气升环流式反应器

自学指导

气升式发酵罐也是应用最广泛的生物反应器,学生学习是要掌握气升式发酵罐工作原理，气升环流式反应器特点。

重点:气升式发酵罐工作原理,结构。

图1 气升式发酵罐实物照片

气升式发酵罐(ALR)（见图1）也是应用最广泛的生物反应设备。华南理工大学高孔荣教授等对这类反应器进行了较系统深入的研究并取得良好结果，部分已在发酵工厂和废水处理中应用。这类反应器具有结构简单、不易染菌、溶氧效率高、能耗低等优点。目前世界上最大型的通气发酵罐就是气升环流式的，体积高达3000多立方米。

气升式反应器有多种类型，常见的有气升环流式、鼓泡式、空气喷射式等，生物工业已经大量应用的气升式发酵罐有气升环流发酵罐（见图2）、气液双喷射气升环流发酵罐（见图3）、设有多层分布板的塔式气升发酵罐（见图4）。而鼓泡罐则是最原始的通气发酵罐，当然鼓泡式反应器没有设置导流筒，故未控制液体的主体定向流动。现以气升环流式反应器（见图2）为例说明其工作原理。

图2 气升环流式反应器

图3 气液双喷射气升环流反应器

图4 多层空气分布板的气升环流发酵罐

气升环流式反应器构造如图2所示，在反应器没有搅拌器，其中央有一个导流筒，将发酵醪液分为上升区（导流筒）和下降区（导流筒外），在上升区的下部安装了空气喷嘴（见图3），或环型空气分布管（见图5），空气分布管的下方有许多喷孔。加压的无菌空气通过喷嘴或喷孔喷射进发酵液中，从空气喷嘴喷入的气速可达250~300（米/秒），无菌空气高速喷入上升管，通过气液混合物的湍流作用而使空气泡分割细碎，与导流筒的发酵液密切接触，供给发酵液溶解氧。由于导流筒形成的气液混合物密度降低，加上压缩空气的喷流动能，因此使导流筒的液体向上运动；到达反应器上部液面后，一部分气生泡破碎，二氧化碳排出到反应器上部空间，而排出部分气体的发酵液从导流筒上边向导流筒外流动，导流筒外的发酵液因气含率小，密度增大，发酵液则下降，再次进入上升管，形成循环流动，实现混合与溶氧传质。

图5 环型空气分布管

1．气升环式反应器的特点

前面已经简单提到气升环式反应器的特点，由于气升环流反应器没有搅拌器，并且有定向循环流动，故具有多个优点，下面具体说明。

(1)反应溶液分布均匀：气液固三相的均匀混合与溶液成分的混合分散良好是生物反应器的普遍要求，因其流动、混合与停留时间分布均受到影响。对许多间歇或连续加料的通气发酵，基质和溶氧尽可能均匀分散，以保证其基质在发酵罐各处的浓度都落在0.1％～1％围，溶解氧为10％一30％。这对需氧生物细胞的生长和产物生成有利。此外，还需避免发酵罐液面生成稳定的泡沫层，以免生物细胞积聚于上而受损害甚至死亡。还有培养基成分尤其是有淀粉类易沉降的颗粒物料，更应能悬浮分散。气升环流反应器能很好地满足这些要求。(2)较高的溶氧速率和溶氧效率：气升式反应器有较高的气含率(gas—holdup)和比气液接触介面，因而有高传质速率和溶氧效率，体积溶氧效率通常比机械搅拌罐高，k L d可达2000h，且溶氧功耗相对低。例如一台25m3的ALR，溶氧速率2～8kg／(m3．h)，效率达1～2kg(O2)／(kW．h)。

(3)剪切力小，对生物细胞损伤小：由于气升式反应器没有机械搅拌叶轮，故对细胞的剪切损伤可减至最低，尤其适合植物细胞及组织的培养。

点击图6您可以下载气升式发酵罐的AUTO CAD图，也可以在网上观看，不过您的计算机中必须安装了Autodesk Design Review浏览器。

图6 在莲花味精集团公司使用

的气升式发酵罐照片

(4)传热良好：好气发酵均产生大量的发酵热，如酵母培养旺盛期发酵热高达3.0～

4.0×105kJ／(m3.h)，而传热温差则只有几度(℃)，尤其夏季，若使用非冷冻水，则只有3-10℃左右，故需很大的换热面积与传热系数。气升式反应器因液体综合循环速率高，同时便于在外循环管路上加装换热器，以保证除去发酵热以控制适宜的发酵温度，其示意图如图7。

图7 具有外循环冷却的气升环流式发酵罐

1一发酵罐2一通气管3一发酵液进口4一空气分布器5一空气进口6一循环泵7一发酵液出口8一热交换器9一喷嘴10一发酵液出料口12一排气管

图8 实验用气升式玻璃发酵罐（实物）

(5)结构简单，易于加工制造：气升式反应器罐无机械搅拌器，故不需安装结构复杂的搅拌系统，密封也容易保证，所以加工制造方便，设备投资低。同时大型和超大型发酵反应器放大设计制造也已实现，如国际上著名的ICI压力循环发酵罐体积达3000m3，另一种“BIOHCH'’反应器也达3000m3以上。更大的反应器如鼓泡塔式“Bayer AG'’反应器体积高达13000m3，目前用于生化废水处理。

（6)操作和维修方便：因气升式发酵罐无机械搅拌系统，所以结构较简单，能耗低，操作方便，特别是不易发生机械搅拌轴封容易出现的渗漏染菌问题。

另外因无机械搅拌热产生，所以发酵总热量较低，便于换热冷却系统的装设。

此外，气升式发酵罐设计技术已成熟，易于放大设计和模拟。实验用气升式发酵罐如图8、图9所示。

图9 BIOTECH实验用气升式发酵罐（单击可以放大）

2．气升环流式发酵罐的主要结构及操作参数

影响气升环流式发酵罐特性的主要结构及操作参数包含高径比、导流筒高度与反应器高度之比、导流筒直径与反应器直径比、导流筒顶部和底部与罐顶和罐底的距离、通气速率、循环时间、平均循环雷诺准数、平均循环速度等，现分述如下。

(1)主要结构参数：环流气升式反应器结构示意图如图10所示。根据国外的实验研究与生产实践证明，要获得良好的气液混合与溶氧传质，反应器的结构参数具有举足轻重的影响，必须有一定的几何尺寸比例围，以—下进行分析介绍。

a．反应器高径比H／D：气升式反应器与机械搅拌发酵罐一样，高径比是几何参数。据研究实验结果表明，H／D的适宜围是5-9，这既有利于混合与溶氧，也便于放大设计用于发酵生产，放大设计应以溶氧为主放大较好。

b．导流筒径与罐径比DE／D：对一定的发酵罐，即确定D和H后，导流筒直径DE及其高度LE对发酵液的循环流动与溶氧也有很大影响。适宜的DE／D = 0.6～0.8，具体的最佳选值应视发酵液的物化特性及生物细胞的生物学特性确定。

c．空气喷嘴直径与反应器直径比D1／D以及导流筒上下端面到罐顶及罐底的距离均对发酵液的混合与流动、溶氧等有重要影响。

图10 环流气升式

反应器结构示意图(单击可以放大）

1一罐体2一罐底盖3一顶盖4一导流筒5—喷嘴

2．气升环流式发酵罐的主要结构及操作参数

(2)气升环流反应器的操作特性：

a．平均循环时间tm：如前所述，气升环流反应器设导流筒(也称上升管)，把其中的培养液分在两大区域即导流筒(上升)区和环隙中(下降区)，因导流筒不断有新气泡补充，且混合剪切较强，故此区混合与溶氧均较好；而在导流筒外即环隙中，气含率往往要低于导流筒。若循环速度太低，则气泡变大，环隙中的气含率就会更低，溶氧速率也随之变小，但通常发酵液中所含的生物细胞浓度基本不变，所以环隙中的发酵液易出现缺氧现象。实践表明，不同的发酵生产以及不同时期，由于细胞浓度及对氧的需求不同，故对循环周期的要求也相异。总的来说，对需氧发酵，若供氧不足，则生物细胞活力下降因而发酵产率降低，例如，用黑曲霉培养生产糖化酶，当细胞浓度较高时，循环周期必须小于3min才能保证正常发酵；若是高密度单细胞蛋白培养，则循环周期应在lmin左右才能达到优良效果。

平均循环时间(周期)由下式确定：

式中VL．--发酵罐培养液量，m3；

Vc——发酵液循环流量，m3／s；

DE——导流管(上升管)直径，m；

vm——导流管中液体平均流速，m／s

3．典型的气升环流发酵罐简介

气升环流式发酵罐因具有结构较简单，溶氧速率高，能耗低，便于放大设计和加工制造特大型的发酵罐，因而自20世纪70年代以来在单细胞蛋白生产、废水处理等领域应用十分广泛，几乎在上述领域占据了绝大部分市场。英国伯明翰ICI公司的压力循环发酵罐是国际上最出色的代表，公称体积达3000m3，液柱高达55m，故通气压力高，发酵液量2100m3。为了强化气液混合与溶氧，沿罐高度设有19块有下降区的筛板以防止气泡合并为大气泡，同时为使塔顶的气液部分分离排气，顶部设有气液分离部分，直径约等于塔径的1.5倍。具体的设计及主要尺寸示意图如图11所示。

根据测定及生产运行结果，发酵罐中液体上升速度达0.5m／s，而在下降区的速度更高达3～4m／s；在上升管与下降区的气含率分别高达0.52和0.48。由于液位高，饱和溶氧c*很高，故溶氧速率可高达10kg(O2)／(m3．h)，但相应的通气功率就高达6.6kW／m3，溶氧效率为1.5kg(O2)／(kW.h)，较小型的气升环流反应器的溶氧效率2kg(02)／(kW.h)稍低，而后者的通气功率约为P g／VL＝1.5kW／m3，溶氧速率可达到3kg(O2)／(m3.h)。此外，为防止C02积聚，发酵液的循环时间控制在1-3min。

图11 ICI压力循环式发酵罐示意图（单击该图可以观看大图）

2．典型的气升环流发酵罐简介（续）

气升环流式反应器除了用于酵母生产、细胞培养及酶制剂、有机酸等发酵生产使用外，也广泛用于废水生化处理。如BIOHOCH反应器便是典型的代表，其特点是一个反应器设多个气升环流管，有效体积高达8000—20000m3，具有节能、操作稳定、出水的BOD和COD低、无噪音因而对环境无污染及占地面积小等优点，是值得推广应用的废水处理反应器，其结构示意图见图12。

图12 BIOHOCH多气升管废水处理生化反应器

（单击该图可以观看大图）