[发明专利]一种外环流气提式膜生物反应器

说明书

技术领域

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

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。

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。

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。

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