一種高粘度生物反應器的製作方法
2023-05-27 05:45:16
專利名稱：一種高粘度生物反應器的製作方法
技術領域：
本發明屬於微生物發酵工程微生物多糖是由某些微生物發酵產生的胞外水溶性膠。尤其是黃單胞菌膠具有優良的性能和比較全面的功能，用途廣泛，市場前景廣闊。但黃單胞菌膠粘度極高，發酵時粘度變化可達2000-10000cp，這就對反應器提出了更高的要求。目前國內外進行聚多糖類高粘度物質發酵生產大部分採用傳統的機械攪拌罐，由於採用渦輪式攪拌器其混合性能很差。近年來改進的攪拌缸主要是將攪拌器改成螺帶式，氧傳遞效果雖有改進，但不明顯，缺點是微觀剪切效果不好。當代有些學者也正在研究用氣升式來代替攪拌罐進行高粘度發酵，由於氣體消耗量極大，混合效果未較攪拌罐有所改進，氣升式攪拌反應器不適合生產高粘度物質，因為單管噴出的氣流遇到高粘度液體很難形成小氣泡，在蘇格蘭召開的國際生物反應器會議上，西德慕尼黑大學A.Mermann提出一種最新型高粘度生物反應器。(見G.W.MoodyBioreactors and Biotransformations Paye 287-296)是利用一個旋轉式離心裝置來進行動態混合，效果不錯，但由於其構造複雜，距實用還有一段距離。目前高粘度生物反應器的研製是一個當代發酵工程領域中的世界性難題。
本發明的目的就是為了解決上述幾種高粘度生物反應器所存在的問題，而設計出一種新型高粘度生物反應器。
本發明的要點是這種由泵(5)、反應罐(7)、循環管(6)組成的高粘度生物反應器，其特徵是該高粘度生物反應器採用一個由靜態混合器(3)、泵(5)、循環管(6)組成外循環裝置，循環管(6)從反應罐(7)的底部接出，經過泵(5)、靜態混合器(3)從反應缸(7)的頂部回到反應罐(7)內部，並在反應缸(7)內的底部有一個擋氣板(9)。其結構見附
圖1。
反應罐(7)內的擋氣板(9)選為圓形，直徑為反應罐(7)直徑的1/2，在反應罐(7)內部中央，距反應罐(7)底部10cm，用支架(10)把它接在反應罐(7)的內壁上。其結構見附圖1。
靜態混合器(3)裝在靜態混合器管(2)內，靜態混合器管(2)的兩端是帶有網眼的擋板。靜態混合器(3)含有多個靜態混合單元，每個靜態混合單元是兩種Kenics和Sulzer靜態混合器的組合，但結構有所不同。在Kenics靜態混合器中，每個葉片旋轉180°，而在本發明的靜態混合器(3)中，每個葉片旋轉360°。組合方式是先在靜態混合器管(2)底部，先交替排列重疊5塊斜波紋板，往上再接兩片扭曲成360°彼此錯開90°的葉片，然後再接交替排列重疊5塊斜波紋板，依次類推，組成多個靜態混合單元，每個旋轉葉片的長寬之比為L∶D＝2.5每個靜態混合單元的長寬之比為L∶D＝7。見附圖2。
循環管(6)從反應罐(7)的頂部插入反應缸(7)內，其循環管(6)的管口應放在距反應缸(7)底部 1/3 - 1/2 處，附圖1。
該高粘度生物反應器所需的泵可用採用多種形式其中以螺杆泵最佳，螺杆泵泵殼與軸之間採用端面軸封。泵定子是用1/4矽橡膠膠和3/4天然橡膠壓制而成的耐溫合成定子，定子表面鍍有一層特殊的耐磨材料石墨體。高粘度生物反應器工作時要空消，空消時反應罐(7)和螺杆泵(6)二者分離，反應罐(7)用常規方法飽和蒸汽空消。螺杆泵(5)用千分之一的過氧乙酸空消30分鐘待用。反應罐(7)內裝料實消在實消結束前5分鐘時，將螺杆泵(5)與反應缸(7)聯好啟動螺杆泵(5)運轉對整個反應器系統實消，5分鐘後向夾套(8)內通冷卻水至室溫，無菌空氣保壓待接種。發酵操作時氣液成為0.5-0.9vvm，反應缸(7)循環時間為10-20分鐘循環管(6)內流速控制在2m/sec。
通常一般的生物反應器僅在液體粘度低於2000cp時滿足溶氧要求，當液體粘度在2000cp以上時無法滿足溶氧要求。而本發明由於採用了靜態混合器(3)、螺杆泵外環流結構，以「靜態」混合代替動態混合，較成功地解決了高粘度液缸內氣-液混合難題，能夠滿足高粘度下的溶氧要求。提高了氧傳遞效率降低了能耗，並且提高了發酵生產率，該高粘度生物反應器具有結構簡單，易拆洗，操作方便等優點，並且對菌無任何生理不利影響;由於改善了氧傳遞效果，代謝產品的質量也提高了它向解決高粘度發酵的這個世界性難題邁出了一大步。下面是一組數據比較。
表1 四種反應器溶氧性能比較反應器體積溶氧傳質係數KLahr-1
類型 通氣量 多糖Xanthan濃度vvM0 0.5% 1.0% 1.5% 2.0% 2.5%攪拌缸 1 133.8 102.2 75.5 60.0 46.2 15.5氣升內循環 3 447.4 211.4 110.6 105.6 27.3 10.8氣升外循環 3.7 350.3 116.6 70.6 33.0 10.3 9.8本發明 0.9 700.5 610.6 519.3 340.5 200.5 150.7
表2 三種型式反應器黃原膠發酵結果比較通氣量 發酵液粘度隨時間變化類型 VVM 一天 二天 三天攪拌缸 1 985.0cp3100cp5400cp氣升式內循環 3.7 1100cp3000cp4400cp本發明 0.9 2600cp6500cp11000cp單位cp最佳實施例1反應罐(7)直逕取50CM，高為200CM，此時反應罐(7)內部的園形擋氣板(9)直徑為25CM，距底部為10CM，循環管(6)直徑為2CM從反應罐(7)底部接出通過螺杆泵(5)，再通過靜態混合器管(2)，靜態混合器管(2)直徑為5CM，高為200CM，靜態混合器(3)合有5個靜態混合單元，循環管(6)從反應罐(7)頂部插入反應罐(7)內部，距反應罐(7)底部1/3，(約67CM)處，反應器工作時，循環管(6)內流速為2m/sec，發酵時氣液比為0.9VVM。
圖1.是高粘度生物反應器結構示意圖(比例1∶20)。圖中1為出氣口，2為靜態混合器管，3為靜態混合器，3a為旋轉葉片，3b為斜波紋板，4為無菌空氣進口，5為螺杆泵6為循環管，7為反應罐，8為夾套，9為擋氣板，10為擋氣板，11為支架。
圖2是靜態混合單元結構示意圖。圖中，3a為旋轉葉片3b是斜波紋板。
圖3是兩片斜波紋板及交疊形式。
權利要求
1.一種由泵(5)、反應罐(7)、循環管(6)組成的高粘度生物反應器，其特徵是該高粘度生物反應器有一個由靜態混合器(3)、泵(5)。循環管(7)組成的外循環裝置，循環管(6)從反應罐(7)的底部接出，經過泵(5)、靜態混合器(3)，從反應罐(7)的頂部回到反應缸(7)內部。在反應缸(7)內的底部有一個擋氣板(9)。
2.根據權利要求1所述的高粘度生物反應器，其特徵是擋氣板(9)的形狀為園形，直徑為反應缸(7)直徑的1/2，距反應罐(7)底部10cm處，通過支架(10)和反應缸(7)內壁相接，見附圖1。
3.根據權利要求1所述的高粘度生物反應器，其特徵是靜態混合器(3)含有若干個靜態混合單元，每一個靜態混合單元都是斜波信板靜態混合器和旋轉葉片靜態混合器的組合。其組合方式是先交替排列重疊5塊斜波紋板再接上兩片扭曲成360°彼此錯開90°的葉片，其結構見附圖2，每個旋轉葉片的長寬成為L＝D＝2.5，每個靜態混合單元的長寬比L∶D＝7。
4.根據權利要求1所述的高粘度生物反應器，其特徵是回到反應罐(7)內部的循環管(6)其管口應距反應罐(7)底部 1/3 - 1/2 處。
全文摘要
本發明是屬於微生物發酵工程。目前在微生物發酵領域中，高粘度微生物發酵是一個難題，本發明的目的是為了解決高粘度微生物發酵這一難題而設計出一種新型高粘度生物反應器。本發明的要點是該高粘度生物反應器有一個由靜態混合器(3)、螺杆泵(5)、循環管(6)組成的外循環裝置，並在反應罐(7)內的底部有一個擋氣板(3)。它以「靜態」混合代替動態混合，較好地解決了高粘度液罐內氣—液混合問題。本發明具有結構簡單、易拆洗、操作方便等優點，並且提高了氧傳遞效率、降低了能耗，提高了發酵生產率，對菌無任何生理不利影響。
文檔編號C12M1/00GK1056895SQ90105299
公開日1991年12月11日 申請日期1990年5月30日 優先權日1990年5月30日
發明者許平, 江伯英 申請人:山東大學