一种多相分散的自吸式生化反应器

摘要

本发明涉及一种多相分散的自吸式生化反应器，特别涉及适用于石油生物脱硫等油水两相或多相生化反应器。包括反应器外壳，其上端盖上开有进气孔和出气孔，进气孔上端为圆形敞口容器，出气孔为细长管；反应器内安装空心转轴、带孔的空心转盘及固定于空心转轴中下部的轻、重液相分散器；空心转轴的中上部开一小孔。反应器工作时，空心转轴在驱动马达的带动下以一定转速带动液相分散器旋转，实现自吸无菌空气和轻重相的互相分散混合。该反应器具有省气、省功率、剪切力低，能为反应介质提供良好的传质传热反应界面、又能有效的避免乳化现象等特点。

说明书

                             技术领域

本发明涉及化学、生物化工领域中气、液两相或气、液、固三相化工操作反应器，特别涉及一种多相分散的自吸式生化反应器。

                             背景技术

生化反应器是为生物催化剂(微生物细胞或酶)提供良好的反应环境以完成生物催化反应的设备，常称为发酵罐。一个优良的生化反应装置应具有良好的液体混合性能，较高的传质、传热速率，同时还应具有配套而又可靠的检测及控制仪表。

随着石油及石化工业的发展，对含油废水及石油燃料燃烧过程中废气排放的治理已引起高度重视。利用生物技术来降解有毒、有害有机物的方法因具有成本低、费用省、反应条件温和、对环境影响小、无二次污染等优点已成为治理环境污染的有效途径之一。比如，正在兴起的柴油生物催化脱硫技术，以其具有的选择性高，副反应少，反应条件温和，设备投资少，对燃料热值影响小，能脱除加氢脱硫难以处理的二苯并噻吩及其衍生物等优点，逐渐成为令人瞩目的清洁燃料生产技术，有望成为传统加氢脱硫过程的辅助途径来进行含硫燃料的精加工。

要使石油生物脱硫及生物废水降解技术的工业应用得以扩大，必须设计适用于生物过程的反应器。目前研究较多的主要有通气搅拌釜反应器、气升式反应器、流化床反应器、固定床反应器和膜反应器，这些反应器各有优缺点。通气搅拌反应器，机械搅拌的作用使得气体与反应液混合更加充分，溶氧系数较高；操作方便，适应性强，pH值和温度等技术参数容易控制。但这种发酵罐也存在一些缺点：发酵罐内部结构比较复杂，不容易清洗干净，容易造成杂菌污染；机械搅拌需要传动装置，动力消耗大；更主要的问题是机械搅拌反应器内较大的剪切力不利于微生物生长，且会引起油水反应系统的严重乳化现象，使得油水分离困难，影响油品的回收率。

气升式反应器依靠空气流动带动发酵液循环流动，反应器中心安装一个竖直的空管(导流筒)，进气喷管从外管锥形底端插入，喷嘴与导流筒平齐，当空气以一定流速吹入时，在导流筒中造成负压，周围的固体、液体从底部被吸入导流筒中，并被具有较大动能的气体携带到顶部，再返回中心管外，如此循环往复，从而达到搅拌混合，并进行化学反应。在这种反应器中没有运动部件，动力消耗少，且结构比较简单。但气升式反应器应用于轻、重两个互不相溶的液相反应时，一般由于轻相与重相中的液体相比，数量少，密度差较大，在吹气过程中一部分轻相只能漂浮在重相上面，无法实现两相均匀混合，反应器内传质效果较差，并且轻相极易被通入的气体携带挥发，影响反应进行。固定床反应器中由于存在无氧死角，影响流体的流动、传质及微生物的生长；流化床反应器及用于生物脱硫过程的电喷射反应器如文献：Kaufman E N，Harkins J B，Borole A P.Appl.Biochem.Biotech.1998，73，127-144所述的：由于反应过程中强烈的乳化现象及较高的操作费用也给工业应用带来一定困难。因此设计具有良好混合特性的生化反应器已成为石油生物脱硫技术实现工业化的迫切要求。

                               发明内容

本发明的目的在于克服已有反应器的缺点，为了使轻重两相介质在反应器内完全均匀混合反应，增大轻相介质与微生物接触面积，从而提供一种结构简单、设备制造及能耗费用低、低剪切力的，符合含油废水生物治理及生物脱硫工艺的工业应用的多相分散的自吸式生化反应器。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提供的多相分散的自吸式生化反应器包括：反应器壳体、反应器上端盖、空心转轴、空心转盘及轻、重液相分散器等；其特征是：

一圆筒形或U型反应器壳体(11)，在反应器壳体(11)上口盖有一上端盖(1)，上端盖上开有进气孔(16)和出气孔(8)；进气孔(16)上端为圆形敞口容器(7)，在其敞口上覆以无菌过滤膜，气体经无菌过滤膜除菌后进入反应器；出气孔(8)为长细管，其最上端亦以无菌过滤膜包裹。在反应器壳体上开有轻相取样口(9)和重相取样口(10)。

反应器内安装上端封口的空心转轴(2)、带孔的空心转盘(3)及固定于空心转轴中下部的轻、重液相分散器(5、6)；空心转轴的中上部开一小孔(4)，空心转轴和驱动马达相连，驱动马达带动空心转轴旋转；空心转盘(3)上均匀分布多个细孔，空心转盘(3)腔体与空心搅拌轴的空腔相连通；

轻、重液相耦合分散器为上下两端开口的空心圆柱体，其特征在于：所述的轻、重液相耦合分散器为固定在空心转轴上与空心转轴同心、上下均为敞口的一个、两个或多个细管，轻相分散器下端(13)弯曲向上，重相分散器上端(14)弯曲向下，保证使轻相分散器细管的入口(12)高于重相分散器细管的出口(14)，轻相分散器细管的出口(13)也高于重相分散器细管的入口(15)；轻相分散器细管和重相分散器细管依次相间排列。

在以上所述的反应器内安装加热管，加热管与外部的控温器电联接，或在反应器底壳上安置一外换热式的通冷热水的夹套，使反应器内温度控制在适应生物生长及反应的范围内。

本发明多相分散的自吸式生化反应器中气体和流体循环分为三部分：

A、工作时，空心转轴在驱动马达的带动下以一定转速带动液相分散器旋转，在空心转轴中上部开口处和轻相分散器上口和重相分散器下口同时产生负压，在空心转轴中上部开口处实现自吸无菌空气，无菌空气沿空心转轴空腔到达转盘的底部并通过细孔被甩出；

B、工作时，在轻相分散器上口产生负压，轻相沿轻相分散器套管向下流动到达出料口将有机轻相均匀分散在重相中。轻相液滴在上升过程中与重相接触并实现传质。

C、工作时，在重相分散器下口产生负压，重相沿重相分散器套管向上流动到达出料口将重相均匀分散在轻相中。重相液滴在下降过程中与轻相接触实现传质。

通过上述的过程实现轻重两相同时逆向流动混合分散完成生化反应过程。本发明多相分散的自吸式生化反应器中流体达到稳定时三个循环同时进行，达到均匀混合并反应的效果。

本发明提供的多相分散的自吸式生化反应器具有下述优点：

本发明提供的多相分散的自吸式生化反应器有效地解决了轻重两相介质在反应器内的均匀混合问题，能有效的避免乳化现象，且该设备投资小、易操作、易放大(如到100m³)；工作电机转速要求不高，通过低速搅拌实现自吸无菌空气，不需要其他气源供应压缩空气，节省了空气压缩系统及其设备，更重要的是较低转速下对溶液的剪切力也低，有利于微生物细胞等生物物质活性的保持。本装置可用于间歇油水反应操作和连续油水反应过程。本发明适用于生物化工、湿法冶金、制药工业、石油化工、食品工业等油水反应工艺。

下面结合附图及实施例进一步描述本发明：

                           附图说明

附图1为：本发明反应器结构纵剖示意图

附图2为：本发明反应器轻相分散器的结构示意图

附图3为：本发明反应器重相分散器的结构示意图

附图4为：本发明反应器中反应介质的扩散过程及分散状况示意图

附图5为：本发明实施例3，分别在多相分散的自吸式生化反应器和普通摇瓶中进行柴油生物催化脱硫实验的脱硫曲线图。

图标名称：

1.上端盖       2.空心转轴    3.转鼓    4.空心转轴小孔  5.轻相分散器

6.重相分散器   7.圆形敞口    8.出气孔  9.轻相取样口    10.重相取样口

11.反应器外壳  12.轻相分散器入口  13.轻相分散器出口    14.重相分散器出口

15.轻相分散器入口    16无菌过滤膜    17进气孔

空气      轻相液滴    重相液滴

                            具体实施方式

实施例1：

请参见图1～4，按照前述的反应器的连接关系制作一可用作生化反应的多相分散的自吸式生化反应器。

本实施例提供的多相分散的自吸式生化反应器其内径为74mm，高135mm，体积为500mL。空心转轴内径为6mm，在上端开一小孔，孔径为4mm。空心转盘直径为40mm，厚度为20mm，在空心转轴四周均匀分布8个4mm的小孔。轻重相分布管高54mm，管径均为5mm。将轻相分布管和重相分布管各2个依次间隔焊接在空心转轴上。反应器外壳为圆形外筒，反应器上口盖有一上端盖，上端盖上开有进气孔和出气孔，进气孔上端为圆形敞口容器，出气孔接细长硅胶管。空心转轴通过反应器上端盖上的垫圈、螺母和螺杆与电动搅拌器马达密封连接。

实施例2：

按实施例1制作的，并在实施例1已制作好的反应器内装电加热管，加热管与外部的控温器电连接，或在反应器外壳下半部分安置一外换热式的通冷热水的夹套，与外部的控温器电连接。

实施例3：

利用在实施例1或实施例2制作的多相分散的自吸式生化反应器中生物催化脱除柴油中硫的应用。其步骤如下：

(1)将50mL加氢柴油和300mL 0.1mol/L的磷酸盐缓冲液(含10g/L甘油)加入到多相分散的自吸式生化反应器中，并加入一定量的红平红球菌(Rhodococcuserythropolis LSSE8-1，CGMCC NO.0643)的菌体，使菌量浓度达到约20～40g/L。圆形敞口和出气孔覆以无菌过滤膜。

(3)将该反应器放置于30℃的水浴中，开动驱动马达，使反应进行。以相同条件下的普通摇瓶试验作为对照。本发明反应器在开始搅拌时，在空心转轴中上部开口处和轻相分散器上口和重相分散器下口同时产生负压，在空心转轴中上部开口处实现自吸无菌空气，油相沿轻相分散器套管向下流动到达出料口将油相均匀分散在水相中，水相沿重相分散器套管向上流动到达出料口将水相均匀分散在重相中，这三种循环很快使油水混合均匀。

(4)反应时间为24h，每隔8h从取样孔中取样。离心后油相用RPA-200微库仑滴定仪(江苏江环分析仪器有限公司)测柴油中的硫含量。结果见图5。

由图5可见，利用本发明的多相分散的自吸式生化反应器进行柴油生物脱硫实验后，柴油硫含量从533.22μg/g降到82.82μg/g，脱硫率达到84.5％，显著优于普通摇瓶实验。