氣升式發(fā)酵罐的工作原理及特點

氣升式發(fā)酵罐（ALR）也是應用廣泛的生物反應設備。這類反應器具有結(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，當然鼓泡式反應器內(nèi)沒有設置導流筒，故未控制液體的主體定向流動?，F(xiàn)以氣升環(huán)流式反應器為例說明其工作原理。

氣升環(huán)流式反應器工作原理

氣升環(huán)流式反應器是在反應器內(nèi)沒有攪拌器，其中央有一個導流筒，將發(fā)酵醪液分為上升區(qū)（導流筒內(nèi)）和下降區(qū)（導流筒外），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，因此使導流筒內(nèi)的液體向上運動；到達反應器上部液面后，一部分氣生泡破碎，二氧化碳排出到反應器上部空間，而排出部分氣體的發(fā)酵液從導流筒上邊向?qū)Я魍餐饬鲃樱瑢Я魍餐獾陌l(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)流式反應器的特點

前面已經(jīng)簡單提到氣升環(huán)式反應器的特點，由于氣升環(huán)流反應器內(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，更應能懸浮分散。氣升環(huán)流反應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：氣升式反應器罐內(nèi)無機械攪拌器，故不需安裝結(jié)構(gòu)復雜的攪拌系統(tǒng)，密封也容易保證，所以加工制造方便，設備投資低。同時大型和超大型發(fā)酵反應器放大設計制造也已實現(xiàn)，如上的ICI壓力循環(huán)發(fā)酵罐體積達3000m3，另一種“BIOHCH'’反應器也達3000m3以上。更大的反應器如鼓泡塔式“Bayer AG'’反應器體積高達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。

此外，氣升式發(fā)酵罐設計技術(shù)已成熟，易于放大設計和模擬。