CN1229171C - 材料处理的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种处理材料的方法和设备，它使用两个圆筒形元件，一个安装在另一个之内，限定了一个环形处理腔室(44)。优选地，外部元件是固定的(定子)(30)，而内部元件转动(转子)(42)。定子(30)内表面(46)和转子(42)的外表面(46)之间的径向间隔(44)等于或者小于在表面(46)上形成的两个层状边界层的背对背径向厚度。

Description

材料处理的方法和设备
发明领域
本发明涉及材料处理的方法和设备，所述材料处理包括一种组分或组分之间的化学和/或物理作用或反应。本发明所涉及的处理例如包括：加热、冷却、搅动、反应、分散、包括溶解和乳化的状态改变、氧化、还原、混和、中和、形状的改变、密度的改变、分子量的改变、粘性的改变或pH值的改变。具体涉及的化学反应例如包括：卤化、硝化、还原、氰化、水解、脱羟、环氧化、臭氧化重氮化、烷化、酯化、浓缩、Mannichand Friedel-Crafts反应和聚合。
背景技术
包括可绕着公共轴相对于彼此转动的同轴圆筒的材料处理设备是已知的，其中待处理的材料被供给到圆筒之间的环形空间中。例如，1994年12月6日授权给Colorado State University Research Foundation的美国专利No.5,370,999披露了通过将纤维生物质浆注入到“高频转子一定子装置”中所产生的扰动库艾特流中对纤维生物质进行高剪切处理的工艺，该装置具有环形腔室，所述环形腔室容纳装有同轴齿环的固定定子，所述同轴齿环与连接于转子的相对的同轴齿环相配合。1994年8月23日授权给Nippon Paint Co.，Ltd.的美国专利No.5,430,891披露了连续乳液聚合工艺，其中包含可聚合材料的溶液在可形成Taylor旋涡的条件下被输送到同轴的可相对转动的圆筒之间的环形空间中，从而可获得期望的全混合状态。
我的美国专利No.5,279,463(授权日为1994年1月18日)和No.5，538,191(授权日为1996年7月23日)披露了高剪切材料处理的方法和设备，一种类型的设备包括在定子中转动的转子以提供环形流动通道，所述环形通道包括容纳有高剪切处理区的流动路径，在高剪切处理区中的通道空间小于高剪切处理区的其他空间，以提供辅助高剪切处理区，在材料通过辅助高剪切处理区的过程中能够抑制自由supra-Kolmogoroff旋涡。
Couette开发了一种测量液体粘度的设备，其中包括浸没于被装在转动圆筒形容器中的液体中的圆筒，测量被因此施加在圆筒上的扭矩来测量粘度。发现在粘度测量和转子表面的角速度之间获得一个线性关系，并且在转子表面的角速度超过某一数值后，这种线性关系被破坏。G.I.Taylor对这种现象进行了研究，G.I.Taylor证明当超过某一雷诺数时，在两个圆筒表面之间的环形空间中的先前层流变得不稳定并且出现旋涡，现被称为Taylor旋涡，Taylor旋涡的轴的位置沿着转子的圆周且平行于其转动轴线，所述Taylor旋涡沿着交替相反的方向转动。利用被称为Taylar数的特征数表示以这种方式变得不稳定的流动条件，Taylar数取决于环形间隙的径向宽度、转子的半径及其圆周速度。尽管Nippon Paint为了达到它们特定的目的而希望Taylor旋涡存在，但是我发现，当利用这样的用于如上述示例所给出的多种工艺的设备时，特别是在需要完全且均匀微混合的情况下，旋涡的存在会抑制所需的作用或者反应，这是由于待处理的材料被夹带在旋涡中并且在旋涡中被部分析出，从而使混合不完全并且必须依赖于很慢的扩散过程。
发明概述
本发明的基本目的是提供新的材料处理方法以及实施该方法的设备，并且所用的设备可被操作，不存在泰勒旋涡以有助于所需的混合。
本发明的的一个特定的目的是提供这样的方法以及实施该方法的设备，其中使所包含的材料在不产生会抑制混合的泰勒旋涡的情况下流动。
根据本发明，提供一种新的处理材料的方法，其中包括使在流动路径中待处理的材料通过一个环形处理通道，所述环形处理通道在由彼此相对转动的各个圆筒形设备元件所提供的两个相互靠近且间隔的光滑表面之间；
其特征在于，所述两个表面之间的径向间隔等于或者小于抵靠在两个表面上的材料的两个边界层的背对背径向厚度；以及
表面的光洁度能够使在处理通道中泰勒旋涡形成受到抑制。
如上所述的方法，其中所述圆筒形设备元件围绕各自的纵向轴线相互之间彼此转动，所述纵向轴线相互之间是同轴的以使两个表面的径向间隔在其圆周上是恒定的。
如上所述的方法，其中所述设备元件相对转动，以在它们的存在表面之间产生相互之间至少每秒1.2米的线速度。
如上所述的方法，其中所述表面的光洁度为10微英寸或者更小。优选地其中所述表面的光洁度为5微英寸或者更小。
如上所述的方法，其中还包括通过两个元件外部的壁向处理通道中提供处理能量。其中施加在处理通道上的能量为下列中的任何一种：微波频率的电磁能量、光、X射线、γ辐射和超声纵向振荡。
如上所述的方法，其中所述表面中的一个或者两个上涂有能够在处理通道中增强化学、生物化学和生物杀灭反应中至少一种的催化剂材料。
根据本发明，提供一种新的处理材料的设备，其中包括两个彼此相对转动的圆筒形设备元件，并且提供两个相互靠近且间隔的光滑表面，所述使两个光滑表面提供一个环形处理通道，所述环形处理通道构成了材料的流动路径；
其特征在于，所述两个表面之间的径向间隔等于或者小于抵靠在两个表面上的并且将在处理通道中通过的材料的两个边界层的背对背径向厚度；以及
表面的光洁度能够使在处理通道中泰勒旋涡形成受到抑制。
所述圆筒形设备元件可围绕一个公共轴线转动或者围绕各自的轴线指定以使所述元件偏心指定，并且所需的间隔是由所述表面的各自区段界定的。上述、以及本发明的其他目的、特征和优点可从下面参照附图的详细描述中明显地看出。
附图说明
下面将参照附图通过示例描述本发明的特定优选实施例，其中：
图1是完整的材料处理系统的局部正视、局部纵向截面图；
图2是另一个完整的材料处理系统的类似的局部正视、局部纵向截面图，其中外部能量可被施加到系统上以增强和/或促进所述处理；
图3是如图1和图2中所示的处理设备的横截面图，以便于示出圆筒形元件和它们之间的相互关系，其中配合的表面可涂覆有催化剂以增强和/或促进所述处理；
图4是与图3中所示的类似的设备的截面图，其中，定子和转子的纵向轴被移位以便于给出绕其圆周在径向宽度方面可变的环形通道；以及
图5是设备的纵向横截面图，以便当条件适合于泰勒旋涡形成时在环形通道中形成泰勒旋涡。
为了方便起见，在所有的附图中，用相同的附图标记表示相似或等同的元件。为了清楚起见，某些表面之间的间隔被放大。
具体实施方式
在图1所示的系统中，第一反应物(反应物A)从供应罐10中通过计量泵12被供给到入口14，而第二反应物(反应物B)从供应罐16中通过计量泵18被供给到入口14。如果需要的话，可从供应罐20中将可选择的催化剂或反应气体供给到入口14。如果使用独立的入口14的话，它们相互之间必须是在切向上彼此靠近的。处理设备包括基板22，基板22上安装有转子轴承支座24、定子支座26以及变速电驱动马达28。包括设备定子的圆筒形管30被安装于支座24上，并且圆筒形管30还沿其大部分长度支撑另一个圆筒形管32，所述圆筒形管32构成热交换器的外壳，气体或液体可通过所述热交换器以控制处理室中的温度。圆筒30和32之间的环形通道34可充有适合的热交换介质，诸如金属丝网或已知的商标为“Sphere Matrix”的专用热交换结构，冷却剂(或者如果适当的话，加热流体)通过入口36进入以及通过出口38排出。转子轴40在支座24之间延伸并由支座24支撑，其中所述轴的一端与马达28相连接。该轴带有圆筒形转子42，在本实施例中，所述圆筒形转子42是实心的，并且其转动轴线与定子圆筒30的纵向轴线重合。环形截面的处理腔室44形成于定子30的圆筒形内表面46和转子42的圆筒形外表面46以及表面体51之间；所述处理腔室44的端部由围绕轴40的端封50封闭以防泄漏。已反应的材料通过出口52排出。
当待处理的材料在处理通道44中流动时，各自的边界层形成于每个圆筒形表面46和48上，所述边界层的厚度是由待处理材料的粘性和其他因素以及材料在表面上的相对流速确定的。可通过以下等式确定沿路径长度x的在平表面上流动的流体层状边界层，在本发明中，路径长度x被设为围绕转子表面的一个圆周流动长度，所述等式即：
δ＝4.91/(NR)1/2
其中NRx为长度x和被运动粘度所除的流速的乘积。
在一个示例中，如果我们把转子圆周设为x＝0.2394m、每分钟转数设为2,000以及运动粘度设为0.000001m2/s，我们获得的单层状边界的厚度＝0.85mm，以及2个背对背层状边界层的厚度＝1.7mm。
定子表面46的内径和转子表面48的外径是这样的，即，使处理通道44的径向尺寸大致等于两个层状边界层的背对背的总厚度，因此在它们之间没有用于使得居间容积层转变扰动的空间，并且形成泰勒旋涡且中断在两个接触边界层中的材料进行完全且均匀的微混合。这样，如上所述的，如图5中所示在形成泰勒旋涡57时，并且泰勒旋涡57能够使得待处理材料中的不同组分在部分析出的状态下被混合，因此大大地甚至完全抑制了其混合，特别是微混合的可能性，需要极低的分子扩散过程以完成期望的反应。在上述具体示例中，对于这样的设备，其中转子42具有0.0762m的外径48，处理通道44需要1.7mm的间隙以确保在边界层之间不存在任何容积层。如果间隙只增加至5mm，所形成的居间容积层明显表现出较强的泰勒不稳定性(如在旋涡57中)，从而如图1和2中以不同阴影示出的使来自于供给容器10、16和20的不同流不均匀地混合到不可接受的程度，而利用本发明的较小间隙能够基本上使来自于供给容器10、16和20的不同流瞬时混合，当增大间隙时，如在处理通道44中所示的，旋涡57沿着处理通道44中的流动呈现不同颜色的条纹。
如在Trans.ASME 80，753-765(1958)的“Modes of adiabatic diabaticfluid flow in an annulus with inner rotating cylinder.”中披露的由J.Kaye和E.C.Edgar提出的测量方法表明在两个圆筒形相对转动表面之间的环形通道中流动的四个主要的可能性。如果雷诺数和泰勒数低，例如雷诺数小于1,700并且泰勒数低于41.3，流动将为层流和呈流线。当雷诺数低到适中的数值，并且泰勒数在41.3和300之间，流动仍然为层流，但具有泰勒旋涡系统。对于大于150的较大泰勒数和较高的雷诺数，流动为带有旋涡的紊流，但仍然是比较“有序”的。对于低于150的适中泰勒数和大于100的较大雷诺数，流动现完全紊流。但是达到泰勒不稳定性的数值稍微不一致，如在“Boundary-layer Theory”by Dr.Hermann Schlichting，published by McGraw Hill，Inc.中披露的由F.Schultz-Grunow和H.Hein开发的等效图组所示的。它们表明，当雷诺数为94.5并且泰勒数为41.3时，流动为层流，但是旋涡开始形成。当雷诺数为322和868并且相应的泰勒数为141和387时，流动为层流，但具有明显的旋涡。当雷诺数为3960和泰勒数为1715时，涡流非常扰动。遗憾的是，上述著者没有指示各个定子和转子表面的最终条件。因此，上述观测是不确定的，并且不能用作确定通过消除泰勒旋涡达到微混合和宏混合所需的条件的基础。
尽管在上述实施例中，中心体是转子42，并且在机械方面这是最便利的结构，但在理论方面也能够转动外部圆筒形元件，或者使中心元件和外部元件转动。已经发现，使转子转动或者在转子和定子之间产生最小的圆周速度是必需的以维持边界层。在目前所述的优选实施例中，这差动切向速度应该不小于每秒1.2米，最好大于每秒2.0米。还意想不到地发现，表面46和48的光洁度是防止可能导致不稳定性和使混合组分析出的泰勒旋涡形成的一个关键因素。正常的机加工不足以将圆筒形表面加工到上述参数所需的公差(例如，对于直径为7.5厘米的转子需要1-1.5毫米的径向间隙)，并且所得到的表面粗糙度(尽管通常不称之为“粗糙度”)仍然足以产生泰勒旋涡。对于目前的优选实施例，发现，因此需要采取并不想采用的对这些表面进行抛光以达到所谓的镜面精加工或者更好的步骤。尽管我并不想受到其限制，但此时可提出的唯一的说明是，在利用正常机加工产生的表面光洁度(尽管是高质量的)方面的缺陷足以导致不稳定性的产生，泰勒旋涡可以证明不稳定性的产生。大约40微英寸的标准光洁度太粗糙，并且发现，好于5微英寸的珩磨后的光洁度能够避免任何流动稳定性的形成；此时相信，如果需要避免泰勒不稳定性，那么需要10微英寸的上限。但是，这些数值会根据所包含的物理因素而改变。
图2的实施例与图1中的类似。这里，沿着转子30的长度提供多个换能器54，由换能器发射的能量尽可能透过制作转子所用的材料或者至少其在换能器和转子之间的部分。在附图中，所示的换能器是磁控管或者调速管，磁控管或者调速管当然产生很短波长(例如2mm-50cm)的电磁辐射。另一种选择是，它们可是波长(颜色)适合该工艺的光源、X射线源、γ射线源，或者它们可是产生纵向振荡的换能器，其振荡频率通常为超声频。
图3表示的是图1的定子和转子组件的横截面。如果图3中的配合表面46和48涂覆有一种催化剂以促进构成处理步骤的化学反应。所施加的涂层必须仍然符合本发明提出的关于光洁度的标准以达到极好的混合效果。图4的实施例适用于发酵工艺，并且转子42的转动轴线不再与定子30的相应的纵向轴线重合，从而使处理腔室的径向间隙44在围绕转子的圆周上尺寸不同。提供一种具有外壳32和热交换材料34的热交换结构，这是由于这样的工艺通常是放热的，并且余热必须被排出以达到适合微生物的最佳操作环境。沿着定子的长度布置一系列供氧入口14，并且使供给到其中的氧迅速地乳化在浆中，提供均匀分散的微细气泡，而不是如利用常规的发酵系统那样将氧喷射到其中产生非均匀分布的毫米级尺寸大小的气泡。产生的二氧化碳从处理通道的上部通过排出口56被排出。图4中所示的发酵器被设计成连续工作的形式，并且能够沿着转子的上部连续且均匀地排出二氧化碳，所述转子的上部始终被均匀混合的所有成分的浆膜润湿。
本发明的设备通常是一种反应器，并且反应器包括能够利用物理或者化学手段产生所需产物的容器，反应器通常是商用处理设备的心脏。其构造、操作特征以及基本工程原理构成了反应器技术。除了化学计量学和动力学以外，反应器技术包括对引入和排出反应物和产物、供给和带走热量、适合的相变和材料转变、保证反应物之间的有效接触以及补充和再生催化剂等的技术要求。当人们将反应动力学和实验数据转化成有效实验装置的设计和制造时应该考虑这些问题，接着将这样的装置扩展到较大尺寸的单元，最终设计和操作商用设备。
商用反应器设计和使用
大多数反应器都是在对一种类型的反应器进行大量研究的基础上发展起来的。很少的工艺是利用大不相同的反应器类型并行开发而得到的。在大多数情况下，实验室研究所选择的反应器已经变为商用的反应器类型。进一步的开发通常会有助于使该技术发展。关于一些工业上重要的石油化工工艺及其反应器的记述应用了几十年。下面是根据反应器类型分类的反应器使用方法的实施例。
间歇式反应器。间歇式反应器是用于制造塑性树脂的优选构造。这样的反应器通常为6-40立方米(大约200-1400ft3)的带隔板的罐，其中设有由长马达轴从上方驱动的混合叶片或者叶轮。热量通过套壁或者利用内置线圈被传输到内容物和从内容物输出。在顶部附近使用指状隔板而不是全长隔板。可以基本相同的方式生产所有树脂，包括聚酯树脂、酚醛树脂、醇酸树脂、脲甲醛树脂、丙烯酸树脂和呋喃树脂。原材料在高达275℃的温度下例如保温12小时，直至聚合液体变得足够粘稠。已经设计了能够在三个18立方米(大约640ft3)的反应器中产生200种不同类型和等级的合成树脂的设备。大规模操作对于间断聚合能够节省成本。聚氯乙烯(PVC)的全世界产量大于15×106t/yr，但是至今仍然没有开发出适合PVC生产的连续处理反应器。但是，已经开发了体积为200立方米(大约7060ft3)、直径为5.5米并且高10米的商用间歇式悬浮型PVC聚合反应器。
可用于实现本发明的反应工艺的一些示例是包括：有机金属化学的反应工艺；液态氨反应；卤化；硝化；Friedel Craft反应；还原；高温反应(高达260℃)；氰化反应；水解、脱羟、环氧化、重氮化、烷化、酯化、浓缩反应、Mannich反应和苯化学。
由G.I.Taylor于1923年发表的标题为“Stability of a viscous liquidcontained between two rotating cylinders”的文章首先对实验室试验和实践中遇到的关于不稳定性模型形成预测进行直接比较。同心圆筒之间流动的泰勒分析产生一个无量纲控制参数的意义明确的临界值，现称之为“泰勒数”，在达到该临界值时基流变得不稳定，产生小的扰动，形成围绕内圆筒并且在轴向上堆叠的“泰勒旋涡”。Taylor进行了精心的试验，这些试验在参数的宽范围的百分之几的范围内与其理论相符，从而证实线性稳定性分析可进行定量的模型预测。体现Taylor做出的开创性贡献的其他模型形成现象包括：快速转动流体方面的泰勒柱(遵循Taylor-Proudman法则的泰勒柱是二维的)；在较稠的流体的流动方向加速的两种流体之间的界面的Rayleigh-Taylor不稳定性；朝向较粘的流体前进的流体界面的Saffman-Taylor指进不稳定性；以及在具有电场的流体中的气泡。现在泰勒的论文对于这些领域关于模型的理解产生巨大影响。
如上所述，本发明适用的工艺通常为加热、冷却、搅动、反应、状态改变、氧化、还原、混和、中和、形状的改变、密度的改变、分子量的改变、粘性的改变、pH值的改变或改变容器中的物质的任何性质，并且这样的工艺可被称为化学反应器技术。人们不断努力开发能够以更高的效率生产产品的新技术。例如，加热和冷却循环的改进可减少生产时间，无论对于连续操作或者间歇操作的工艺。构成材料和制造手段已经改变，并且明显有助于理解反应器设计和技术的现有工艺水平。本发明特别(但非排他地)涉及利用混合作用和/或化学反应改变溶液或者悬浮液中的材料或者组分的方法和设备，所述混合作用和/或化学反应的速度可通过以热、可见光、紫外线或者红外线以及纵向压力振荡、微波、X射线和γ辐射的形式体现的能量的引入或者去除来控制。
许多化学反应方法包括液/液、液/固、液/气或者液/固/气混合，其会出现长期存在的关于温度分布非均匀性、反应物分布非均匀性以及由于所述非均匀性而产生的不希望产生的副产品的问题。这样的化学反应方法通常包括结晶、沉淀、乳液聚合、茂金属催化聚合、聚合、酶反应和溶胶凝胶生产。关于非均匀性的这样的问题在搅动罐反应器、管状反应器、气液接触器等中是普遍存在的。关于上述反应器处理的另一个问题是，它们是间歇式处理并且从实验室试验扩展到商业生产需要很长的时间，在任何地方都需要花费2至5年的时间，因此会导致很高的成本，并且具有错失市场机会的可能性，这些机会在开始第一次试验时存在但在经过多年后扩展至新的工艺后消失。
本发明应用的一个特定实例是所谓的溶胶凝胶处理。这种手段始于适合分子的原材料，这种原材料简单地混合在溶液中。在前体之间发生聚合反应，接着产生固态基质。例如，金属醇盐通过水解和浓缩可被转变成氧化物。这些材料日益重要，在技术上发现它们本身作为电动汽车、心房脉冲产生器和个人随身听等所用的电池阴极的组分以及各种类型的传感器装置。但是目前主要的一种用途是，通过在玻璃窗上提供沉积的SiO2-TiO2的防反射沉积涂层来改善玻璃窗的光学性能。这种能够为其在材料科学方面带来日益成功的应用的手段具有几个优点。最基本的优点是，与标准固态合成方法相比能够节省能源。可以很低的温度比较容易地生产耐火氧化物材料。它还具有另一个优点，即，能够利用溶液合成固体且无需不便利的费时的粉末反应。这样可直接利用溶液生产玻璃和陶瓷。另外，由于该手段包括溶解，因此工业科学家能够对其应用进行开发以使它们涂有在高于400℃的温度下具有热稳定性的功能薄膜，而不管它们的分子起源。制备包含有机和无机材料的混合材料是理想的。这样的合成物本身属于玻璃和聚合物之间的种类并且具有一些吸引人的性质。商业应用中已经发现几种。混合材料的主要性质是“溶胶凝胶光学性质”。它们例如可用于在溶胶凝胶二氧化硅中俘获有机染料以提高在激光器、非线性光学装置应用和彩色照相应用中所用的染料的光学性能。这种溶胶凝胶手段对合成开辟了新的前景，能够制备以前没有的具有综合性能的产品。Corriu和他的同事发表了混合陶瓷的制备，诸如碳化硅的相互贯通的网络。Stanley Whittingham，在Binghamton的the StateUniversity of New York的一位科学家，并且他的团队已经在通常常规合成保持的温度(100-300℃)下利用水溶液(热液处理)制备氧化物陶瓷而不是利用固态化学方法进行制备，从而再次突出了较温和的手段的优点。
溶胶凝胶方法也可用于生物边界处，其中酶和活细胞可被俘获在诸如溶胶凝胶二氧化硅的材料内并且保持一种生物活性状态。用于任何可支持酶或者活细胞的技术可直接应用在生物传感器和生物反应器中，其中所述材料有助于为活性组分提供一种保护性或者支持性环境，所述活性组分是酶、活细胞或者其他种类。Fluka首次将生物凝胶商业应用在脂肪酶(酶)的封装中以形成生物分压器，其中可精心地控制产品外形。也已经证实了基于被俘获在溶胶凝胶二氧化硅内的葡糖氧化酶的生物传感器，但还未被商业化。
本发明能够利用一种使反应物(其中一种是液体)连续通过温度和压力控制的反应器的方法来解决上述问题，在所述温度和压力控制的反应器中，在相互靠近且间隔的通道表面之间的辅助较高剪切处理区44包围设置在转子42和定子30表面之间的整个环形空间。也可解决扩展问题。另外，能够通过与使用薄壁管的背对背的辅助转子性能结合的边界层流提供异常温度控制。通过具有平稳热阻的异常高的U值可获得增强热控制，具有平稳热阻的异常高的U值可通过平稳的边界层厚度控制和在定子的外表面处提供SphereMatrix(商标)增强冷却以及在定子的内表面处提供背对背边界层高剪切流来达到。另外，它可通过在背对背边界层流中的气体乳化来提供增强气液反应。目前的工艺使用搅动罐反应器、冲击反应器、在线“静态混合器”反应器等，如上面详细描述的，所有的反应器都遇到反应物非均匀混合以及非均匀加热和带走热量。
令人惊异的是，与由于使容积层存在于边界层之间的大间隙尺寸而导致的情况相反，利用本发明的方法和设备能够获得接近即时的均匀和恒定混合，所述接近即时的均匀和恒定混合始于混合组分的进入点处，当环形间隙仅使得背对背边界层存在而排除居间的容积层时能够实现所述接近即时的均匀和恒定混合。为了产生这种在入口和出口之间的出乎意料的完美混合程度，大约每秒1.2米的最小切向速度是必需的，在该设备中，入口和出口间隔开的长度约为24英寸。例如，在实验室试验中，如果环形间隙设定为5毫米，使容积层存在于分层边界层之间，待混合的组分的条纹在它们完全向下通过间隙的过程中是绝对可见的。现在，在大于能够产生这样的有害旋涡的临界泰勒数的情况下能够避免对待混合的组分产生析出影响的泰勒旋涡，能够在sub-Kolmogoroff规模上进行理想的活塞式流动混合。环形间隙表面可涂有一层催化剂并且能够反射电磁波。在很薄的环形间隙中可基本上避免温度梯度。在本发明中急剧减少表面污垢和除垢有助于进行精密的热控制。
本发明特别适用于生物反应器系统，其中微生物培养物的适当混合对于发酵的许多方面是必需的，例如包括保证将养分适当地供给到细胞以及从它们附近去除任何有毒物质。混合还通过使大气泡分裂成较小的气泡并且使它们均匀地分散在液体中来影响氧的供给，从而使它们在反应器中的停留时间增加，因而对于氧气输送，增大了气体停留界面区域。精确的温度控制和有效的热交换也需要有效的热交换的良好混合。良好混合对于保持均质培养物是必需的，其中特定代谢物的浓度可被精确地监测。混合对于确保任何添加的溶液(诸如酸、碱或者养分)的快速扩散也是重要的，从而不会出现局部高浓度的聚集。
在生物反应器中的混合是非常复杂的并且已经成为集中研究和讨论的主题。当然，良好的液相混合的气-液传质的最大需要是提供具有适当氧量的微生物培养物。但是，机械混合会在发酵介质中产生紊流和旋涡，尺寸大约在50-300微米之间。在这些旋涡内将溶质输送到长度大约为1-2微米的细胞受到扩散限制，一种方法取决于介质的粘度。由于这些限制，使培养物尽可能多地混合似乎是理想的。但是，混合量的增大会伴随着流体力学应力(通常用于剪切)的增大，从而会对微生物的生命力产生严重地影响。这种现象被称为涡旋低生命力。介质的流变性也会影响混合，这是由于当粘度增大时，达到同等混合程度所需的功率输入也增大；这对于生物反应器的尺寸和结构提出了非常严格的机械和费用限制。但是，在所有的实践中，这些限制对于小的生物反应器是不存在的，因此普遍可以见到小(1-2L)的生物反应器，其中混合器马达的尺寸达到容器尺寸的25％以上。这样的混合效率对于较大的生物反应器在经济上是不能达到的。总之，为了有效的扩展，在研究和试验阶段尽可能接近最终的发酵是重要的。
对于一种已知的生物反应器设计，粘度和功率输入将确定流动模型，流动模型会在微观和宏观规模上对反应器性能产生影响。剪切可作为粘度的一种表现形式，并且它将直接影响热质传输。所有的传输现象最后与工艺的动力成为一体以导致生物质生长和产品的形成。大容器在它们整个容积上没有均匀流体动力条件，并且有时有意根据速度和紊流在它们内限定区域。这些区域的每一个构成了不同的环境，不同的环境可具有不同的基体和产品浓度、不同pH、不同的细胞浓度、不同的温度和不同的剪切条件。在这被限定后，表示该系统的方程式可被写出，这是由于反应的动力和传输率取决于这些变量。
搅动罐发酵器是工业生产中最重要的一种生物反应器。需要一个或者多个搅拌器实现宽范围的功能：适合的动量、热质传输和混合以及悬浮液的均质化。各个作业的最佳化导致叶轮的不同设计。由于所有这些要求必须同时建立，实践中所用的搅拌器总是反映缺陷。发酵中所用的常规叶轮通常被分为轴向和径向流动叶轮。在多种叶轮几何结构中，在叶轮下方喷射气体的六叶片盘状叶轮是最常用的标准构造。但是，已经对于使用高流量、低功率型号的搅拌器(诸如以Intermig、Lightnin315、Prochem Maxflow T和Scaba 6SRGT为商标出售的搅拌器)进行研究并且已经提出了利用这样可选择的设计形式能够提高发酵工艺的性能。由于搅动罐反应器的输氧效率相对于功率输入是较低的，因此需要提供相当高的特定功率输入以提供足够的输氧速度，这与反应器的尺寸无关。因此，在大型(大于500立方米)搅动罐反应器中通过搅动产生较高的热量在反应器中是很难或不可能减少的。另外，在搅动速度低时，气体扩散和搅动器的混合效率是极低的。因此，对于以低的特定功率输入在大型反应器中进行的低性能工艺(例如生物废水处理)，使用搅动反应器在技术上和经济上是不适合的。在一些情况下，生物因素(例如细胞的剪切敏感性)需要除搅动罐以外的反应器。
已经发表的几篇论文涉及了这些反应器在利用在高粘度培养介质中的细菌(例如，链霉菌)、酵母或者真菌进行的主代谢物和副代谢物的生产方面的应用，其中由于介质粘度和细胞形态的变化而使介质的流变性在生产过程中发生改变。在增大粘度和反应器容积时，介质组分在反应器中的非均匀性逐渐变得重要。不再能够提供集中参数或者液相的轴向扩散模型；需要构造的反应器模型。但是，由于缺少试验数据，因此目前在关于大型反应器中的培养工艺的记述中缺少构造的反应器模型。因此，在这种情况下，仅可考虑集中参数或者简单的轴向扩散模型。已经提出了许多不同的类型。机械混合发酵器代表一种；它们可被外部光照以提供有助于反应的光线。或者，提供外套(环)以通过中空轴或者插入手指排出由光提供的热量。几种具有内部光照设备的商用生物反应器是可得到的。第二种类型是能够产生泰勒旋涡的具有内部几何结构的环形设计。人们已经认识到，对于这种相对于紊乱混合属于有序混合的设备能够增强光合成。人们已经提出了将设有荧光管的中空的光传输隔板插入矩形罐中。通常，矩形罐的一侧设有光照设备。实际上，这样的几何结构最容易定量处理。一种特定类型的环形反应器是Algatron(商标)类型。在该反应器中，利用离心力在转动的圆筒的内壁上保留一层薄的藻类膜。光源可位于培养环的内部和外部。另外，已经提出了一种落膜光生物反应器。使藻类落在向下通过波纹状面板的薄膜上并且最后再循环。
总之，对于化学处理工业，使用生物源材料或者利用能够进行生物转化的微生物应变的制造方法的发展需要多个步骤。始于研究者的试验台，设备的体积为几毫升，继续扩展到工业规模，容积达到几百或者几千立方米。每一个阶段之间的设计的扩展是重要的，但通常仅是达到最大单位的最后步骤是关键的。这是由于在大多数情况下，规模和设备的经济性变得越来越大，如果它没有受到多个因素制约的设计限制，最重要的是体积/表面积比。
本发明的反应器提供了一种允许最大可能进行多种连续反应的方法，它是通过下述过程来完成：利用边界层薄膜剪切作为均匀宏观以及微观混合的流体动力原理，消除旋涡衰减，消除径向温度梯度，大大促进系统的扩展或者缩减，这是由于所有的仅有一种基本的几何结构要求(在管状的定子内转动的管状转子)，以及无需使大量液体在罐中再次循环或者克服静态混合器中的过大的阻力而大大节省能源。例如精确的微混合与轴向区域温度控制的结合能够大大消除不希望的副反应或者在聚合反应中达到很窄的分子重量分布的生产。本发明的另一个意想不到的特征是，在处理表面没有污垢。相当容易清洁反应器内部，其利用适合的溶剂快速冲洗细的化学间隙即可实现，通常在小于10秒的时间内即可完成。本发明的流动特征是理想的充分混合柱塞式流动并且回混最小并且没有沟道引导。

Claims (18)

1.一种处理材料的方法，包括：
使在流动路径中待处理的材料通过一个环形处理通道，所述环形处理通道在至少一个相对另一个转动的各个圆筒形设备元件所提供的两个相互靠近且间隔的光滑表面之间；
其中所述材料形成抵靠两个表面的材料边界层；
其中所述两个表面之间的径向间隔等于或者小于两个边界层的背对背径向厚度；以及
其中表面的光洁度能够使在处理通道中泰勒旋涡的形成受到抑制。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述圆筒形设备元件围绕各自的纵向轴线相互之间彼此转动，所述纵向轴线相互之间是同轴的以使两个表面的径向间隔在其圆周上是恒定的。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述设备元件相对转动，以在它们的存在表面之间产生相互之间至少每秒1.2米的线速度。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述表面的光洁度为10微英寸或者更小。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述表面的光洁度为5微英寸或者更小。
6.如权利要求1所述的方法，其中还包括通过两个元件外部的壁向处理通道中提供处理能量。
7.如权利要求6所述的方法，其中施加在处理通道上的能量为下列中的任何一种：微波频率的电磁能量、光、X射线、γ辐射和超声纵向振荡。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述表面中的一个或者两个上涂有能够在处理通道中增强化学、生物化学和生物杀灭反应中至少一种的催化剂材料。
9.一种处理材料的设备，包括：
两个彼此相对转动的圆筒形设备元件，并且限定了两个相互靠近且间隔的光滑表面，所述两个光滑表面提供一个环形处理通道，所述环形处理通道构成了材料的流动路径；
其中所述两个表面之间的径向间隔等于或者小于抵靠在两个表面上的并且将在处理通道中通过的材料的两个层状边界层的背对背径向厚度；以及
其中表面的光洁度能够使在处理通道中泰勒旋涡的形成受到抑制。
10.如权利要求9所述的设备，其中所述圆筒形设备元件围绕各自的纵向轴线相互之间彼此转动，所述纵向轴线相互之间是同轴的，以使两个表面的径向间隔在其圆周上是恒定的。
11.如权利要求9所述的设备，其中所述设备元件相对转动，以在它们的存在表面之间产生相互之间至少每秒1.2米的线速度。
12.如权利要求9所述的设备，其中所述表面的光洁度为10微英寸或者更小。
13.如权利要求12所述的设备，其中所述表面的光洁度为5微英寸或者更小。
14.如权利要求9所述的设备，其中所述表面的光洁度为10微英寸或者更小。
15.如权利要求12所述的设备，其中所述表面的光洁度为5微英寸或者更小。
16.如权利要求9所述的设备，其中还包括用于通过两个元件外部的壁向处理通道中提供处理能量的装置。
17.如权利要求16所述的设备，其中施加在处理通道上的处理能量为下列中的任何一种：微波频率的电磁能量、光、X射线、γ辐射和超声纵向振荡。
18.如权利要求9所述的设备，其特征在于，所述表面中的一个或者两个上涂有能够在处理通道中增强化学、生物化学和生物杀灭反应中至少一种的催化剂材料。
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