[发明专利]一种连续相为液体的低剪切力大型生物反应器

说明书

本发明公开了一种连续相为液体的低剪切力大型生物反应器。该大型生物反应器的底部为弧形设计，反应器内壁的表面粗糙度Ra≤0.2，所述大型反应器还包括一个或多个流体分散管，所述流体分散管垂直安装于大型反应器中，所述流体分散管上端为进料端，下端封闭；所述流体分散管上分布有多个开口。本发明的大型生物反应器具有弧形设计的底部，光滑的器壁以及产生低剪切力、高湍流、高运动、非稳态的强传质环境的流体分散管，具有分散效率高、能耗低、抗生物器内附着等优点。

技术领域

本发明属于生物、环保、医药、食品及化工设备技术领域，具体涉及一种连续相为液体的低剪切力大型生物反应器。

背景技术

生物反应器是指人们对生物有机体进行有控制的培养以生产某种产品或进行特定反应的容器。在生物工程的开发与设计过程中，生物反应器是最关键和最重要的设备，其开发技术也是生物工程的核心技术。生物反应器广泛应用于生物、环保、医药、食品及化工等各个领域，其中以液体(通常是水溶液)为连续相的生物反应器最为常见，这也是由生命生存的特性所决定的。常见的生物反应器包括发酵罐、固定化酶或固定化细胞反应器、生物培养罐、生物法尾气处理罐等。

随着现代工业的不断发展，生物反应器的大型化设计已逐渐成为方向，尤其是在食品、医药和环保领域，这种需求更为迫切。目前，生物领域所需的大型和超大型生物反应器仍存在技术空白，难以突破技术瓶颈，生物过程的放大能力已严重限制了生物产业的发展。在大型生物反应器的开发过程中，有两个最为关键的技术难点需要解决：一个是低剪切力条件下的流体分散问题，另一个是生物尤其是微生物的器内附着问题。

流体分散技术是大型和超大型生物反应器的技术难点，也是技术关键，其效果会对反应体系中的传质、传热过程产生直接影响。与化工设备最大的区别在于，由于生物的脆弱性，流体分散最好在低剪切力下进行，以减少剪切力对细胞的伤害，这就使传统的高搅设备受到了限制。

搅拌器是流体分散最常见的方式，其技术也非常成熟，但是应用于大型反应器中，却存在能耗高、设备沉重、维修成本高、密封性差等很多问题，而且放大效应突出，流体状况复杂，模拟计算困难，难以满足大型反应器的开发和设计要求。而最关键的是，搅拌器的分散方式决定了，流体分散越充分，也就意味着更高的搅拌速度和更高的剪切力，也就会带来更高的生物受伤概率，这一矛盾很难解决。

鼓泡床以及类似的气浮式反应器以气体作为强化液体分散的手段，在微生物培养和环保尾气处理中应用较多，但气体本身通常也是关键的反应物，其流量会受到反应工艺的严格限制，而要想满足大型反应器的液体分散要求，就必须要求足够高的气体通量，两者之间的矛盾往往难以解决，而且，大通量气流会引起严重的雾沫夹带现象，对反应极为不利，因此在大型反应器的设计中很少直接采用。

而生物的器内附着也是一个棘手的难题，尤其在微生物培养过程中这一问题更为突出，这一点从舰船和潜艇的外壁生物污染上就可以看出。

因此，针对现有技术中存在的问题，亟需开发一种低剪切力条件下的分散效率高、能耗低、抗生物器内附着的大型生物反应器。

发明内容

本发明的目的是弥补现有技术的不足，解决大型生物反应器低剪切力条件下的液体分散和器内生物附着难题，提供一种连续相为液体的低剪切力大型生物反应器。本发明的大型生物反应器具有弧形设计的底部，光滑的器壁以及产生低剪切力、高湍流、高运动、非稳态的强传质环境的流体分散管，具有分散效率高、能耗低、抗生物器内附着等优点。

为了达到上述的目的，本发明采取以下技术方案：

一种连续相为液体的低剪切力大型生物反应器，所述大型生物反应器的底部为弧形设计，反应器内壁的表面粗糙度Ra≤0.2，所述大型反应器还包括一个或多个流体分散管，所述流体分散管垂直安装于大型反应器中，所述流体分散管上端为进料端，下端封闭；所述流体分散管上分布有多个长方形开口。

在本发明的大型生物反应器中，反应器内壁的表面粗糙度Ra≤0.05。