[发明专利]一种应用于发酵罐的错流导向式搅拌桨

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于发酵罐的错流导向式搅拌桨，可应用于化工、食品、发酵、造纸、纺织等领域，属于化工机械技术领域。

背景技术

搅拌过程是化工、生物、制药、食品、环保等工业中最常见的关键单元操作之一。经过近一个世纪的实验研究和理论探索，当今的流体混合技术已进人快速发展时期，开发了各种不同应用和具有独特性能的搅拌系统，并积累了大量可用于分析和预测混合体系的设计经验和关联式。但由于流体混合体系的多样性和物料流变特性的复杂性，搅拌系统很难采用统一的型式和构造。针对不同的流体特性和搅拌混合需求，开发独具特色和高效节能的搅拌系统是大规模搅拌技术的核心追求目标。目前，国际上搅拌混合技术的研究主要集中在专业混合设备公司，如美国Lightnin、Chemineer等公司、德国EKATO公司、法国Robin公司等。它们不但有自己的设备制造厂，而且在研发上投入巨额的资金来开发各种应用场合的新型搅拌系统。

在生物发酵领域，特别是通风发酵过程中，典型的径向流搅拌桨如Rushton、Chemineer CD-6和Chemineer BT-6，典型的轴向流搅拌桨如Lightnin A200（45o斜叶桨）、Lightnin A310、Lightnin A315和Lightnin A320。径向流搅拌桨Chemineer BT-6显著提高了发酵过程中的气液两相分散效果，轴向流搅拌桨Lightnin A315和Lightnin A320兼具混合和气液分散的功能。径向流搅拌桨与轴向流搅拌桨的高效组合改变了通风发酵搅拌系统高能耗的基本面貌，在中低粘度发酵系统中获得了众多成功应用。

在高粘度通风发酵过程中（如微生物多糖生物合成和丝状菌体培养），高粘度体系使气液两相传质和传热成为限制生物反应器放大规模的瓶颈。由于高粘度发酵液多具有拟塑性流体的特征，在高速旋转的搅拌桨附近，能获得较好的传质和传热效果，但在远离搅拌系统的罐壁附近，流体则几乎处于停滞不动的状态，位于此处的微生物常因缺氧和无法散热导致代谢失常，积累代谢副产物，甚至导致死亡，严重影响发酵产率和生产效率。对于这种高粘度发酵体系，理想的搅拌系统是由发酵罐中心的高速搅拌系统和罐壁附近的低速螺带搅拌系统组成的共轴搅拌系统（Industrial & Engineering Chemistry Research，2005，44， 5036-5043），但底部搅拌系统的机械密封易损，给发酵过程的无菌操作带来高风险，一直影响其在发酵工业的实际应用。近年开发的Intermig桨（Chemical Engineering Science, 2004, 59(18): 3793 - 3805）由于兼具轴向流和末端高剪切的特征，特别适用于罐壁附近处流动停滞和传热不佳的场合，在中高粘度的拟塑性流体系统中获得了应用。但在搅拌桨末端处，高速旋转产生的高剪切力对于丝状菌体等微生物细胞带来潜在的损伤，将对微生物的生长和正常代谢带来不利影响。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种新型高效的错流导向式搅拌桨，同时兼具良好的轴向混合和气-液分散效果，特别适用于于中、高粘度拟塑性体系的传质和传热过程，而且制造简单，成本低廉。

本发明的技术方案：一种应用于发酵罐的错流导向式搅拌桨，包括轮毂3、弧面斜叶桨2和错流导向管1；

所述轮毂3中心结构为中空圆柱形，轮毂直径一般为搅拌桨直径的1/20~1/5，轮毂的高径比相近，可根据搅拌条件和材料强度进行计算，轮毂上安装有弧面斜叶桨2，轮毂和弧面斜叶桨采用焊接方式连接；轮毂既可以是开式的，也可以是闭式的，可根据不同工况进行选择；

所述弧面斜叶桨2截面为圆弧形，弧面向上凸起，旋转运动时可以形成下压式轴向流；弧面斜叶桨2的数量为2~4片，弧面斜叶桨在轮毂上对称布置，弧面斜叶桨末端设置有错流导向管1；

所述错流导向管1是等径弯管或异径弯管，入口直径与出口直径之比为1.0～2.0︰1，入口直径为搅拌桨直径的1/15～1/8，入口朝下而出口朝上，错流导向管的安装面与搅拌桨的旋转平面呈一夹角，夹角为15o～45o，错流导向管的入口平面与弧面斜叶桨末端轨迹线的切线相垂直，出口平面面向末端轨迹线的外侧后上方（见附图1）；错流导向管1与弧面斜叶桨2采用焊接方式连接；

搅拌桨的直径是发酵罐直径的1/2～4/5。搅拌桨运动过程中，能吸引流体向外侧后上方流动，并冲击至罐壁，与弧面斜叶桨形成的下压式轴向流形成错流，有利于流体混合、气液分散和强制传热。