一种生物反应装置

1.本实用新型属于生物反应技术领域，尤其涉及一种生物反应装置。


背景技术：

2.生物反应器技术作为一种新兴的技术，已经体现出巨大的经济价值和社会价值，例如，厌氧发酵处理城市污泥废水、啤酒和各种抗生素的生产，以及利用发酵反应器处理固体废物。传统的生物反应器存在设备产率低、能源消耗大和反应速率慢等问题，当搅拌不充分时，极易造成局部温度过高，导致反应物变质，或者无法使空气和发酵液充分混合，不能保证供应微生物生长和代谢所需的溶解氧。此外，现有的发酵罐人工出料费时费力，加料后罐体密封性较差，容易造成灰尘细菌进入内部，传统的生物反应器不能满足现在对物质生产的需求。
3.随着对生物反应器产品需求量的持续增加和生化技术的不断提高，对生物反应器高效化和节能化的要求越来越高。但由于生物质原料结构不同，其物理性质、化学性质及发酵性能存在一定差异，传统的发酵生物反应器相间混和接触较差，底物、营养物和氧的传质能力较低，因此，建立高效反应器技术平台是解决高效利用生物质的关键。
4.cn201459112u公开了一种用于高粘体系多粘类芽孢杆菌发酵的搅拌装置，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，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，反应物轴向流和径向流能很好组合，具有较好的搅拌效果。但是其存在不能保证供应微生物生长和代谢所需的溶解氧的问题。
5.cn100544808a公开了一种射流膜
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生物反应器运行方法及装置，将部分污泥混合液通过水泵加压后经过射流器的喷嘴喷入装置内，形成的高速水流卷吸周围空气，通过掺混与切割作用将一部分空气溶入到混合液中，形成气液喷射流，同时气液混合流带动反应器内的污泥混合液在反应器内形成内循环，有助于传质和传氧，加速生化反应，提高处理效率。
6.cn101293705a公开了一种脉冲射流型膜生物反应器的方法及实现该方法的装置，采用射流器代替传统鼓风机来实现对膜组件错流冲刷作用，循环液在射流器内高速流过，空气通过plc控制的阀门以脉冲形式进入射流器，并通过扩散布气装置在底部喷射，提高了氧的利用率，改善污泥降解效果。但是其产生的气体直接排放，会对环境产生影响，并且反应物的混合效果不是很理想，不能对反应温度进行控制。
7.现有生物反应装置均存在混合效果差，以及溶解氧供应不足的问题，因此，如何在保证生物反应装置具有高效反应的情况下，同时还能够保证混合效果好和溶解氧供应充分，成为目前迫切需要解决的问题。


技术实现要素：

8.针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的在于提供一种生物反应装置，本实
用新型通过搅拌和射流方式结合，增加反应器的传质和传热能力，提高发酵生物反应器的效率。
9.为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：
10.本实用新型提供了一种生物反应装置，所述的生物反应装置包括壳体，所述壳体内设置有搅拌模块，以及位于壳体底部的射流模块；所述搅拌模块包括伸入壳体内的搅拌轴，所述搅拌轴上设置有至少一个径流桨和至少一个轴流桨。
11.所述的壳体顶部接设有循环管路，所述循环管路的出口端接入射流模块，壳体内气体经循环管路，由射流模块喷入壳体。
12.本实用新型通过设置包括径流桨和轴流桨的搅拌模块，搅拌传质能够高效进行，并且通过与射流模块配合，进一步的提高反应物之间的传质速率及溶氧率，此外，反应产生的气体通过循环管路在壳体内循环流动，减少反应产生气体的排放，避免污染环境的问题。
13.需要说明的是，本实用新型对径流桨和轴流桨的结构、数量以及排布方式均不作具体要求和特殊限定，本领域技术人员公知的是，可根据壳体内反应物的分布情况进行合理设置，例如，当反应物主要聚集在壳体顶部时，将径流桨设置在搅拌轴顶部，轴流桨设置于底部。
14.作为本实用新型的一个优选技术方案，所述的径流桨为抛物线型搅拌桨，所述抛物线型搅拌桨包括圆盘，以及至少一个沿所述圆盘边缘设置的抛物线桨叶，所述抛物线桨叶的截面呈抛物线形。
15.所述抛物线桨叶以搅拌轴为中心呈放射状分布。
16.所述抛物线桨叶抛物线形截面的开口所在平面与圆盘所在的平面垂直。
17.本实用新型设置的抛物线型搅拌桨，通过呈抛物线形的桨叶截面，进一步的强化了反应物的径向流动，加强了反应过程中的传质和传热效果。
18.所述轴流桨包括翼型轴流桨。
19.所述搅拌轴由上至下依次设置有抛物线型搅拌桨、第一翼型轴流桨和第二翼型轴流桨。
20.本实用新型通过由上至下依次设置有抛物线型搅拌桨、第一翼型轴流桨和第二翼型轴流桨，在生物反应过程中，同时具备良好的径向气体分散能力和轴向混合能力；若全部选择径向式搅拌浆会在搅拌过程中出现分层，造成混合不均的现象，影响微生物的发酵。
21.所述第一翼型轴流桨的直径大于第二翼型轴流桨的直径。
22.本实用新型通过由上至下依次设置有抛物线型搅拌桨、第一翼型轴流桨和第二翼型轴流桨，利用抛物线型搅拌桨加强对反应物的搅拌，再利用直径不同的第一翼型轴流桨和第二翼型轴流桨，增强反应物的轴向流动；通过径流桨和轴流桨的组合，反应物在径向和轴向流向充分混合，进一步强化反应过程中的传质效果，更好地提升反应物、营养物和溶解氧之间的传质能力。本实用新型通过设置第一翼型轴流桨的直径大于第二翼型轴流桨的直径，适当减小搅拌桨直径，可以使底部反应物反应更加充分，也可以提高底部气体射流效率。
23.作为本实用新型的一个优选技术方案，所述的射流模块包括射流板，以及至少一个均匀设置于射流板上的喷嘴。
24.所述喷嘴的喷出方向竖直向上。
25.本实用新型通过射流模块，使气体以射流的形式由喷嘴喷出，产生的气泡可有效提高反应物中的溶解氧，从而提高生物反应效率，进一步的缩短生物反应时间。
26.紧贴所述喷嘴上方设置有过滤网。
27.本实用新型通过在喷嘴上方紧贴设置过滤网，是为了防止喷嘴堵塞的情况，避免射流模块工作异常。
28.作为本实用新型的一个优选技术方案，所述循环管路上沿气体流向依次设置有气体净化模块和压缩机。
29.本实用新型通过对产生的气体先进行净化，净化后的气体经压缩机加压后，进入射流模块，增加气泡的产生。
30.本领域技术人员公知的是，当生物反应装置内进行的反应为好氧反应时，本实用新型循环管路上还可接设空气进气管路，用于对需氧的生物反应提供所需的氧气，本领域技术人员可根据生物反应装置内的反应类型，合理接设管道。
31.所述气体净化模块包括沿气体流向依次设置的空气过滤器和空气干燥器。
32.本实用新型中依次对反应产生的气体进行过滤除杂和干燥，净化后气体进入压缩机，保证压缩机正常工作。
33.作为本实用新型的一个优选技术方案，所述径流桨和轴流桨均与搅拌轴可拆卸连接。
34.所述径流桨和轴流桨均与搅拌轴通过键连接。
35.所述搅拌轴与壳体连接处设置有轴封组件。
36.所述轴封组件采用填料式轴封。
37.本实用新型通过在搅拌轴与壳体连接处设置填料式轴封，增强装置的密封性，检索反应产生的气体泄漏，从而避免对环境产生污染。
38.作为本实用新型的一个优选技术方案，所述搅拌轴与电机传动连接。
39.所述电机的输出轴与搅拌轴之间通过刚性联轴器连接。
40.所述壳体外壁顶部设置有支撑架，所述支撑架用于固定电机和搅拌轴。
41.优选地，所述搅拌轴和支撑架的连接处设置有深沟球轴承。
42.作为本实用新型的一个优选技术方案，所述壳体外壁设置有冷却层。
43.本实用新型通过在壳体外壁设置冷却层可对壳体内部的反应温度进行控制，避免温度过高影响反应速率的问题，并且与搅拌模块和射流模块结合，能够避免反应内部局部温度过高的问题发生。
44.需要说明的是，冷却层中可填充有冷却介质，本实用新型对冷却介质的种类不做具体要求和特殊限定，现有技术中已公开的，以及新技术中未公开的冷却介质均可用于本实用新型，例如，冷却层中填充有冷却水。
45.所述壳体顶部开设有进料口，所述壳体底部开设有出料口。
46.所述径流桨的材质和轴流桨的材质为304不锈钢。
47.示例性地，提供一种采用上述的生物反应装置进行生物反应的方法，所述的生物反应的方法具体包括：
48.(ⅰ)微生物发酵反应物由进料口注入壳体5，在搅拌模块的作用下搅拌反应，并通过冷却层16控制反应温度在4～150℃，反应产生的气体依次进入空气干燥器8和空气过滤
器7进行净化；
49.(ⅱ)净化后的气体经压缩机10加压后，由喷嘴喷入壳体5，壳体5内压力为0～0.4mpa，气体经过循环管路9在壳体5内循环流动，反应结束后，产物由出料口17排出。
50.与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：
51.本实用新型提供的生物反应装置，通过设置射流模块与搅拌模块结合，其中，搅拌模块采用轴流桨和径流桨两种搅拌类型组合，使壳体内的反应物充分混合反应，采用射流模块产生的气泡，有效提高溶氧率，更好地满足均匀传氧和传热的需求，气体通过循环管路在反应装置内循环，避免反应产生的有害气体外排造成环境污染，使反应更加高效绿色。本实用新型可有效提高生物反应效率，能够达到82.1％以上，有效缩短发酵时间，具有成本低、占地面积小和易于及维护等特点，可应用于食品和医药等领域。
附图说明
52.图1为本实用新型一个具体实施方式中提供的一种生物反应装置的内部结构示意图；
53.图2为本实用新型一个具体实施方式中提供的一种生物反应装置的整体结构示意图；
54.图3为本实用新型一个具体实施方式中提供的抛物线型搅拌桨的结构示意图。
55.其中，1
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搅拌轴；2
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抛物线型搅拌桨；3
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第一翼型轴流桨；4
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第二翼型轴流桨；5
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壳体；6
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射流模块；7
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空气过滤器；8
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空气干燥器；9
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循环管路；10
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压缩机；11
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电机；12
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刚性联轴器；13
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支撑架；14
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深沟球轴承；15
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填料式轴封；16
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冷却层；17
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出料口；18
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圆盘；19
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抛物线桨叶。
具体实施方式
56.需要理解的是，在本实用新型的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
57.需要说明的是，在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
58.下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。
59.在一个具体实施方式中，本实用新型提供了一种生物反应装置，如图1和图2所示，所述的生物反应装置包括壳体5，壳体5内设置有搅拌模块，以及位于壳体5底部的射流模块
6；搅拌模块包括伸入壳体5内的搅拌轴1，搅拌轴1上设置有至少一个径流桨和至少一个轴流桨；壳体5顶部接设有循环管路9，循环管路9的出口端接入射流模块6，壳体5内气体经循环管路9，由射流模块6喷入壳体5。
60.径流桨为抛物线型搅拌桨2，如图3所示，抛物线型搅拌桨2包括圆盘18，以及至少一个沿所述圆盘18边缘设置的抛物线桨叶19，抛物线桨叶19以搅拌轴1为中心呈放射状分布，抛物线桨叶19的截面呈抛物线形，并且抛物线桨叶19抛物线形截面的开口所在平面与圆盘18所在的平面垂直。
61.射流模块6包括射流板，以及至少一个均匀设置于射流板上的喷嘴，喷嘴的喷出方向竖直向上，进一步地，紧贴所述喷嘴上方设置有过滤网。
62.循环管路9上沿气体流向依次设置有空气过滤器7、空气干燥器8和压缩机10。
63.径流桨和轴流桨均与搅拌轴1通过键连接，进一步地，搅拌轴1与壳体5连接处设置有填料式轴封15；搅拌轴1与电机11传动连接，进一步地，电机11的输出轴与搅拌轴1之间通过刚性联轴器12连接。
64.壳体5外壁顶部设置有支撑架13，支撑架13用于固定电机11和搅拌轴1，进一步地，搅拌轴1和支撑架13的连接处设置有深沟球轴承14。
65.壳体5外壁设置有冷却层16，壳体5顶部开设有进料口，壳体5底部开设有出料口17，进一步地，径流桨的材质和轴流桨的材质为304不锈钢。
66.示例性地，本实用新型提供了一种采用一个具体实施方式中所述的生物反应装置进行生物反应的方法，所述的生物反应的方法具体包括：
67.(ⅰ)微生物发酵反应物由进料口注入壳体5，在搅拌模块的作用下搅拌反应，并通过冷却层16控制反应温度在4～150℃，反应产生的气体依次进入空气干燥器8和空气过滤器7进行净化；
68.(ⅱ)净化后的气体经压缩机10加压后，由喷嘴喷入壳体5，壳体5内压力为0～0.4mpa，气体经过循环管路9在壳体5内循环流动，反应结束后，产物由出料口17排出。
69.实施例1
70.本实施例提供了一种生物反应装置，基于一个具体实施方式提供的生物反应装置，其中，所述搅拌轴1上由上至下依次设置有抛物线型搅拌桨2、第一翼型轴流桨3和第二翼型轴流桨4，第一翼型轴流桨3的直径大于第二翼型轴流桨4的直径，射流板上均匀设置有16个喷嘴，其余结构与一个具体实施方式所述的生物反应装置完全相同。
71.本实施例还提供了一种采用上述生物反应装置进行生物反应的方法，基于一个具体实施方式提供的生物反应的方法，其中反应温度为37℃，壳体5内压力为0.4mpa，其余操作步骤和参数与一个具体实施方式所述的生物反应的方法相同。
72.本实施例提供的生物反应装置进行生物反应的反应效率数据见表1。
73.实施例2
74.本实施例提供了一种生物反应装置，基于一个具体实施方式提供的生物反应装置，其中，所述搅拌轴1上由上至下依次设置有第一抛物线型搅拌桨2、翼型轴流桨和第二抛物线型搅拌桨2，第一抛物线型搅拌桨2的直径和第二抛物线型搅拌桨2的直径相同，射流板上均匀设置有9个喷嘴，其余结构与一个具体实施方式所述的生物反应装置完全相同。
75.本实施例还提供了一种采用上述生物反应装置进行生物反应的方法，基于一个具
体实施方式提供的生物反应的方法，其中反应温度为4℃，壳体5内压力为0.1mpa，其余操作步骤和参数与一个具体实施方式所述的生物反应的方法相同。
76.本实施例提供的生物反应装置进行生物反应的反应效率数据见表1。
77.实施例3
78.本实施例提供了一种生物反应装置，基于一个具体实施方式提供的生物反应装置，其中，所述搅拌轴1上由上至下依次设置有第一翼型轴流桨3、第二翼型轴流桨4和抛物线型搅拌桨2，第一翼型轴流桨3的直径大于第二翼型轴流桨4的直径，射流板上均匀设置有12个喷嘴，其余结构与一个具体实施方式所述的生物反应装置完全相同。
79.本实施例还提供了一种采用上述生物反应装置进行生物反应的方法，基于一个具体实施方式提供的生物反应的方法，其中反应温度为60℃，壳体5内压力为0.05mpa，其余操作步骤和参数与一个具体实施方式所述的生物反应的方法相同。
80.本实施例提供的生物反应装置进行生物反应的反应效率数据见表1。
81.实施例4
82.本实施例提供了一种生物反应装置，基于一个具体实施方式提供的生物反应装置，其中，所述搅拌轴1上由上至下依次设置有一个翼型轴流桨和一个抛物线型搅拌桨2，翼型轴流桨的直径和抛物线型搅拌桨2的直径相等，射流板上均匀设置有25个喷嘴，其余结构与一个具体实施方式所述的生物反应装置完全相同。
83.本实施例还提供了一种采用上述生物反应装置进行生物反应的方法，基于一个具体实施方式提供的生物反应的方法，其中反应温度为90℃，壳体5内压力为0.3mpa，其余操作步骤和参数与一个具体实施方式所述的生物反应的方法相同。
84.本实施例提供的生物反应装置进行生物反应的反应效率数据见表1。
85.实施例5
86.本实施例提供了一种生物反应装置，基于一个具体实施方式提供的生物反应装置，其中，所述搅拌轴1上由上至下依次设置有第一翼型轴流桨3、第一抛物线型搅拌桨2、第二翼型轴流桨4和第二抛物线型搅拌桨2，第一翼型轴流桨3的直径大于第二翼型轴流桨4的直径，第一抛物线型搅拌桨2的直径大于第二抛物线型搅拌桨2的直径，射流板上均匀设置有24个喷嘴，其余结构与一个具体实施方式所述的生物反应装置完全相同。
87.本实施例还提供了一种采用上述生物反应装置进行生物反应的方法，基于一个具体实施方式提供的生物反应的方法，其中反应温度为150℃，壳体5内压力为0.15mpa，其余操作步骤和参数与一个具体实施方式所述的生物反应的方法相同。
88.本实施例提供的生物反应装置进行生物反应的反应效率数据见表1。
89.对比例1
90.本对比例提供了一种生物反应装置，与实施例1的区别在于，所述搅拌轴1上由上至下依次设置有第一翼型轴流桨3、第二翼型轴流桨4和第三翼型轴流桨，第一翼型轴流桨3、第二翼型轴流桨4和第三翼型轴流桨的直径依次减小，其余结构、反应步骤和参数均与实施例1相同。
91.本对比例提供的生物反应装置进行生物反应的反应效率数据见表1。
92.对比例2
93.本对比例提供了一种生物反应装置，与实施例1的区别在于，所述搅拌轴1上由上
至下依次设置有第一抛物线型搅拌桨2、第二抛物线型搅拌桨2和第三抛物线型搅拌桨2，第一抛物线型搅拌桨2、第二抛物线型搅拌桨2和第三抛物线型搅拌桨2的直径依次减小，其余结构、反应步骤和参数均与实施例1相同。
94.本对比例提供的生物反应装置进行生物反应的反应效率数据见表1。
95.对比例3
96.本对比例提供了一种生物反应装置，与实施例1的区别在于，所述生物反应装置无射流模块6，其余结构、反应步骤和参数均与实施例1相同。
97.本对比例提供的生物反应装置进行生物反应的反应效率数据见表1。
98.表1
[0099] 反应效率实施例188.6％实施例282.1％实施例385.3％实施例484.8％实施例582.5％对比例172.7％对比例275.6％对比例370.5％
[0100]
由表1数据可以看出：
[0101]
(1)实施例1与实施例2、3、4、5相比，由于微生物发酵主要集中于壳体5内上方，所以径流桨设置于搅拌轴1上部，则有利于反应物混合充分，从而具有较高的反应效率。
[0102]
(2)实施例1与对比例1、对比例2相比，实施例1的反应效率明显高于对比例1和对比例2，通过轴流桨与径流桨的组合，在生物反应过程中，同时具备良好的径向气体分散能力和轴向混合能力；若全部选择径向式搅拌浆会在搅拌过程中出现分层，造成混合不均的现象，影响微生物的发酵。
[0103]
(3)实施例1与对比例3相比，实施例1的反应效率明显高于对比例3，通过射流模块6和搅拌模块的联合作用，利用射流模块6增强产生气泡的效果，并且产生的射流扰流与搅拌组合，进一步的加强反应物的传质和传热效果，从而有效提升反应效率。
[0104]
本实用新型提供的生物反应装置，通过设置射流模块6与搅拌模块结合，其中，搅拌模块采用轴流桨和径流桨两种搅拌类型组合，使壳体5内的反应物充分混合反应，采用射流模块6产生的气泡，有效提高溶氧率，更好地满足均匀传氧和传热的需求，气体通过循环管路9在反应装置内循环，避免反应产生的有害气体外排造成环境污染，使反应更加高效绿色。本实用新型可有效提高生物反应效率，能够达到82.1％以上，缩短发酵时间，具有成本低、占地面积小和易于及维护等特点，可应用于食品和医药等领域。
[0105]
申请人声明，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本实用新型的保护范围和公开范围之内。