氣升式發(fā)酵罐的工作原理及特點

氣升式發(fā)酵罐（ALR）也是應(yīng)用廣泛的生物反應(yīng)設(shè)備。這類反應(yīng)器具有結(jié)構(gòu)簡單、不易染菌、溶氧效率高、能耗低等優(yōu)點。

氣升式反應(yīng)器有多種類型，常見的有氣升環(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、氣液雙噴射氣升環(huán)流發(fā)酵罐、設(shè)有多層分布板的塔式氣升發(fā)酵罐。而鼓泡罐則是原始的通氣發(fā)酵罐，當然鼓泡式反應(yīng)器內(nèi)沒有設(shè)置導(dǎo)流筒，故未控制液體的主體定向流動。現(xiàn)以氣升環(huán)流式反應(yīng)器為例說明其工作原理。

氣升環(huán)流式反應(yīng)器工作原理

氣升環(huán)流式反應(yīng)器是在反應(yīng)器內(nèi)沒有攪拌器，其中央有一個導(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，或環(huán)型空氣分布管，空氣分布管的下方有許多噴孔。加壓的無菌空氣通過噴嘴或噴孔噴射進發(fā)酵液中，從空氣噴嘴噴入的氣速可達 250~300（米/秒），無菌空氣高速噴入上升管，通過氣液混合物的湍流作用而使空氣泡分割細碎，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能，因此使導(dǎo)流筒內(nèi)的液體向上運動；到達反應(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魍餐饬鲃樱瑢?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，再次進入上升管，形成循環(huán)流動，實現(xiàn)混合與溶氧傳質(zhì)。

氣升環(huán)流式反應(yīng)器的特點

前面已經(jīng)簡單提到氣升環(huán)式反應(yīng)器的特點，由于氣升環(huán)流反應(yīng)器內(nèi)沒有攪拌器，并且有定向循環(huán)流動，故具有多個優(yōu)點，下面具體說明。

（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、混合與停留時間分布均受到影響。對許多間歇或連續(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0.1％～1％范圍內(nèi)，溶解氧為10％一30％。這對需氧生物細胞的生長和產(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（gas—holdup）和比氣液接觸介面，因而有高傳質(zhì)速率和溶氧效率，體積溶氧效率通常比機械攪拌罐高，kLd可達2000h，且溶氧功耗相對低。

（3）剪切力小，對生物細胞損傷小：由于氣升式反應(yīng)器沒有機械攪拌葉輪，故對細胞的剪切損傷可減至低，尤其適合植物細胞及組織的培養(yǎng)。

（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3.0～4.0×105kJ／（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。

（5）結(jié)構(gòu)簡單，易于加工制造：氣升式反應(yīng)器罐內(nèi)無機械攪拌器，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，所以加工制造方便，設(shè)備投資低。同時大型和超大型發(fā)酵反應(yīng)器放大設(shè)計制造也已實現(xiàn)，如上的ICI壓力循環(huán)發(fā)酵罐體積達3000m3，另一種“BIOHCH'’反應(yīng)器也達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)酵罐無機械攪拌系統(tǒng)，所以結(jié)構(gòu)較簡單，能耗低，操作方便，特別是不易發(fā)生機械攪拌軸封容易出現(xiàn)的滲漏染菌問題 。

另外因無機械攪拌熱產(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)計技術(shù)已成熟，易于放大設(shè)計和模擬。