本发明公开了一种乳化式好氧发酵罐。目前的好氧发酵罐，增加压缩空气用量和增大搅拌电机功率对提高单位产量并不明显，且造成能耗增大，产品成本提高，设备造价增加和操作环境恶化。本发明包括罐体和位于罐体内的具有至少二级气液混合器的气液混合循环装置，气液混合循环装置垂直设置，罐体上具有罐体进气管和发酵液进口管，其特征在于：所述气液混合循环装置与罐体的内壁之间设有一自吸空气喷射乳化增压装置。本发明不但提高了氧利用率、传质速度、溶氧系数和单位产量，而且大幅度节约了能源，简化了设备，降低了染菌率、降低了设备造价和维修费用、延长了发酵罐使用寿命。
1.乳化式好氧发酵罐，包括罐体(6)和位于罐体(6)内的具有至少二级气液混合器的气液混合循环装置(3)，气液混合循环装置(3)垂直设置，罐体(6)上具有罐体进气管(4)和发酵液进口管(19)，其特征在于：所述气液混合循环装置(3)与罐体(6)的内壁之间设有一自吸空气喷射乳化增压装置(11)，该自吸空气喷射乳化增压装置(11)包括多个尾管(41)、多个空气吸入管(43)、多个支管(44)、一环管(45)、一进液管(46)和至少二个液气乳化增压器，尾管(41)、空气吸入管(43)和支管(44)与液气乳化增压器的个数一致，液气乳化增压器垂直设置，所述的液气乳化增压器包括喷嘴(49)、进气管(50)、混合室(51)和位于混合室(51)下方的扩散管(52)，喷嘴(49)连接在混合室(51)上且喷嘴(49)的出口位于混合室(51)内，进气管(50)与混合室(51)外壁切向连接且二者相通；
所述的支管(44)上端和进液管(46)上端与环管(45)连接相通，进液管(46)下端与发酵液进口管(19)连接相通，支管(44)下端与液气乳化增压器的喷嘴(49)连接相通，空气吸入管(43)与液气乳化增压器的进气管(50)连接相通，尾管(41)的入口与液气乳化增压器扩散管(52)的出口连接相通，尾管(41)的出口与气液混合循环装置（3）的第二级气液混合器(38)切线连接相通。
2.根据权利要求1所述的乳化式好氧发酵罐，其特征在于，所述的空气吸入管(43)位于罐体(6)内或外端伸出于罐体(6)外。
3.根据权利要求1或2所述的乳化式好氧发酵罐，其特征在于，所述的气液混合循环装置(3)由第一级气液混合器(36)、第二级气液混合器(38)、第三级气液混合器(40)和连接板构成，相邻的两级气液混合器之间采用连接板固接。
4.根据权利要求3所述的乳化式好氧发酵罐，其特征在于，所述的第一级气液混合器°
(36)由收缩管和喉管连接而成，其收缩角为45～90 、喉管长度为0.2～0.5倍喉管直°径；第二级气液混合器(38)由收缩管和喉管连接而成，其收缩角为45～90 、喉管长度为
0.5～1.0倍喉管直径；第三级气液混合器(40)由收缩管、喉管和扩张管依次连接而成，其° °收缩管的收缩角为45～90 ，扩张管的扩张角为20～60 ，喉管长度为2～10倍喉管直径。
5.根据权利要求1或2所述的乳化式好氧发酵罐，其特征在于，所述的液气乳化增压器°
中，喷嘴(49)的收缩角为10～20 ，扩散管(52)由收缩管、喉管和扩张管依次连接而成，收° °缩管的收缩角为15～45 、扩张管的扩张角为5～15 、喉管长度为10～40倍喉管直径，扩散管(52)的喉管与喷嘴(49)喉部的横截面积比为3～15：1。
6.根据权利要求1或2所述的乳化式好氧发酵罐，其特征在于，所述罐体(6)的底部设有一位于气液混合循环装置(3)下方的气液喷射乳化装置(2)，该气液喷射乳化装置(2)由多个弯管(22)、多个法兰(23)、一环管(25)、一进气管(26)和至少两圈气液乳化器组构成，弯管(22)和进气管(26)与环管(25)连接相通，进气管(26)与罐体进气管(4)连接相通，每圈气液乳化器组至少配有二支气液乳化器，弯管和法兰的个数与气液乳化器的支数一致，所有气液乳化器的出口方向均在同一横截面的圆周切线上，每支气液乳化器与法兰(23)连接固定。
7.根据权利要求6所述的乳化式好氧发酵罐，其特征在于，所述的气液乳化器由喷嘴(32)、法兰(33)、连接板(34)和扩散管(35)组成，喷嘴(32)固接在法兰(33)上，法兰(33)和扩散管(35)用连接板(34)焊接固定，扩散管(35)由收缩管、喉管和扩张管依次连接而°成，喷嘴（32）的出口位于收缩管内，收缩管的收缩角为30～90 ，扩张管的扩张角为7～° ° °
15 ，喉管长度为6～15倍喉管直径，喷嘴（32）的收缩角为10 ～20 ，扩散管(35)与喷° °嘴(32)喉部的横截面积比为8～15:1，气液乳化器与水平面的夹角为0～20 、0～15°或-10～0 。
8.根据权利要求6所述的乳化式好氧发酵罐，其特征在于，气液喷射乳化装置(2)中，每圈气液乳化器组的多个气液乳化器沿圆周均匀分布。
9.根据权利要求1或2所述的乳化式好氧发酵罐，其特征在于，在气液混合循环装置(3)上方设有至少一块稳液消泡筛板(12)。
10.根据权利要求1或2所述的乳化式好氧发酵罐，其特征在于，在自吸空气喷射乳化增压装置(11)中，液气乳化增压器的多个尾管(41)出口均在第二级气液混合器(38)的位于同一横截面的圆周切线方向上，且多个尾管(41)出口沿圆周均匀分布。
乳化式好氧发酵罐
技术领域
[0001] 本发明涉及生物工程好氧发酵领域，具体地说是一种乳化式好氧发酵罐。
背景技术
[0002] 发酵罐是好氧发酵工业生产中关键生化反应设备，在生物发酵生产中，当今普遍采用着罐内具有多级机械搅拌器的传动搅拌装置和罐底设有多种形式通气装置的通用式发酵罐。在生物发酵过程中，好氧菌种需要空气中的氧进行生长发育、新陈代谢并产出代谢产物，对此，充分溶氧这是产生菌生命活力和合成产物所必需的条件。在生产实践中，为了满足好氧性微生物的溶解氧量，使之获得所需的代谢产物增加单位产量，通常采用增加压缩空气用量和增大搅拌电机功率(提高搅拌转速、增加搅拌器数量和增大搅拌器直径)的方法，以求获得发酵液中更多氧量，减小气泡直径、增加气泡数量，增大气、液间接触比表面积，提高溶氧系数和单位产量。然而通用式发酵罐任何形式的通气装置，其气泡直径随着通气量的增加而增大，且泡沫率增加，提高搅拌转速有利于气泡的粉碎，但当气泡直径到达一定数量级后，与搅拌转速提高无关。由于通用式发酵罐的传质机理为鼓泡传质，其流动特性为柱塞流，它必然存在氧利用率低、溶氧系数低的弊端。因此增加压缩空气用量和增大搅拌电机功率对提高单位产量并不明显，且造成能耗增大，产品成本提高，设备造价增加和操作环境恶化。
发明内容
[0003] 本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种既无传动机械搅拌装置、又能减少压缩空气用量的乳化式好氧发酵罐，其具有能充分利用进入发酵罐内压缩空气的能量实现乳化传质的气液喷射乳化装置，利用通入罐内发酵液的能量自吸空气并实现乳化传质、增压的自吸空气喷射乳化增压装置，充分利用气液混合物的重度差、静压力差和流速差实现全床小气泡群乳状流反复多变全循环运动的气液混合循环装置，提高氧利用率、传质速度、溶氧系数和单位产量，大幅度降低能耗、降低产品成本和改善生产管理与操作环境。
[0004] 为此，本发明采用如下的技术方案：乳化式好氧发酵罐，包括罐体和位于罐体内的具有至少二级气液混合器的气液混合循环装置，气液混合循环装置垂直设置，罐体上具有罐体进气管和发酵液进口管，其特征在于：所述气液混合循环装置与罐体的内壁之间设有一自吸空气喷射乳化增压装置，
[0005] 该自吸空气喷射乳化增压装置包括多个尾管、多个空气吸入管、多个支管、一环管、一进液管和至少二个液气乳化增压器，尾管、空气吸入管和支管与液气乳化增压器的个数一致，液气乳化增压器垂直设置，所述的液气乳化增压器包括喷嘴、进气管、混合室和位于混合室下方的扩散管，喷嘴连接在混合室上且喷嘴的出口位于混合室内，进气管与混合室外壁切向连接且二者相通；
[0006] 所述的支管上端和进液管上端与环管连接相通，进液管下端与发酵液进口管连接相通，支管下端与液气乳化增压器的喷嘴连接相通，空气吸入管与液气乳化增压器的进气管连接相通，尾管的入口与液气乳化增压器扩散管的出口连接相通，尾管的出口与气液混合循环装置的第二级气液混合器切线连接相通。
[0007] 作为对上述技术方案的进一步完善和补充，本发明采取以下技术措施：
[0008] 所述的空气吸入管位于罐体内（利用罐体内的空气进行自吸）或外端伸出于罐体外（可外接风机，将消毒后的压缩空气送入空气吸入管内，进行自吸）。
[0009] 所述的气液混合循环装置由第一级气液混合器、第二级气液混合器、第三级气液混合器和连接板构成，相邻的两级气液混合器之间采用连接板固接。
[0010] 所述的第一级气液混合器由收缩管和喉管连接而成，其收缩角为45～90°、喉管长度为0.2～0.5倍喉管直径；第二级气液混合器由收缩管和喉管连接而成，其收缩角为°45～90 、喉管长度为0.5～1.0倍喉管直径；第三级气液混合器由收缩管、喉管和扩张管° °
依次连接而成，其收缩管的收缩角为45～90 ，扩张管的扩张角为20～60 ，喉管长度为
2～10倍喉管直径。
[0011] 所述的液气乳化增压器中，喷嘴的收缩角为10～20°，扩散管由收缩管、喉管和扩° °张管依次连接而成，收缩管的收缩角为15～45 、扩张管的扩张角为5～15 、喉管长度为
10～40倍喉管直径，扩散管的喉管与喷嘴喉部的横截面积比为3～15：1。
[0012] 所述罐体的底部设有一位于气液混合循环装置下方的气液喷射乳化装置，该气液喷射乳化装置由多个弯管、多个法兰、一环管、一进气管和至少两圈气液乳化器组构成，弯管和进气管与环管连接相通，进气管与罐体进气管连接相通，每圈气液乳化器组至少配有二支气液乳化器，弯管和法兰的个数与气液乳化器的支数一致，所有气液乳化器的出口方向均在同一横截面的圆周切线上，每支气液乳化器与法兰连接固定。
[0013] 所述的气液乳化器由喷嘴、法兰、连接板和扩散管组成，喷嘴固接在法兰上，法兰和扩散管用连接板焊接固定，扩散管由收缩管、喉管和扩张管依次连接而成，喷嘴的出口位° °于收缩管内，收缩管的收缩角为30～90 ，扩张管的扩张角为7～15 ，喉管长度为6～15° °
倍喉管直径，喷嘴的收缩角为10 ～20 ，扩散管与喷嘴喉部的横截面积比为8～15:1，气° ° °
液乳化器与水平面的夹角为0～20 、0～15 或-10～0 。
[0014] 在气液喷射乳化装置中，每圈气液乳化器组的多个气液乳化器沿圆周均匀分布。
[0015] 在气液混合循环装置上方设有至少一块稳液消泡筛板。
[0016] 在自吸空气喷射乳化增压装置中，液气乳化增压器的多个尾管出口均在第二级气液混合器的位于同一横截面的圆周切线方向上，且多个尾管出口沿圆周均匀分布。
[0017] 本发明的乳化式好氧发酵罐，采用气液喷射乳化装置、自吸空气喷射乳化增压装置和气液混合循环装置代替具有多级机械搅拌器的传动机械搅拌装置，并减少压缩空气用量，特别是自吸空气喷射乳化增压装置，充分利用通入发酵罐内压缩空气和发酵液的能量进行质量与能量的传递转换，将传统的鼓泡传质机理改变为乳化传质机理，将罐顶排放气体中的氧再次吸入利用，将气液混合物的流动特性从柱塞流转变为反复多变全循环运动的乳化流，不但提高了氧利用率、传质速度、溶氧系数和单位产量，而且大幅度节约了能源，简化了设备，降低了染菌率、降低了设备造价和维修费用、延长了发酵罐使用寿命，同时消除了噪音和蒸汽直接实消时罐体的震动，改善了生产管理与操作环境。
[0018] 下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
附图说明
[0019] 图1为本发明的结构示意图。
[0020] 图2为本发明气液喷射乳化装置的结构示意图。
[0021] 图3为图2的A向视图。
[0022] 图4为本发明气液乳化器的结构示意图。
[0023] 图5为本发明气液混合循环装置结构原理示意图。
[0024] 图6为本发明自吸空气喷射乳化增压装置的结构示意图。
[0025] 图7为图6的B向视图。
[0026] 图8为本发明液气乳化增压器的结构示意图。
具体实施方式
[0027] 如图1所示的乳化式好氧发酵罐，罐体6是一个长筒形立式密闭容器，罐体6和裙座1固接成一体，罐体6的顶部具有进料口14、视镜15、菌种营养液进口16、排气口17、人孔18等接口，罐体6的底部具有外伸罐外的发酵液出口管21，罐体6外壁固接异形管带(或夹套)换热器8，罐体6具有罐体进气管4和发酵液进口管19，罐体6内设置内盘管换热器
7。
[0028] 如图2-3所示，在罐体6底部具有气液喷射乳化装置2，该气液喷射乳化装置2由多个弯管22、多个法兰23、一环管25、一进气管26和三圈气液乳化器组29、30、31构成，弯管22和进气管26与环管25连接相通，进气管26与罐体进气管4连接相通，每圈气液乳化器组配有8支气液乳化器，其出口方向均在同一横截面的圆周切线上，每支气液乳化器与法兰23连接固定。环管25与罐体6底部通过连接件20连接固定。在环管25上装有上、中、下三圈气液乳化器组29、30、31，每圈气液乳化器组29、30、31对应的气液乳化器24、27、28和法兰23用螺栓连接固定。每圈气液乳化器组29、30、31中的多支气液乳化器24、27、
28沿圆周均匀分布，其出口方向均在同一横截面的圆周切线上，气液乳化器24与水平面的° °
夹角为0～20 ，气液乳化器27与水平面的夹角0～15 ，气液乳化器28与水平面的夹角°
为-10～0 。
[0029] 如图4所示，气液乳化器有喷嘴32、法兰33、连接板34和扩散管35组成。喷嘴32固接在法兰33上，喷嘴32和扩散管35分离，由连接板34将法兰33和扩散管35连接固定，法兰33与气液喷射乳化装置中的法兰23用螺栓连接固定。扩散管35具有收缩管、喉管和° °扩张管，收缩管的收缩角为30～90 、扩张管的扩张角为7～15 、喉管长度为(6～15)倍°
喉管直径；喷嘴32的收缩角为10～20 ，喉管与喷嘴喉部的横截面积比为(8～15)：1。
[0030] 如图5所示，在气液喷射乳化装置2上方具有气液混合循环装置3，该气液混合循环装置3由第一、二、三级气液混合器36、38、40构成，第一、二、三级气液混合器36、38、40三者分离，由连接板37连接固定第一、二级气液混合器36、38，连接板39连接固定第二、三级气液混合器38、40，连接板37、39将第一、二、三级气液混合器36、38、40固接成一体，位于最下部的第一级气液混合器36与罐体6用下连接件5焊接固定，位于最上部的第三级气液混合器40与罐体6用上连接件9焊接固定，位于中部的第二级气液混合器38与下连接件5用型钢焊接固定，在气液混合循环装置3上方具有至少一块稳液消泡筛板12。第一级气液°混合器36由收缩管和喉管组成，其收缩角为45～90 ，喉管长度为（0.2～0.5）倍喉管直°
径；第二级气液混合器38由收缩管和喉管组成，其收缩角为45～90 ，喉管长度为（0.5～
1.0）倍喉管直径；第三级气液混合器40由收缩管、喉管和扩张管组成，其收缩管的收缩角° °
为45～90 ，扩张管的扩张角为20～60 ，喉管长度为（2～10）倍喉管直径，气液混合循环装置垂直安装。
[0031] 如图1所示，在气液混合循环装置3与内盘管换热器7之间的空间内具有垂直安装的自吸空气喷射乳化增压装置11。如图6-7所示，自吸空气喷射乳化增压装置11由尾管41，液气乳化增压器42、47、48，空气吸入管43，支管44，环管45和进液管46构成，环管45和发酵液进口管19固接相通，环管45与罐体6用连接件10连接固定，空气吸入管43和罐体6用连接板13固接并与液气乳化增压器42、47、48连接相通，尾管41和液气乳化增压器
42、47、48连接相通并与气液混合循环装置3中第二级气液混合器38喉管切线固接相通。
空气吸入管43的锯齿形吸入口高于视镜15。
[0032] 如图8所示，液气乳化增压器由喷嘴49、进气管50、混合室51和扩散管52组成。喷嘴49固接于混合室51，进气管50切线固接于混合室51且二者相通，液气乳化增压器分别与尾管41、空气吸入管43和支管44采用螺栓连接固定并相互连通。喷嘴49的收缩角为° °
10～20 ，扩散管52具有收缩管、喉管和扩张管，其收缩管的收缩角为15～45 、扩张管的°
扩张角为5～15 、喉管长度为（10～40）倍喉管直径，扩散管52喉管与喷嘴49喉部的横截面比为（3～15）：1。
[0033] 本发明的乳化式好氧发酵罐使用时，由料液泵将配料池中培养基料液经进料口14送入罐内，经消毒灭菌、通气冷却（蒸汽、空气均须进入气液喷射乳化装置2）后，将菌种从菌种营养液口16移入罐内进行培养。0.07～0.35Mpa压力的无菌压缩空气经罐体进气管4送入气液喷射乳化装置2环管25上的各焊接弯管22，并分别进入各圈气液乳化器组29、
30、31的气液乳化器24、27、28。当风量为Vp、压力为Pp的压缩空气从气液乳化器喷嘴32高速(W1）喷出，在压缩空气静压能转变成速度能的同时，将重度为γ1、压力为P1的发酵液VL吸入并一同进入气液乳化器的扩散管35，在扩散管35的收缩管、喉管内，气、液二相由初步混合扩展到激烈的混合震荡而产生压力沫化和气体动力沫化，其沫化结果，使进入空气Vp和被吸入的发酵液VL冲击分散成大量的微小粒群，造成气、液间极大的且表面不断更新的乳化传质界面，使空气中的氧得到充分利用，传质速度、溶氧系数提高，在扩散管35的扩张管内，随着扩张断面的增大，气液混合物流速（W2）的下降，静压能得以逐步恢复，借助于气液乳化器扩散管出、入口处气液混合物的静压力差（P1>P2）和重度差（γ1>γ2），使气液混合物产生周而复始的径向全环流运动，鉴于每圈气液乳化器组29、30、31的气液乳化器
24、27、28扩散管35出口均在同一横截面的圆周切线方向上，使气液混合流产生螺旋状旋流运动，增长了微小气泡在发酵液中的运动轨迹，增加了氧与菌丝的接触时间。从气液喷射乳化装置2喷旋出来压力为P2、重度为γ2的气液混合物（Vp+VL）全部进入气液混合循环装置3下部第一级气液混合器36收缩管，在气液混合流的喷旋作用下，借助于各级气液混合器36、38、40出、入口处气液混合物的静压力差（P3>P4>P5>P6）、重度差（γ3>γ4>γ5>γ6）、速度差（W3>W4>W5）和自吸空气喷射乳化增压装置11中尾管41切线进入第二级气液混合器
38气液混合流的速度能和压力能，三级引射气液混合物（发酵液）V3、V4、V5，实现气液混合物轴向混合、内循环的旋流运动，增加气、液二相间的混合强度和氧与菌丝接触机遇，使气相中的氧得到多次循环利用。随着全床蜂窝状球形微小气泡群的上升、聚并和气液乳状流翻动的加剧，气、液混合物经稳液消泡筛板12后，气泡从培养液面逸出，并在罐体6顶部形成0.015～0.05Mpa压力排放气体的气相空间。由于空气中的氧是难溶于水的气体，在发酵液中溶解度不高，其利用率甚低，因此在排放气体的气相空间中仍含有大量的氧份，为了再一次利用排放气体中的氧，以提高传质速度、溶氧系数和单位产量，由发酵液泵经发酵液出口管21将罐体6内底部发酵液吸入并送入罐体6下部发酵液进口管19、自吸空气喷射乳化增压装置11中的进液管46、环管45和环管45上的各焊接支管44，再分别送入液气乳化增压器42、47、48。当流量为VL、压力为PL（0.35～0.6Mpa）的发酵液从液气乳化增压器喷嘴49高速(W6）喷出，在发酵液的静压能转变为速度能的同时，将罐体6顶部气相空间中压力为P（p 0.015～0.05Mpa）、且含有大量氧的排放气体Vp自行吸入，经空气吸入管43，切线进入液气乳化增压器的混合室51，在发酵液的连续喷射作用下，将吸入的排放气体Vp带入液气乳化增压器的扩散管52进行液、气二相间质量与能量传递转换，伴随产生强烈的摩擦、振动、破裂和沫化，使发酵液和吸入气体被再次冲击粉碎成大量的微小粒群，形成液、气间高度湍动且表面不断更新的接触界面，增大气液接触比表面积，实现乳化传质，随着扩散管52喉管长度的增长和扩张管扩张角的缩小，使气液混合震荡和乳化接触时间延长，并使液气乳化增压器出口压力PL.P增高（PL.P>PP），加之发酵液和吸入气体上进下出的流动特性，均有利于提高氧在发酵液中的传递。尔后随着扩张断面的逐渐增大，气液混合物的流速W7逐步下降，静压能得以逐步恢复，具有一定速度能和压力能的气液乳状流经尾管41切线进入气液混合循环装置3的第二级气液混合器38喉管进行反复循环运动，最终气泡逸出培养液面，经气相空间从排气口17排出。发酵液经过一定时间的培养，当达到发酵工艺所要求的生产指标后，经发酵液出口管21用发酵液泵送至提取工段提制产品。
[0034] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的结构作任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明的保护范围内。
