鼓泡式列管生物反应器的制作方法

本实用新型总体上涉及生物反应器领域，更特别地，涉及一种鼓泡式列管生物反应器，其能够提高气体在液体中的传质系数，改善生物反应效率，并且降低能耗。

背景技术：

随着世界人口的不断增长和全球经济的飞速发展，生物技术越来越受到重视，并且已经在医药、化工、食品、农业以及酿造等行业中得到越来越广泛的应用，生物反应器的开发也得到了相应的发展。

图1示出一种现有技术的标准型鼓泡式生物反应器10。如图1所示，生物反应器10包括有罐体11，其一般具有类似胶囊的形状，包括圆筒状的主体部分和球形或弧形的两端部分。罐体11中可装有反应液体，例如发酵液等，罐体11的下端部附近设置有进气口12，气体经进气口12进入设置在罐体11内的气体分布器13。气体分布器13可以是例如多孔板或多孔管等，其使气体分散成均匀的小气泡，进入反应液体中，并且由于浮力而向上鼓泡。气体在鼓泡过程中可以部分溶解到反应液体中，从而参与、促进或催化反应过程。罐体11的上端可设置有排气口14，用于排出剩余气体，罐体11的下端可设置有排料口15，用于排出反应之后的液体。罐体11的上端还可以设置有一个或多个补料口16，其可用于向罐体11内补充各种所需源材料，例如补充反应液体，补充酸液或碱液以调节反应液体的pH值，或者补充消泡剂以抑制由于鼓泡而产生的大量泡沫等。罐体11内的上部可设置有消泡板19，其用于使消泡剂均匀分布。罐体11内还可以设置有搅拌器17，其在致动或传动装置18的带动下搅拌罐体11内的反应液体和气泡的混合物，提高气体在反应液体中的传质速度，其是影响反应过程的重要因素。罐体11的下端附近还可以设置有取样口20，并且罐体11上还可以设置有一个或多个检测电极21以用于检测罐体11内的各种状况，例如反应液体的pH值、溶氧值等。

鼓泡式生物反应器10适用于液体和气体参与的中速和慢速生物反应过程，其储液量大，操作和维护简单。此外，鼓泡式生物反应器10的结构简单，造价低，用于高压反应条件时也无困难，因此得到了广泛使用。然而，现有技术的鼓泡式生物反应器10仍存在许多缺陷。例如，气泡在反应液体中容易发生聚合，由许多小气泡聚合成一个大气泡，这大大降低了传质速度，影响了气体吸收度和反应速度。虽然在罐体11内设置了搅拌器17，但是其抑制气泡聚合的效果并不明显。由于传质速度的降低，大大影响了气体的利用率，降低了反应速度。因此，需要延长通气时间以增大通气量，然而延长通气时间又会消耗大量的电能，增大了反应成本。

因此，需要一种鼓泡式生物反应器，其能够提高气体在液体中的传质速度，改善反应效率，并且能够降低能耗。

技术实现要素：

本实用新型的一个方面在于提供一种鼓泡式生物反应器，其能够提高鼓泡时的传质速度，从而改善反应效率，并且还能够降低能耗。

根据一示例性实施例，一种鼓泡式列管生物反应器可包括：罐体，具有高径比R，所述高径比R在3<R<100的范围；进料口，设置在所述罐体的上端或上端附近，用于向所述罐体内加入反应所需的原料；排料口，设置在所述罐体的下端或下端附近，用于从所述罐体排出反应产物；进气口，用于向所述罐体内通气；以及排气口，设置在所述罐体的上端或上端附近，用于从所述罐体排出气体。

在一示例中，所述罐体的高径比R在5<R<80的范围，优选地在8<R<40的范围，更优选地在12<R<20的范围。

在一示例中，所述进气口设置在所述罐体的下端或下端附近。

在一示例中，所述进气口设置在所述罐体的上端或上端附近，并且经由设置在所述罐体内的管路延伸到所述罐体的下端附近。

在一示例中，所述鼓泡式列管生物反应器还包括：从所述罐体的下端或下端附近起，设置于不同高度处的一个或多个气体分布器。所述气体分布器可以是多孔板。

在一示例中，所述气体分布器通过旋转轴安装到所述罐体上，从而所述气体分布器能够在水平和垂直位置之间旋转。

在一示例中，所述鼓泡式列管生物反应器还包括设置在所述罐体上的一个或多个检测电极或传感器。所述一个或多个检测电极或传感器选自pH值检测电极、溶氧电极、温度传感器和压力传感器。

在一示例中，所述鼓泡式列管生物反应器包括多个串联连接的所述罐体，每个罐体的排气口连接到下一个罐体的进气口。当每个罐体的进气口设置在所述罐体的下端或下端附近时，每个罐体的排气口可通过设置在罐体外的管路连接到下一个罐体的进气口。当每个罐体的进气口设置在所述罐体的上端或上端附近并且经由设置在所述罐体内的管路延伸到所述罐体的下端附近时，每个罐体的排气口可直接连接到下一个罐体的位于相同端的进气口。

在一示例中，所述鼓泡式列管生物反应器的每个罐体上还设置有如下各项中的一个或多个：补碱口，设置在所述罐体的上端或上端附近，用于向所述罐体内补充碱性物质；补酸口，设置在所述罐体的上端或上端附近，用于向所述罐体内补充算性物质；补消泡剂口，设置在所述罐体的上端或上端附近，用于向所述罐体内补充消泡剂；气体取样口，设置在所述罐体的上端或上端附近，用于提取所述罐体内的气体样本；蒸汽口，设置在所述罐体的下端或下端附近，用于向所述罐体内通入高温蒸汽以进行灭菌处理；以及液体取样口，设置在所述罐体的下端附近，用于提取所述罐体内的液体样本。

在一示例中，所述补碱口、所述补酸口、所述补消泡剂口和所述补料口通过一歧管连接到所述罐体上的同一开口。

在一示例中，所述排气口和所述气体取样口通过一歧管连接到所述罐体上的同一开口。

在一示例中，所述进气口、所述排料口和所述蒸汽口通过一歧管连接到所述罐体上的同一开口。

在一示例中，所述蒸汽口还通过三通阀连接到所述液体取样口。

在一示例中，所述鼓泡式列管生物反应器包括的串联连接的所述罐体的数量在2至50个的范围，优选在3至40个的范围，再优选地在3至30个的范围，更优选地在3至20个的范围。

在一示例中，串联连接的多个所述罐体可以排列成直线或弯曲线形状。

与常规反应器相比，本实用新型的生物反应器能以更少的通气量实现更高的传质速度，改善了反应效率，同时还降低了能耗。

附图说明

图1是现有技术的鼓泡式生物反应器的示意图。

图2是根据本实用新型一实施例的鼓泡式列管生物反应器的示意图。

图3是根据本实用新型另一实施例的鼓泡式列管生物反应器的示意图。

图4是根据本实用新型另一实施例的具有串联结构的鼓泡式列管生物反应器的示意图。

图5是根据本实用新型另一实施例的具有串联结构的鼓泡式列管生物反应器的示意图。

图6示出根据本实用新型一实施例的具有串联结构的鼓泡式列管生物反应器的俯视布局图。

图7A示出使用常规反应器进行的好氧发酵过程中的溶氧浓度(DO)随时间的变化曲线。

图7B示出使用常规反应器进行的好氧发酵过程中的酵母生物量(OD)随时间的变化曲线。

图8A示出使用根据本实用新型一实施例的反应器进行的好氧发酵过程中的DO随时间的变化曲线。

图8B示出使用根据本实用新型一实施例的反应器进行的好氧发酵过程中的OD随时间的变化曲线。

图9A示出使用常规反应器进行的厌氧发酵过程中的OD随时间的变化曲线。

图9B示出使用常规反应器进行的厌氧发酵过程中的进气量和排气量随时间的变化曲线。

图9C示出使用常规反应器进行的厌氧发酵过程中的排气成分随时间的变化曲线。

图10A示出使用根据本实用新型一实施例的反应器进行的厌氧发酵过程中的OD随时间的变化曲线。

图10B示出使用根据本实用新型一实施例的反应器进行的厌氧发酵过程中的进气量和排气量随时间的变化曲线。

图10C示出使用根据本实用新型一实施例的反应器进行的厌氧发酵过程中的排气成分随时间的变化曲线。

具体实施方式

下面参照附图描述本实用新型的示例性实施例。应理解，附图不一定是按比例绘制的。

图2示出根据本实用新型一示例性实施例的鼓泡式列管生物反应器100的示意图。如图2所示，反应器100包括罐体110，其可具有细长圆筒形状，两端为球形或弧形端部。应注意，罐体110比图1所示的现有技术的罐体11要更细长，这将在后面再详细说明。虽然未示出，但是罐体110外还可以设置有用于保温的夹套。罐体110中可装有反应液体，例如发酵液等。罐体110的下端部或其附近可以设置有进气口111，其经对应的阀门111a连接到罐体110。气体，例如空气或其他反应气体，可由空气压缩机101泵入进气口111中，进入罐体110内，并且由气体分布器115a分散成许多小气泡。气体分布器115a可以是例如多孔板，其使气体分散成均匀的小气泡，进入反应液体中，并且由于浮力而向上鼓泡。气体在鼓泡过程中可以部分溶解到反应液体中，从而参与、促进或催化反应过程。在一示例中，可选地，可以在罐体110内的不同高度处设置多个气体分布器例如多孔板115b、115c等。气体分布器的个数可以视罐体110的高度而定。

罐体110的下端还可以设置有排料口112，其经对应的阀门112a连接到罐体110。排料口112可用于在反应完成后排出罐体110中的内容物，其包括反应产物和剩余液体等。罐体110的下端还可以设置有蒸汽入口113，其经对应的阀门113a连接到罐体110。蒸汽入口113可以向罐体110内充入高温蒸汽以进行高温灭菌过程。在图2所示的示例中，进气口111、排料口112和蒸汽入口113可在其对应的阀门之后连接到一歧管的支路，然后经歧管的主路连接到罐体110的下端，因此罐体110上可以只需要有一个开口，从而减少了罐体110上的开口数。此外，来自蒸汽入口113的高温蒸汽还可以对进气口111和排料口112的部分管道进行高温灭菌处理。当然，在另一些实施例中，进气口111、排料口112和蒸汽入口113也可以分别连接到罐体110上的单独的开口。罐体110的下端附近还可以设置有液体取样口114，其经对应的阀门114a连接到罐体110。阀门114a可以是三通阀，其一端还连接到蒸汽入口113的阀门113a下游，从而还可以用高温蒸汽来对液体取样口114进行高温灭菌。液体取样口114设置在罐体110上比排料口112更靠上一些的位置处，从而避免罐体110底部的沉淀物对液体取样操作的影响。

罐体110的上端或其附近也可设置有多个出入口。例如，在罐体110的上端附近可设置有补酸口117、补碱口118、补消泡剂口119和补料口120，它们分别经对应的阀门117a、118a、119a和120a连接到罐体110。同样，这些操作口可经歧管连接到罐体110上的同一个开口(如图2所示的那样)，或者可分别连接到罐体110上的多个单独开口。补酸口117和补碱口118分别可用于向罐体110内补充酸液和碱液，以调整反应液的酸碱(pH)值，补消泡剂口119可用于向罐体110内补充消泡剂，并且罐体110内的上端附近可设置有消泡板116以均匀地分散消泡剂。补料口120可用于向罐体110内加入或补充反应液或培养液。此外，罐体110的上端还可以设置有气体取样口121和排气口122，其分别经对应的阀门121a和122a连接到罐体110。气体取样口121可用于对罐体110内的气体进行采样，排气口122可用于排出罐内气体，例如可连接到其他设备。罐体110上还可以设置有一个或多个检测电极或传感器，例如pH值检测电极、溶氧电极、压力传感器、温度传感器等。

上面参照图2描述了根据本实用新型一示例性实施例的鼓泡式列管生物反应器100的大致结构。应注意，与图1所示的现有技术反应器10不同的是，反应器100的罐体110具有更加细长的结构。例如，现有技术反应器的罐体11的高径比R一般在1<R<3的范围，这是因为气泡容易在罐体内聚合，当若干小气泡在罐体内聚合成一个大气泡后，气液之间的接触面积大大减小，传质速度也相应地大大减小，从而影响了反应效率。虽然可以在现有技术反应器内设置搅拌器，但是其对气泡聚合的抑制并不明显。考虑到这些因素，现有技术中一般不会把罐体做得很高，因为在罐体的较高部分处由于气泡聚合而反应效率是低的，因此影响了整罐反应液的反应效率。而本发明人发现，与现有技术中的常规认识不同的是，当将反应器100的罐体110做成细长结构后，反应效率反而会上升。本发明人认为这是因为如下原因造成的。首先，细长结构的罐体增加了气泡在液体中的行程，有利于提高传质速度。此外，对于相同体积的反应液而言，细长结构具有更小的横截面积，因此该横截面积中反应液所占的面积与气泡所占的面积之间的比值减小，这意味着相对更大比例的反应液能够接触到气泡，因此在一定程度上减弱了气泡合并对传质速度的负面影响。鉴于这些因素，细长结构的罐体110反而能够提高反应效率。考虑到这样的形状特点，本实用新型的生物反应器可以被称为“列管”生物反应器。在本实用新型的一些实施例中，罐体110的高径比R可以在例如3<R<100的范围，优选在5<R<80的范围，再优选地在8<R<40的范围，更优选地在12<R<20的范围。当在该优选的高径比范围内时，由于明显提高了传质速度和反应效率，因此使用显著更少量的气体即可完成反应，由此还大大节省了能耗。

此外，如图2所示，在细长结构的罐体110中，可以在不同高度处设置多个气体分布器115a、115b和115c，其例如可以是多孔板，板上的孔直径和孔之间的距离可以根据整个罐体的大小来经验地设定。这样，可以将聚合的大气泡再重新分布为若干小气泡，从而可以进一步减小气泡聚合对传质速度的负面影响。在本实用新型的这些实施例中，由于气泡聚合对传质速度的负面影响得到了抑制，而鼓泡过程可以保证反应液的充分均匀，因此可以省略搅拌器(例如，图1所示的搅拌器17)，从而进一步节省了搅拌所消耗的能量。

图3是根据本实用新型另一实施例的鼓泡式列管生物反应器100'的示意图。图3所示的生物反应器100'与图2所示的生物反应器100相同或相似的部件用相同或相似的附图标记指示，这里将省略对其的重复描述。下面仅描述图3的生物反应器100'与图2的生物反应器100之间的不同之处。

在图2中，一个或多个气体分布器115可以水平固定在反应器100中以执行气泡分布功能。而在图3所示的示例中，一个或多个气体分布器115，其例如为多孔板，可以安装在旋转轴102上，旋转轴102的一端可以密封地穿过罐体110，从而可以在罐体110外旋转气体分布器115。例如，当进行鼓泡反应时，气体分布器115可以旋转到水平位置以执行气泡分布功能。此外，气体分布器115还能起到挡板的作用，从而抑制反应液的返混现象，改善反应功效，这对于本实用新型的具有大高径比的反应器是尤其有利的。当在反应完成后进行排料步骤时，气体分布器115可以旋转到图3所示的垂直位置，以避免阻挡反应液中含有的粘稠或凝固物质或反应液中含有的固态填料等，使得罐体110中的所有物质都能够顺利地通过罐体110下端的排料口排出。

上面的图2和图3示出了单管反应器的实施例。在本实用新型的一些实施例中，还可以将多根管串联起来，下面参照图4和图5论述这样的实施例。图4是根据本实用新型一实施例的具有串联结构的鼓泡式列管生物反应器200的示意图。图4所示的生物反应器200与图2所示的生物反应器100和图3所示的生物反应器100'相同或相似的部件用相同或相似的附图标记指示，这里将省略对其的重复描述，下面仅描述不同之处。

如图4所示，反应器200包括多个罐体110，每个罐体110可以与图2和图3所示的罐体相同。为了清楚和简单起见，图4中省略了罐体110上的许多部件，例如多个进料口、蒸汽口、取样口等，但是应理解，图4中的每个罐体110都可以具有这些进口或出口。而且，各个罐体110的相应进口或出口可连接到相同的主干路。例如，图4所示的4个罐体每个的补酸口117(见图2和3)可连接到同一酸料供给管路或补酸罐，补碱口118(见图2和3)可连接到同一碱料供给管路或补碱罐，补消泡剂口119可连接到同一消泡剂供给管路或补消泡剂罐，补料口120可连接到同一补料管路或补料罐，蒸汽口113可连接到同一蒸汽供应管路，排料口112可连接到同一排料管路，等等。

反应器200包括的4个罐体110彼此串联连接。具体而言，第一个罐体110的排气口122通过管路201连接到第二个罐体110的进气口111，以此类推。在一些实施例中，根据反应条件的要求，管路201外也可包附有保温材料以减小散热。这样，气体由空气压缩机101泵入第一个罐体110的进气口111，在经过4个罐体110之后，从最后一个罐体110的排气口122排出。这样，进一步增大了气体在反应液中的行程，提高了气体利用率，并且降低了能耗。

应理解，虽然图4示出了串联连接的4个罐体，但是反应器200可以包括更多或更少的罐体，例如2个、3个、5个、6个、更多个等。在一些实施例中，反应器200可包括2至50个罐体，优选地3至40个，再优选地3至30个，更优选地3至20个。

图5是根据本实用新型一实施例的具有串联结构的鼓泡式列管生物反应器300的示意图。图5所示的生物反应器300与图4所示的生物反应器200相同或相似的部件用相同或相似的附图标记指示，这里将省略对其的重复描述，下面仅描述不同之处。

图5所示的反应器300也包括串联连接的若干罐体110。与图4所示的反应器200不同的是，每个罐体110的进气口111可设置在罐体上端或附近，然后经设置在罐体110内的管路301延伸到罐体下端附近。与图4所示的反应器200相比，在图5的反应器300中由于将管路301设置在罐体110内部，可以更好地起到对管路301中的气体保温的作用。而图4的反应器200由于将管路201设置在罐体110之外，则可以起到通过管路201来对气体散热的作用。受益于本公开，本领域技术人员容易根据所需的反应条件来选择合适的管路设置。

图6示出根据本实用新型一实施例的具有串联结构的鼓泡式列管生物反应器400的俯视布局图。如图6所示，反应器400包括串联连接的10个罐体110，气体经空气压缩机101泵入第一个罐体，依次流经10个罐体之后，从最后一个罐体的排气口排出，如实线箭头所示。在图6的反应器400中，10个罐体可以弯折地排列，从而可以提高反应器400的紧凑度，节省占地空间。而且由于反应器400的排气口接近于其进气口，从而能够提高包括该反应器的整个系统的紧凑度。应理解，根据本实用新型的反应器可以包括更多或更少的罐体，并且罐体的排列亦可根据空间、场地等因素而灵活地采用各种其他形状。

下面以发酵反应为例，来描述本实用新型的反应器的一些使用实例，并且对比现有技术的反应器的使用实例来说明其效果。

好氧发酵

比较例1

使用图1所示的常规1T(吨)反应器10来进行好氧发酵，反应器10的罐体高度为2.5m，内径为0.8m，装液量为700L。选用的补料罐为200L的搅拌罐。所选的菌种是酿酒酵母，培养基配方为每升包括蛋白胨20g、酵母提取物10g、以及葡萄糖20g。200L补料罐中的补料培养基配方为20kg葡萄糖加水至160L。发酵过程为将培养基倒入常规生物反应器中，接种酿酒酵母，控制反应温度为30℃，pH值为7.0，控制通气量为48Nm³/h，开始发酵，在培养12小时后开始补料，补料速率为12L/h。发酵过程中检测OD(酵母的生物量，1个OD约为0.3g/L酵母浓度)和在线DO(发酵液中的溶氧浓度)，发酵48小时后终止，记录整个过程消耗的电量。其中，OD的测定通过如下步骤进行：使用可见分光光度计(上海菁华产的722S可见分光光度计)，将可见分光光度计的波长调至600nm，将发酵液样品放入1cm宽的玻璃比色皿中进行检测。在线DO的检测通过使用生物反应器的罐体上安装的溶氧电极(梅特勒)进行检测。空气压缩机和驱动发酵罐搅拌器的电机消耗的电量由电路上的三相电表(ELECALL，型号DTS3533-1，380V，100A)来检测。DO(溶氧浓度)和OD(酵母生物量)随时间的变化曲线分别示于图7A和7B中。如图7A和7B所示，发酵液的溶氧浓度随时间逐渐降低，在14～40时溶氧约为0；最高OD为120。发酵48小时后，用电量为362.3度。

实例1

在实例1中，采用根据本实用新型一实施例的反应器来执行上述好氧发酵过程。反应器包括串联连接的5个罐体，每个罐体的高度为3m，内径为0.3m(高径比R＝10)，单罐的装液量为140L，总装液量为700L。发酵时的通气量控制为24Nm³/h，其他方面与比较例1相同。DO(溶氧浓度)和OD(酵母生物量)随时间的变化曲线分别示于图8A和8B中，其中DO值和OD值为取5个罐体的相应值的平均值。如图8A和8B所示，发酵液的溶氧浓度在开始阶段下降更缓慢，并且在整个发酵过程中都不为0；最高OD为246。发酵48小时后，用电量为121.6度。

通过将上述比较例1和实例1对比可以发现，与传统的生物反应器相比较，本实用新型的生物反应器在好氧培养中能增加发酵液中的溶氧，进而使酵母生长受到溶氧的影响减小，使OD增长更快，平均OD的最大值约为传统生物反应器的两倍。而且，本实用新型的生物反应器的通气量仅是传统生物反应器的50％，能耗仅是传统生物反应器的大约33.6％。

厌氧发酵

比较例2

使用与比较例1相同的常规反应器来进行厌氧发酵，所选的菌种为梭状芽孢杆菌，反应器的装液量为700L。培养基配方为每升包括氯化钠40g、氯化铵50g、氯化钾5g、磷酸二氢钾5g、硫酸镁10g和酵母提取物0.5g。发酵所用的气体为合成气，成分包括15％的CO，60％的H₂，20％的CO₂和5％的N2，上述百分比为体积比。发酵过程为将培养基倒入常规生物反应器中，接着使用高纯氮气来进行除氧，通入氮气24小时以上。然后接种厌氧的梭状芽孢杆菌，控制反应温度为37℃，pH值为7.0，控制通气量为48Nm³/h，执行发酵。发酵时，随时间检测OD、进气量和排气量，并且测量排气成分和耗电量。OD的测定可通过如下步骤进行：使用可见分光光度计(上海菁华产的722S可见分光光度计)，将可见分光光度计的波长调至600nm，将发酵液样品放入1cm宽的玻璃比色皿中进行检测。进气量和排气量的测定可通过使用质量流量计来对进气量和排气量进行在线检测。排气成分的检测可采用气相色谱(安捷伦-7890)来进行，采用面积归一法进行计算，选用得到色谱柱为13X分子筛柱(柱长3m，内径3mm)，选用氦气为载气。空气压缩机和发酵罐搅拌电机消耗的电量由接在电路上的三相电表(ELECALL，型号DTS3533-1，380V，100A)来进行。测量结果分别示于图9A、图9B和图9C中，其中图9A示出了OD随时间的变化曲线，OD的最高值为1.2，图9B示出了进气量和排气量随时间的变化曲线，图9C示出了排气成分随时间的变化曲线。用电量的测量结果为1692.1度。

实例2

在实例2中，采用与实例1相同的反应器来执行上述厌氧发酵过程，反应器的总装液量也为700L，其他方面都与比较例2相同。测量结果分别示于图10A、图10B和图10C中，其中图10A示出了平均OD值随时间的变化曲线，OD的最高值为13，图10B示出了进气量和排气量随时间的变化曲线，图10C示出了排气成分随时间的变化曲线。用电量的测量结果为1020.1度。

下面比较比较例2和实例2的测量结果。从图9A和图10A可以看出，当采用本实用新型的反应器进行厌氧发酵时，OD值在反应开始后就逐渐上升，并且最高值是常规反应器的10倍以上，说明本实用新型的反应器实现了10倍以上的传质速度。从进气量和排气量以及排气成分的测量结果可以看出，常规反应器的气体利用率较差，仅为10％左右，而本实用新型可达75％左右，大大提高了气体利用率。此外，本实用新型的反应器的能耗是常规反应器的60.3％左右，节省了能耗。

上面用若干细节描述了本实用新型的若干示例性实施例，应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型的原理，而无意成为对本实用新型的限制。在本实用新型的教导下，本领域技术人员可以进行形式和细节上的各种改变、替换、增加和/或省略。本实用新型的范围仅由所附权利要求及其等价物定义。