[发明专利]旋转内循环气升式膜生物反应器及其工艺系统

说明书

技术领域

本发明涉及膜生物反应器技术领域，尤其涉及一种旋转内循环气升式膜生物反应器及其工艺系统。

背景技术

在生化反应过程中，随着反应进行，发酵产物不断积累，产物抑制作用逐渐突出，如在大众化学品如乙醇生产中，对一般酿酒酵母，单级罐批次发酵末期乙醇浓度达到18％-20％时菌体活性严重被抑制甚至出现菌体大量死亡。在酶法降解生物多糖制备活性寡糖的过程中，胞外酶往往受底物诱导和产物抑制双重作用，如卡拉胶或褐藻胶生产中，底物被酶切获得的二糖单位过多积累会影响菌体继续产酶。

另一方面，产物消耗作用也经常存在，如灵芝多糖深层发酵过程中，发酵所得的灵芝多糖可以被发酵菌体利用，不及时移除系统会造成收率极大的降低。

因此，为了提高反应得率和生产强度，利用膜生物反应器耦合反应与分离操作的特性，来“边反应边移走”体系中的产物是很好的解决方案之一。这类生物反应器将微生物发酵和产物分离相结合，常用于解决发酵产物抑制、底物选择供给等问题，通过长时间的连续发酵，达到微生物的高密度生长和增加发酵产物产率的目的，细胞密度或代谢产物产率通常可以达到间歇发酵的十倍甚至一百倍以上。在该过程中，发酵液进过膜过滤后，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和消耗作用，而剩余的残液与被截留的细胞继续返回发酵罐中，从而保持了发酵罐中的高细胞浓度，同时很方便的实现了罐内液位平衡。例如采用膜生物反应器系统进行灵芝多糖的连续发酵，可溶性灵芝多糖可被连续渗透通过膜生物反应器的滤膜。通过连续补充新鲜料液，改善了糖源，减少了菌丝体对多糖的利用，提高了菌丝体的得率和灵芝多糖的产量，菌丝体生长则随稀释率的增大而增大，总的菌丝体干重可比间歇发酵增加20％以上。

但在膜反应器运行过程中，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物浓度与反应罐中产物浓度相同，后续处理比较麻烦；同时，由于泵的使用，该过程能耗较高，而且流体的湍动剧烈容易恶化反应条件，不利于菌体生长。

为了克服这些问题，ZL01108189.9、ZL200520075139.9、ZL 200910026442.2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受到影响，较难满足大规模反应的需求。中者在前者的基础上提出了外环流气升式膜反应器，在该反应器中，膜组件与反应器很好的耦合，但是在该反应器中回流口位于反应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立即逸出排掉，只起到了循环动力的作用，未得到合理利用，造成能量损失。后者在前两者的基础上提出了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，同时具备气升式反应器、膜生物反应器和气提的功能。但该反应器中气提单元的存在，限制了该反应器的应用范围，即对抑制性产物有挥发特性的要求。同时，由于该类反应器的膜组件位于循环管内，增加了气升式反应器的循环阻力，容易造成反应釜内细胞与营养成分分布不均匀。上述这些发明在一定程度解决了膜反应器反应单元-分离单元耦合的问题，但为了进行耦合引入了其他复杂结构而不利于放大，且存在能源利用率低、适用范围较窄、结构复杂、膜易受污染等问题和缺陷。

由此可见，开发出一种新型的应用范围广阔的一体式膜生物反应器，特别是开发出一种适用于发酵领域的一体式膜生物反应器，将膜分离与气升式反应器的优势同时发挥出来，并具有高能量利用效率，具有十分重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的是：为了解决上述在发酵领域所存在的产物抑制和产物消耗作用问题，根据膜分离反应器和气升式反应器的优势以及它们所具有的互相弥补缺点的特征，而提供一种旋转内循环气升式膜生物反应器及其工艺系统。