层流式搅拌装置及发酵罐

技术领域

本申请涉及发酵技术，尤其是涉及一种层流式搅拌装置及发酵罐。

背景技术

厌氧发酵是借助微生物在无氧条件下的生命活动制备直接代谢产物或次级代谢产物的过程，目前我国厌氧发酵方面的主要应用为沼气的制备，提高能源的再利用率。厌氧发酵过程主要分为水解、酸化和产甲烷三个阶段。

有机物质被微生物酶解为小分子化合物的过程称为水解阶段；在不产甲烷微生物群作用下将小分子化合物转化为有机酸、醇、二氧化碳、氢和胺等物质的阶段称为酸化阶段；第二阶段产物被产甲烷细菌分解成甲烷和二氧化碳的过程称为产甲烷阶段。三个阶段均对应不同的优势微生物菌群，且由于厌氧发酵罐内不同高度层间的环境不同会自然驱使这三类优势菌群分层形成优势发酵区。而现有技术中的厌氧发酵罐中用于机械搅拌传质的装置大多采用全混式传质，搅拌器通常采用置顶式、侧入式、潜水式或者混合式，全混式传质搅拌的厌氧发酵罐内没有明显的阶段划分，存在不同程度的流场质点速度分布不均匀、无效能量占比大、无法建立优势菌群或优势菌群不明显、耗能大的问题。

因此，发明人认为亟需提供一种可实现同层间微搅拌传质的搅拌装置以及发酵罐。

发明内容

为了使发酵罐内搅拌传质的过程中，不同高度层间的优势菌群不易相互混合，本申请提供一种层流式搅拌装置及发酵罐。

一种层流式搅拌装置，包括：中心柱，设置于发酵罐内；

搅拌组件，包括转动连接于所述中心柱上的横梁；

驱动组件，用于驱动所述横梁绕中心柱作周向运动；

所述搅拌组件还包括固定于横梁下方的支撑杆，以及多个沿支撑杆长度方向固定设置的桨叶，所述桨叶随横梁周向转动，用于扰动发酵罐内所述桨叶相对应的高度层内的优势菌群。

在其他实施例中，所述横梁下方设置多个支撑杆，相邻两个所述支撑杆之间沿长度方向固定有多个连接杆，每个连接杆上固定设置有至少一个所述桨叶。

在其他实施例中，所述桨叶呈条形板状结构，所述横梁和支撑杆的所在平面与桨叶的板面相交但不相互垂直。

在其他实施例中，所述横梁上设置有至少一个内循环泵，所述内循环泵包括至少两个沿轴向间隔设置的输送单元，所述输送单元包括螺旋轴和套管。

在其他实施例中，所述内循环泵还包括设置于两个输送单元之间的间隔单元，所述间隔单元包括两端分别连接于相邻两个所述螺旋轴的连接轴，以及套设于所述连接轴外的支撑管。

在其他实施例中，所述驱动组件包括液压马达和驱动轮，所述液压马达固定于横梁远离所述中心柱的一端，所述液压马达的输出轴与所述驱动轮连接。

在其他实施例中，所述横梁上固定设置有破壳器，所述破壳器至少设置有一个用于破壳的尖端。

一种发酵罐，包括罐体，所述罐体内设置有所述的层流式搅拌装置。

在其他实施例中，所述罐体内设置有清砂组件，所述清砂组件包括破砂件和送砂件，所述破砂件包括螺旋杆和驱动马达，所述螺旋杆转动连接于支撑杆的下端，所述驱动马达连接于支撑杆并用于驱动螺旋杆转动；所述送砂件包括螺旋输送机，所述螺旋输送机用于螺旋杆推动的沉砂输送至罐体外。

在其他实施例中，所述送砂件还包括用于收集沉砂的收砂筒，所述螺旋输送机连通于收砂筒，所述中心柱设置有刮砂器，所述刮砂器包括从动环、刮砂板和主动件，所述从动环转动连接于中心柱，所述主动件连接于支撑杆且主动件用于驱动从动环旋转，所述刮砂板连接于从动环的下端面，且刮砂板用于将沉砂扫入收砂筒内。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1.驱动组件可带动横梁绕中心柱圆周运动，而轨道可给予横梁支撑力，提高横梁旋转或摆动过程中的稳定性，支撑杆随横梁转动过程中可带动桨叶扰动发酵罐内的物料，提高发酵罐内物料的传质效果，且桨叶水平扰动物料过程中不产生涡流和竖直方向上的移动，不易使得不同的优势菌群发生相互混合的情况；此外，内循环泵可将不同高度层间高密度区域的菌群输送至低密度区域，桨叶可配合内循环泵，使得输送的菌群快速分散，提高同一高度层间菌群密度，以此提升发酵效率；

2.螺旋杆可将罐体底部的沉砂破开并推动至收砂筒开口附近，并由主动件驱动刮砂器旋转，将收砂筒附近的沉砂刮入收砂筒内，最后由螺旋输送机输送至罐体外，除砂效果更佳，且通过收砂筒聚集沉砂统一清除可减少罐体内物料随沉砂一同排出的情况，减少原料的浪费。

附图说明

图1是本申请实施例的结构示意图。

图2是本申请实施例罐体的局部结构示意图。

图3是本申请实施例层流式搅拌装置的结构示意图。

图4是图2中A部位和B部位的放大示意图。

图5是本申请实施例内循环泵的结构示意图。

附图标记说明：1、中心柱；11、液压油分配器；101、轨道；2、搅拌组件；21、横梁；211、破壳器；22、支撑杆；221、连接杆；23、桨叶；3、驱动组件；31、液压马达；32、驱动轮；4、内循环泵；41、驱动件；42、输送单元；421、螺旋轴；422、套管；423、连接条；43、间隔单元；431、连接轴；432、阻断盘；433、支撑管；5、罐体；51、进料管；52、出料管；6、清砂组件；61、破砂件；611、螺旋杆；612、驱动马达；613、破砂齿；62、送砂件；621、收砂筒；622、螺旋输送机；63、刮砂器；631、从动环；632、刮砂板；6311、环片；6312、立杆；633、主动件；634、传动齿轮。

具体实施方式

以下结合附图1-5对本申请作进一步详细说明。

本申请实施例公开一种层流式搅拌装置及发酵罐。

参照图1，一种发酵罐包括罐体5，罐体5呈圆筒状结构且其上开口密封盖合有膜顶，以用于容纳厌氧发酵后生成的沼气并及时导出至罐体5外的沼气收集装置中。参照图2和图3，罐体5内设置有层流式搅拌装置，层流式搅拌装置包括中心柱1、搅拌组件2和驱动组件3。中心柱1竖向固定于罐体5的罐底并与罐体5同中心轴线。搅拌组件2包括横梁21、支撑杆22和多个桨叶23，横梁21可以通过轴承座转动连接于中心柱1的上端，横梁21的中部也可直接转动连接安装于中心柱1上端，支撑杆22一端吊设于横梁21的下方，多个桨叶23固定于支撑杆22并沿支撑杆22的长度方向分布，以使得横梁21绕中心柱1做圆周运动过程中能带动支撑杆22和桨叶23一同水平周向移动，不同高度的桨叶23水平扰动罐体5内相应高度层的优势菌群，且桨叶23移动时不产生涡流或轴向高度的改变，继而不容易将不同的优势菌群搅动混合。

为了提高搅拌组件2对罐体5内同层范围的物料的搅动效果，在横梁21下方设置多个支撑杆22且多个支撑杆22沿横梁21的长度方向等距分布设置，以提高搅拌组件2中桨叶23的数量，增加搅拌传质的效率。相邻两个支撑杆22之间自上而下设置有多个连接杆221，连接杆221的两端分别焊接于相邻两个支撑杆22，以提高搅拌组件2的整体结构稳定性。每个连接杆221上固定穿设至少一个桨叶23，水平扰动罐体5内相应高度层的优势菌群。

在本实施例中，为了提高桨叶23的搅拌效果，桨叶23呈条形板状结构且桨叶23的板面竖向设置，横梁21和支撑杆22两者的所在平面与桨叶的板面相交但不相互垂直，以使得桨叶23随横梁21周向移动的过程中，桨叶23一侧表面起到导流作用，减少桨叶23扰动物料的阻力。

参照图4中A部位放大图，罐体5的内壁固定有呈环状的轨道101，轨道101与罐体5同中心轴线设置，驱动组件3安装于横梁21并用于驱动横梁21绕中心柱1旋转，驱动组件3包括液压马达31和驱动轮32，液压马达31的缸体固定于横梁21，驱动轮32与液压马达31的输出轴连接，且驱动轮32设置于轨道101。液压马达31驱使驱动轮32转动后，驱动轮32可沿轨道101的轮廓行走，以此驱动横梁21的自由端于轨道101上进行周向转动或往复摆动。值得一提的是，液压马达31可替换为驱动马达或气动马达，由于厌氧发酵过程需要尽可能减少设备中产生点火花引爆发酵罐的安全隐患，本实施例中用于驱动的动力源均采用液压驱动方式。中心柱1的上端安装有液压油分配器11，液压油分配器11可将罐体5外的液压油导入至液压油分配器11，再由液压油分配器11将液压油分配至液压马达31，为液压马达31提供驱动力。

在其他实施例中驱动组件3也可仅包括液压马达31，液压马达31的缸体固定于中心柱1上端，液压马达31的输出轴固定于横梁21的端部，从而液压马达31即可直接驱动横梁21旋转，为减少液压马达31受力损坏，横梁21朝向轨道101的一端可连接滚轮，横梁21的另一端通过滚轮滚动连接于轨道101，减少横梁21发生倾斜导致液压马达31损坏的情况。

在一些实施例中，横梁21的下方固定有多个破壳器211，多个破壳器211沿横梁21的长度方向分布设置。破壳器211设置有两个尖端，当横梁21带动破壳器211旋转时，破壳器211的可破开物料液面的结壳并将结壳压入液面以下，达到破壳的效果。破壳器211内部为空腔设置，以使得破壳器211可为横梁21提供一定的浮力，减少横梁21的受力。

考虑到常规发酵罐进料过程会影响搅拌装置的运作，参照图1，本实施例的罐体5侧壁下端设置有多个进料管51，多个进料管51沿罐体5的周向分布设置，罐体5侧壁上端同样设置有多个出料管52，进料管51与出料管52一一对应且进料管51位于出料管52的竖直正上方。进料或出料过程中，工作人员可开启相对应的一侧进料管51和出料管52，并设定搅拌程序，使液压马达31能驱动横梁21自由端于远离进料或出料的位置往复搅拌，若进料结束可改变搅拌程序，使横梁21能周向转动全面的扰动罐体5内的物料，此时，进料过程对层流式搅拌装置影响较小，减少层流式搅拌装置的损坏，同时罐体5内也可进行不间断的轮流进料或出料。

参照图5，横梁21设置有内循环泵4，内循环泵4包括驱动件41、两个输送单元42和设置于两个输送单元42之间的间隔单元43，驱动件41选择使用液压马达，本发明驱动件41应用环境为发酵罐内，考虑到安全性能本发明优先选择使用液压马达，输送单元42和间隔单元43沿轴向排布设置，输送单元42包括螺旋轴421和套管422，间隔单元43包括连接轴431、阻断盘432和支撑管433，两个螺旋轴421和连接轴431一体成型且三者同中心轴线设置，螺旋轴421设置于套管422内腔，螺旋轴421和套管422之间留有空隙以用于物料的传导，套管422的上端固定于横梁21，套管422的上端焊接有连接条423，驱动件41通过至少一个连接条423固定于套管422上，且驱动件41的输出轴与螺旋轴421连接，从而驱动件41可驱动螺旋轴421旋转并将物料推入套管422内，实现把同一高度层的高密度菌群区内的优势菌群输送至同高度层低密度菌群区，提高菌群密度的功能。

输送单元42和间隔单元43的数量可根据具体发酵工艺中不同菌群的数量或不同的分布层数设置。

支撑管433和相邻两个套管422之间设置有多个连接条423，连接条423一端焊接于支撑管433，连接条423的另一端焊接于套管422，支撑管433和套管422之间留有用于进料或者出料的开口，因此，支撑管433位于两个套管422之间并且起到过渡连接的作用，既保证能将两个输送单元42间隔开的作用，又能起到连接两个套管422增加结构稳定性的作用。此外，连接轴431穿设于阻断盘432，阻断盘432位于支撑管433的内腔且阻断盘432呈圆盘状结构，阻断盘432的外侧边沿抵接于支撑管433的内壁，当从下方向上输送的物料具有一定上移的趋势，并持续向上运动时，阻断盘432可及时阻断上移的趋势，使得上方的输送单元42不易将下方输送的物料抽入并输送至不同的菌群区，达到在保证物料传质的情况下减少菌群混合。

套管422的上端开口形成溢料环，溢料环与套管422同中心轴线设置，溢料环呈圆盘状结构，且其轴向截面呈喇叭状结构，使得物料从套管422的出料口导出时，扩口状的斜面可对物料进行支撑和引导，使物料能沿水平方向铺展。支撑管433同样在上开口处设置有溢料环，该溢料环可阻挡继续向上移动的物料，使物料沿着内圆边与外圆边之间的侧壁外部向下移动。这样设置能够减少位于间隔单元43下方的输送单元42传递的优势菌群被其上方的输送单元42的进料口吸入。

当内循环泵4将同一高度层间的高密度区的菌群输送至低密度区时，搅拌组件2可水平搅动被输送的高密度菌群，使得同一高度层间的菌群密度增加，提高发酵效率。当然需要说明的是，由于实施例的发酵工艺为厌氧发酵，因此，水解菌、酸化菌和产甲烷菌这三种优势菌群会沿罐体5的高度方向依次分层，本实施例所指的同一高度层间的菌群即是三类优势菌群所处的高度层间。

为了解决罐体5内沉砂的情况，参照图4进一步叙述，罐体5内设置有清砂组件6，清砂组件6包括破砂件61和送砂件62，破砂件61包括螺旋杆611和驱动马达612，驱动马达612可选择使用液压马达或气动马达，考虑到本发明的应用环境为发酵罐中，驱动马达612优选为液压马达，螺旋杆611穿设并转动连接于支撑杆22的下端，驱动马达612固定于支撑杆22，螺旋杆611固定于驱动马达612，驱动马达612可驱动螺旋杆611旋转，螺旋杆611旋转过程中，其螺旋叶片可将罐体5罐底的沉砂破开，并逐步将破开的沉砂推至一侧便于后期排出。当然，螺旋杆611可设置多个且每节螺旋杆611的两端分别转动连接于相邻两个支撑杆22，螺旋杆611之间通过联轴器连接。此外，为了提高螺旋杆611的破砂效果，螺旋杆611螺旋叶片的外侧边沿成型有多个破砂齿613。

送砂件62包括收砂筒621和螺旋输送机622，收砂筒621呈上开口的桶状结构且中心柱1下端插设于收砂筒621内，收砂筒621位于螺旋杆611朝向中心柱1的一端，螺旋输送机622的进料口连通收砂筒621的内腔，螺旋输送机622的出料口设置于罐体5的外侧，因此，当螺旋杆611将物料推动至收砂筒621后，开启螺旋输送机622即可将收砂筒621内的沉砂输送至罐体5外侧，完成除砂工作。

由于螺旋杆611推动的沉砂容易散落于收砂筒621开口附近，降低除砂的效果。因此，本实施例的中心柱1设置有刮砂器63，刮砂器63包括从动环631、多个刮砂板632和主动件633，主动件633可采用与驱动组件3相同构件，如液压马达。为了提高结构的紧凑性，主动件633可直接与驱动马达612的缸体固定连接，主动件633也可固定于支撑杆22，主动件633的输出轴固定有传动齿轮634。

从动环631包括两个结构相同的环片6311和多个沿环片6311的外圈边沿分布设置的立杆6312，从动环631的内圈边沿转动连接于中心柱1并以中心柱1的中心轴线为转动轴线，立杆6312穿设于两个环片6311，传动齿轮634的齿顶插设于相邻两个立杆6312之间，并通过传动齿轮634的传动推动从动环631旋转。在其他实施例中从动环631也可直接采用齿轮，从动环631和传动齿轮634啮合，以使得传动齿轮634能驱动从动环631旋转。

刮砂板632呈条形板状结构且其固定于从动环631的下端面，多个刮砂板632以从动环631的中心轴线为圆心呈放射状背离其圆心延伸，刮砂板632的长度大于收砂筒621的半径。因此，当从动环631由传动齿轮634带动旋转后，刮砂板632可将收砂筒621附近的沉砂刮入收砂筒621内，提高收砂效率。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。