用于高粘体系多粘类芽孢杆菌发酵的搅拌装置，其进一步的特点是， 斜叶桨与翼型轴流桨的间距为壳体的内径的1/2-2/3倍。 该一种用于高粘体系多粘类芽孢杆菌发酵的搅拌装置，与现有的技术相比主要有 如下特点。 (1)本发明的一种用于高粘体系多粘类芽孢杆菌发酵的搅拌装置，采用径向流的 涡轮斜叶桨与轴向流的翼型桨组合，有利于全釜能型成一个大的循环，桨叶倾斜，既能形成 径向流又有轴向流，且功耗较低，可满足多粘类芽孢杆菌高粘度发酵过程对混合和供氧的 需要，在工况相同的情况下，在相同的搅拌功耗下，其搅拌桨组合比现的多层(直叶)径向 流桨的组合体系的传质系数提高超过10%。 (2)涡轮斜叶翼型组合桨的氧传质系数比现有的双层透平组合桨高，双层透平组 合桨混合实验中可清楚地观察到桨叶间分区现象，多层搅拌下，分区现象阻碍了槽内流体 有效混匀，且随着桨叶层数和液位的增加，区间对流的限制性作用更加明显。强化对流流动 可以明显改善氧传递，翼型桨产生轴向流动，轴向排出流有更多比例转化为分区间对流流 动，因而翼型组合桨氧传质系数高于多层透平组合桨。透平桨排出流为径向流动，各层桨叶 间气泡向心运动和聚并倾向严重；翼型轴向排出流有利于促进气泡循环和均匀分布，有利 于降低氧浓度梯度，采用涡轮斜叶翼型组合桨全釜混合有所改善。
图1是用于高粘体系多粘类芽孢杆菌发酵的搅拌装置示意图。 图2显示了涡轮斜叶桨。 图3显示了翼型轴流桨。
具体实施方式参见图l，本发明的用于高粘体系多粘类芽孢杆菌发酵的搅拌装置，包括圆柱形 的密闭的壳体1 ;设置于壳体1内部的搅拌轴2和固定在搅拌轴2上的径流桨5和轴流桨 6 ;设置于壳体1下部的气体入口 4 ;以及设置于壳体1的内壁面上的挡板3。[0019] 如图2所示，径流桨5为涡轮斜叶桨，其外形的直径为壳体1内径的1/3-2/5倍。 该涡轮斜叶桨具有一圆盘50以及从圆盘50边缘延伸出的多个(例如六个)平板桨叶51， 平板桨叶51相对圆盘50的中心轴线倾斜预定角度。 如图3所示，轴流桨6为翼型轴流桨，在搅拌轴2上可安装1-3只，轴流桨6的外 形的直径为壳体1内径的0. 4-0. 45倍。轴流桨6具有轮毂60以及从轮毂60的边缘延伸 出的多个螺旋桨叶61。 参见图l，在壳体1的壁面上设有多个轴向延伸的挡板3，以提高循环量，挡板3的 宽度为壳体1内径的1/12-1/10倍。 继续参见图1，壳体1的下部与径流桨5之间的距离为壳体1内径的1/4-1/3倍。 进一步，参见图l，径流桨5与轴流桨6的间距为壳体1内径的1/2-2/3倍。 可用CFD软件CFX11. 0模拟50L和500L多粘类芽孢杆菌发酵，结果表明采用改进 后的桨型组合，在相同的功率下，传质系数提高超过20 % 。 在50L发酵罐中考察桨型组合对多粘类芽孢杆菌发酵中溶氧的影响，当用双层涡 轮组合桨进行发酵时，在经过14. 5h后体系中的氧浓度降为零，这时体系缺氧，不利于发酵 的进行。而用图1所示的涡轮斜叶翼型组合桨进行发酵时，在经过20h后体系的氧浓度降 低到最低点，可以看出体系缺氧情况有了改善。即采用双层涡轮组合桨进行发酵时更早地 进入缺氧状态，且进入发酵后期的时间也提前。 在500L发酵罐中考察桨型组合对多粘类芽孢杆菌发酵中溶氧的影响，比较涡轮 桨-斜叶桨-涡轮桨和改进后的桨型涡轮斜叶桨-翼型桨-翼型桨(即在图1中增加一翼 型轴流桨)下进行多粘类芽孢杆菌发酵，原来桨型组合在48h内消耗功率为35. 8kw，改进后 的桨型在48h内消耗功率为29. 3kw，改进后的桨型功率消耗降低18. 16%，而两组发酵溶氧 水平及传质系数相近，既采用改进后的涡轮斜叶桨_翼型桨_翼型桨进行发酵对比原来的 涡轮桨_斜叶桨_涡轮桨进行发酵，在获得相同的溶氧水平下可以节能18%。
权利要求一种用于高粘体系多粘类芽孢杆菌发酵的搅拌装置，其特征在于，包括密闭的壳体，设置于壳体内的搅拌轴，连接在搅拌轴上而搅拌轴具有连动关系的涡轮斜叶桨和一个或多个翼型轴流桨，以及设置在壳体下部的气体入口；其中翼型轴流桨作为上层桨，涡轮斜叶桨作为下层桨。
2. 如权利要求1所述的用于高粘体系多粘类芽孢杆菌发酵的搅拌装置，其特征在于， 涡轮斜叶桨的外形的直径为壳体内径的1/3-2/5倍。
3. 如权利要求1所述的用于高粘体系多粘类芽孢杆菌发酵的搅拌装置，其特征在于， 翼型轴流桨的外形的直径为壳体内径的0. 4-0. 45倍。
4. 如权利要求1所述的用于高粘体系多粘类芽孢杆菌发酵的搅拌装置，其特征在于， 在壳体的壁面上设有多个挡板，挡板的宽度为壳体的内径的1/12-1/10倍。
5. 如权利要求1所述的用于高粘体系多粘类芽孢杆菌发酵的搅拌装置，其特征在于， 壳体的下部与径流桨的距离为壳体的内径的1/4-1/3倍。
6. 如权利要求1所述的用于高粘体系多粘类芽孢杆菌发酵的搅拌装置，其特征在于， 涡轮斜叶桨与翼型轴流桨的间距为壳体的内径的1/2-2/3倍。
专利摘要一种用于高粘体系多粘类芽孢杆菌发酵的搅拌装置，其特征在于，包括密闭的壳体，设置于壳体内的搅拌轴，连接在搅拌轴上而搅拌轴具有连动关系的涡轮斜叶桨和一个或多个翼型轴流桨，以及设置在壳体下部的气体入口；其中翼型轴流桨作为上层桨，涡轮斜叶桨作为下层桨。在该搅拌装置中，轴向流和径向流能很好组合，充分发挥各自作用，全釜形成一个大的循环，釜内气液两相充分混合，提供高的氧传质系数。
文档编号C12M1/06GK201459112SQ20092007159
公开日2010年5月12日 申请日期2009年5月5日 优先权日2009年5月5日
发明者吴高杰, 戴干策, 祝贺, 陈剑佩, 雷建奇 申请人:华东理工大学