CN218561429U - 一种用于将气泡注入液体的喷射器系统 - Google Patents

Abstract

一种用于将气泡注入液体的喷射器系统，用于在反应器如生物和化学反应器内产生细小气泡。喷射器系统定位在反应器内并且包括支撑板、与支撑板接合的多个环形护罩、以及定位在环形护罩内的喷射器，所述环形护罩限定了环形护罩的内表面和对应的喷射器的外表面之间的间隙。液体流过环形护罩的内表面和喷射器的外表面之间的限定间隙。液体通过间隙的加速在喷射器的外表面剪切气泡，产生气泡或细小气泡。

Description

一种用于将气泡注入液体的喷射器系统

相关申请的交叉引用

本申请要求于2021年11月3日提交的美国临时专利申请第63/263,507号的权益，所述美国临时专利申请的全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本文所述的实施方式一般涉及用于将气泡注入液体的系统和方法。具体而言，本文公开的系统和方法一般涉及用于在化学或生物反应器内产生气泡或细小气泡并将其注入液体肉汤中的动态喷射器。此外，本文公开了用于在含有生物发酵碳底物以生产有用产物如乙醇或其他化学品的液体微生物培养物的生物反应器内注入气态碳底物细小气泡的系统和方法。

背景技术

喷射器是一种将气体注入液体的装置。从喷射器注入液体的气体在液体中形成气泡。在工业过程中使用喷射器来产生气泡并将其注入液体中的常规系统是众所周知的。为了最大限度地将注入液体的气体底物转化为生物反应器中有用的发酵产物，喷射器需要产生小气泡，通过喷射器增加气体流速。然而，常规的喷射器系统不能实现所需的小气泡尺寸，因为喷射器处的气泡尺寸随着气体流速的增加而增加。因此，需要一种能够在生物反应器中以更高的气体流速产生细小气泡以实现高生产率的喷射器系统。此外，先前的“玻璃料和套筒”喷射器系统包括被套筒包围的多孔环(玻璃料)，液体通过套筒，通常位于反应器外部，导致低效的配置和增加的占地面积要求。

本文公开的喷射器系统克服了先前和常规反应器系统的局限性。具体地，如本文所公开的，将底物进料到气体注入反应器(例如生物反应器)的水性肉汤中的喷射器系统和方法，实现了气泡的小尺寸、增加的通过喷射器的气体流速，以及更高的表观气体和液体速度，以实现更高的反应器/生物反应器生产率。此外，与先前的系统相比，本文公开的喷射器系统完全被配置在反应器内。

发明内容

以下呈现本文描述的各种实施方式的简化概述。该概述不是广泛的概述，并且不旨在确定关键或关键元素或描绘权利要求的范围。以下概述仅以简化形式呈现一些概念，作为下面提供的更详细描述的介绍性前奏。

为了克服上述先前系统中的限制，并且为了克服在阅读和理解本说明书时将显而易见的其他限制，本文描述的实施方式针对涉及用于将气泡有效注入到生物和化学反应器内包含的液体中的系统和方法。

在一个实施方式中，本文公开的系统涉及将气泡注入液体中。该系统可以包括支撑板、与支撑板接合的多个环形护罩、以及定位在环形护罩内的多个喷射器。在一些实施方式中，支撑板和至少一个环形护罩被集成到单个部件中。在一些实施方式中，可以在护罩内表面和喷射器外表面之间限定间隙。在某些实施方式中，支撑板、环形护罩和喷射器可以完全定位在反应器内部。在某些实施方式中，喷射器的长度可以是至少10cm，并且护罩内表面和喷设器外表面之间的间隙的宽度可以是大约1mm至大约20mm。在其他实施方式中，支撑板、环形护罩和喷射器可以定位在反应器的顶部或底部。多个喷射器可以接合多个集管，并且多个喷射器可以被配置为接收来自多个集管的供气。在某些实施方式中，多个集管还可以包括挡板，该挡板被配置为分散包含液体和气泡的流体。在又一些实施方式中，液体可以是至少部分再循环的液体。在某些实施方式中，支撑板还包括多个穿孔，并且环形护罩可以定位在反应器的垂直轴线的约20度内。在一个实施方式中，多个支撑板可以在反应器内部形成多个层或水平，并且多个支撑板可以包括多个环形护罩，并且多个喷射器可以定位在多个环形护罩内。

在一个实施方式中，反应器可以是生物反应器，包括液体生长培养基和包含至少一种C1碳源的底物。在某些实施方式中，多个喷射器可以被配置为将底物气泡注入液体生长培养基中。在其他实施方式中，生物反应器还可以包括液体生长培养基中的至少一种微生物的培养物，并且至少一种微生物的培养物可以厌氧发酵底物以产生至少一种发酵产物。

在又一个实施方式中，本文公开的系统和方法涉及一种将气泡喷射到液体中的方法，该方法可以包括以下步骤：通过多个位于反应器内并被配置为喷射气泡的喷射器将气体喷射到含有液体的反应器中，通过反应器内并围绕多个喷射器的多个环形护罩引导液体流穿过喷射器的外表面，以及通过液体流穿过喷射器的外表面来剪切多个喷射器的表面处的气泡。在某些实施方式中，该方法可以还包括通过形成在环形护罩的内表面和喷射器的外表面之间的间隙加速液体流穿过喷射器的外表面。在一些实施方式中，流过喷射器的外表面的液体的加速流可以具有至少0.3m/s的表观液体速度，并且流过多个喷射器的外表面的液体的加速流可以具有约0.3m/s至约10m/s的速度。在又一些实施方式中，被剪切的气泡表观速度可以具有约0.2mm至约2.0mm的直径，并且容器中气相的表观速度可以为至少0.03m/s。在一种实施方式中，容器中气相的表观速度可以为约0.03m/s至约0.1m/s。在又一个实施方式中，气泡可以是生物反应器内的底物气泡，该生物反应器可以包含液体生长培养基。在其他实施方式中，液体生长培养基中的至少一种微生物的培养物可以有氧发酵底物以产生至少一种发酵产物。

这些特征以及许多其他特征将在下面更详细地讨论。

附图说明

通过结合附图参考以下描述可以获得对本文描述的实施方式及其优点的更完整的理解，其中相似的附图标记表示相似的特征，并且其中：

图1示意性地描述了根据本公开的一个实施方式的一个被配置在反应器内的动态喷射器布置，其示出了液体和气泡的下流模式。

图2示意性地描述了根据本公开的另一个实施方式的反应器内的替代动态喷射器布置，其示出了液体和气泡的上流模式。

图3示意性地描述了根据本公开的又一个实施方式的包括一个或更多个动态喷射器系统布置及其在生物反应器内的不同位置的生物反应器系统。

图4示意性地描绘了根据本公开的另一个实施方式的反应器内的替代动态喷射器布置，其示出了水平定位的喷射器以及液体和气泡的上流模式。

图5示意性地描绘了根据本公开的另一个实施方式的反应器内的替代动态喷射器布置，其示出了水平定位的喷射器束以及液体和气泡的上流模式。

图6示意性地描绘了图5的装置，以从图5的点525的俯视图描绘。

具体实施方式

在各种实施方式的以下描述中，参考了构成本文一部分的附图，并且在附图中通过说明的方式示出了可以实施在本文描述的各种实施方式。应当理解，可以使用其他实施方式，并且可以在不脱离所描述的实施方式的范围的情况下进行结构和功能的修改。本文描述的实施方式能够具有其他实施方式并且能够以各种方式实践或执行。此外，应当理解，本文使用的措辞和术语是为了描述的目的，而不应被视为限制性的。相反，本文使用的短语和术语将被赋予其最广泛的解释和含义。“包括”和“包含”及其变体的使用意在涵盖其后列出的项目及其等价物以及附加项目和其等价物。术语“安装”、“连接”、“接合”、“流体接合”、“联接”、“定位”、“配置”、“定向”和类似术语的使用旨在包括直接和间接安装、联接、耦合、定位和接合。

喷射器可以包括将气体引入液体中、以气泡形式注入、搅拌液体或将气体溶解在液体中的装置。实施例喷射器可以包括孔喷射器、烧结喷射器和钻孔管喷射器。在某些配置中，钻孔管喷射器可以水平安装。在其他实施方式中，喷射器可以垂直或水平安装。在一些实施方式中，喷射器可以是多孔板或环、烧结玻璃、烧结钢、多孔橡胶管、多孔金属管、多孔陶瓷或不锈钢管、钻孔管、不锈钢钻孔管、聚合物钻孔管等。喷射器可以是具有各种等级(孔隙率)或可以包括特定尺寸的孔口以产生特定尺寸的气泡或气泡尺寸范围。

如本文所公开的系统和方法采用了用于产生细小气泡的喷射器布置，增加通过喷射器的气体流速，并增加表观气体速度和表观液体速度以获得更高的反应器生产率。增加反应器生产率可以通过增加注入液体肉汤和可用于微生物发酵的气体底物的量，以及通过增加被定义为反应器单位体积中气泡的总表面积的比界面面积来实现。比界面面积与气泡大小成反比，与气体滞留成正比，其中气体滞留是单位体积流体中存在的气体体积，其中有气泡分散。通过产生细小气泡来减小气泡尺寸会增加比界面面积。增加的比界面面积增强了气液传质。在反应器是生物反应器的实施方式中，增强的气液传质最终为微生物提供了增加量的底物气体，以转化成有用的发酵产物，例如乙醇和其他化学品。用于产生气泡的系统和方法的实施例包括美国专利号9,327,251中所述的那些，该专利出于所有目的通过引用整体并入本文。更高的反应器生产率也可以通过更高的气体滞留来实现，这与反应器中增加的总表观气体速度和表观液体速度有关。增加的表观气体速度和表观液体速度可以用于将喷射器气泡破碎或剪切成所需的细小气泡尺寸。在下流操作中，细小气泡经受的浮力小于液体所施加的阻力，因此产生了整体流体下流，以将细小气泡和液体在反应器中向下输送。流体下流有助于增加微生物在液体中的停留时间，并延长微生物将生物反应器中底物的细小气泡转化为所需产物的时间。

如本文所公开的，喷射器系统可以使用与烟囱罩管阵列或环形护罩接合的板，以及完全配置在反应器内的圆柱形喷射器。通常，环形护罩的内径可以略大于配置在环形护罩内的圆柱形喷射器的外径。当液体被泵送通过系统时，液体被迫通过喷射器和环形护罩之间的受限空间或间隙。液体在通过间隙时被加速，并增加了喷射器表面附近液体提供的剪切速率。增加的剪切速率减小了从喷射器注入液体中的气体的气泡尺寸，并创建细小气泡。

图1示意性地描绘了包括反应器102的生物反应器系统100。生物反应器系统100可以包括能够用于发酵过程或化学转化过程的任何装置。反应器102可以是容器或储器，可以将一种或更多种气体和液体流或流101引入其中以产生气泡和/或产生细小气泡，并用于随后的气液接触、气体吸收、生物或化学反应，例如微生物发酵。术语“微生物发酵”或“发酵”或“气体发酵”等可以解释为通过利用一种或更多种C1固定微生物接收一种或更多种气态底物并产生一种或更多种发酵产物的过程。气态底物可以来自工业过程，或者可以是合成气或其任何组合。合成气可以从重整、部分氧化或气化过程中获得。“C1固定微生物”是一种从C1碳源产生一种或更多种发酵产物的微生物。通常，本公开的微生物是C1固定菌。“C1碳源”是指作为微生物的部分或唯一碳源的单碳分子。例如，C1碳源可以包含CO、CO₂、CH₄、CH₃OH或CH₂O₂中的一种或更多种。在一个实施方式中，C1碳源包含CO和CO₂中的一种或两种。优选地，发酵过程可以包括使用一种或更多种生物反应器。如本文所用，短语“发酵”、“发酵过程”或“发酵反应”等旨在涵盖气态底物的生长阶段和产物生物合成阶段两个。C1固定微生物的实施例可以包括摩尔氏菌属、梭状芽孢杆菌属、瘤胃球菌属、醋杆菌属、真杆菌属、丁酸杆菌属、氧杆菌属、甲烷八叠球菌属、脱硫肠状菌属、自产乙醇梭菌属及其组合。在一个实施方式中，C1固定微生物是自产乙醇梭菌属、扬氏梭菌或拉氏梭菌。

在一些实施方式中，液体101在系统100内再循环。如本文所公开的，流体可以包括液体、气泡和/或细小气泡。发酵液或液体101可以包含本文公开的组分的任何混合物，例如营养培养基和培养物或一种或更多种微生物。发酵过程可以利用发酵液将底物气泡或细小气泡发酵成一种或更多种发酵产物。细菌培养物可以在含有足以允许微生物生长的营养物、维生素和/或矿物质的水性培养基中维持。生物反应器系统100可以包括一个或更多个反应器102和/或塔或管道布置。合适的生物反应器包括，例如，连续搅拌釜式反应器(CSTR)、固定化细胞反应器(ICR)、滴流床反应器(TBR)、鼓泡柱、气升式发酵罐、静态混合器、循环环流反应器、膜反应器(诸如中空纤维膜生物反应器(HFM BR))或适合于气液接触的其它容器或其它装置。

反应器102可以不限于任何特定实施方式，例如高度与直径比，或限于任何特定材料并且可以由适合于该工艺的任何材料例如不锈钢或PVC构成。反应器102可以包含内部组件，例如在生物和化学工程处理中常见的一个或更多个静态混合器。反应器102还可以包括外部或内部加热或冷却元件，例如水套。反应器102还可以与泵流体接触，以循环或再循环系统100的液体、气泡、细小气泡和/或流体101、101a和111。如图1所示，生物反应器系统100的组件的尺寸可以根据所需的用途或工艺而变化。根据某些实施方式，反应器102的直径可以是例如至少、大于、小于、等于或介于约0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5、9.0、9.5、10.0、10.5、11.0、11.5、12.0、12.5、13.0、13.5、14.0、14.5、15.0、15.5、16.0、16.5、17.0、17.5、18.0、18.5、19.0、19.5至约20.0米之间的任何数量。根据其他实施方式，反应器102的长度可以是例如至少、大于、小于、等于或介于约5.0、5.5、6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5、9.0、9.5、10.0、10.5、11.0、11.5、12.0、12.5、13.0、13.5、14.0、14.5、15.0、15.5、16.0、16.5、17.0、17.5、18.0、18.5、19.0、19.5、20.5、21.5、22.0、22.5、23.0、23.5、24.0、24.5、25.0、26.0、27.0、28.0、29.0、30.0、31.0、32.0、33.0、34.0、35.0、36.0、37.0、38.0、39.0、40.0、41.0、42.0、43.0、44.0、45.0、46.0、47.0、48.0、49.0至约50.0米之间的任何数量。

在反应器102中，气相和液相，例如流体111，可以在垂直方向上流动或循环，以包括如图2所示的通常向下流动或，例如通常向上流动。如图1的反应器102所示，流体111中的气相和液相可以在反应器102内通常向下流动。反应器中的表观液体速度V_L可以通过以下等式计算V_L＝Q_L/A_C，其中Q_L是液体的体积流量(m³/s)，A_C是反应器的横截面积。因此，表观液体速度表示液相的速度，如果液相占据反应器的整个横截面积。对于相同的液体流速，气体流速可以根据实际应用而变化。气相V_G的表观速度可以由以下等式确定V_G＝Q_G/A_C，其中Q_G是从喷射器注入液体的气体的体积流量(m³/s)，A_C是反应器的横截面积。因此，如果气相占据反应器的整个横截面积，则表观气体速度表示气相的速度。在一些实施方式中，容器中气相的表观速度可以是至少0.03m/s。在其他实施方式中，容器中气相的表观速度为约0.03m/s至约0.1m/s。在又一些实施方式中，容器中气相的表观速度可以是例如至少、大于、小于、等于或介于约0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06、0.07、0.08、0.09、0.10、0.12、0.13、0.14至约0.15m/s之间的任何数量。在又一个实施方式中，容器中气相的表观速度可以是例如大约0.03至0.06m/s。在一个实施方式中，表观液体速度可以是至少约0.3m/s。如上所述，增加表观气体速度和表观液体速度具有将喷射器气泡破碎或剪切成所需细小气泡尺寸的有益效果。

生物反应器系统100可以包括至少一个喷射器106，以将气体底物引入液体101中，以气泡形式注入，以搅动气体或将气体溶解在液体101中。喷射器106可以安装在水平或垂直位置。在一些实施方式中，喷射器106可以是孔喷射器、烧结喷射器或钻孔管喷射器、多孔板或环、烧结玻璃、烧结钢、多孔橡胶管、多孔金属管、多孔陶瓷或不锈钢管、钻孔管、不锈钢钻孔管或聚合物钻孔管。喷射器106可以具有各种等级(孔隙率)或可以包括某些尺寸的孔口以产生特定尺寸的气泡。喷射器的孔隙率通常被设计成避免在流过孔的气体的动能不足时无法支撑喷射器孔上方的液头时出现的渗漏。气体通过气孔的运行速度被设计为显着高于渗出速度，以确保均匀喷射。喷射器106可以具有例如至少、大于、小于、等于或介于约1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49至约50cm之间的任何数量的长度。生物反应器系统100可以适于通过集管108接收气态底物，该集管108包括通过喷射器106作为气泡103注入液体肉汤101中的C1碳源。

生物反应器系统100可以包括支撑板104。支撑板104可以被配置为接合至少一个环形护罩105。环形护罩105的直径可以大于喷射器106的直径。因此，喷射器106可以被配置为位于环形护罩105内部，在喷射器106的外壁和环形护罩105的内壁之间限定间隙或限制区域107。在一些实施方式中，间隙107的宽度约为1至20mm。在其他实施方式中，间隙107的宽度可以是例如至少、大于、小于、等于或介于约0.25、0.50、0.75、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49至约50mm之间的任何数量。

喷射器106和环形护罩105可以完全可以定位在反应器102的内部。在一些实施方式中，支撑板104、环形护罩105和喷射器106可以位于反应器102的顶部或上部。将支撑板104、环形护罩105和喷射器106定位在反应器102的上部可以具有降低反应器102顶部的流体静压，以便于在降低能量需求的情况下增加气液传质速率的额外优点。在一些实施方式中，本文公开的系统和方法实现了至少125m³/min的气液传质速率。在其他实施方式中，气体到液体的传质速率可以是例如至少、大于、小于、等于或介于约100、105、110、115、120、125、130、135、140、145、150、155、160、165、170、175、180、185、190、195至约200m³/min之间的任何数量。或者，支撑板104、环形护罩105和喷射器106可以定位在反应器102的底部或下部。在又一些实施方式中，支撑板104、环形护罩105和喷射器106可以位于反应器102的上部三分之一部分、上部三分之二部分或下部三分之一部分。在一些实施方式中，环形护罩105可以由标准管、无缝管、焊接管、定制管或其组合制成。环形护罩105组件可以通过保护金属电弧焊、钨极气体保护焊、气体保护金属电弧焊、药芯电弧焊、埋弧焊、电渣焊或通过无焊接管板接头轧制就位技术而结合或固定到支撑板104。在其他实施方式中，可以避免银焊接以防止在发酵期间中对微生物的损害。在又一些实施方式中，支撑板104可以包括穿孔109，以便于固体碎屑的移除或排出。在某些实施方式中，多个支撑板104可以在反应器102内形成多个垂直层。支撑板104的每个垂直层可以包括多个环形护罩105和多个喷射器106。在又一些实施方式中，环形护罩105可以大体上垂直于支撑板104定位。在其他实施方式中，环形护罩可以定位为例如至少、大于、小于、等于或介于约1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29至约30度之间的任何数量与反应器102的垂直轴线的度。

如图1所示，液体肉汤101进入反应器102的顶部。气体底物通过连接到气体供应/集管108的喷射器106注入反应器102内的液体101中。液体流101的至少一部分被引导穿过喷射器106的外表面。在一些实施方式中，几乎所有液体流101都被引导穿过喷射器106的外表面。当液体101被迫进入由环形护罩105和喷射器106的外壁限定的间隙107时，液体在其穿过喷射器106和环形护罩105的垂直长度行进时被加速。加速液体101a剪切喷射器106表面上的注入气泡，将注入的气泡破碎成细小气泡103。被剪切的细小气泡103可以具有约0.2至约2.0mm的直径。根据另一个实施方式，细小气泡的直径可以是例如至少、大于、小于、等于或介于约0.001、0.002、0.003、0.004、0.005、0.006、0.007、0.008、0.009、0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06、0.07、0.08、0.09、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8、2.9、3.0、3.1、3.2、3.3、3.4、3.5、3.6、3.7、3.8、3.9、4.0、4.1、4.2、4.3、4.4、4.5、4.6、4.7、4.8、4.9至约5.0mm之间的任何数量。液体101a穿过喷射器106的外表面的加速流动可以具有至少0.3m/s的速度。在另一个实施方式中，液体101a穿过喷射器106的外表面的加速流动可以具有约0.3至约10m/s的速度。在其他实施方式中，液体101a穿过喷射器106的外表面的加速流动可以具有例如至少、大于、小于、等于或介于约0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29至约30m/s之间的任何数量的表观液体速度。

根据其他实施方式，喷射器106可以位于反应器102的底部或反应器102的中部。根据另一个实施方式，喷射器106可以定向在水平位置。根据又一个实施方式，喷射器106可以在整个反应器102中定位在多个位置，以包括反应器102的上部、中部和下部。根据一个实施方式，喷射器106可以是环形喷射器或钻管喷射器。根据一个实施方式，单独的喷射器106和集管108可以被配置为模块化组件，便于反应器构造和/或组件更换、一般维护、清洁或允许根据需要进行可扩展的反应器系统。根据其他实施方式，多层次的喷射器106和集管108可以堆叠在反应器102内。在又一些实施方式中，喷射器106可以被配置为在集管108下方垂直延伸，或者喷射器106可以被配置为在集管108上方垂直延伸。根据另一实施方式，单层或堆叠的集管108可以包括例如至少、大于、小于、等于或介于约1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19至约20个单独的集管108之间的任何数量。在一些实施方式中，集管108可以被配置为环形气体供应。在另一个实施方式中，可采用一个或更多个流体分配器(未显示)，以使流体流111分布在反应器102上。在一个实施方式中，流体分配器位于间隙107的流体出口附近。流体分配器可为不可渗透的板或叶片或槽。流体分配器可以连接到喷射器106的终端，并在喷射器106下面延伸，至少部分地穿过间隙107下面的区域。

图2描绘了图1的喷射器系统的替代布置。如图2所示，具有气相和液相的液体201和流体211可以在环流反应器系统中大体上以向上的垂直方向流动或循环。支撑板204包含在反应器内。同样，支撑板204可以被配置为接合至少一个环形护罩205。环形护罩205的直径可以大于喷射器206的直径。因此，喷射器206可以被配置为定位在环形护罩205内部，在喷射器206的外壁和环形护罩205的内壁之间限定间隙或限制区域207。喷射器206可以通过从其延伸的延伸部213与集管208流体接合。集管208可以被配置为接收气态底物以通过喷射器206注入液体肉汤201中。液体肉汤201可以从反应器底部进入。液体201的至少一部分201a可以被引导穿过喷射器206的外表面。在一些实施方式中，几乎所有的液体流201可以被引导穿过喷射器206的外表面。当液体201被迫进入由环形护罩205和喷射器206的外壁限定的间隙207中时，液体201在垂直向上穿过间隙207时被加速。加速液体201a剪切喷射器206外表面上的注入气泡，产生细小气泡203。从集管208延伸的垂直延伸部213可以包括挡板215，该挡板215被配置为重定向或偏转流体211的流动以防止停滞流体的死区。支撑板204还可以包括孔或穿孔217，用于流体停滞区域的排水和循环。在一个实施方式中，环形护罩可以设置在引导件内以控制其与喷射器(未示出)的同心度的调节。

如图2所示，将集管208定位在喷射器206上方是有利的，因为该配置不会干扰液体和气泡的向上流动。此外，系统组件可以是模块化的，以便于系统内组件的构造、维护和更换，以包括喷射器106。在一些实施方式中，集管208可以永久地安装在反应器中，并且喷射器106可以随后附接到垂直延伸部213和/或集管208。喷射器206和垂直延伸部213可以是一系列单独的部件/组件，以便容易地运输并插入反应器容器中，然后分别与容器连接。与图1中描述的系统一样，图2的反应器可以包括多个集管208，并且多个支撑板204可以在反应器内形成多个垂直层。支撑板204的每个垂直层可以包括多个环形护罩205，以及与多个垂直延伸部213和集管208流体接合的多个喷射器206。在某些实施方式中，反应器容器可以包括例如至少、大于、小于、等于或介于约1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65、66、67、68、69、70、71、72、73、74、75、76、77、78、79、80、81、82、83、84、85、86、87、88、89、90、91、92、93、94、95、96、97、98、99至大约100个支撑板的垂直层之间的任何数量。在一些实施方式中，每个垂直层可以包括例如至少、大于、小于、等于或介于约1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65、66、67、68、69、70、71、72、73、74、75、76、77、78、79、80、81、82、83、84、85、86、87、88、89、90、91、92、93、94、95、96、97、98、99、100、101、102、103、104、105、106、107、108、109、110、111、112、113、114、115、116、117、118、119、120、121、122、123、124、125、126、127、128、129、130、131、132、133、134、135、136、137、138、139、140、141、142、143、144、145、146、147、148、149、150、151、152、153、154、155、156、157、158、159、160、161、162、163、164、165、166、167、168、169、170、171、172、173、174、175、176、177、178、179、180、181、182、183、184、185、186、187、188、189、190、191、192、193、194、195、196、197、198、199至约200个喷射器和/或环形护罩之间的任何数量。同样，这种喷射器配置可以用于在图1和图2中描述的反应器系统100和200中。

根据其他实施方式，喷射器206可以位于反应器的底部或反应器的中部。根据另一个实施方式，喷射器206可以定向在水平位置。根据又一个实施方式，喷射器206可以定位在整个反应器的多个位置以包括反应器的上部、中部和下部。根据又一个实施方式，喷射器206可以是环形喷射器或钻管喷射器。根据一个实施方式，单独的喷射器206和集管208可以被配置为模块化组件，便于反应器构造和/或组件更换、一般维护、清洁或允许根据需要进行可扩展的反应器系统。根据其他实施方式，多层次的喷射器206和集管208可以堆叠在反应器内。在又一些实施方式中，喷射器206可以被配置为在集管208下方垂直延伸，或者喷射器206可以被配置为在集管208上方垂直延伸。根据另一实施方式，单层或堆叠的集管208可以包括例如至少、大于、小于、等于或介于约1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19至约20个单独的集管208之间的任何数量。在一些实施方式中，集管208可以被配置为环形气体供应。

图3描绘了结合本文公开的喷射器护罩系统和方法的环形生物反应器系统300。在反应器304内循环的液体肉汤通过喷射器护罩组件316和306中的一个或两个与气体底物一起注入。图1和图2中示出了合适的喷射器护罩组件的示例性细节。在一个实施方式中，流入反应器304的提升管部分302的液体肉汤301的至少一部分流被迫进入由环形护罩和喷射器护罩组件316的喷射器的外壁限定的间隙中。液体肉汤301在其通过由喷射器和喷射器护罩组件316的环形护罩限定的间隙时被加速。加速液体肉汤301剪切喷射器表面上的注入气泡，从而产生细小气泡。产生的含有液体肉汤和细小气泡的流体311在反应器304的提升管部分302中向上流动，并且离开提升管部分302进入分离器部分308。至少一部分流体311流出分离器部分308并进入降液管312。此时，流体311可以耗尽气体底物并形成气体底物耗尽的液体肉汤321。可选地，降液管312可以包括至少一个如本文所公开的喷射器护罩组件306。位于降液管312内的喷射器护罩组件306可以将气体底物的细小气泡注入底物耗尽的液体肉汤321中，从而为其中的微生物提供额外的底物并延长存活时间。生物反应器系统300可以包括泵314，以使液体肉汤301和流体311和底物耗尽的液体肉汤321循环通过生物反应器系统300。

如图4所示，液体肉汤401进入反应器402的底部。通过连接到气体供应/集管408的一个或更多个喷射器406将气体底物注入反应器402内的液体401中。液体流401的至少一部分被引导穿过喷射器406的外表面。在一些实施方式中，几乎所有的液体流401都被引导穿过喷射器406的外表面。在其他实施方式中，液体流401的一部分通过通道403绕过喷射器406的外表面。当液体401被迫进入由环形护罩405和喷射器406的外壁限定的间隙407时，液体在其穿过水平定位的喷射器406和环形护罩405的圆周或垂直表面时被加速。加速液体401a剪切喷射器406表面上的注入气泡，将注入的气泡破碎成细小气泡409。被剪切的细小气泡409可以具有约0.2至约2.0mm的直径。根据另一个实施方式，细小气泡的直径可以是例如至少、大于、小于、等于或介于约0.001、0.002、0.003、0.004、0.005、0.006、0.007、0.008、0.009、0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06、0.07、0.08、0.09、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8、2.9、3.0、3.1、3.2、3.3、3.4、3.5、3.6、3.7、3.8、3.9、4.0、4.1、4.2、4.3、4.4、4.5、4.6、4.7、4.8、4.9至约5.0mm之间的任何数量。包含细小气泡的流体流以上流模式420继续。液体401a穿过喷射器406的外表面的加速流动可以具有至少0.3m/s的速度。在另一个实施方式中，液体401a穿过喷射器406的外表面的加速流动可以具有约0.3至约10m/s的速度。在其他实施方式中，液体401a穿过喷射器406的外表面的加速流动可以具有例如至少、大于、小于、等于或介于约0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29至约30m/s之间的任何数量的表观液体速度。

根据其他实施方式，喷射器406可以定位在反应器402的底部或反应器402的中部。图4显示了喷射器406定向在水平位置的实施方式。根据又一个实施方式，喷射器406可以定位在整个反应器402的多个位置以包括反应器402的上部、中部和下部。根据又一个实施方式，喷射器406可以是环形喷射器或钻管喷射器。根据一个实施方式，单独的喷射器406和集管408可以被配置为模块化组件，便于反应器构造和/或组件更换、一般维护、清洁或允许根据需要进行可扩展的反应器系统。根据其他实施方式，多层次的喷射器406和集管408可以堆叠在反应器402内。在又一些实施方式中，喷射器406可以被配置为水平延伸跨越反应器402的横截面。根据另一实施方式，单层或堆叠的头部408可以包括例如至少、大于、小于、等于或介于约1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19至约20个单独的集管408垂直延伸部413之间的任何数量。在一些实施方式中，集管408可以被配置为环形气体供应。

如图4中进一步描绘的，将集管408定位在喷射器406上方是有利的，因为该配置不会干扰液体和气泡的向上流动。如图4所示，喷射器406水平定位在反应器402内。此外，系统组件可以是模块化的，以便于系统内组件的构造、维护和更换，以包括喷射器406。在一些实施方式中，集管408可以永久地安装在反应器中，并且具有垂直延伸部413。喷射器406、集管408和垂直延伸部413可以是一系列单独的部部件/组件，以便容易地运输并插入反应器容器中，然后分别与容器连接。图4所示的系统可以包括多个集管408和多个喷射器406，这些喷射器可以在反应器内和沿反应器的垂直方向形成多层。每层可以包括多个环形护罩405，以及与多个垂直延伸部413和集管408流体接合的多个喷射器406。在某些实施方式中，反应器容器可以包括例如至少、大于、小于、等于或介于约1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65、66、67、68、69、70、71、72、73、74、75、76、77、78、79、80、81、82、83、84、85、86、87、88、89、90、91、92、93、94、95、96、97、98、99至约100个垂直层之间的任何数量的成组喷射器、环形护罩和集管。在一些实施方式中，每个垂直层可以包括例如至少、大于、小于、等于或介于约1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65、66、67、68、69、70、71、72、73、74、75、76、77、78、79、80、81、82、83、84、85、86、87、88、89、90、91、92、93、94、95、96、97、98、99、100、101、102、103、104、105、106、107、108、109、110、111、112、113、114、115、116、117、118、119、120、121、122、123、124、125、126、127、128、129、130、131、132、133、134、135、136、137、138、139、140、141、142、143、144、145、146、147、148、149、150、151、152、153、154、155、156、157、158、159、160、161、162、163、164、165、166、167、168、169、170、171、172、173、174、175、176、177、178、179、180、181、182、183、184、185、186、187、188、189、190、191、192、193、194、195、196、197、198、199至约200个喷射器和/或环形护罩之间的任何数量。同样，这样的喷射器配置可以用于图4、图5和图6中描述的反应器系统400和500和600中。

根据其他实施方式，喷射器406可以位于反应器的底部或反应器的中部。根据图4，喷射器406定向在水平位置。根据又一个实施方式，喷射器406可以定位在整个反应器的多个位置以包括反应器的上部、中部和下部。根据又一个实施方式，喷射器406可以是环形喷射器或钻管喷射器。根据一个实施方式，单独的喷射器406和集管408可以被配置为模块化组件，便于反应器构造和/或组件更换、一般维护、清洁或允许根据需要进行可扩展的反应器系统。根据其他实施方式，多层次的喷射器406和集管408可以堆叠在反应器内。根据另一实施方式，单层或堆叠的集管408可以包括例如至少、大于、小于、等于或介于约1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19至约20个单独的集管408之间的任何数量。在一些实施方式中，集管408可以被配置为环形气体供应。

图5(侧视图)和图6(图5的俯视图)描绘了多个喷射器506定位在同一环形护罩505内的实施方式。使多个喷射器506定位在同一环形护罩505内允许减少管道和集管或歧管连接。类似于图4，液体肉汤501进入反应器502的底部。通过连接到气体供应/集管508的一个或更多个喷射器506将气体底物注入反应器502内的液体501中。液体流501的至少一部分被引导穿过喷射器506的外表面。在一些实施方式中，几乎所有液体流501都被引导穿过喷射器506的外表面。在其他实施方式中，液体流501的一部分通过通道503绕过喷射器506的外表面。当液体501被迫进入由环形护罩505和喷射器506的外壁限定的间隙507时，液体在其穿过水平定位的喷射器506和环形护罩505的圆周或垂直表面时被加速。加速液体501a剪切喷射器606表面上的注入气泡，将注入的气泡破碎成细小气泡509。细小气泡如上所述。图5和图6示出了定位在单个环形护罩505内的三个喷射器506。位于单个环形护罩内的喷射器的数量可以从约2个变化到约10个。

尽管已经在某些特定实施方式中描述了本公开，但是对于本领域技术人员来说，许多额外的修改和变化将是显而易见的。因此应当理解，在不背离本公开的范围和精神的情况下，可以以不同于具体描述的方式实施本公开。因此，本公开的实施方式在所有方面都应被认为是说明性的而不是限制性的。因此，本公开的范围不应由所示实施方式确定，而应由所附权利要求及其等同物确定。

本公开的实施方式

实施方式1.一种用于将气泡注入液体的喷射器系统，包括：

一种支撑板；

与所述支撑板接合的多个环形护罩；和

多个喷射器，定位在所述环形护罩内以在所述环形护罩的内表面和护罩所述对应的喷射

器的外表面之间限定间隙，和

其中所述支撑板、所述环形护罩和所述喷射器位于反应器的所述内部。

实施方式2.根据实施方式1所述的系统，其中所述支撑板和所述环形护罩被集成到单个组件中。

实施方式3.根据实施方式1或2所述的系统，其中两个或更多个喷射器定位在单个环形护罩内。

实施方式4.根据实施方式1至3中任一项所述的系统，其中所述喷射器的长度为至少10cm。

实施方式5.根据实施方式1至4中任一项所述的系统，其中所述间隙为约1mm至约20mm。

实施方式6.根据实施方式1至5中任一项所述的系统，其中所述支撑板、所述环形护罩和所述喷射器定位在所述反应器的顶部或底部。

实施方式7.根据实施方式1至6中任一项所述的系统，其中所述多个喷射器接合多个集管，并且其中所述多个喷射器被配置为接收来自所述多个集管的气体供应。

实施方式8.根据实施方式1至7中任一项所述的系统，其中所述多个集管还包括挡板，所述挡板被配置为分散包含所述液体和气泡的流体。

实施方式9.根据实施方式8所述的系统，其中所述液体是至少部分再循环的液体。

实施方式10.根据实施方式1至9中任一项所述的系统，其中所述支撑板还包括多个穿孔。

实施方式11.根据实施方式1至10中任一项所述的系统，其中所述环形护罩定位在所述反应器的垂直轴线的约20度内。

实施方式12.根据实施方式1至11中任一项所述的系统，还包括至少一个附加支撑板，所述至少一个附加支撑板定位成在反应器内部形成多个垂直层，并且所述至少一个附加支撑板接合所述多个环形护罩。

实施方式13.根据实施方式1、10、12中任一项所述的系统，其中所述反应器是生物反应器。

实施方式14.根据实施方式1至12中任一项所述的系统，其中所述反应器是生物反应器，其包括：

一种液体生长培养基；

包含至少一种C1碳源的基材，其中所述多个喷射器被配置为将底物气泡注入所述液体生长培养基中；和

至少一种微生物在所述液体生长培养基中的培养物，其中至少一种微生物的所述培养物厌氧发酵所述底物以产生至少一种发酵产物。

实施方式15.一种将气泡喷射到液体中的方法，包括：

经由位于反应器内并被配置为发射气泡的多个喷射器将气体喷射到含有液体的所述反应器中；

通过所述反应器内的所述多个环形护罩引导液体流穿过所述喷射器的外表面并围绕多个喷射器；和

通过所述液体流穿过所述喷射器的所述外表面在所述多个喷射器的表面处剪切所述气泡。

实施方式16.实施方式15的所述方法还包括通过在所述环形护罩的内表面和所述喷射器的所述外表面之间形成的间隙加速所述液体流穿过所述喷射器的所述外表面。

实施方式17.根据实施方式15或16所述的方法，其中所述液体的加速流穿过所述喷射器的所述外表面具有至少0.3m/s的表观液体速度。

实施方式18.根据实施方式15至17中任一项所述的方法，其中所述液体的加速流穿过所述多个喷射器的所述外表面具有约0.3m/s至约10m/s的速度。

实施方式19.根据实施方式15至18中任一项所述的方法，其中所述被剪切气泡具有约0.2mm至约2.0mm的直径。

实施方式20.根据实施方式15至19中任一项所述的方法，其中所述容器中气相的表观速度为至少0.03m/s。

实施方式21.根据实施方式15至19中任一项所述的方法，其中所述容器中气相的表观速度为约0.03m/s至约0.1m/s。

实施方式22.根据实施方式15至21中任一项所述的方法，其中所述气泡是包含液体生长培养基的生物反应器内的底物气泡，其中所述液体生长培养基中的至少一种微生物的培养物对所述底物进行有氧发酵以产生至少一种发酵产物。

Claims (14)

1.一种用于将气泡注入液体的喷射器系统，包括：

一种支撑板；

与所述支撑板接合的多个环形护罩；和

多个喷射器，定位在所述环形护罩内以在所述环形护罩的内表面和护罩对应的喷射器的外表面之间限定间隙，和

其特征在于，所述支撑板、所述环形护罩和所述喷射器位于反应器的内部。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述支撑板和所述环形护罩被集成到单个组件中。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，两个或更多个喷射器定位在单个环形护罩内。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述喷射器的长度为至少10cm。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述间隙为1mm至20mm。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述支撑板、所述环形护罩和所述喷射器定位在所述反应器的顶部或底部。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多个喷射器接合多个集管，并且其中所述多个喷射器被配置为接收来自所述多个集管的气体供应。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述多个集管还包括挡板，所述挡板被配置为分散包含所述液体和气泡的流体。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述液体是至少部分再循环的液体。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述支撑板还包括多个穿孔。

11.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述环形护罩定位在所述反应器的垂直轴线的20度内。

12.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该系统还包括至少一个附加支撑板，所述至少一个附加支撑板定位成在反应器内部形成多个垂直层，并且所述至少一个附加支撑板接合所述多个环形护罩。

13.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述反应器是生物反应器。

14.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述反应器是生物反应器，包括：

一种液体生长培养基；

包含至少一种C1碳源的基材，其中所述多个喷射器被配置为将底物气泡注入所述液体生长培养基中；和

至少一种微生物在所述液体生长培养基中的培养物，其中至少一种微生物的所述培养物厌氧发酵所述底物以产生至少一种发酵产物。

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