氣升環(huán)流式反應(yīng)器

1、自學(xué)指導(dǎo)氣升式發(fā)酵罐也是應(yīng)用最廣泛的生物反應(yīng)器,學(xué)生學(xué)習(xí)是要掌握氣升式發(fā)酵罐工作原理，氣升環(huán)流式反應(yīng)器特點(diǎn)。重點(diǎn):氣升式發(fā)酵罐工作原理,結(jié)構(gòu)。圖1 氣升式發(fā)酵罐實(shí)物照片氣升式發(fā)酵罐(ALR)（見(jiàn)圖1）也是應(yīng)用最廣泛的生物反應(yīng)設(shè)備。華南理工大學(xué)高孔榮教授等對(duì)這類反應(yīng)器進(jìn)行了較系統(tǒng)深入的研究并取得良好結(jié)果，部分已在發(fā)酵工廠和廢水處理中應(yīng)用。這類反應(yīng)器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不易染菌、溶氧效率高、能耗低等優(yōu)點(diǎn)。目前世界上最大型的通氣發(fā)酵罐就是氣升環(huán)流式的，體積高達(dá)3000多立方米。氣升式反應(yīng)器有多種類型，常見(jiàn)的有氣升環(huán)流式、鼓泡式、空氣噴射式等，生物工業(yè)已經(jīng)大量應(yīng)用的氣升式發(fā)酵罐有氣升內(nèi)環(huán)流發(fā)酵罐（見(jiàn)圖2）、

2、氣液雙噴射氣升環(huán)流發(fā)酵罐（見(jiàn)圖3）、設(shè)有多層分布板的塔式氣升發(fā)酵罐（見(jiàn)圖4）。而鼓泡罐則是最原始的通氣發(fā)酵罐，當(dāng)然鼓泡式反應(yīng)器內(nèi)沒(méi)有設(shè)置導(dǎo)流筒，故未控制液體的主體定向流動(dòng)。現(xiàn)以氣升環(huán)流式反應(yīng)器（見(jiàn)圖2）為例說(shuō)明其工作原理。圖2 氣升環(huán)流式反應(yīng)器圖3 氣液雙噴射氣升環(huán)流反應(yīng)器圖4 多層空氣分布板的氣升環(huán)流發(fā)酵罐氣升環(huán)流式反應(yīng)器構(gòu)造如圖2所示，在反應(yīng)器內(nèi)沒(méi)有攪拌器，其中央有一個(gè)導(dǎo)流筒，將發(fā)酵醪液分為上升區(qū)（導(dǎo)流筒內(nèi)）和下降區(qū)（導(dǎo)流筒外），在上升區(qū)的下部安裝了空氣噴嘴（見(jiàn)圖3），或環(huán)型空氣分布管（見(jiàn)圖5），空氣分布管的下方有許多噴孔。加壓的無(wú)菌空氣通過(guò)噴嘴或噴孔噴射進(jìn)發(fā)酵液中，從空氣噴嘴噴入的氣速可

3、達(dá) 250300（米/秒），無(wú)菌空氣高速噴入上升管，通過(guò)氣液混合物的湍流作用而使空氣泡分割細(xì)碎，與導(dǎo)流筒內(nèi)的發(fā)酵液密切接觸，供給發(fā)酵液溶解氧。由于導(dǎo)流筒內(nèi)形成的氣液混合物密度降低，加上壓縮空氣的噴流動(dòng)能，因此使導(dǎo)流筒內(nèi)的液體向上運(yùn)動(dòng)；到達(dá)反應(yīng)器上部液面后，一部分氣生泡破碎，二氧化碳排出到反應(yīng)器上部空間，而排出部分氣體的發(fā)酵液從導(dǎo)流筒上邊向?qū)Я魍餐饬鲃?dòng)，導(dǎo)流筒外的發(fā)酵液因氣含率小，密度增大，發(fā)酵液則下降，再次進(jìn)入上升管，形成循環(huán)流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)混合與溶氧傳質(zhì)。圖5 環(huán)型空氣分布管1氣升環(huán)式反應(yīng)器的特點(diǎn)前面已經(jīng)簡(jiǎn)單提到氣升環(huán)式反應(yīng)器的特點(diǎn)，由于氣升環(huán)流反應(yīng)器內(nèi)沒(méi)有攪拌器，并且有定向循環(huán)流動(dòng)，故具有多個(gè)優(yōu)

4、點(diǎn)，下面具體說(shuō)明。(1)反應(yīng)溶液分布均勻：氣液固三相的均勻混合與溶液成分的混合分散良好是生物反應(yīng)器的普遍要求，因其流動(dòng)、混合與停留時(shí)間分布均受到影響。對(duì)許多間歇或連續(xù)加料的通氣發(fā)酵，基質(zhì)和溶氧盡可能均勻分散，以保證其基質(zhì)在發(fā)酵罐內(nèi)各處的濃度都落在0.11范圍內(nèi)，溶解氧為10一30。這對(duì)需氧生物細(xì)胞的生長(zhǎng)和產(chǎn)物生成有利。此外，還需避免發(fā)酵罐液面生成穩(wěn)定的泡沫層，以免生物細(xì)胞積聚于上而受損害甚至死亡。還有培養(yǎng)基成分尤其是有淀粉類易沉降的顆粒物料，更應(yīng)能懸浮分散。氣升環(huán)流反應(yīng)器能很好地滿足這些要求。(2)較高的溶氧速率和溶氧效率：氣升式反應(yīng)器有較高的氣含率(gasholdup)和比氣液接觸介面，因而

5、有高傳質(zhì)速率和溶氧效率，體積溶氧效率通常比機(jī)械攪拌罐高，kLd可達(dá)2000h，且溶氧功耗相對(duì)低。例如一臺(tái)25m3的ALR，溶氧速率28kg(m3h)，效率達(dá)12kg(O2)(kWh)。(3)剪切力小，對(duì)生物細(xì)胞損傷小：由于氣升式反應(yīng)器沒(méi)有機(jī)械攪拌葉輪，故對(duì)細(xì)胞的剪切損傷可減至最低，尤其適合植物細(xì)胞及組織的培養(yǎng)。點(diǎn)擊圖6您可以下載氣升式發(fā)酵罐的AUTO CAD圖，也可以在網(wǎng)上觀看，不過(guò)您的計(jì)算機(jī)中必須安裝了Autodesk Design Review瀏覽器。圖6 在河南蓮花味精集團(tuán)公司使用的氣升式發(fā)酵罐照片 (4)傳熱良好：好氣發(fā)酵均產(chǎn)生大量的發(fā)酵熱，如酵母培養(yǎng)旺盛期發(fā)酵熱高達(dá)3.04

6、.0×105kJ(m3.h)，而傳熱溫差則只有幾度()，尤其夏季，若使用非冷凍水，則只有3-10左右，故需很大的換熱面積與傳熱系數(shù)。氣升式反應(yīng)器因液體綜合循環(huán)速率高，同時(shí)便于在外循環(huán)管路上加裝換熱器，以保證除去發(fā)酵熱以控制適宜的發(fā)酵溫度，其示意圖如圖7。圖7 具有外循環(huán)冷卻的氣升環(huán)流式發(fā)酵罐1一發(fā)酵罐 2一通氣管 3一發(fā)酵液進(jìn)口 4一空氣分布器 5一空氣進(jìn)口 6一循環(huán)泵 7一發(fā)酵液出口 8一熱交換器 9一噴嘴 10一發(fā)酵液出料口 12一排氣管圖8 實(shí)驗(yàn)用氣升式玻璃發(fā)酵罐（實(shí)物）(5)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工制造：氣升式反應(yīng)器罐內(nèi)無(wú)機(jī)械攪拌器，故不需安裝結(jié)構(gòu)復(fù)雜的攪拌系統(tǒng)，密封也容易保證，所

7、以加工制造方便，設(shè)備投資低。同時(shí)大型和超大型發(fā)酵反應(yīng)器放大設(shè)計(jì)制造也已實(shí)現(xiàn)，如國(guó)際上著名的ICI壓力循環(huán)發(fā)酵罐體積達(dá)3000m3，另一種“BIOHCH'反應(yīng)器也達(dá)3000m3以上。更大的反應(yīng)器如鼓泡塔式“Bayer AG'反應(yīng)器體積高達(dá)13000m3，目前用于生化廢水處理。（6)操作和維修方便：因氣升式發(fā)酵罐無(wú)機(jī)械攪拌系統(tǒng)，所以結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，能耗低，操作方便，特別是不易發(fā)生機(jī)械攪拌軸封容易出現(xiàn)的滲漏染菌問(wèn)題 。另外因無(wú)機(jī)械攪拌熱產(chǎn)生，所以發(fā)酵總熱量較低，便于換熱冷卻系統(tǒng)的裝設(shè)。此外，氣升式發(fā)酵罐設(shè)計(jì)技術(shù)已成熟，易于放大設(shè)計(jì)和模擬。實(shí)驗(yàn)用氣升式發(fā)酵罐如圖8、圖9所示。圖9 

8、;BIOTECH實(shí)驗(yàn)用氣升式發(fā)酵罐（單擊可以放大）2氣升環(huán)流式發(fā)酵罐的主要結(jié)構(gòu)及操作參數(shù)影響氣升環(huán)流式發(fā)酵罐特性的主要結(jié)構(gòu)及操作參數(shù)包含高徑比、導(dǎo)流筒高度與反應(yīng)器高度之比、導(dǎo)流筒直徑與反應(yīng)器直徑比、導(dǎo)流筒頂部和底部與罐頂和罐底的距離、通氣速率、循環(huán)時(shí)間、平均循環(huán)雷諾準(zhǔn)數(shù)、平均循環(huán)速度等，現(xiàn)分述如下。(1)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)：內(nèi)環(huán)流氣升式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖如圖10所示。根據(jù)國(guó)內(nèi)外的實(shí)驗(yàn)研究與生產(chǎn)實(shí)踐證明，要獲得良好的氣液混合與溶氧傳質(zhì)，反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)具有舉足輕重的影響，必須有一定的幾何尺寸比例范圍，以下進(jìn)行分析介紹。a反應(yīng)器高徑比HD：氣升式反應(yīng)器與機(jī)械攪拌發(fā)酵罐一樣，高徑比是幾何參數(shù)。據(jù)研究實(shí)驗(yàn)結(jié)果

9、表明，HD的適宜范圍是5-9，這既有利于混合與溶氧，也便于放大設(shè)計(jì)用于發(fā)酵生產(chǎn)，放大設(shè)計(jì)應(yīng)以溶氧為主放大較好。b導(dǎo)流筒徑與罐徑比DED：對(duì)一定的發(fā)酵罐， 即確定D和H后，導(dǎo)流筒直徑DE及其高度LE對(duì)發(fā) 酵液的循環(huán)流動(dòng)與溶氧也有很大影響。適宜的DED = 0.60.8，具體的最佳選值應(yīng)視發(fā)酵液的物化特性及生物細(xì)胞的生物學(xué)特性確定。c空氣噴嘴直徑與反應(yīng)器直徑比D1D以及導(dǎo)流筒上下端面到罐頂及罐底的距離均對(duì)發(fā)酵液的混合與流動(dòng)、溶氧等有重要影響。圖10 內(nèi)環(huán)流氣升式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖(單擊可以放大）1一罐體 2一罐底蓋 3一頂蓋 4一導(dǎo)流筒 5噴嘴2氣升環(huán)流式發(fā)酵罐的主要結(jié)構(gòu)及操作參數(shù)(2)氣

10、升環(huán)流反應(yīng)器的操作特性：a平均循環(huán)時(shí)間tm：如前所述，氣升內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器內(nèi)設(shè)導(dǎo)流筒(也稱上升管)，把其中的培養(yǎng)液分在兩大區(qū)域即導(dǎo)流筒(上升)區(qū)和環(huán)隙中(下降區(qū))，因?qū)Я魍矁?nèi)不斷有新氣泡補(bǔ)充，且混合剪切較強(qiáng)，故此區(qū)內(nèi)混合與溶氧均較好；而在導(dǎo)流筒外即環(huán)隙中，氣含率往往要低于導(dǎo)流筒。若循環(huán)速度太低，則氣泡變大，環(huán)隙中的氣含率就會(huì)更低，溶氧速率也隨之變小，但通常發(fā)酵液中所含的生物細(xì)胞濃度基本不變，所以環(huán)隙中的發(fā)酵液易出現(xiàn)缺氧現(xiàn)象。實(shí)踐表明，不同的發(fā)酵生產(chǎn)以及不同時(shí)期，由于細(xì)胞濃度及對(duì)氧的需求不同，故對(duì)循環(huán)周期的要求也相異?？偟膩?lái)說(shuō)，對(duì)需氧發(fā)酵，若供氧不足，則生物細(xì)胞活力下降因而發(fā)酵產(chǎn)率降低，例如，用黑曲

11、霉培養(yǎng)生產(chǎn)糖化酶，當(dāng)細(xì)胞濃度較高時(shí)，循環(huán)周期必須小于3min才能保證正常發(fā)酵；若是高密度單細(xì)胞蛋白培養(yǎng)，則循環(huán)周期應(yīng)在 lmin左右才能達(dá)到優(yōu)良效果。平均循環(huán)時(shí)間(周期)由下式確定：式中 VL-發(fā)酵罐內(nèi)培養(yǎng)液量，m3；Vc發(fā)酵液循環(huán)流量，m3s； DE導(dǎo)流管(上升管)直徑，m；vm導(dǎo)流管中液體平均流速，ms3典型的氣升環(huán)流發(fā)酵罐簡(jiǎn)介氣升環(huán)流式發(fā)酵罐因具有結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，溶氧速率高，能耗低，便于放大設(shè)計(jì)和加工制造特大型的發(fā)酵罐，因而自20世紀(jì)70年代以來(lái)在單細(xì)胞蛋白生產(chǎn)、廢水處理等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，幾乎在上述領(lǐng)域占據(jù)了絕大部分市場(chǎng)。英國(guó)伯明翰ICI公司的壓力循環(huán)發(fā)酵罐是國(guó)際上最出色的代表，

12、公稱體積達(dá)3000m3，液柱高達(dá)55m，故通氣壓力高，發(fā)酵液量2100m3。為了強(qiáng)化氣液混合與溶氧，沿罐高度設(shè)有19塊有下降區(qū)的篩板以防止氣泡合并為大氣泡，同時(shí)為使塔頂?shù)臍庖翰糠址蛛x排氣，頂部設(shè)有氣液分離部分，直徑約等于塔徑的1.5倍。具體的設(shè)計(jì)及主要尺寸示意圖如圖11所示。根據(jù)測(cè)定及生產(chǎn)運(yùn)行結(jié)果，發(fā)酵罐中液體上升速度達(dá)0.5ms，而在下降區(qū)的速度更高達(dá)34ms；在上升管與下降區(qū)的氣含率分別高達(dá)0.52和0.48。由于液位高，飽和溶氧c*很高，故溶氧速率可高達(dá)10kg(O2)(m3h)，但相應(yīng)的通氣功率就高達(dá)6.6kWm3，溶氧效率為1.5kg(O2)(kW.h)，較小型的氣升環(huán)流反應(yīng)器的溶氧效率2kg(02)(kW.h)稍低，而后者的通氣功率約為PgVL1.5kWm3，溶氧速率可達(dá)到3kg(O2)(m3.h)。此外，為防止C02積聚，發(fā)酵液的循環(huán)時(shí)間控制在1-3min。圖11 ICI壓力循環(huán)式發(fā)酵罐示意圖（單擊該圖可以觀看大圖）2典型的氣升環(huán)流發(fā)酵罐簡(jiǎn)介（續(xù)）氣升環(huán)流式反應(yīng)器除了用于酵母生產(chǎn)、細(xì)胞培