一种外环流气提式膜生物反应器

摘要

本发明涉及一种新型的气升式膜反应器，尤其涉及一种外环流气提式膜生物反应器。由反应釜主体10、循环管15、气升管2组成；其特征在于气升管回流口位于液面以下，并连有伸向反应器釜体10内部的回流管8；气体分布器9取代气升回流管8用于分布会流气体；无机膜组件3封装在气升管2内，作为液/固分离器。本系统结构简单、操作灵活、能耗较低、易于实现工业放大，尤其在生化反应中具有巨大的前景。

权利要求

1.一种外环流气提式膜生物反应器，由反应釜主体(10)、循环管(15)、气升管(2)组成；其特征在于气升管回流口位于反应釜主体内液面以下并连有伸向反应釜主体(10)内部的气升回流管(8)；气体分布器(9)取代气升回流管(8)用于分布回流气体；无机膜组件(3)封装在气升管(2)内，作为液/固分离器；其中所述回流管长度为反应釜主体(10)内径的1/3～2/3；气体分布器(9)为外端密封的管式气体分布器，长度为回流管长度的1/3～

1。

2.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于所述的气升管回流口位于液面之下，回流口上部液体深度与回流口下部液体深度之比为2～8。

3.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于所述的无机膜组件(3)为管式超滤或微滤无机膜组件；无机膜组件在进行液/固分离时进行正压过滤，跨膜压差为0.01～1MPa；

或者负压抽吸，跨膜压差为0.01～0.1MPa。

4.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于反应釜主体(10)含有收缩段与放大段，收缩段位于反应釜主体的下端；在应用过程中，液面不能到达放大段。

5.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于反应釜主体(10)上端安装有压力表，并开有进料口(14)与排气口(12)；反应釜主体开有视窗(11)，并且安装有温度计、pH计、测氧仪，以便及时观察反应器内的料液情况，最下端的循环管上开有卸料口(16)。

6.根据权利要求5所述的反应器，其特征在于排气口(12)处安装有阀门(13)，通过调节排气量从而调节反应釜主体(10)内的压力；阀门(13)连接气体冷凝管道(E)，依次连接有气体冷凝收集装置(E-1)、真空泵(E-2)、载气循环管道(F)，通过气体冷凝收集装置E-1，产物得到冷凝，从而得到纯度更高的产品；载气循环管道(F)中的气体经过三通阀(F-1)通过第一管道(H)依次经过阀门(H-1)、气体流量计(H-2)、曝气头(1)进入气升管(2)进行循环使用或者通过三通阀门(F-1)沿第二管道(G)排放。

7.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于气升管下端安装有曝气头(1)，曝气头(1)与压缩气源(B)相连；压缩气源(B)为空气压缩机(B-1)提供的压缩空气或高压气体罐(B-2)提供的氮气、氨气、氢气、氧气或氦气。

说明书

一种外环流气提式膜生物反应器

技术领域

[0001] 本发明涉及一种外环流气提式膜生物反应器，是按照单元耦合与过程强化的思想开发的。集气升循环反应、气提、气液两相流膜分离于一体的外环流气提式膜生物反应器，用于涉及气/液、气/液/固等含有气液两相的多相反应，尤其是生物发酵过程。技术背景

[0002] 在生化反应过程中，经常存在着产物抑制作用。发酵法生产乙醇、丁醇就是典型的例子。要想提高原料利用率、反应效率，就必须不断移走反应产物。

[0003] 膜分离技术作为一种新型的公认的高效的分离技术，在近年来获得了迅猛的发展，广泛应用到化工、食品、生物、医药等行业。将超滤、微滤过程与发酵过程耦合组成的膜生物反应器用来提高发酵效率也受到了广泛的研究。在该过程中，发酵液经过膜过滤之后，将发酵产物有效地移出发酵罐，减轻甚至消除了产物的抑制作用，而剩余的残液与被截留的细胞继续返回到发酵罐中，从而保持了发酵罐中高细胞浓度，同时很方便的实现了罐内液位平衡。但是在该过程中，料液经泵输送之后在膜表面进行分离，膜的污染极为严重，而经过膜分离出来的产品浓度与反应罐中产物浓度一样，后续处理比较麻烦；同时，由于泵的存在，该过程能耗较高，而且流体的湍动剧烈容易恶化反应条件，不利于菌体的生长。为了克服这些问题，ZL01108189.9与ZL200520075139.9先后提出了以压缩气体作为膜生物反应器的动力，取代传统的动力供应者——泵，但是前者通过普通管道将反应器与膜组件连接，致使反应器结构较为分散，流体循环线路较长，从而使得气液传质效果不好，较难满足大规模反应的需求。后者在前者的基础上提出了外环流气升式膜生物反应器，在该反应器中，膜组件与反应器浑然一体，很好的结合了气升式反应器与膜分离的优点，较好的克服了膜分离与发酵耦合所存在的一系列问题，同时在该反应器中，膜组件既可用于分离，又可用做径向曝气单元，产生细微的气泡。但是在该反应器中回流口位于反应器釜体上部的扩大段处，回流口位于液面之上或者位于液面下的深度很小，同时回流口处没有导流管，大量压缩气体在循环结束后直接在液面上或者在液面下靠壁面处逸出排掉，压缩气体只起到了循环动力的作用，不能得到合理利用，造成了能量损失。

[0004] 气提是一个物理过程，它采用一种气体介质打破原气液两相平衡而建立起来一种新的气液平衡状态，使溶液中的某一组分由于分压降低而解吸出来，从而达到分离物质的目的。由于气提法具有简单经济、无污染、所得产品纯度高等优势受到社会广泛研究，尤其是在生物反应之中，如气提与发酵法制乙醇、丁醇耦合。在这些耦合过程中，最为典型的便是气升式反应器。该反应器是在鼓泡式反应器的基础上发展起来的用于气/液两相或气/液/固三相过程的化工反应器，它通过压缩气体膨胀提供能量，依靠含气泡液体与纯液体的密度差造成的升力使流体沿管道循环流动，属于气力搅拌反应器。目前，气升式反应器因具有结构简单、剪切力低、反应条件温和、供气效率高、有效接触面积大、流化效果佳等优点而受到广泛研究。但是在该过程之中，仍然存在着一些缺点：如在发酵制乙醇的过程中，除了生成乙醇与CO2外，还会产生琥珀酸、乙醛、甲酸、乙酸、乳酸、甘油、杂醇油等副产物。这些副产物都会对发酵产生抑制作用。当发酵液中乙酸含量达0.13％时，酵母菌就很难生长。在这些副产物中，除了乙醛、甲酸具有较好的挥发性之外，乙酸、乳酸、甘油、杂醇油等都不易挥发，很难用气提的方法除去；乙醇、CO2、甲酸、乙醛等可能会因气提效果不够而累积这也会抑制发酵的进行；此外为了维持罐内液位平衡，需要不断排走一部分料液，这又造成了大量的细胞损失，而文献中报道的一些静止分层使细胞循环的方法却容易使发酵过程染菌。

[0005] 由上可知，气提与膜分离在生化反应中都存在着独特的优点，都具有较大的应用前景，但又存在着可以互相弥补的缺点，因此，开发出一种能充分利用各种能源，将膜分离与气提有机结合起来的新型反应器，具有十分重要的现实意义。

发明内容

[0006] 本发明的目的是：为了解决膜分离、气提与发酵等反应耦合所存在上述问题，根据膜分离与气提的优势以及它们所具有的互相弥补缺点的特征，而提供一种将膜生物反应器与气升式反应器耦合起来，从而将膜分离与气提有机结合起来，并互相弥补两者不足的外环流气提式膜生物反应器。该反应器在不改变气升式反应器基本结构的基础上引进膜组件，在具备气升式反应器、膜生物反应器的优点的同时又具有了气提的功能，较好的克服了膜分离、气提与发酵耦合的不足。

[0007] 本发明的技术方案为：一种外环流气提式膜反应器，由反应釜主体10、循环管15、气升管2组成；其特征在于气升管回流口位于液面以下，并连有伸向反应器釜体10内部的回流管8；气体分布器9取代气升回流管8用于分布会流气体；无机膜组件3封装在气升管2内，作为液/固分离器。

[0008] 其中所述的气升管回流口位于液面之下，回流口上部液体深度与回流口下部液体深度之比为2～8；回流管长度为反应釜主体10内径的1/3～2/3；气体分布器9为外端密封管式气体分布器，长度为回流管的1/3～1。

[0009] 上述无机膜元件3为管式超滤或微滤无机膜。这样就可避免生化反应中的高温灭菌给有机膜所造成的破坏；无机膜在进行液/固分离时进行正压过滤，跨膜压差为0.01～1MPa或者负压抽吸，跨膜压差为0.01～0.1MPa，操作比较灵活。

[0010] 本发明所述的反应釜主体10含有收缩段与放大段。收缩段位于反应釜主体的下端。在应用过程中，液面不能到达放大段。反应釜主体10上端安装有压力表，并开有进料口14与排气口12，釜体开有视窗11，并且安装有温度计、pH计、测氧仪，以便及时观察反应器内的料液情况，最下端的循环管上开有卸料口16；排气口12处安装有阀门13，通过调节排气量从而调节反应釜主体10内的压力；阀门13连接气体冷凝管道E，依次连接有气体冷凝收集装置E-1、真空泵E-2、载气循环管道F，通过气体冷凝收集装置E-1，产物得到冷凝从而得到纯度较高的产品；载气循环管道F中的气体经过三通阀F-1通过管道H依次经过阀门H-1、气体流量计H-2、曝气头1进入气升管2进行循环使用或者通过三通阀F-1沿管道(G)排放。

[0011] 本发明的特征还在于气升管下端安装有曝气头1，曝气头1与压缩气源B相连，压缩气源B为空气压缩机(B-1)提供的压缩空气或高压气体钢瓶(B-2)提供的氮气、氨气、氧气或氦气。

[0012] 本发明的特征还在于压缩气体经过曝气头(1)进入气升管(2)之后便开始起到气提作用，随着载气的逸出，易挥发产物也随着逸出反应器，最终使得易挥发产物的去除可由膜分离与气提共同控制。

[0013] 有益效果：

[0014] 1、在气升管底部采用曝气头向反应器内通入具有一定初速度的压缩气体，在该初速度的带动下，液体随气体向上流动在膜组件处进行膜分离，由于气泡的存在改善了膜表面的环境，有助于减轻膜污染，提高膜组件的过滤性能；在同等操作条件下，膜通量可提高50％～200％。

[0015] 2、压缩气体在进入反应器之后就起到了气提的作用，在反应器主体内设置的气体分布器对气体进行二次分布产生细微气泡，更有助于充分利用资源、提高气提效率，通过气提可以得到纯度较高的产物，产品可提纯4～10倍。

[0016] 3、压缩气体在反应器内起到了搅拌的作用，而且产生比较均匀的气泡，传质传热效果较好，有利于反应的进行，反应效果可提高10～100倍。

[0017] 4、无机膜元件在进行分离时采用正压操作，或者进行负压抽吸；在进行正压过滤时，可以调小反应釜上端的出气口处阀门(13)，从而增大釜内压力，实现膜分离；当釜内压力为常压或者负压时则打开真空泵进行负压操作。

[0018] 5、在发酵的过程中，可以调节曝气量以及膜通量来调节产物的移出量，从而可以根据反应速率进行相应的调整，操作更具灵活性。

[0019] 总之，该外环流气提式膜生物反应器集气升反应、膜分离、气提于一体，整个过程所需的能量都由压缩气体提供，具有能耗低、结构简单、操作灵活、反应条件温和等优点。

附图说明

[0020] 图1为外循环气提式膜生物反应器示意图。

[0021] 图2为外循环气提式膜生物反应器工艺流程示意图。

[0022] 图中A为料液主流，B为压缩气源，C为反冲或者微孔曝气压缩气源，D为过滤产物收集主流，E为气提产物主流；1为曝气头，2为气升管，3为无机膜元件，4为反冲或者微孔曝气进气口，5为反冲或者微孔曝气进气控制阀，6为过滤液出口，7为过滤液控制阀，8为气升管回流管，9为气体分布器，10为反应器釜体，11为视镜，12为排气口，13为排气口控制阀，14为进料口，15为卸料口；B-1为压缩空气机，B-2为钢瓶装压缩气体，B-3为气体流量计，B-4为气量控制阀，D-1为滤液储罐，D-2为真空泵，E-1为冷凝收集罐，E-2为真空泵，F-1为三通阀，H-1为气体流量计，H-2为气量控制阀。

具体实施方式

[0023] 实施例1

[0024] 下面结合附图1说明本发明的实施方式

[0025] 本发明所提供的外环流气提式膜生物反应器主要由反应釜主体10、循环管道15、气升管2、曝气头1、封装在气升管内的无机膜原件3气升回流管8、气体分布器9组成，如图1所示。反应釜主体10包括收缩段与放大段两部分，两段的内径比由气液分离时所需比例确定，约为1.5～8；反应釜主体10顶部开有进料口14与排气口12，排气口处安装有阀门
13，以便调节排气量从而调节反应釜内压力，反应釜顶部还安装有压力表，以便观察反应釜的压力变化；釜体上开有视窗用于观察反应釜内的反应现象，并且安装有温度计、pH计、测氧仪用于观测反应条件；循环管道15下端开有卸料口16；曝气头1下端与压缩气源相连并由阀门、流量计控制测量流量；回流管以及气体分布器将回流气体进行二次分布，从而充分利用压缩气体进行气提，得到纯度更高的产品。

[0026] 本发明所提供的外环流气提式膜生物反应器的操作方式如下：通过管道A向反应釜内加入料液，通过管道B向其中鼓入压缩气体，气体经曝气头1进入气升管2。由于带有一定初速度的压缩气体的进入，在循环管15与气升管2之间产生密度差，在这两者的作用下，气升管2内流体向上运动，到达无机膜元件3时由控制阀7开启控制膜分离。浓缩液继续向上循环至回流口处，经过回流管8返回到反应釜主体10，回流气体经气体分布器9进行二次分布之后，向上逸出，在逸出的过程中起到气提作用。所得气提产物在排气口排除后在管道E中进行产物的冷凝收集，得到纯度更高的产物。未冷凝的载气则经循环管道H经过曝气头1进行循环使用。

[0027] 实施例2

[0028] 本发明所提供的外环流气提式膜生物反应器的系统工艺如图2所示，具体如下：通过管道A向反应釜内加入料液，通过管道B向其中鼓入压缩气体，压缩气体为压缩空气B-1或者钢瓶装气体B-2，压缩气体经过流量计B-3以及阀门B-4控制测量之后经过曝气头
1进入气升管2，液体在具有初速的压缩气体的带动下以及密度差的推动下到达无机陶瓷膜分离单元3进行微滤，由阀门7控制是否进行膜分离。在反应釜内压力或者真空泵D-2的带动下进行膜分离时，打开阀门7，所得滤液在储罐D-1中收集。浓缩液则继续循环经过回流管8到达反应釜主体10内，其中回流管长为反应釜主体10内径的1/2，回流气体则经过气体分布器9(气体分布器9为单管无机陶瓷膜支撑体，长度为回流管长度的3/4)二次分布后形成细微气泡向上逸出，同时起到气提作用，气体经排气口12在阀门13的控制下逸出反应釜，经过管道E，在气体冷凝收集装置E-1的冷凝下，得到纯度较高的产物，真空泵E-1则用来控制反应釜内压力。未冷凝的载气则继续沿管道F由三通阀F-1控制循环或者排放，继续循环时，气体经过流量计H-1，阀门H-2的控制测量下，通过曝气头1返还到反应釜内。

[0029] 在发酵法生产乙醇的过程中，向体积为10升的外环流气提式膜生物发酵罐(有效体积为6.5升)中加入3L培养基在120℃下进行灭菌，冷却至38℃后加入2g酿酒活性酵母菌，通过曝气头向发酵罐内通入无菌的压缩空气进行活化。半个小时后将2L浓度为12g/L经高温灭菌的葡萄糖溶液加入发酵罐，在31℃下进行发酵并继续向反应釜内通入净化的压缩空气。在压缩气体的带动下、流体密度差的推动下，罐内液体到达膜元件，打开真空泵，调节跨膜压差，进行负压抽吸，使膜通量与补料速率一致，以保持罐内液面平衡。在压缩气体的带动下，含有大量细胞的浓缩液返回反应釜主体，使得罐内含有较高的细胞浓度。罐内气体在完成一个循环后将罐内易挥发物质带出，经排气口排出后进行收集，可得到浓度为料液浓度5倍的乙醇提取液。在料液乙醇浓度为10％，曝气量为11L/min时，单位小时单位有效体积乙醇的气提移出量可达10g/(L.h)。当同时采用平均孔径为50nm的膜元件进行膜分离时，在相同操作条件下，跨膜压差为0.03MPa下，单位时间单位有效体积的乙醇移出速率可达17g/(L.h)。

[0030] 该实施方案还可用于丁醇发酵、废水处理等涉及有易挥发物质的过程。

[0031] 在发酵法生产谷氨酸的过程中，向该外环流气提式膜生物反应釜中加入6L培养基在120℃下灭菌15分钟，冷却至34～35℃后向其中加入0.7gS9114号菌种，并打开曝气头向其中鼓入无菌空气进行发酵。当料液中谷氨酸含量为7％时，开始向发酵罐内补加浓度为35％的葡萄糖料液，调节反应釜主体上端的排气口阀门，当罐内压力增大到所需压力时，膜组件上端阀门进行正压过滤。通过该方法，发酵罐中谷氨酸含量维持在8％左右，采用平均孔径为200nm的无机陶瓷膜进行过滤，菌体被100％截留。

[0032] 该实施方案利用气体产生的压力提供膜过滤动力，可用于赖氨酸、链霉素等产物难以挥发的生物发酵以及一些涉及气/液/固相的化学反应之中。