一種周期蠕動攪拌方法
2023-04-23 00:18:06
專利名稱：一種周期蠕動攪拌方法
技術領域：
本發明屬於攪拌技術領域，特別涉及一種周期蠕動攪拌方法。
背景技術：
攪拌是一種將氣、液、固物料混合均勻的非常有效的強化手段，攪拌方式可分為機 械攪拌與非機械攪拌。傳統的機械攪拌應用於化工反應、微生物發酵、混凝土混合等各行 業，主要通過增強氣液、液固等界面間的相對運動與混合，利用切向摩擦力的動量傳遞手段 強化界面的傳質、傳熱。機械攪拌在各行業的應用，根據具體的物理過程和化學過程，機械 攪拌的形式或類型各有不同，對物料產生的影響也各不相同。例如，機械攪拌應用於生物反 應器時，反應器內的溫度、PH、溶氧及營養物質濃度較不帶機械攪拌裝置的反應器有更易控 制等優點，但機械攪拌造成的剪切力對生物體造成較大的損傷，對次級代謝產物的合成也 會產生影響。 考慮到機械攪拌式反應器的剪切作用難以避免，因此，在植物細胞培養反應器中， 發展出了氣體攪拌式非機械攪拌反應器。這類型的反應器氣液傳質效果好，氧傳遞效率高， 剪切力低，對生物體的損傷小，容易實現長期無菌培養，但操作彈性小，低氣速時尤其在培 養後期細胞密度較高時，混合效果較差。如果提高通氣量，又會產生大量泡沫，對微生物生 長有阻礙作用。 而在固態發酵生物反應器中，為了解決傳統固態發酵中機械翻動對微生物剪切力
的破壞作用，強化反應器的傳熱與傳質，中國科學院過程工程研究所發明了壓力脈動固態
發酵反應器，它是對密閉低壓容器內的氣相壓力施以周期脈動，使發酵料層內的氣相傳質
由分子擴散變為強制對流擴散，解決了固態發酵傳熱、傳質差和難於大規模純種培養等問
題。具體的主要操作是無菌空氣對密閉低壓容器內的衝壓與瀉壓實現周期性脈動。 氣體攪拌式植物細胞培養反應器中或壓力脈動固態發酵反應器等在一定程度上
減輕了傳統機械攪拌對微生物、細胞等的剪切力影響，但上述方式中的氣體，必須直接與反
應器中的物料進行接觸的，在強化傳熱、傳質的同時，也增加了染菌的可能性。
同樣是為了強化傳熱與傳質，降低攪拌對物料的剪切力影響，吉林大學佟金、侯哲
生等根據胃蠕動的仿生原理開發了一種發酵罐(專利號200610017078. X)，其通過貼有壓
電片的彈簧組固定連接的柔性壁以及內部的E字形支架來對物料進行擠壓、揉搓，實現對
固態物料的攪拌。雖然，這種發酵罐可以在一定程度上實現了強化傳熱、傳質的目的，但是
其內部結構較為複雜，物料處於柔性壁內部，容積有限，因此工業放大困難。 生物活體具有對外界環境的敏感性，自調節，自適應能力，外界周期剌激調節是一
種對生物反應系統等普遍適用的最優化調節手段，這種周期剌激可以是溫度、濃度、壓力、
光、電、磁、聲等。李佐虎，陳洪章等將周期剌激原理運用於生物反應器，設計了上述的壓力
脈動周期剌激固態發酵反應器，壓力脈動周期剌激反應器在降低機械攪拌剪切力，提高物
料傳熱與傳質的同時，周期剌激作用也對微生物發酵過程中蛋白質、關鍵酶活等產生影響，
促進了微生物的生長，說明周期剌激作用在一定程度上有利於微生物的生長。
發明內容
針對目前機械攪拌主要以剪切力強化傳質、傳熱，而氣流攪拌等非機械攪拌只強 調氣液傳質、外界氣流直接與物料接觸可能造成染菌以及常規的柔性揉搓攪拌難以工業放 大等問題，本發明從仿生學角度出發，根據腸蠕動以及周期剌激作用原理，提出了一種周期 蠕動攪拌方法，避免了剪切力對微生物的影響，以周期性的法向作用力強化傳熱、傳質，反 應器內的物料處於蠕動攪拌裝置外，裝料量不被蠕動攪拌裝置容積縮限制，便於工業放大。
其具體的技術方案為 在反應器內分布一個或多個可產生周期蠕動的裝置，此裝置可為封閉的，也可以 是非封閉的。裝置中1為彈性材料，2為裝置外部即反應器內物料，3為裝置內部可控制1 膨脹或收縮的物質，裝置與物料之間以彈性材料1隔開，3中的物質可沿著方向4或與4相 反的方向周期運動，則彈性材料1周期性的膨脹與收縮，當彈性材料1膨脹時，彈性材料與 物料相接觸的點5將向物料方向移動，產生於運動方向垂直的法向作用力6作用於物料，物 料將往作用力6相同的方向運動，而當彈性材料1收縮時，則物料運動的方向相反，因此，隨 著裝置內的物質周期性的膨脹與收縮，反應器中的物料將在周期性的法向作用力下交替蠕 動，從而強化反應器中物料的傳熱與傳質。
所述的裝置為封閉的或非封閉的； 所述的蠕動裝置最大的膨脹體積與反應器的體積之比為i : io i : 200;
所述的蠕動裝置膨脹前與膨脹後的體積比為i : 2 i : 15;所述的蠕動周期為5min 120min ; 所述的反應器為化工領域反應器、微生物固態發酵反應器、液態發酵反應器、植物 細胞培養反應器、動物細胞培養反應器；
所述的反應器為立式或臥式反應器； 所述的裝置外形為規則或不規則的管狀、螺紋狀、圓形、橢圓形； 所述彈性材料為矽橡膠、乳膠、凝膠、離子型薄膜聚合物、電導聚合物、電子伸縮聚
合物； 所述的彈性材料為耐酸鹼、無毒的材料； 所述的裝置3內為可控制彈性材料1膨脹與收縮的物質； 所述的裝置3內可控制彈性材料1膨脹與收縮的物質為氣體、水、剛性物體、不同 PH值的液體、電導體中的一種或任意組合。
本發明的有益效果為 1、本發明提供了一種以法向作用力作用於物料的周期性蠕動攪拌方法，避免了傳 統的機械攪拌對物料的剪切力的影響，特別是剪切力對生物反應器中活性體的剪切破壞作用。 2、本發明提供了一種周期性蠕動的攪拌方法，可適用於化工領域反應器、微生物
固態發酵反應器、液態發酵反應器、植物細胞培養反應器、動物細胞培養反應器等。 3、本發明提供了一種周期蠕動攪拌方法，強化了反應器內物料的傳熱與傳質，提
高反應器的反應效率。 4、本發明提供了一種周期蠕動的攪拌方法，對反應器內的物料提供了一個周期剌激作用，有利於化學反應的進行或微生物的生長。 5、本發明提出的周期蠕動的攪拌方法，與氣體攪拌式非機械攪拌中通入的氣體與
物料直接接觸不同，相對於反應器內的物料來說，產生蠕動攪拌的裝置可以是封閉的，與反
應器內的物料沒有物質交換，消除了由於其他物質加入發生染菌的可能性。 6、本發明中產生周期蠕動的裝置與反應器中的物料可以是非封閉的，加入過濾膜
結構等實現產物的分離。 7、反應器內可加入一個或多個蠕動裝置實現周期蠕動攪拌作用，結構簡單，有利 於反應器的工業放大。
圖1是周期蠕動攪拌方式產生裝置示意圖的主視圖；
圖2是周期蠕動攪拌方式產生裝置示意圖的俯視圖； 圖中1彈性材料，2反應器內物料，3為裝置內部可控制1膨脹或收縮的物質，4裝 置1中物質的運動方向，5彈性材料與物料相接觸的點，6法向作用力方向。
具體實施例方式
下面通過實施例對本發明做進一步說明。
實施例1 :蠕動攪拌方法應用於澱粉質原料固態發酵乙醇 在一個50L的臥式固態發酵反應器中，在邊壁均勻分布四個蠕動裝置，每個裝置 內部為非均勻分布的鋼質小球，剛球的半徑為5-15cm，鋼球固定在可移動的蠕動杆上，蠕 動裝置中彈性材料為根據模具生產的乳膠材料，反應器內物料為液化糖化的澱粉質原料紅 薯，發酵啟動後，開啟蠕動杆驅動裝置，蠕動裝置內的蠕動杆間隔做相反方向運動；蠕動杆 運動速度為lm/s，運動周期間隔為5min，使乳膠材料周期性的膨脹與收縮，從而促使反應 器中的物料周期性的蠕動；發酵結束後，與傳統的不帶蠕動裝置的發酵相比，發酵時間縮短 了6h，澱粉利用率提高18.2%。 實施例2 :蠕動攪拌方法應用於植物細胞培養 在一個25L的立式反應器中，加入兩管狀蠕動裝置，蠕動裝置中彈性材料為根據 模具生產的矽膠材料，管狀蠕動裝置通過周期性的通入帶壓力的空氣；通過調節外部空氣 壓力，使蠕動裝置的乳膠材料膨脹到最大體積2. 5L，在此狀態下往反應器中裝料，加入培養 液以及營養鹽等，進行紫草細胞培養；啟動後，調整空氣壓力，使通入蠕動裝置的空氣衝壓 與洩壓的周期為30min，衝壓維持時間為5min，使矽膠材料周期性的膨脹與收縮，從而促使 反應器中的物料周期性的蠕動；培養結束後，細胞產量(乾物質)可達10g/L。
實施例3 :蠕動攪拌方法應用於動物細胞培養 在一個30L的立式反應器中，加入一螺紋狀蠕動裝置，蠕動裝置中彈性材料為根 據模具生產的凝膠材料，此凝膠材料可根據裝置內液體K1變化而膨脹收縮；通過調節外部 流入液體的Kl值，使蠕動裝置的乳膠材料膨脹到最大體積1. 5L，在此狀態下往反應器中裝 料，加入培養液以及營養鹽等，進行細胞培養；啟動後，調整空氣壓力，使通入蠕動裝置的空 氣衝壓與洩壓的周期為20min，衝壓維持時間為2min進行；使凝膠材料周期性的膨脹與收 縮，從而促使反應器中的物料周期性的蠕動；培養結束後，細胞產量較未加蠕動裝置的增加
5了 15%。
實施例4 :蠕動攪拌方法應用於檸檬酸發酵 在一個50L的立式液態檸檬酸發酵反應器中，加入螺紋狀蠕動裝置，蠕動裝置中 彈性材料為根據模具生產的乳膠材料，反應器內物料為液化糖化的澱粉質原料木薯，管狀 蠕動裝置通過周期性的通入帶壓力的20-4(TC的水；通過調節外部水壓，使蠕動裝置的乳 膠材料膨脹到最大體積2. 5L，在此狀態下往反應器中裝料，接入檸檬酸發酵菌種以及無機 鹽等，啟動發酵進行；發酵啟動後，調整水溫，使通入蠕動裝置的水溫為25-35t:，衝壓與洩 壓的周期為30min，衝壓維持時間為lmin，使乳膠材料周期性的膨脹與收縮，從而促使反應 器中的物料周期性的蠕動；發酵結束後，與傳統的不帶蠕動裝置的發酵相比，發酵時間縮短 了 6h。
權利要求
一種周期蠕動攪拌方法，其特徵在於，在反應器內分布一個或多個可產生周期蠕動的裝置；裝置中1為彈性材料，2為反應器內物料，3為裝置內部可控制1膨脹或收縮的物質，裝置與物料之間以彈性材料1隔開，3中的物質可沿著方向4或與4相反的方向周期運動，則彈性材料1周期性的膨脹與收縮，當彈性材料1膨脹時，與1相接觸的點5將向物料方向移動，產生與運動方向垂直的法向作用力6作用於物料，物料將往作用力6相同的方向運動，而當彈性材料1收縮時，則物料運動的方向相反，因此，通過控制彈性材料1周期性的膨脹與收縮，反應器中的物料將在周期性的法向作用力下交替蠕動。
2. 根據權利要求1所述的周期蠕動攪拌方法，其特徵在於所述的蠕動裝置最大的膨 脹體積與反應器的體積之比為1 : 2 1 : 200。
3. 根據權利要求1所述的周期蠕動攪拌方法，其特徵在於所述的蠕動裝置膨脹前與膨脹後的體積比為i : 2 i : 500。
4. 根據權利要求1所述的周期蠕動攪拌方法，其特徵在於所述的蠕動周期為5s 24h。
5. 根據權利要求1所述的周期蠕動攪拌方法，其特徵在於所述的攪拌方法適用於化 工領域反應器、微生物固態發酵反應器、液態發酵反應器、植物細胞培養反應器、動物細胞 培養反應器。
6. 根據權利要求l所述的周期蠕動攪拌方法，其特徵在於所述彈性材料為耐酸鹼、無毒的矽橡膠、乳膠、隨ra值變化的凝膠、離子型薄膜聚合物、電導聚合物、電子伸縮聚合物。
7. 根據權利要求1所述的周期蠕動攪拌方法，其特徵在於所述的裝置3內可控制彈性材料i膨脹與收縮的物質為氣體、水、剛性物體、不同ra值的液體、電導體中的一種或兩種或任意組合。
全文摘要
本發明從仿生學角度出發，根據腸蠕動以及周期刺激作用原理，提出了一種周期蠕動攪拌方法。通過在反應器內分布一個或多個可產生周期蠕動的裝置，裝置內部與反應器內的物料以彈性材料隔開，通過裝置內部物質的運動控制彈性材料周期性的膨脹與收縮，當彈性材料膨脹時，彈性材料與物料相接觸的點將向物料方向移動，產生於運動方向垂直的法向作用力作用於物料，物料在此作用力的推動下沿法向作用力方向運動，而當彈性材料收縮時，物料運動的方向相反，因此，隨著裝置內的物質周期性的膨脹與收縮，反應器中的物料將在周期性的法向作用力下交替蠕動。本方法以法向作用力強化傳熱、傳質，適用於化工領域、微生物發酵、細胞培養等反應器，便於工業放大。
文檔編號C12M1/02GK101773799SQ201010113618
公開日2010年7月14日 申請日期2010年2月24日 優先權日2010年2月24日
發明者付小果, 陳洪章 申請人:中國科學院過程工程研究所