[发明专利]一种高粘度生物反应器

说明书

本发明属于微生物发酵工程

微生物多糖是由某些微生物发酵产生的胞外水溶性胶。尤其是黄单胞菌胶具有优良的性能和比较全面的功能，用途广泛，市场前景广阔。但黄单胞菌胶粘度极高，发酵时粘度变化可达2000-10000cp，这就对反应器提出了更高的要求。目前国内外进行聚多糖类高粘度物质发酵生产大部分采用传统的机械搅拌罐，由于采用涡轮式搅拌器其混合性能很差。近年来改进的搅拌缸主要是将搅拌器改成螺带式，氧传递效果虽有改进，但不明显，缺点是微观剪切效果不好。当代有些学者也正在研究用气升式来代替搅拌罐进行高粘度发酵，由于气体消耗量极大，混合效果未较搅拌罐有所改进，气升式搅拌反应器不适合生产高粘度物质，因为单管喷出的气流遇到高粘度液体很难形成小气泡，在苏格兰召开的国际生物反应器会议上，西德慕尼黑大学A.Mermann提出一种最新型高粘度生物反应器。（见G.W.Moody：Bioreactors  and  Biotransformations  Paye  287-296）是利用一个旋转式离心装置来进行动态混合，效果不错，但由于其构造复杂，距实用还有一段距离。目前高粘度生物反应器的研制是一个当代发酵工程领域中的世界性难题。

本发明的目的就是为了解决上述几种高粘度生物反应器所存在的问题，而设计出一种新型高粘度生物反应器。

本发明的要点是：这种由泵（5）、反应罐（7）、循环管（6）组成的高粘度生物反应器，其特征是该高粘度生物反应器采用一个由静态混合器（3）、泵（5）、循环管（6）组成外循环装置，循环管（6）从反应罐（7）的底部接出，经过泵（5）、静态混合器（3）从反应缸（7）的顶部回到反应罐（7）内部，并在反应缸（7）内的底部有一个挡气板（9）。其结构见附图1。

反应罐（7）内的挡气板（9）选为圆形，直径为反应罐（7）直径的1/2，在反应罐（7）内部中央，距反应罐（7）底部10cm，用支架（10）把它接在反应罐（7）的内壁上。其结构见附图1。

静态混合器（3）装在静态混合器管（2）内，静态混合器管（2）的两端是带有网眼的挡板。静态混合器（3）含有多个静态混合单元，每个静态混合单元是两种Kenics和Sulzer静态混合器的组合，但结构有所不同。在Kenics静态混合器中，每个叶片旋转180°，而在本发明的静态混合器（3）中，每个叶片旋转360°。组合方式是先在静态混合器管（2）底部，先交替排列重叠5块斜波纹板，往上再接两片扭曲成360°彼此错开90°的叶片，然后再接交替排列重叠5块斜波纹板，依次类推，组成多个静态混合单元，每个旋转叶片的长宽之比为L∶D＝2.5每个静态混合单元的长宽之比为L∶D＝7。见附图2。

循环管（6）从反应罐（7）的顶部插入反应缸（7）内，其循环管（6）的管口应放在距反应缸（7）底部 1/3 - 1/2 处，附图1。

该高粘度生物反应器所需的泵可用采用多种形式其中以螺杆泵最佳，螺杆泵泵壳与轴之间采用端面轴封。泵定子是用1/4硅橡胶胶和3/4天然橡胶压制而成的耐温合成定子，定子表面镀有一层特殊的耐磨材料石墨体。高粘度生物反应器工作时要空消，空消时反应罐（7）和螺杆泵（6）二者分离，反应罐（7）用常规方法饱和蒸汽空消。螺杆泵（5）用千分之一的过氧乙酸空消30分钟待用。反应罐（7）内装料实消在实消结束前5分钟时，将螺杆泵（5）与反应缸（7）联好启动螺杆泵（5）运转对整个反应器系统实消，5分钟后向夹套（8）内通冷却水至室温，无菌空气保压待接种。发酵操作时气液成为0.5-0.9vvm，反应缸（7）循环时间为10-20分钟循环管（6）内流速控制在2m/sec。

通常一般的生物反应器仅在液体粘度低于2000cp时满足溶氧要求，当液体粘度在2000cp以上时无法满足溶氧要求。而本发明由于采用了静态混合器（3）、螺杆泵外环流结构，以“静态”混合代替动态混合，较成功地解决了高粘度液缸内气-液混合难题，能够满足高粘度下的溶氧要求。提高了氧传递效率降低了能耗，并且提高了发酵生产率，该高粘度生物反应器具有结构简单，易拆洗，操作方便等优点，并且对菌无任何生理不利影响;由于改善了氧传递效果，代谢产品的质量也提高了它向解决高粘度发酵的这个世界性难题迈出了一大步。下面是一组数据比较。

表1  四种反应器溶氧性能比较

反应器 体积溶氧传质系数KLa<hr^-1>

类型  通气量  多糖<Xanthan>浓度

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