專(zhuān)利名稱(chēng)：一種多相分散的自吸式生化反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及化學(xué)、生物化工領(lǐng)域中氣、液兩相或氣、液、固三相化工操作反應(yīng)器，特別涉及一種多相分散的自吸式生化反應(yīng)器。
背景技術(shù)：
生化反應(yīng)器是為生物催化劑(微生物細(xì)胞或酶)提供良好的反應(yīng)環(huán)境以完成生物催化反應(yīng)的設(shè)備，常稱(chēng)為發(fā)酵罐。一個(gè)優(yōu)良的生化反應(yīng)裝置應(yīng)具有良好的液體混合性能，較高的傳質(zhì)、傳熱速率，同時(shí)還應(yīng)具有配套而又可靠的檢測(cè)及控制儀表。
隨著石油及石化工業(yè)的發(fā)展，對(duì)含油廢水及石油燃料燃燒過(guò)程中廢氣排放的治理已引起高度重視。利用生物技術(shù)來(lái)降解有毒、有害有機(jī)物的方法因具有成本低、費(fèi)用省、反應(yīng)條件溫和、對(duì)環(huán)境影響小、無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)已成為治理環(huán)境污染的有效途徑之一。比如，正在興起的柴油生物催化脫硫技術(shù)，以其具有的選擇性高，副反應(yīng)少，反應(yīng)條件溫和，設(shè)備投資少，對(duì)燃料熱值影響小，能脫除加氫脫硫難以處理的二苯并噻吩及其衍生物等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為令人矚目的清潔燃料生產(chǎn)技術(shù)，有望成為傳統(tǒng)加氫脫硫過(guò)程的輔助途徑來(lái)進(jìn)行含硫燃料的精加工。
要使石油生物脫硫及生物廢水降解技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用得以擴(kuò)大，必須設(shè)計(jì)適用于生物過(guò)程的反應(yīng)器。目前研究較多的主要有通氣攪拌釜反應(yīng)器、氣升式反應(yīng)器、流化床反應(yīng)器、固定床反應(yīng)器和膜反應(yīng)器，這些反應(yīng)器各有優(yōu)缺點(diǎn)。通氣攪拌反應(yīng)器，機(jī)械攪拌的作用使得氣體與反應(yīng)液混合更加充分，溶氧系數(shù)較高；操作方便，適應(yīng)性強(qiáng)，pH值和溫度等技術(shù)參數(shù)容易控制。但這種發(fā)酵罐也存在一些缺點(diǎn)發(fā)酵罐內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不容易清洗干凈，容易造成雜菌污染；機(jī)械攪拌需要傳動(dòng)裝置，動(dòng)力消耗大；更主要的問(wèn)題是機(jī)械攪拌反應(yīng)器內(nèi)較大的剪切力不利于微生物生長(zhǎng)，且會(huì)引起油水反應(yīng)系統(tǒng)的嚴(yán)重乳化現(xiàn)象，使得油水分離困難，影響油品的回收率。
氣升式反應(yīng)器依靠空氣流動(dòng)帶動(dòng)發(fā)酵液循環(huán)流動(dòng)，反應(yīng)器中心安裝一個(gè)豎直的空管(導(dǎo)流筒)，進(jìn)氣噴管從外管錐形底端插入，噴嘴與導(dǎo)流筒平齊，當(dāng)空氣以一定流速吹入時(shí)，在導(dǎo)流筒中造成負(fù)壓，周?chē)墓腆w、液體從底部被吸入導(dǎo)流筒中，并被具有較大動(dòng)能的氣體攜帶到頂部，再返回中心管外，如此循環(huán)往復(fù)，從而達(dá)到攪拌混合，并進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。在這種反應(yīng)器中沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，動(dòng)力消耗少，且結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。但氣升式反應(yīng)器應(yīng)用于輕、重兩個(gè)互不相溶的液相反應(yīng)時(shí)，一般由于輕相與重相中的液體相比，數(shù)量少，密度差較大，在吹氣過(guò)程中一部分輕相只能漂浮在重相上面，無(wú)法實(shí)現(xiàn)兩相均勻混合，反應(yīng)器內(nèi)傳質(zhì)效果較差，并且輕相極易被通入的氣體攜帶揮發(fā)，影響反應(yīng)進(jìn)行。固定床反應(yīng)器中由于存在無(wú)氧死角，影響流體的流動(dòng)、傳質(zhì)及微生物的生長(zhǎng)；流化床反應(yīng)器及用于生物脫硫過(guò)程的電噴射反應(yīng)器如文獻(xiàn)Kaufman E N，Harkins J B，Borole A P.Appl.Biochem.Biotech.1998，73，127-144所述的由于反應(yīng)過(guò)程中強(qiáng)烈的乳化現(xiàn)象及較高的操作費(fèi)用也給工業(yè)應(yīng)用帶來(lái)一定困難。因此設(shè)計(jì)具有良好混合特性的生化反應(yīng)器已成為石油生物脫硫技術(shù)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的迫切要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服已有反應(yīng)器的缺點(diǎn)，為了使輕重兩相介質(zhì)在反應(yīng)器內(nèi)完全均勻混合反應(yīng)，增大輕相介質(zhì)與微生物接觸面積，從而提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)備制造及能耗費(fèi)用低、低剪切力的，符合含油廢水生物治理及生物脫硫工藝的工業(yè)應(yīng)用的多相分散的自吸式生化反應(yīng)器。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明提供的多相分散的自吸式生化反應(yīng)器包括反應(yīng)器殼體、反應(yīng)器上端蓋、空心轉(zhuǎn)軸、空心轉(zhuǎn)盤(pán)及輕、重液相分散器等；其特征是一圓筒形或U型反應(yīng)器殼體(11)，在反應(yīng)器殼體(11)上口蓋有一上端蓋(1)，上端蓋上開(kāi)有進(jìn)氣孔(16)和出氣孔(8)；進(jìn)氣孔(16)上端為圓形敞口容器(7)，在其敞口上覆以無(wú)菌過(guò)濾膜，氣體經(jīng)無(wú)菌過(guò)濾膜除菌后進(jìn)入反應(yīng)器；出氣孔(8)為長(zhǎng)細(xì)管，其最上端亦以無(wú)菌過(guò)濾膜包裹。在反應(yīng)器殼體上開(kāi)有輕相取樣口(9)和重相取樣口(10)。
反應(yīng)器內(nèi)安裝上端封口的空心轉(zhuǎn)軸(2)、帶孔的空心轉(zhuǎn)盤(pán)(3)及固定于空心轉(zhuǎn)軸中下部的輕、重液相分散器(5、6)；空心轉(zhuǎn)軸的中上部開(kāi)一小孔(4)，空心轉(zhuǎn)軸和驅(qū)動(dòng)馬達(dá)相連，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)帶動(dòng)空心轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)；空心轉(zhuǎn)盤(pán)(3)上均勻分布多個(gè)細(xì)孔，空心轉(zhuǎn)盤(pán)(3)腔體與空心攪拌軸的空腔相連通；輕、重液相耦合分散器為上下兩端開(kāi)口的空心圓柱體，其特征在于所述的輕、重液相耦合分散器為固定在空心轉(zhuǎn)軸上與空心轉(zhuǎn)軸同心、上下均為敞口的一個(gè)、兩個(gè)或多個(gè)細(xì)管，輕相分散器下端(13)彎曲向上，重相分散器上端(14)彎曲向下，保證使輕相分散器細(xì)管的入口(12)高于重相分散器細(xì)管的出口(14)，輕相分散器細(xì)管的出口(13)也高于重相分散器細(xì)管的入口(15)；輕相分散器細(xì)管和重相分散器細(xì)管依次相間排列。
在以上所述的反應(yīng)器內(nèi)安裝加熱管，加熱管與外部的控溫器電聯(lián)接，或在反應(yīng)器底殼上安置一外換熱式的通冷熱水的夾套，使反應(yīng)器內(nèi)溫度控制在適應(yīng)生物生長(zhǎng)及反應(yīng)的范圍內(nèi)。
本發(fā)明多相分散的自吸式生化反應(yīng)器中氣體和流體循環(huán)分為三部分A、工作時(shí)，空心轉(zhuǎn)軸在驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的帶動(dòng)下以一定轉(zhuǎn)速帶動(dòng)液相分散器旋轉(zhuǎn)，在空心轉(zhuǎn)軸中上部開(kāi)口處和輕相分散器上口和重相分散器下口同時(shí)產(chǎn)生負(fù)壓，在空心轉(zhuǎn)軸中上部開(kāi)口處實(shí)現(xiàn)自吸無(wú)菌空氣，無(wú)菌空氣沿空心轉(zhuǎn)軸空腔到達(dá)轉(zhuǎn)盤(pán)的底部并通過(guò)細(xì)孔被甩出；B、工作時(shí)，在輕相分散器上口產(chǎn)生負(fù)壓，輕相沿輕相分散器套管向下流動(dòng)到達(dá)出料口將有機(jī)輕相均勻分散在重相中。輕相液滴在上升過(guò)程中與重相接觸并實(shí)現(xiàn)傳質(zhì)。
C、工作時(shí)，在重相分散器下口產(chǎn)生負(fù)壓，重相沿重相分散器套管向上流動(dòng)到達(dá)出料口將重相均勻分散在輕相中。重相液滴在下降過(guò)程中與輕相接觸實(shí)現(xiàn)傳質(zhì)。
通過(guò)上述的過(guò)程實(shí)現(xiàn)輕重兩相同時(shí)逆向流動(dòng)混合分散完成生化反應(yīng)過(guò)程。本發(fā)明多相分散的自吸式生化反應(yīng)器中流體達(dá)到穩(wěn)定時(shí)三個(gè)循環(huán)同時(shí)進(jìn)行，達(dá)到均勻混合并反應(yīng)的效果。
本發(fā)明提供的多相分散的自吸式生化反應(yīng)器具有下述優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明提供的多相分散的自吸式生化反應(yīng)器有效地解決了輕重兩相介質(zhì)在反應(yīng)器內(nèi)的均勻混合問(wèn)題，能有效的避免乳化現(xiàn)象，且該設(shè)備投資小、易操作、易放大(如到100m3)；工作電機(jī)轉(zhuǎn)速要求不高，通過(guò)低速攪拌實(shí)現(xiàn)自吸無(wú)菌空氣，不需要其他氣源供應(yīng)壓縮空氣，節(jié)省了空氣壓縮系統(tǒng)及其設(shè)備，更重要的是較低轉(zhuǎn)速下對(duì)溶液的剪切力也低，有利于微生物細(xì)胞等生物物質(zhì)活性的保持。本裝置可用于間歇油水反應(yīng)操作和連續(xù)油水反應(yīng)過(guò)程。本發(fā)明適用于生物化工、濕法冶金、制藥工業(yè)、石油化工、食品工業(yè)等油水反應(yīng)工藝。
下面結(jié)合附圖及實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明


附圖1為本發(fā)明反應(yīng)器結(jié)構(gòu)縱剖示意圖附圖2為本發(fā)明反應(yīng)器輕相分散器的結(jié)構(gòu)示意圖附圖3為本發(fā)明反應(yīng)器重相分散器的結(jié)構(gòu)示意圖附圖4為本發(fā)明反應(yīng)器中反應(yīng)介質(zhì)的擴(kuò)散過(guò)程及分散狀況示意圖附圖5為本發(fā)明實(shí)施例3，分別在多相分散的自吸式生化反應(yīng)器和普通搖瓶中進(jìn)行柴油生物催化脫硫?qū)嶒?yàn)的脫硫曲線(xiàn)圖。
圖標(biāo)名稱(chēng)1.上端蓋 2.空心轉(zhuǎn)軸3.轉(zhuǎn)鼓4.空心轉(zhuǎn)軸小孔 5.輕相分散器6.重相分散器 7.圓形敞口8.出氣孔 9.輕相取樣口10.重相取樣口11.反應(yīng)器外殼 12.輕相分散器入口 13.輕相分散器出口14.重相分散器出口15.輕相分散器入口16無(wú)菌過(guò)濾膜17進(jìn)氣孔 空氣 輕相液滴 重相液滴具體實(shí)施方式
實(shí)施例1請(qǐng)參見(jiàn)圖1～4，按照前述的反應(yīng)器的連接關(guān)系制作一可用作生化反應(yīng)的多相分散的自吸式生化反應(yīng)器。
本實(shí)施例提供的多相分散的自吸式生化反應(yīng)器其內(nèi)徑為74mm，高135mm，體積為500mL?？招霓D(zhuǎn)軸內(nèi)徑為6mm，在上端開(kāi)一小孔，孔徑為4mm。空心轉(zhuǎn)盤(pán)直徑為40mm，厚度為20mm，在空心轉(zhuǎn)軸四周均勻分布8個(gè)4mm的小孔。輕重相分布管高54mm，管徑均為5mm。將輕相分布管和重相分布管各2個(gè)依次間隔焊接在空心轉(zhuǎn)軸上。反應(yīng)器外殼為圓形外筒，反應(yīng)器上口蓋有一上端蓋，上端蓋上開(kāi)有進(jìn)氣孔和出氣孔，進(jìn)氣孔上端為圓形敞口容器，出氣孔接細(xì)長(zhǎng)硅膠管。空心轉(zhuǎn)軸通過(guò)反應(yīng)器上端蓋上的墊圈、螺母和螺桿與電動(dòng)攪拌器馬達(dá)密封連接。
實(shí)施例2按實(shí)施例1制作的，并在實(shí)施例1已制作好的反應(yīng)器內(nèi)裝電加熱管，加熱管與外部的控溫器電連接，或在反應(yīng)器外殼下半部分安置一外換熱式的通冷熱水的夾套，與外部的控溫器電連接。
實(shí)施例3利用在實(shí)施例1或?qū)嵤├?制作的多相分散的自吸式生化反應(yīng)器中生物催化脫除柴油中硫的應(yīng)用。其步驟如下(1)將50mL加氫柴油和300mL 0.1mol/L的磷酸鹽緩沖液(含10g/L甘油)加入到多相分散的自吸式生化反應(yīng)器中，并加入一定量的紅平紅球菌(Rhodococcuserythropolis LSSE8-1，CGMCC NO.0643)的菌體，使菌量濃度達(dá)到約20～40g/L。圓形敞口和出氣孔覆以無(wú)菌過(guò)濾膜。
(3)將該反應(yīng)器放置于30℃的水浴中，開(kāi)動(dòng)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，使反應(yīng)進(jìn)行。以相同條件下的普通搖瓶試驗(yàn)作為對(duì)照。本發(fā)明反應(yīng)器在開(kāi)始攪拌時(shí)，在空心轉(zhuǎn)軸中上部開(kāi)口處和輕相分散器上口和重相分散器下口同時(shí)產(chǎn)生負(fù)壓，在空心轉(zhuǎn)軸中上部開(kāi)口處實(shí)現(xiàn)自吸無(wú)菌空氣，油相沿輕相分散器套管向下流動(dòng)到達(dá)出料口將油相均勻分散在水相中，水相沿重相分散器套管向上流動(dòng)到達(dá)出料口將水相均勻分散在重相中，這三種循環(huán)很快使油水混合均勻。
(4)反應(yīng)時(shí)間為24h，每隔8h從取樣孔中取樣。離心后油相用RPA-200微庫(kù)侖滴定儀(江蘇江環(huán)分析儀器有限公司)測(cè)柴油中的硫含量。結(jié)果見(jiàn)圖5。
由圖5可見(jiàn)，利用本發(fā)明的多相分散的自吸式生化反應(yīng)器進(jìn)行柴油生物脫硫?qū)嶒?yàn)后，柴油硫含量從533.22μg/g降到82.82μg/g，脫硫率達(dá)到84.5％，顯著優(yōu)于普通搖瓶實(shí)驗(yàn)。
權(quán)利要求
1.一種多相分散的自吸式生化反應(yīng)器，包括反應(yīng)器殼體、反應(yīng)器上端蓋、空心轉(zhuǎn)軸、空心轉(zhuǎn)盤(pán)及輕、重液相分散器等；其特征是一圓筒形或U型反應(yīng)器殼體(11)，在反應(yīng)器殼體(11)上口蓋有一上端蓋(1)，上端蓋上開(kāi)有進(jìn)氣孔(16)和出氣孔(8)；進(jìn)氣孔(16)上端為圓形敞口容器(7)，在其敞口上覆以無(wú)菌過(guò)濾膜，氣體經(jīng)無(wú)菌過(guò)濾膜除菌后進(jìn)入反應(yīng)器；出氣孔(8)為長(zhǎng)細(xì)管，其最上端亦以無(wú)菌過(guò)濾膜包裹。在反應(yīng)器殼體上開(kāi)有輕相取樣口(9)和重相取樣口(10)；反應(yīng)器內(nèi)安裝上端封口的空心轉(zhuǎn)軸(2)、帶孔的空心轉(zhuǎn)盤(pán)(3)及固定于空心轉(zhuǎn)軸中下部的輕、重液相耦合分散器(5、6)；輕、重液相耦合分散器為固定在空心轉(zhuǎn)軸上與空心轉(zhuǎn)軸同心，上下兩端均為敞口的一個(gè)、兩個(gè)或多個(gè)空心圓柱體形細(xì)管。
2.按權(quán)利要求1所述的一種多相分散的自吸式生化反應(yīng)器，其特征在于空心轉(zhuǎn)軸的中上部開(kāi)一小孔(4)，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)帶動(dòng)空心轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)；空心轉(zhuǎn)盤(pán)(3)上均勻分布多個(gè)細(xì)孔，空心轉(zhuǎn)盤(pán)(3)腔體與空心攪拌軸的空腔相連通。
3.按權(quán)利要求1、2所述的一種多相分散的自吸式生化反應(yīng)器，其特征在于輕相分散器下端(13)彎曲向上，重相分散器上端(14)彎曲向下，使輕相分散器細(xì)管的入口(12)高于重相分散器細(xì)管的出口(14)，輕相分散器細(xì)管的出口(13)也高于重相分散器細(xì)管的入口(15)；輕相分散器細(xì)管和重相分散器細(xì)管依次相間排列。
4.按權(quán)利要求1、2、3所述的多相分散的自吸式生化反應(yīng)器，其特征在于反應(yīng)器內(nèi)安裝加熱管，加熱管與外部的控溫器電聯(lián)接，或在反應(yīng)器底殼上安置一外換熱式的通冷熱水的夾套。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多相分散的自吸式生化反應(yīng)器，特別涉及適用于石油生物脫硫等油水兩相或多相生化反應(yīng)器。包括反應(yīng)器外殼，其上端蓋上開(kāi)有進(jìn)氣孔和出氣孔，進(jìn)氣孔上端為圓形敞口容器，出氣孔為細(xì)長(zhǎng)管；反應(yīng)器內(nèi)安裝空心轉(zhuǎn)軸、帶孔的空心轉(zhuǎn)盤(pán)及固定于空心轉(zhuǎn)軸中下部的輕、重液相分散器；空心轉(zhuǎn)軸的中上部開(kāi)一小孔。反應(yīng)器工作時(shí)，空心轉(zhuǎn)軸在驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的帶動(dòng)下以一定轉(zhuǎn)速帶動(dòng)液相分散器旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)自吸無(wú)菌空氣和輕重相的互相分散混合。該反應(yīng)器具有省氣、省功率、剪切力低，能為反應(yīng)介質(zhì)提供良好的傳質(zhì)傳熱反應(yīng)界面、又能有效的避免乳化現(xiàn)象等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)C02F1/40GK101028950SQ20061001138
公開(kāi)日2007年9月5日 申請(qǐng)日期2006年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月28日
發(fā)明者李玉光, 劉會(huì)洲, 安震濤, 邢建民, 李望良, 熊小超, 李信 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所