[发明专利]连续固定化的内置搅拌微膜曝气内循环气升式生物反应器

说明书

本发明涉及连续固定化的内置搅拌微膜曝气内循环气升式生物反应器。包括气升式细胞固定化反应器主体、设置于反应器主体内部的搅拌微膜曝气装置、环绕搅拌微膜曝气装置设置的内导流桶换热器、内导流桶换热器和反应器主体间填充的细胞固定化材料。该生物反应器采用内置潜水电机并用密封罩密封，电机的冷却介质为无菌空气，这样可以隔开物料与电机接触，防止卫生死角，更好地杜绝污染，同时采用内置形式可以大大地缩短搅拌轴的长度，减少由于因搅拌轴过长而引起的振动，并且可以有限度的提高搅拌转速和降低搅拌功率，达到节能减排效果。

技术领域

本发明属于生物反应器领域，涉及一种连续固定化的内置搅拌微膜曝气内循环气升式生物反应器。

背景技术

工业生物技术具有可再生和环境友好等特征，能替代石油化工相关产品，具有广阔的发展前景。工业生物技术的核心技术之一是生物发酵过程，其关键是生物反应器。但是传统式搅拌式生物反应器或气升式生物反应器面临着搅拌或气动能耗高、气液传质（k_La）效率低和氧气利用率低等缺点。特别是高耗氧或高密度发酵过程，氧气供应不足形成缺氧限制，导致发酵效率降低，副产物增加，产品品质下降等。传统式生物反应器缺氧的关键在于气泡粒径较大，气液传质速率较慢，致使氧气利用率较低，因此，一般采用高速搅拌、高通气量或补充纯氧弥补氧气供应不足，又致使能耗和成本进一步增加。降低气泡粒径，增加气液界面接触面积（a）是增加气液传质（k_La）效率的关键。高气液传质效率有助于降低搅拌或气动功率，降低单位能耗。综上所述，降低气泡粒径能增加气液界面接触面积，强化气液传质效率，解除缺氧对发酵过程的限制，最终降低发酵过程能耗，起到节能减排降耗的效果。

微气泡是指直径在1-500 µm之间的小气泡，具有高的气体溶解速率、低的上升速率、长的停留时间、高的泡内压力、大的气液接触面积和低的摩擦阻力等优点，能显著提高k_La值和减低发酵过程单位能耗，非常适合于生物反应器。Hanotu等报道在气升式生物反应器中，微气泡强化气液传质效率，增加酵母产量。微气泡强化气液传质，增强溶氧效率、改善产品质量，降低发酵能耗成本，起到节能降耗作用。微气泡产生方式有多种，如文丘里、喷射器、高速旋转盘、水力旋流器、超声波、微通道和微流体等，但是这些方法面临高剪切应力、高能耗或高昂设备和维修费用等，难以匹配生物反应器发酵过程的基本要求。Ughetti等对比研究了形成微气泡的喷射器生物反应器和传统式搅拌式生物反应器，发现喷射器生物反应器具有更高的k_La值和大肠杆菌的生物量，但是喷射器生物反应器产生高的剪切应力，致使菌体破裂。微孔膜通过膜上的微小孔径，气液膜两侧的跨膜压差形成微气泡，具有剪切力小，气动能耗低等优点，能耦合生物反应器在发酵过程的要求，已成为微气泡生物反应器的首选途径。形成微气泡的微孔膜主要包括陶瓷膜、烧结金属膜和烧结玻璃膜等。Li X等研究了静态陶瓷膜形成微气泡的过程，发现膜孔径、流体流速和气体流速是影响微气泡粒径的主要因素。Wesley等研究了静态金属膜（不锈钢烧结板）形成微气泡的过程，发现微气泡粒径大小与膜表面自由能（疏水/亲水）有很大的关联，疏水表面形成的微气泡粒径更小，分布更均一。现阶段，微孔膜形成微气泡的生物反应器多见于气升式生物反应器，受限于搅拌式生物反应器的分布结构，微孔膜曝气在搅拌式生物反应器鲜有报道。

特别是连续固定化好氧生物反应器更鲜有报道，因此本发明能更好的弥补这方面的空白。

发明内容

本发明的目的是提供一种连续固定化的内置搅拌微膜曝气内循环气升式生物反应器，解决目前连续固定化生物发酵只能应用在厌氧发酵体系，特别是好氧发酵不能使用搅拌器的体系，以及高耗氧、低剪切力的发酵体系。