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一種外環流氣提式膜生物反應器的製作方法

2023-10-04 03:16:19

專利名稱:一種外環流氣提式膜生物反應器的製作方法
技術領域:
本發明涉及一種外環流氣提式膜生物反應器,是按照單元耦合與過程強化的 思想開發的。集氣升循環反應、氣提、氣液兩相流膜分離於一體的外環流氣提式 膜生物反應器,用於涉及氣/液、氣/液/固等含有氣液兩相的多相反應,尤其是生 物發酵過程。
背景技術:
在生化反應過程中,經常存在著產物抑制作用。發酵法生產乙醇、丁醇就是 典型的例子。要想提高原料利用率、反應效率,就必須不斷移走反應產物。
膜分離技術作為一種新型的公認的高效的分離技術,在近年來獲得了迅猛的 發展,廣泛應用到化工、食品、生物、醫藥等行業。將超濾、微濾過程與發酵過 程耦合組成的膜生物反應器用來提高發酵效率也受到了廣泛的研究。在該過程 中,發酵液經過膜過濾之後,將發酵產物有效地移出發酵罐,減輕甚至消除了產 物的抑制作用,而剩餘的殘液與被截留的細胞繼續返回到發酵罐中,從而保持了 發酵罐中高細胞濃度,同時很方便的實現了罐內液位平衡。但是在該過程中,料 液經泵輸送之後在膜表面進行分離,膜的汙染極為嚴重,而經過膜分離出來的產 品濃度與反應罐中產物濃度一樣,後續處理比較麻煩;同時,由於泵的存在,該 過程能耗較高,而且流體的湍動劇烈容易惡化反應條件,不利於菌體的生長。為 了克服這些問題,ZL01108189.9與ZL200520075139.9先後提出了以壓縮氣體作 為膜生物反應器的動力,取代傳統的動力供應者——泵,但是前者通過普通管道 將反應器與膜組件連接,致使反應器結構較為分散,流體循環線路較長,從而使 得氣液傳質效果不好,較難滿足大規模反應的需求。後者在前者的基礎上提出了 外環流氣升式膜生物反應器,在該反應器中,膜組件與反應器渾然一體,很好的 結合了氣升式反應器與膜分離的優點,較好的克服了膜分離與發酵耦合所存在的 一系列問題,同時在該反應器中,膜組件既可用於分離,又可用做徑向曝氣單元, 產生細微的氣泡。但是在該反應器中回流口位於反應器釜體上部的擴大段處,回 流口位於液面之上或者位於液面下的深度很小,同時回流口處沒有導流管,大量 壓縮氣體在循環結束後直接在液面上或者在液面下靠壁面處逸出排掉,壓縮氣體 只起到了循環動力的作用,不能得到合理利用,造成了能量損失。
氣提是一個物理過程,它採用一種氣體介質打破原氣液兩相平衡而建立起來 一種新的氣液平衡狀態,使溶液中的某一組分由於分壓降低而解吸出來'從而達 到分離物質的目的。由於氣提法具有簡單經濟、無汙染、所得產品純度高等優勢 受到社會廣泛研究,尤其是在生物反應之中,如氣提與發酵法制乙醇、丁醇耦合。 在這些耦合過程中,最為典型的便是氣升式反應器。該反應器是在鼓泡式反應器 的基礎上發展起來的用於氣/液兩相或氣/液/固三相過程的化工反應器,它通過壓縮氣體膨脹提供能量,依靠含氣泡液體與純液體的密度差造成的升力使流體沿管 道循環流動,屬於氣力攪拌反應器。目前,氣升式反應器因具有結構簡單、剪切 力低、反應條件溫和、供氣效率高、有效接觸面積大、流化效果佳等優點而受到 廣泛研究。但是在該過程之中,仍然存在著一些缺點如在發酵制乙醇的過程中, 除了生成乙醇與C02夕卜,還會產生琥珀酸、乙醛、甲酸、乙酸、乳酸、甘油、 雜醇油等副產物。這些副產物都會對發酵產生抑制作用。當發酵液中乙酸含量達 0.13%時,酵母菌就很難生長。在這些副產物中,除了乙醛、甲酸具有較好的揮 發性之外,乙酸、乳酸、甘油、雜醇油等都不易揮發,很難用氣提的方法除去; 乙醇、C02、甲酸、乙醛等可能會因氣提效果不夠而累積這也會抑制發酵的進行; 此外為了維持罐內液位平衡,需要不斷排走一部分料液,這又造成了大量的細胞 損失,而文獻中報導的一些靜止分層使細胞循環的方法卻容易使發酵過程染菌。 由上可知,氣提與膜分離在生化反應中都存在著獨特的優點,都具有較大的 應用前景,但又存在著可以互相彌補的缺點,因此,開發出一種能充分利用各種 能源,將膜分離與氣提有機結合起來的新型反應器,具有十分重要的現實意義。

發明內容
本發明的目的是為了解決膜分離、氣提與發酵等反應耦合所存在上述問題, 根據膜分離與氣提的優勢以及它們所具有的互相彌補缺點的特徵,而提供一種將 膜生物反應器與氣升式反應器耦合起來,從而將膜分離與氣提有機結合起來,並 互相彌補兩者不足的外環流氣提式膜生物反應器。該反應器在不改變氣升式反應 器基本結構的基礎上引進膜組件,在具備氣升式反應器、膜生物反應器的優點的 同時又具有了氣提的功能,較好的克服了膜分離、氣提與發酵耦合的不足。
本發明的技術方案為 一種外環流氣提式膜反應器,由反應釜主體IO、循環 管15、氣升管2組成;其特徵在於氣升管回流口位於液面以下,並連有伸向反 應器釜體10內部的回流管8;氣體分布器9取代氣升回流管8用於分布會流氣 體;無機膜組件3封裝在氣升管2內,作為液/固分離器。
其中所述的氣升管回流口位於液面之下,回流口上部液體深度與回流口下部 液體深度之比為2~8;回流管長度為反應釜主體10內徑的1/3 2/3;氣體分布器9 為外端密封管式氣體分布器,長度為回流管的1/3~1。
上述無機膜元件3為管式超濾或微濾無機膜。這樣就可避免生化反應中的高 溫滅菌給有機膜所造成的破壞;無機膜在進行液/固分離時進行正壓過濾,跨膜壓 差為0.01 1MPa或者負壓抽吸,跨膜壓差為0.01 0.1MPa,操作比較靈活。
本發明所述的反應釜主體IO含有收縮段與放大段。收縮段位於反應釜主體 的下端。在應用過程中,液面不能到達放大段。反應釜主體10上端安裝有壓力 表,並開有進料口 14與排氣口 12,釜體開有視窗11,並且安裝有溫度計、pH 計、測氧儀,以便及時觀察反應器內的料液情況,最下端的循環管上開有卸料口16;排氣口 12處安裝有閥門13,通過調節排氣量從而調節反應釜主體10內的
壓力;閥門13連接氣體冷凝管道E,依次連接有氣體冷凝收集裝置E-1、真空泵 E-2、載氣循環管道F,通過氣體冷凝收集裝置E-1,產物得到冷凝從而得到純度 較高的產品;載氣循環管道F中的氣體經過三通閥F-l通過管道H依次經過閥 門H-l、氣體流量計H-2、曝氣頭1進入氣升管2進行循環使用或者通過三通閥 F-l沿管道(G)排放。
本發明的特徵還在於氣升管下端安裝有曝氣頭1,曝氣頭1與壓縮氣源B相 連,壓縮氣源B為空氣壓縮機(B-l)提供的壓縮空氣或高壓氣體鋼瓶(B-2)提供 的氮氣、氨氣、氧氣或氦氣。
本發明的特徵還在於壓縮氣體經過曝氣頭(1)進入氣升管(2)之後便開始起到 氣提作用,隨著載氣的逸出,易揮發產物也隨著逸出反應器,最終使得易揮發產 物的去除可由膜分離與氣提共同控制。
有益效果
1、 在氣升管底部採用曝氣頭向反應器內通入具有一定初速度的壓縮氣體, 在該初速度的帶動下,液體隨氣體向上流動在膜組件處進行膜分離,由於氣泡的 存在改善了膜表面的環境,有助於減輕膜汙染,提高膜組件的過濾性能;在同等 操作條件下,膜通量可提高50%~200%。
2、 壓縮氣體在進入反應器之後就起到了氣提的作用,在反應器主體內設置 的氣體分布器對氣體進行二次分布產生細微氣泡,更有助於充分利用資源、提高 氣提效率,通過氣提可以得到純度較高的產物,產品可提純4 10倍。
3、 壓縮氣體在反應器內起到了攪拌的作用,而且產生比較均勻的氣泡,傳 質傳熱效果較好,有利於反應的進行,反應效果可提高10 100倍。
4、 無機膜元件在進行分離時採用正壓操作,或者進行負壓抽吸;在進行正 壓過濾時,可以調小反應釜上端的出氣口處閥門(13),從而增大釜內壓力,實現 膜分離;當釜內壓力為常壓或者負壓時則打開真空泵進行負壓操作。
5、 在發酵的過程中,可以調節曝氣量以及膜通量來調節產物的移出量,從 而可以根據反應速率進行相應的調整,操作更具靈活性。
總之,該外環流氣提式膜生物反應器集氣升反應、膜分離、氣提於一體,整 個過程所需的能量都由壓縮氣體提供,具有能耗低、結構簡單、操作靈活、反應 條件溫和等優點。


圖1為外循環氣提式膜生物反應器示意圖。
圖2為外循環氣提式膜生物反應器工藝流程示意圖。
圖中A為料液主流,B為壓縮氣源,C為反衝或者微孔曝氣壓縮氣源,D為 過濾產物收集主流,E為氣提產物主流;1為曝氣頭,2為氣升管,3為無機膜元件,4為反衝或者微孔曝氣進氣口, 5為反衝或者微孔曝氣進氣控制閥,6為 過濾液出口, 7為過濾液控制閥,8為氣升管回流管,9為氣體分布器,10為反 應器釜體,11為視鏡,12為排氣口, 13為排氣口控制閥,14為進料口, 15為 卸料口; B-l為壓縮空氣機,B-2為鋼瓶裝壓縮氣體,B-3為氣體流量計,B-4 為氣量控制閥,D-l為濾液儲罐,D-2為真空泵,E-l為冷凝收集罐,E-2為真空 泵,F-l為三通閥,H-l為氣體流量計,H-2為氣量控制閥。
具體實施方式
實施例1
下面結合附圖1說明本發明的實施方式
本發明所提供的外環流氣提式膜生物反應器主要由反應釜主體10、循環管 道15、氣升管2、曝氣頭l、封裝在氣升管內的無機膜原件3氣升回流管8、氣 體分布器9組成,如圖1所示。反應釜主體IO包括收縮段與放大段兩部分,兩 段的內徑比由氣液分離時所需比例確定,約為1.5~8;反應釜主體IO頂部開有進 料口 14與排氣口 12,排氣口處安裝有閥門13,以便調節排氣量從而調節反應釜 內壓力,反應釜頂部還安裝有壓力表,以便觀察反應釜的壓力變化;釜體上開有 視窗用於觀察反應釜內的反應現象,並且安裝有溫度計、pH計、測氧儀用於觀 測反應條件;循環管道15下端開有卸料口 16;曝氣頭1下端與壓縮氣源相連並 由閥門、流量計控制測量流量;回流管以及氣體分布器將回流氣體進行二次分布, 從而充分利用壓縮氣體進行氣提,得到純度更高的產品。
本發明所提供的外環流氣提式膜生物反應器的操作方式如下通過管道A 向反應釜內加入料液,通過管道B向其中鼓入壓縮氣體,氣體經曝氣頭1進入 氣升管2。由於帶有一定初速度的壓縮氣體的進入,在循環管15與氣升管2之 間產生密度差,在這兩者的作用下,氣升管2內流體向上運動,到達無機膜元件 3時由控制閥7開啟控制膜分離。濃縮液繼續向上循環至回流口處,經過回流管 8返回到反應釜主體10,回流氣體經氣體分布器9進行二次分布之後,向上逸出, 在逸出的過程中起到氣提作用。所得氣提產物在排氣口排除後在管道E中進行 產物的冷凝收集,得到純度更高的產物。未冷凝的載氣則經循環管道H經過曝 氣頭l進行循環使用。 實施例2
本發明所提供的外環流氣提式膜生物反應器的系統工藝如圖2所示,具體如 下通過管道A向反應釜內加入料液,通過管道B向其中鼓入壓縮氣體,壓縮 氣體為壓縮空氣B-l或者鋼瓶裝氣體B-2,壓縮氣體經過流量計B-3以及閥門 B-4控制測量之後經過曝氣頭1進入氣升管2,液體在具有初速的壓縮氣體的帶 動下以及密度差的推動下到達無機陶瓷膜分離單元3進行微濾,由閥門7控制是 否進行膜分離。在反應釜內壓力或者真空泵D-2的帶動下進行膜分離時,打開閥門7,所得濾液在儲罐D-1中收集。濃縮液則繼續循環經過回流管8到達反應釜 主體10內,其中回流管長為反應釜主體10內徑的1/2,回流氣體則經過氣體分 布器9(氣體分布器9為單管無機陶瓷膜支撐體,長度為回流管長度的3/4)二次分 布後形成細微氣泡向上逸出,同時起到氣提作用,氣體經排氣口 12在閥門13 的控制下逸出反應釜,經過管道E,在氣體冷凝收集裝置E-1的冷凝下,得到純 度較高的產物,真空泵E-1則用來控制反應釜內壓力。未冷凝的載氣則繼續沿管 道F由三通閥F-1控制循環或者排放,繼續循環時,氣體經過流量計H-1,閥門 H-2的控制測量下,通過曝氣頭l返還到反應釜內。
在發酵法生產乙醇的過程中,向體積為10升的外環流氣提式膜生物發酵罐 (有效體積為6.5升)中加入3L培養基在12(TC下進行滅菌,冷卻至38t:後加 入2g釀酒活性酵母菌,通過曝氣頭向發酵罐內通入無菌的壓縮空氣進行活化。 半個小時後將2L濃度為12g/L經高溫滅菌的葡萄糖溶液加入發酵罐,在31T下 進行發酵並繼續向反應釜內通入淨化的壓縮空氣。在壓縮氣體的帶動下、流體密 度差的推動下,罐內液體到達膜元件,打開真空泵,調節跨膜壓差,進行負壓抽 吸,使膜通量與補料速率一致,以保持罐內液面平衡。在壓縮氣體的帶動下,含 有大量細胞的濃縮液返回反應釜主體,使得罐內含有較高的細胞濃度。罐內氣體 在完成一個循環後將罐內易揮發物質帶出,經排氣口排出後進行收集,可得到濃 度為料液濃度5倍的乙醇提取液。在料液乙醇濃度為10%,曝氣量為11L/min 時,單位小時單位有效體積乙醇的氣提移出量可達10g/(L.h)。當同時採用平均孔 徑為50nrn的膜元件進行膜分離時,在相同操作條件下,跨膜壓差為0.03MPa下, 單位時間單位有效體積的乙醇移出速率可達l 7g/(L.h)。
該實施方案還可用於丁醇發酵、廢水處理等涉及有易揮發物質的過程。
在發酵法生產穀氨酸的過程中,向該外環流氣提式膜生物反應釜中加入6L 培養基在120。C下滅菌15分鐘,冷卻至34 35。C後向其中加入0.7gS9114號菌種, 並打開曝氣頭向其中鼓入無菌空氣進行發酵。當料液中穀氨酸含量為7%時,開 始向發酵罐內補加濃度為35%的葡萄糖料液,調節反應釜主體上端的排氣口閥 門,當罐內壓力增大到所需壓力時,膜組件上端閥門進行正壓過濾。通過該方法, 發酵罐中穀氨酸含量維持在8%左右,採用平均孔徑為200nm的無機陶瓷膜進行 過濾,菌體被100%截留。
該實施方案利用氣體產生的壓力提供膜過濾動力,可用於賴氨酸、鏈黴素等
產物難以揮發的生物發酵以及一些涉及氣/液/固相的化學反應之中。
權利要求
1、一種外環流氣提式膜生物反應器,由反應釜主體(10)、循環管(15)、氣升管(2)組成;其特徵在於氣升管回流口位於反應釜主體內液面以下並連有伸向反應釜主體(10)內部的回流管(8);氣體分布器(9)取代氣升回流管(8)用於分布回流氣體;無機膜組件(3)封裝在氣升管(2)內,作為液/固分離器。
2、 根據權利要求書1所述的反應器,其特徵在於所述的氣升管回流口位於液面之下,回流 口上部液體深度與回流口下部液體深度之比為2~8。
3、 根據權利要求書1所述的反應器,其特徵在於所述回流管長度為反應釜主體(10)內徑的 1/3-2/3。
4、 根據權利要求書1所述的反應器,其特徵在於氣體分布器(9)為外端密封的管式氣體分布 器,長度為回流管長度的1/3~1。
5、 根據權利要求書1所述的反應器,其特徵在於所述的無機膜組件(3)為管式超濾或微濾無 機膜組件;無機膜組件在進行液/固分離時進行正壓過濾,跨膜壓差為0.01 1MPa;或者 負壓抽吸,跨膜壓差為0.01-0.lMPa。
6、 根據權利要求書1所述的反應器,其特徵在於反應釜主體(10)含有收縮段與放大段,收 縮段位於反應釜主體的下端;在應用過程中,液面不能到達放大段。
7、 根據權利要求書1所述的反應器,其特徵在於反應釜主體(10)上端安裝有壓力表,並開 有進料口(14)與排氣口(12);釜體開有視窗(ll),並且安裝有溫度計、pH計、測氧儀, 以便及時觀察反應器內的料液情況,最下端的循環管上開有卸料口(16)。
8、 根據權利要求書1或7所述的反應器,其特徵在於排氣口(12)處安裝有閥門(13),通過調 節排氣量從而調節反應釜主體(10)內的壓力;閥門(13)連接氣體冷凝管道(E),依次連接 有氣體冷凝收集裝置(E-1)、真空泵(E-2)、載氣循環管道(F),通過氣體冷凝收集裝置E-1, 產物得到冷凝,從而得到純度更高的產品;載氣循環管道(F)中的氣體經過三通閥(F-1) 通過管道(H)依次經過闊門(H-1)、氣體流量計(H-2)、曝氣頭(1)進入氣升管(2)進行循環使 用或者通過三通閥門(F-1)沿管道(G)排放。
9、 根據權利要求書1所述的反應器,其特徵在於氣升管下端安裝有曝氣頭(l),曝氣頭(l)與壓縮氣源(B)相連;壓縮氣源(B)為空氣壓縮機(B-l)提供的壓縮空氣或高壓氣體罐 (B-2)提供的氮氣、氨氣、氫氣、氧氣或氦氣等。
10、 根據權利要求書1所述的反應器,其特徵在於壓縮氣體經過曝氣頭(1)進入氣升管(2)之 後便開始起到氣提作用'隨著載氣的逸出'易揮發產物也隨著逸出反應器'最終使得易 揮發產物的去除由膜分離與氣提共同控制。
全文摘要
本發明涉及一種新型的氣升式膜反應器,尤其涉及一種外環流氣提式膜生物反應器。由反應釜主體10、循環管15、氣升管2組成;其特徵在於氣升管回流口位於液面以下,並連有伸向反應器釜體10內部的回流管8;氣體分布器9取代氣升回流管8用於分布會流氣體;無機膜組件3封裝在氣升管2內,作為液/固分離器。本系統結構簡單、操作靈活、能耗較低、易於實現工業放大,尤其在生化反應中具有巨大的前景。
文檔編號C12M1/09GK101538532SQ20091002644
公開日2009年9月23日 申請日期2009年4月23日 優先權日2009年4月23日
發明者峰 張, 徐南平, 景文珩, 李國玲, 申屠佩蘭, 邢衛紅 申請人:南京工業大學

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