静态混合器元件和包括静态混合器元件的反应器的制作方法

1.本发明涉及静态混合器或流动反应器，该流动反应器包括用于混合通过流动反应器传输或在流动反应器中循环的流体流的静态混合器，具体地，根据本发明的静态混合器可以通过减小气泡的尺寸来改善气体/质量的传递。根据本发明的流动反应器可以具有任何横截面，例如圆形，并且可以在流动反应器中插入一个或多个混合单元。


背景技术：

2.静态混合器是众所周知的，它们的主要优点是它们没有运动部件，因此不需要驱动装置并且维护成本低。静态混合器特别适用于连续操作的设施，其中静态混合器可以用作连续流动混合器。
3.美国专利4062524涉及一种用于静态混合流体流(例如气体或液体或更高粘性物质)的设备，该设备在设计上较短，不会承受过高的压力损失，但仍能确保均质化。该设备包括混合插入件，该混合插入件包括至少两个板，该板设置有在其间限定槽的腹板，一个板的腹板横向延伸穿过与第一板成角度设置的至少另一个板的槽。由于板的倾斜定位，迎面而来的流体流被腹板分成支流，支流的产生在时间和地点上是交错的，并且支流再次被板的相交线细分。在腹板的背面具有沿横向方向的流动梯度，其产生了支流的交换。在板对的交叉线之外，支流再次被细分，这一次是在时间和空间的相反顺序中。由于横向混合过程，流动接近于所谓的活塞流的轮廓，因此可以实现窄范围的停留时间。板相对于迎面流的方向和管壁的倾斜度可以是多维的。
4.us2011244543a1涉及发酵罐和发酵方法，包括u形和/或喷嘴u形环发酵罐(100)。该u形环发酵罐包括：u形部分，其具有基本上竖向的下流部分(101)、基本上竖向的上流部分(102)和连接下流部分(101)和上流部分(102)的下端部的基本上水平的连接部分(103)；顶部部分(104)，其设置在u形部分上方并具有比u形部分的直径大得多的直径；用于通过发酵罐的u形部分中的液体循环产生连续流动的装置；以及用于将气体引入和分散到发酵液体中的一个或多个气体注入点(110)。可以通过压力控制装置(105、106、108)在发酵罐的某些区域中不同地控制压力，例如通过相对于发酵罐的其它区域中的压力增加发酵罐的某些区域中的压力，或相对于发酵罐的另一个区域中的压力降低发酵罐的一个区域中的压力。发酵罐还可以包括数个静态机械混合器(13、14、15、16、17、116a-116b)，每个都指示用于将供应的气体分散成许多小的细气泡的混合构件。
5.us2017056846a1涉及一种用于混合第一流体和第二流体这两种流体的静态混合器，这两种流体是单相流的两种可混溶组分。静态混合器包括多个板，这些板具有贯穿其中的孔。当第一流体和第二流体穿过静态混合器时，流体被合并和混合。
6.kr2017009397涉及一种用于在液体中产生细小气泡的设备。该设备包括注入单元，该注入单元包括连接到室100的注入开口110的液体注入管。该设备还可包括用于将气体注入到液体注入管310中的气体注入管320。液体可以通过泵从储存器中泵出并通过液体注入管310供应到室100的内部空间。与液体注入管相比，室100的横截面增加，这意味着压
力降低并且液体中的空气/氧气可以作为气泡释放。在仅注入液体的情况下，可通过空化产生微泡，然后仅需要通过注入管注入液体(参见第[0026]段)。即，该设备适用于在相对较低的压力下工作，例如室100内的压力低于1巴。


技术实现要素：

[0007]
根据本发明的设备适用于在相对高的压力下工作，即高于大气压的压力，其中静态混合器元件使得可以将包含在大气压下溶解度低的组分的气体混合到液体中，用于例如将甲烷混入水中。
[0008]
本发明的目的是提供一种更紧凑、更经济且甚至更有效的静态混合器，其被配置为通过减小气泡尺寸将气体混合到液体中。
[0009]
根据本发明的第一方面，本发明涉及一种静态混合器元件，其被配置为减小液体中的气泡的尺寸，用于安装在流动通道中，该静态混合器元件包括在流动通道的横截面区域上延伸的混合器单元，该混合器单元包括多个通孔，静态混合器元件包括至少两个混合器单元或由至少两个混合器单元构成，所述至少两个混合器单元为第一或在前的混合器单元和第二且相邻的混合器单元，第一混合器单元和第二混合器单元在流动方向上相对于彼此移位，其中第一或在前的混合器单元中的通孔至少部分地面向第二且相邻的混合器单元的表面，从而迫使流体流改变方向
[0010]
根据本发明的第一方面，本发明涉及一种静态混合器元件，其被配置为减小液体中的气泡的尺寸，用于安装在流动通道中，该静态混合器元件包括在流动通道的横截面区域上延伸的混合器单元(1)，该混合器单元(1)包括多个通孔(3)，静态混合器元件包括至少两个混合器单元(1)或由至少两个混合器单元构成，所述至少两个混合器单元为第一或在前的混合器单元(1)和第二且相邻的混合器单元(1)，第一混合器单元和第二混合器单元在流动方向上相对于彼此移位，使得第一或在前的混合器单元(1)中的通孔(3)至少部分地面向第二且相邻的混合器单元(1)的表面，从而迫使流体流改变方向，其中相邻的混合器单元(1)具有大致相同的高度或厚度h，并且是大致平行的，它们之间具有距离d，该距离d能够是大约为0，因为两个相邻的混合器单元(1)能够在一个或多个点处相互接触，或者距离d能够例如至少是混合器单元(1)的厚度的0.5倍，即0.5xh，或者距离d能够至少为混合器单元的厚度，即1xh，或者距离d最大能够为混合器单元(1)的厚度的10倍，即10xh，或者最大为混合器单元的厚度的5倍，即5xh，或者最大为混合器单元的厚度的3倍，即3xh。
[0011]
根据第一方面的任何实施例，所述多个通孔(3)可以均匀地分布在混合器元件的面向流动方向的表面上。开口“均匀分布”是指每个开口与其相邻开口的距离相同或大致相同，或者开口以覆盖表面或至少一半或三分之二的表面的均匀图案定位。图2示出了分布在混合器单元整个表面上的均匀菱形图案；然而，开口也可以具有圆形或矩形横截面，或者开口可以仅分布在混合器单元表面的一部分上，例如在表面的一半上或在表面的2/3上。
[0012]
根据本发明第一方面的任何实施例，静态混合器可以包括至少两个混合器单元，例如恰好或至少3、4、5、6、7、8、9、10个或更多个混合器单元，或者2至100个混合器单元，或者2至50个混合器单元，或者4至40个混合器单元，或者4至35个混合器单元，其中每个在前的混合器单元中的每个通孔至少部分地面向在后的混合器单元的表面，从而迫使流体流改变方向。
[0013]
根据本发明的第一方面的任何实施例，每个混合器单元可以与流动通道的内表面形成不透流体连接，或者抵靠在流动通道的内表面上。
[0014]
根据本发明第一方面的任何实施例，混合器单元的厚度或高度h可以显著小于混合器单元(1)的横截面或宽度w，即其中f
min
≤10或20或40，并且f
max
≥100或150或200。
[0015]
根据本发明第一方面的任何实施例，混合器单元在包括通孔的区域中的厚度可以在2-60mm、或2-40mm、或2-30mm或2-15mm之间。
[0016]
根据本发明的第一方面的任何实施例，在前的和在后的混合器单元是大致平行的并且通常可以包括与流动方向垂直地面向的表面，即面向在后的混合器单元的表面的第一混合器单元的表面相对于在后的混合器单元可以偏离小于10
°
，通常小于5
°
或小于2
°
。
[0017]
根据本发明的第一方面的任一实施例，在前的混合器单元的表面与面向的在后的混合器单元的表面之间可以存在距离d，该距离d可以小于在前的混合器单元的厚度或高度h的10倍或小于5倍，或者例如距离d可以小于在前的混合器单元的厚度或高度h的2倍。
[0018]
根据本发明的第一方面的任何实施例，混合器单元可以定位在框架中并且附接到框架，该框架可以限定每个混合器单元相对于静态混合器元件中的其它混合器单元的位置。
[0019]
根据本发明的第一方面的任何实施例，每个混合器单元包括一个或多个定位锁，可选地，定位锁均匀分布，即相邻的定位锁之间沿半径为r圆心为c的圆具有以度(
°
)为单位测量的相同的径向距离。
[0020]
根据本发明的第一方面的任一实施例，每个混合器单元中的贯通孔可以具有相同的形状和尺寸，并且贯通孔的形状可以例如为菱形或圆形或矩形。
[0021]
根据本发明的第二方面，本发明涉及一种静态混合器部段，其包括多个静态混合器块体，其中至少一个静态混合器块体具有在流动横截面上分布气泡的功能，并且至少一个块体由两个或更多个根据本发明的第一方面的静态混合器元件构成。
[0022]
根据本发明的第二方面的任何实施例，具有在流动横截面上分布气泡的功能的至少一个静态混合器块体可以相对于根据第一方面的静态混合器元件定位在上游。
[0023]
根据本发明的第三方面，本发明涉及一种反应器，并且该反应器的一个或每个静态混合器元件可以定位在包括腔的反应器的流动通道或管状部件中，该腔包括入口开口和出口开口。反应器的流动通道或管状部件的横截面区域的尺寸与反应器的流动通道或管状部件的入口相比可以是相对恒定的，其中“相对恒定”是指横截面区域的尺寸相对于入口的尺寸的变化小于10％，例如小于5％。由于反应室前和反应室内的横截面区域相对恒定，因此压力不会突然下降。
[0024]
此外，反应器可以配置为在高于1巴、例如高于2巴或高于3巴的压力下操作。
[0025]
根据本发明第三方面的任何实施方案，反应器可以是环反应器。
26.根据本发明第三方面的任何实施例，反应器可以是发酵反应器，其包括回路部分和顶部罐，所述回路部分包括下流部分，该下流部分通过u形部分连接到上流部分，其中顶部罐包括：
[0027]
(i)第一出口，将顶部罐连接到回路部分的下流部分，并允许顶部罐中存在的发酵
液体从顶部罐流入回路部分；
[0028]
(ii)第一入口，将顶部罐连接到回路部分的上流部分，允许存在于回路部分中的发酵液体从回路部分流入顶部罐；和
[0029]
(iii)用于从顶部罐排放废气的通风管；
[0030]
其中至少一个静态混合器元件位于回路部分中。
[0031]
根据本发明第三方面的任一实施例，多于一个的静态混合器元件，即至少两个静态混合器元件，可以定位在回路部分中，例如恰好或多于2、3或4个静态混合器定位在反应器的回路部分中。
[0032]
根据本发明的第四方面，本发明涉及根据第一方面的静态混合器元件在用于混合包括液体和气体的两相流的反应器中的用途。
[0033]
根据本发明第四方面的任一实施例，所述气体为o2和/或所述液体为发酵液体。
附图说明
[0034]
图1公开了u形反应器的实施例，其中可以采用根据本发明的静态混合器元件。
[0035]
图2公开了根据本发明的静态混合器元件的混合单元的实施例。
[0036]
图3a和3b公开了用于在混合单元之间定位的框架。
[0037]
图4公开了根据本发明的静态混合器元件的第一实施例。
[0038]
图5公开了根据本发明的静态混合器元件的第二实施例。
[0039]
在整个申请中，不同实施例的相同或相似的元件被赋予相同的附图标记。
具体实施方式
[0040]
词语定义：
[0041]
一般来说——当这个表达被用于某个特征时，该特征可以用于本发明的任何实施例，即使具体提及出现在详细描述部分中。
[0042]
静态混合器——没有运动部件的混合器。
[0043]
流动反应器——在操作期间至少在反应器的一部分中产生连续流动的反应器。
[0044]
本发明的详细描述：
[0045]
本发明涉及静态混合器元件，其包括两个或更多个混合器单元1。根据本发明的静态混合器元件提供液体的混合，并且通过最小化或减小液相中气泡的尺寸来提供液体/气体混合物的均质化。
[0046]
图2公开了可应用于根据本发明的静态混合器元件中的混合器单元1的实施例在流动方向上的视图。
[0047]
一般来说，一个混合器单元1包括多个通孔3以及一个或多个定位锁2，通常，通孔3是相同的，即一个混合器单元1的所有通孔3具有相同的形状和尺寸。此外，通孔3可以均匀地分布在混合器单元1的整个流动区域上，其中该流动区域是流体在操作期间可以流动的横截面区域。通孔3允许液体穿过混合器单元1，并且定位锁2是开口或突起或类似物，其锁定或固定第一混合器单元1相对于第二和相邻的混合器单元1的径向运动。
[0048]
混合器单元1具有为板或片材的整体形状，即混合器单元1的厚度或高度h明显小
于混合器单元1的横截面或宽度w，即通常混合器单元的高度h可以在0.002和0.10m之间，通常在0.002和0.05m之间，例如在0.002和0.015m之间。混合器单元的宽度w即最大横截面尺寸将适应于其中放置混合器单元1的流动反应器的界线，并且可以在0.20和2.5m之间，通常在0.30和2.0m之间，例如在0.3和1.0m之间。例如f
min
≤10或20或40，并且f
max
≥100或150或200(示例：or)。
[0049]
此外，混合器单元1的厚度/高度h和横截面平面中的表面在包括通孔3的区域中是相对平坦的，即通常混合器单元1的厚度或高度h在包括通孔3的整个横截面中偏离小于10％，例如小于5％，例如小于1％，即高度h可以在包括定位锁2的区域中变化更大，即定位锁2可以从混合器单元1的表面延伸。
[0050]
通常，在前和在后的混合器单元1基本上是平行的，即彼此面对的第一混合器单元1的表面和第二或相邻混合器单元的表面之间的角度相对于在后的混合器单元1偏离小于10
°
，通常小于5
°
或小于2
°
。
[0051]
由于相邻的混合器单元1基本上是平行的，因此两个相邻的混合器单元1之间的距离d通常基本上是恒定的。例如，静态混合器单元中相邻混合器单元1之间的距离在混合器单元1的厚度的0.5倍(即0.5xh)和混合器单元1的厚度的3倍(即2xh)之间。例如，相邻混合器单元之间的距离可以是至少0.001m、或至少0.003mm、或至少0.006m、和/或最大0.030m、或最大0.020m或最大0.010m。
[0052]
混合器单元1的横截面平面的外周边对应于静态混合器元件所处的反应器的部分中的流动通道的内表面。即，每个混合器单元1或静态混合器元件本身接触反应器的内表面，或者每个混合器单元1或静态混合器元件本身可以设置有在反应器的内表面与每个混合器单元1的外周边或静态混合器元件本身的外周边之间延伸的配合部分或适配器或填充物，从而防止流体绕过任何混合器单元1或静态混合器元件本身。
[0053]
根据图2所示的实施例，所示混合器单元1的周边是圆形的。通常，每个混合器单元1的周边可以是圆形或椭圆形的，然而，混合器单元1的周边也可以具有例如任何形状并且混合器单元1的周边也可以通过填充物或类似物而适应于另一内表面轮廓。
[0054]
每个混合器单元1在整个流动方向上的相对较小的尺寸(即h)使其适合将数个混合器单元1组合成具有定制压力损失和混合能力的静态混合器元件。为了降低成本，有利的是构成静态混合器元件的混合器单元的混合器单元1是相同的或者是基本相同的。
[0055]
根据优选实施例，混合器单元1包括多个定位锁2，可选地，所述多个定位锁由贯通孔构成，例如相同的贯通孔2，以允许杆或框架的一部分插入在一个或全部贯通孔2中，由此防止混合器单元1的相对径向运动，其中径向运动是与旋转轴线成直角的运动。本质上，径向运动是围绕轴而不是沿着轴的长度的运动。
[0056]
可以通过以下方式来控制由多个相同的混合器单元1构成的静态混合器元件的混合能力，即通过提供第一或在前的混合器单元1和第二或在后的混合器单元1，第二或在后的混合器单元1在流动方向上相对于第一或在前的混合器单元1径向移位，使得第一或在前的混合器单元1中的开口至少部分地面向第二或在后的混合器单元1的表面，从而迫使流体
流改变方向。
[0057]
静态混合器元件可以通过以下方式构建，即在流动方向上将多个混合器单元定位成一系列例如4到50个相邻的混合器单元1以使得待混合的流体流过所有的混合器单元，并且使混合器单元1相对于彼此径向移位。通过构建这样的静态混合器元件，可以以简单且成本有效的方式控制流动反应器中相对于压力损失的均质化程度，并且还可以改善气体/质量传递，即通过减小气泡的大小将来自气体的成分传递到液体。
[0058]
根据一个实施例，静态混合器元件中的每个混合器单元1包括至少四个定位锁2，或者例如至少八个定位锁2，并且通常一个静态混合器元件2中的所有混合器单元1设置有相同数量的定位锁2。
[0059]
如果混合器单元1的定位锁2均匀分布，即相邻定位锁2之间的沿半径为r且中心为c的圆以度(
°
)测量的径向距离相同，则可以将每个混合器单元1定位相对于先前放置的混合器单元1径向移位，只需将在前的混合器单元1相对于在后的混合器单元1转动即可。
[0060]
图2所示的实施例包括八个定位锁2：2(1)、2(2)、
……
、2(8)，沿半径为r、圆心为c的圆均匀分布，相邻定位锁之间的径向距离为45
°
。包括一系列这种类型的混合器单元的静态混合器元件中的第一混合器单元1可以如图2所示定位，第二和相邻的混合器单元1可以相对于第一混合器单元1转动，使得与第一混合器单元1的2(1)对应的第二混合器单元1的定位锁放置在第一混合器单元1的位置2(2)处，于是第二混合器单元相对于第一混合器单元1径向移位45
°
。然后第三混合器单元1可以再次相对于第二混合器单元1径向移位45
°
并且相对于第一混合器单元1径向移位90
°
。
[0061]
如果一个实施例包括沿半径为r且中心为c的圆均匀分布的三个定位锁，则相邻定位锁之间的径向距离为120
°
。
[0062]
根据本发明的混合器单元1的通孔3可以具有任何形状或形式，优选地通孔3被成形或形成为平行四边形，例如正方形、矩形或菱形。
[0063]
混合器单元1可以由诸如不锈钢或类似物的金属制成。或者，混合器单元1可以由聚合物制备，或者混合器单元1可以由陶瓷材料制备。
[0064]
混合器单元1可以由金属板网制成，其中金属板首先设置有平行切口，然后在垂直于切口的方向上延伸。金属板网将提供平行四边形形状的通孔3。或者，可以在金属片中直接切割或冲压出通孔3。
[0065]
图3公开了框架4的实施例，其可用于固定多个混合器单元1的位置，例如图2所示实施例的多个混合器单元1。这种类型的框架4可以位于静态混合器元件的一端或两端处。
[0066]
框架4包括在整个流动方向上延伸的部分4a，该部分4a足够长或足够高以提供对静态混合器元件的稳定支撑。此外，部分4a可以构成封闭的周边，例如如图3的实施例中所示的正方形，然而，部分4a的周边可以替代地是圆形或椭圆形的，并且框架4的外周边小于混合器单元1的周边。
[0067]
框架4与在静态混合器元件的全长上延伸的杆5或类似物结合。该杆例如通过紧固装置8紧固到框架上。杆5的长度适合于混合器单元1的数量，其限定了静态混合器元件的长度。杆5可以固定到框架4或者它们可以是可更换的。杆可以由金属或聚合物或陶瓷材料制成。杆5装配到构成静态混合器元件的混合器单元1中的定位锁2的开口中。
[0068]
或者，框架可以由放置在混合器单元1和反应器的流动通道的内表面之间的支撑
件构成。支撑件可以包括例如在整个流动方向上在静态混合器元件的全长上延伸的突起，该突起可以对应于混合器单元1的边缘中的凹部。这种类型的框架4沿着静态混合器元件的侧面定位并且不占用静态混合器元件的端部处的空间。
[0069]
根据本发明的静态混合器元件可以与根据本发明的其它静态混合器元件组合和/或与已知的静态混合器块体组合。此类组合的示例如图4和图5所示。
[0070]
图4示出了包括1个静态混合器元件的实施例，该静态混合器元件包括45个根据本发明的混合器单元1以及3个其它混合器块体的组合。
[0071]
该实施例也是根据本发明的静态混合器部段的示例，其中包括数个根据本发明的静态混合器元件(例如2至100个静态混合器元件)的一个或多个块体与另一种类型的静态混合单元(例如根据现有技术已知的静态混合单元)的一个或多个块体组合。其它类型的混合单元主要用于将气泡均匀地分布在放置有静态混合器块体的管道的整个横截面上，因此可以定位在根据本发明的静态混合器元件的块体的上游。根据本发明的静态混合器元件的块体有助于气泡的分布，但也将导致气泡尺寸的减小，从而导致改进的气体/质量传递。
[0072]
图4中公开的实施例在截面顶部用箭头指示的流动方向上包括：第一类型静态混合器的第一块体7(1)，其有助于将气泡均匀地分布在气体/液体混合物的流动中；第二类型静态混合器的第二块体7(2)，其也有助于将气泡均匀地分布在气体/液体混合物的流动中；第三块体，其由根据本发明的静态混合器元件6构成，其主要有助于分解气泡；以及第一类型静态混合器的第四块体7(3)，其有助于将较小的气泡均匀地分布在静态混合器部段所在的管道的横截面上。
[0073]
图5示出了包括3个静态混合器元件的实施例，每个静态混合器元件包括13个根据本发明的混合器单元1以及5个不同的混合器块体的组合。
[0074]
图5中公开的实施例在截面顶部用箭头指示的流动方向上包括：第一类型静态混合器的第一块体7(1)，其有助于将气泡均匀地分布在气体/液体混合物的流动中；第二类型静态混合器的第二块体7(2)，其也有助于将气泡均匀地分布在气体/液体混合物的流动中；第三块体，其由根据本发明的静态混合器元件6构成，其主要有助于分解气泡。此外，该实施例包括第一类型静态混合器的第四块体7(3)，然后是根据本发明的静态混合器元件6的第五块体、第二类型静态混合器的第六块体7(4)、根据本发明的静态混合器元件6的第七块体和最后的第一类型静态混合器的第八块体。
[0075]
当构建如图4和图5中示例的静态混合器部段时，静态混合器的类型和静态混合器块体的数量可以适应特定的混合过程和混合设备，即根据静态混合器部段的任何实施例，静态混合器块体的数量可以变化并且静态混合器块体的类型可以变化。
[0076]
具有内部流动的反应器的示例：
[0077]
图1示出了具有连续流动的反应器，这种类型的反应器可以称为发酵罐。发酵罐为u形发酵罐100，包括顶部部分104和u形部分，u形部分包括两个腿，下流腿101和上流腿102，以及连接两个腿的水平连接部分103。
[0078]
腿101、102和水平连接部分103的横截面通常大致为圆形或椭圆形，但横截面也可以是多边形，例如正方形、矩形或六边形。腿的高度与水平连接部分103的长度之间的关系(腿的高度:下部连接部分的长度)可以在100:1至1:100之间的范围内，优选地在50:1至1:50或25:1至1:25之间，最优选的比例是10:1。发酵罐的总容积可以在0.001m3至1000m3的范
围内，例如在0.2-500m3的范围内，或例如在50-250m3的范围内。每个腿和下部水平连接部分的直径与腿的高度之间的关系将取决于所需的发酵罐的总容积，并且可以由本领域的任何技术人员计算得出。
[0079]
发酵罐可以包括一个或多个静态混合器和任选的动态混合器，图1中所示的实施例包括四个静态混合器116a-116d。混合器的数量和混合器的位置取决于修改混合或修改流过发酵罐的液体中的气泡大小的需要。混合器116a-116d可以放置在发酵罐的一个或两个腿101、102中，例如混合器可以定位在添加气体的下游的下流腿101中，因为气体添加将增加需要用于混合，或者混合器可以放置在发酵罐腿中需要气体再分配的任何位置，例如由于气泡的聚结增加或液体中的静水压力降低。
[0080]
混合器的数量可以根据发酵罐中气体分散的需要而变化，并且不限于图1中所示的混合器116a-116d的数量或位置。例如，发酵罐中气体分散的需要取决于所使用的微生物和微生物的浓度以及液体培养基的组成和/或物理性质(例如温度、粘度等)。
[0081]
两条腿(即下流腿101和上流腿102)的上部部分通过顶部部分104连接，该顶部部分104连接下流腿和上流腿之间的流动。发酵罐可以与周围环境完全封闭，除了插入传感器或向发酵罐添加或去除物质所必需的管道和配件(未示出)。顶部部分104通常是具有圆柱形或椭圆形横截面的容器，并且顶部部分104通常具有比发酵罐的腿更大的直径。顶部部分104的横截面不必是圆柱形或椭圆形，也可以是多边形，例如矩形、正方形或六边形。顶部部分104与直的或锥形的连接部分114连接，用于将顶部部分104连接到腿101、102。发酵罐的顶部部分104通常设计成容纳大部分发酵液体。顶部部分104可以例如被设计为包含发酵罐总容积的1％至99％，但通常为包含发酵罐总容积的10％至60％。优选地，顶部部分的容积小于u形部分的容积。当发酵罐操作时，顶部部分104可以完全地或部分地填充有液体。例如，发酵罐腿101和102以及连接部分被发酵液体完全淹没并且顶部部分104被发酵液体部分地淹没，从而在顶部部分104中的液体表面108上方留出一部分容积，即头部空间107，以用于收集气体。发酵罐的尺寸(即直径和高度)都可以根据发酵罐总容积的需要而变化。
[0082]
顶部部分104可以包括液体或气体流动改变装置115以帮助在顶部部分104中的混合或帮助气泡从液体中释放。气体或液体流动改变装置115例如可以是挡板或静态混合器。
[0083]
一个或多个压力控制装置可以放置在发酵罐中以允许控制发酵罐中的压力，使得发酵罐的不同区域比其它区域承受更高或更低的压力。用于控制压力的一个或多个装置也可用于使液体和/或气体-液体混合物在发酵罐内循环。
[0084]
第一压力控制装置105可以放置在下流腿101的顶部附近。第一压力控制装置105可以使发酵罐中的液体循环，同时在液体或气体-液体混合物穿过第一压力控制装置时使压力升高。第一压力控制装置105可以是泵，例如特别设计用于气体-液体混合物循环的螺旋桨泵、凸轮泵或涡轮泵。用于增加发酵罐中的压力和在发酵罐中产生液体循环的其它合适的手段是例如添加加压气体，例如空气或惰性气体，并结合液体循环装置，该液体循环装置可以是泵。
[0085]
例如，第二压力控制装置106可以放置在腿101、102之一中或u形弯管的水平部分103中，使得当沿流动方向看时，压力控制装置105和106之间的压力可以增加。当发酵罐中某个区域的压力增加时，注入的气体在液相中的溶解度也增加。例如，第二压力控制装置106可以放置在上流腿102的中间到顶部。可以操作压力控制装置105、106，使得第一压力控
制装置下游的第一区域(105-103-106)中的发酵罐中的压力增加到比第二压力控制装置下游的第二区域(106-104-105)中的压力高的压力，第一区域可以包括水平连接部分103，第二区域可以包括顶部部分104。
[0086]
如果整个发酵罐在高于大气压的压力下操作，则压力控制装置105、106也可以操作成使得第二区域(106-104-105)中的发酵罐中的压力降低到比第一区域(105-103-106)中的发酵罐中的压力低的压力，例如通过连接真空抽吸管线(未示出)，该真空抽吸管线连接到发酵罐的液体表面108上方的头部空间107。
[0087]
压力控制装置106可以从许多压力控制装置中选择，例如：腿102或连接部分103的直径/横截面变窄、带有孔的板、插入上流腿102或水平连接部分103中的喷射器或喷嘴、由发酵罐中一个或多个位置处的压力控制的阀、静态混合器、水力旋流器或泵(例如螺旋桨泵、凸轮泵或涡轮泵)。
[0088]
静态混合器通常在混合方面进行优化，同时通过混合器的压降被最小化。如果使用静态混合器作为压力控制装置，则可以构造静态混合器以根据发酵罐中所需的期望压降来优化压降。或者，第二压力控制装置106可以是螺旋桨泵。如果要增加压力，例如由于通过静态混合器116的压力损失，则螺旋桨泵可以由马达驱动。
[0089]
或者，螺旋桨泵连接到限制旋转并由此降低压力的装置。限制旋转的装置可以是制动器，或者，其可以是能够收集用于增加发酵罐中的压力的一些能量的发电机。收集的能量可以在系统的其它位置重复使用，从而降低系统的整体能耗。在本发明的另一个实施例中，压力控制装置106或者是上流腿102或水平连接部分103的直径/横截面变窄，或者是具有孔、喷射器或喷嘴的板。如果需要，第三压力控制装置可以放置在发酵罐的其它地方，例如在第二压力控制装置106的下游和第一压力控制装置105的上游之后。第二和第三压力装置之间的第三区域的压力可以相对于第一压力控制装置105和106之间的第一区域的压力降低，即在液体培养基进入发酵罐的顶部部分104之前分两步降低压力。第三区域中的减压可有助于气泡的聚结，并进一步有助于从顶部部分104的发酵液体中释放废气，例如co2。第三压力控制装置可以是与第二压力控制装置106描述的相同的类型，并且例如也是腿102或连接部分103的直径/横截面的变窄或者具有孔、喷射器或喷嘴的板或者静态混合器。
[0090]
发酵罐可以包括一个或多个注入点110，用于将气态物质直接添加到发酵罐中的液体培养基中，并且发酵罐还可以具有用于添加液体物质的注入点。气态物质可以添加到沿着发酵罐的腿101、102或水平连接部分103的任何地方。添加的气体可以例如是纯氧、灭菌空气或富含氧气的灭菌空气，其通过下流腿101的顶部的注入点110添加。注入点110可以紧靠压力控制装置105之后放置，即装置105的下游。在发酵罐的这个位置，静水压力对液体总压力的贡献很小。因此，对气体(例如空气或氧气)的压缩需求被降至最低甚至消除，从而降低了系统的整体能耗。其它气体，例如甲烷或氨气，可以以相同方式添加，例如通过注入点110或通过放置在下流腿101、上流腿102或水平连接部分103中的其它喷嘴(未示出)与空气/氧气混合。用于添加气体的注入点110可以是单流喷嘴和/或多流喷嘴。单流喷嘴将气体直接添加到液体培养基中，而多流喷嘴是例如由泵驱动的喷射喷嘴，该泵可以可选地通过保持罐使从其它地方取出的液体在发酵罐中再循环，并在注入发酵罐之前或期间将液体与气体混合。或者，喷嘴装置可以包括几个不同结构的喷嘴，每个喷嘴都针对发酵过程的不同时期的气体添加进行优化。用于气体添加的喷嘴装置可以例如包括单流喷嘴和多流喷嘴两
者，其中单流喷嘴主要在开始和初始发酵期间使用，随后在稳态发酵期间使用多流喷嘴。用于气体添加的喷嘴可以任选地布置成歧管状结构。还可以在发酵罐的腿和水平连接部分的一个或多个位置添加额外的气态底物或其它气态物质。如果在一个或多个额外的注入点添加气体，则静态气体混合器通常连接在气体注入点的紧下游。
[0091]
液体物质，例如补充水、底物组分的水溶液、ph调节溶液，可以添加到沿着发酵罐的腿和水平连接部分的一个或多个位置，特别是在一种或多种底物充当所用微生物的分解代谢抑制剂的情况下。用于将液体培养基传递到下游处理设备的出口113a、113b可以放置在顶部部分104和/或水平连接部分103中。当发酵罐以连续发酵模式运行时，第一出口113a可以优选地放置在顶部部分104中。替代地或者除了第一出口113a之外，第二出口113b可以被放置在水平连接部分103中，即反应器的最下侧部分。第二出口113b可以在发酵罐被完全清空时使用，例如用于进行检查或用于发酵一段时间后的灭菌。如果发酵罐以分批模式或分批补料模式运行，则第二出口113b是主要出口。
[0092]
头部空间107中的压力可以通过任何已知的程序来控制，例如通过连接到出口的一个或多个阀(未示出)从头部空间107释放气体。
[0093]
头部空间107可以用冲洗或汽提气体进行冲洗，以帮助去除废气，例如co2或发酵期间产生的其它气体，或存在于头部空间107中的其它气体。如果甲烷以临界量存在，则冲洗头部空间107也是相关的，以减少或消除任何爆炸风险。冲洗气体可以是空气、氮气、二氧化碳本身或适合作为冲洗气体的已知气体的任何组合。冲洗气体通过装置即入口109，例如管道和/或一个或多个喷嘴，添加到头部空间，使其冲洗液体表面108和/或头部空间107并通过位于表面108上方的出口离开顶部部分。冲洗气体的流动可以相对于顶部部分中的液体流动方向并流、同流或交叉流地冲洗液体表面和/或头部空间。通常，使用逆流的冲洗气体。根据冲洗气体的流动方向调节冲洗气体的入口109和出口的位置。替代地或除了冲洗头部空间之外，还可以在发酵罐的顶部部分104的液体表面下方添加一种或多种气态物质。如果在顶部部分104的底部或入口处添加冲洗气体，例如空气或惰性气体，则其可有助于从发酵液体中汽提任何剩余的溶解废气，尤其是cu2，并且使其进入头部空间107。
[0094]
发酵罐的u形部分可以配备有用于加热或冷却循环发酵液体培养基的温度调节装置121。如图1所示，温度调节装置121通常是安装在上流腿102的上部部分处的冷却和/或加热夹套，具有用于使加热或冷却介质循环通过夹套的配件。或者，加热/冷却夹套可以安装在下流腿101上。如果需要，发酵罐可以配备有一个以上的温度调节装置或加热/冷却夹套，例如在下流腿101和上流腿102两者上。
[0095]
一个或多个压力传感装置(未示出)放置在发酵罐内。优选地，在发酵罐的每个需要保持特定压力的区域中放置至少一个压力传感器。一个或多个压力传感装置可以连接到例如包括计算机的过程控制系统，其可以控制压力控制装置105、106、108，以便在发酵罐的每个区域中保持最佳压力。用于确定溶解氧(do)的一个或多个传感器(未示出)也可以放置在发酵罐中，以检测发酵罐中的氧气水平是否保持在预定范围内，该预定范围取决于发酵所使用的一种或多种微生物。
[0096]
额外的传感器，例如用于测量温度、ph、电导率测量、氧化还原电位和存在于液体培养基中的不同离子，例如氨、亚硝酸盐、硝酸盐、磷酸盐等，可以存在于循环液体培养基和/或来自下游处理的再循环上清液中。传感器可以是可商购的传感器并且可以包括生物
传感器、电化学传感器，例如离子敏感电极或基于fia(流动注入分析)和光学测量的传感器，例如分光光度装置。近红外(nir)探针可用于测量发酵罐内的液体培养基或细胞中的几种不同成分，例如细胞、氨基酸、甲醇、乙醇和/或不同离子的浓度。发酵罐可以配备有质谱(ms)传感器或电子鼻，用于确定头部空间107中气体和挥发性成分(例如co2和/或ch4)的浓度。ms传感器或电子鼻可以控制施加在发酵罐中的压力、和/或例如甲烷和/或空气/氧气的气体组分的添加、和/或气态氨或溶液中的氨/铵的添加。高速摄像机可以例如与气体注入有关地安装在发酵罐的u形部分中，用于确定液体培养基中气体的气泡大小。气泡大小可以通过对来自高速摄像机的数据进行图像处理来确定。
[0097]
再循环的上清液可以通过入口112添加到发酵罐的顶部部分，或者其可以添加到发酵罐的u部分的一个或多个位置处。从下游处理中返回上清液减少了底物、碳和矿物质的总体消耗，从而降低了发酵过程的成本。
[0098]
连接部分114可根据需要包含或不包含涡流阻碍装置(未示出)，例如挡板或类似物。
[0099]
发酵罐可以连续操作模式运行，连续操作模式在清洁和灭菌程序之后启动，随后是启动期，在启动期中将水、必要的营养盐和微生物添加到发酵罐中，然后发酵液体培养基例如通过第一压力控制装置105在发酵罐中循环。在启动期间，开始添加气态底物并开始发酵。
[0100]
当微生物达到一定浓度水平时，例如浓度约为0.5-10％，优选1-5％(干重)，发酵罐进入连续操作模式，其中发酵液体培养基从发酵罐中连续取出以用于下游处理。通过出口113a取出发酵液体通常与添加例如补充水、含水底物和/或例如通过入口112以取决于发酵中使用的微生物的稀释率使上清液进行再循环是同时开始的。如果使用m.capsulatus，则稀释率例如为0.01-1.5h《“1》”，优选0.2-0.8h《“1》。液体溶液中底物组分的添加、额外的水、作为提取的液体培养基和底物气体的补充的上清液的再循环由诸如计算机的单元来控制，该计算机接收来自头部空间中的气体传感器、离子传感器或分析器、热传感器、压力传感器等的数据，并计算用以获得微生物最佳生长的每种成分的必要量。根据发酵罐的大小和第一压力控制装置的效果，发酵罐内的水力循环时间一般在10-15秒左右。
[0101]
根据该方法的一个实施例，发酵罐可以被至少两个压力控制装置105、106分成两个区域，这两个区域保持在不同的压力下。第一发酵罐区域通常包括u形部分的位于第一压力控制装置105和第二压力控制装置106之间的部分，并且第二区域优选地包括顶部部分104且可选地包括上流腿的上部部分。第二压力控制装置106有助于在第一区域中维持施加的压力并在进入第二区域之前降低循环液体培养基中的压力。发酵罐内的第一区域中增加的压力提高了从气相到液相的质量传递，从而增加了微生物可利用的气态底物的浓度/量。当第二压力装置106降低第二区域中的压力时，气体在发酵液体培养基中的溶解度降低。这增加了溶解的气态组分从液体培养基到气相的质量传递，并改善了气泡的聚结。结果，显著改善了顶部部分中的废气分离。
[0102]
根据该方法的一个替代实施例，发酵罐可以配备有三个或更多个压力控制装置。第二压力控制装置106重新建立通过发酵罐发生的压力损失，例如在混合器中，随后是第三压力控制装置108，其降低包括发酵罐的顶部部分104的后续区域中的压力。第二压力控制装置106也可以稍微降低发酵罐中的压力，然后在发酵液体培养基进入顶部部分104之前通
过第三压力控制装置108进一步降低发酵罐中的压力。在后一实施例中，发酵罐被分成三个区域，其中在液体培养基进入顶部部分104之前分两步减压。这种压力的两步降低进一步改善了来自液体培养基的气体的质量传递和气泡的聚结，从而增加了顶部部分104中废气的分离。
[0103]
压力主要由计算机使用发酵罐中的压力传感器的输入来控制不同区域的压力。第一压力控制装置105对液体培养基施加压力，该压力至多8巴或更高，优选0.5-5巴。静水压力甚至进一步增加通过下流腿的压力，并在穿过发酵罐的上流腿期间相应地降低压力。静水压力的贡献取决于发酵罐的高度。如果在发酵期间通过在顶部部分104中施加抽吸或真空来降低压力，例如为了帮助去除废气，则在第一区域中施加的绝对压力相应地降低。第一压力控制装置105施加在第一区域(即u形部分)中的压力与顶部部分104中的压力之间的压力差优选为0.5-5巴。
[0104]
可以通过使用冲洗或汽提气体冲洗顶部部分中的液体表面上方的头部空间来改进顶部部分中的气体分离。冲洗气体与顶部部分的液体流并流、同流或交叉流。或者，可以将冲洗气体引入液体表面下方的顶部部分中。然后冲洗/汽提气体通过发酵液体和液体中夹带的气体的汽提而冒泡。
[0105]
在启动和发酵过程中，可以通过向加热/冷却夹套121添加加热或冷却介质来调节温度。
[0106]
压力和其它变量通常根据技术人员通常提供的过程控制系统中的设定点或间隔来控制。使用例如过程分析技术(pat)和/或多变量数据分析与多变量过程控制相结合，来自发酵罐中的其它传感器以及可选地再循环上清液管线中的数据被包括在系统中的参数控制中，例如压力、温度、底物气体添加、ph调节、补充水的添加、含水底物介质和/或上清液再循环。
[0107]
在操作过程中，发酵过程通常会达到稳定状态，其中大多数变量，包括生产力，基本上是稳定的(即在半个停留时间(停留时间取决于稀释率)下，三次测量之间的变化小于50％，优选地五次测量之间的变化小于10％)。
[0108]
理想地，发酵罐可以连续运行一段延长的时间例如几个月而不停机，但优选在停机前运行发酵罐一个月。
[0109]
从发酵罐中提取的发酵液体的下游处理与ep1183326b中描述的工艺基本相似。来自第一分离器35、灭菌单元39和第二分离器43的生物质/产品物质含量低的液体部分(上清液)分别通过管道36、46、47排出，并且例如在短暂热处理之后在122处通过再循环管道25返回到发酵罐。根据本发明的一个或多个发酵罐可以连接到共同的下游处理系统。
[0110]
如果产品用作液体浓缩物，则可以在下游加工中省略喷雾干燥单元。可选地，灭菌单元39也可以在部分或整个产品流上省略。
[0111]
[0112]