氣升式發(fā)酵罐備考復習

1、For personal use only in study and research; not for commercial use氣升式發(fā)酵罐 摘要：該文簡要介紹了氣升發(fā)酵罐的、工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計、設(shè)備特點、優(yōu)缺點及適用場 合及在我國的現(xiàn)狀。并展望了氣升式發(fā)酵罐的廣闊的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞:氣升式發(fā)酵罐：結(jié)構(gòu)：高效發(fā)酵：現(xiàn)狀Abstract! This paper briefly introduces the airlift fermentor, working principle, structural design, equipment characteristics, advantage

2、s and disadvantages , suitable occasion and the present situation in our countryu And the prospect of airlift fermentation tank the broad application prospectSoKey worlds : Airlift fermentor: construction： high acidicferm entation :present situation：生化反應(yīng)過程大都是需氧過程，通風發(fā)酵設(shè)備是需氧 生化反應(yīng)設(shè)備的核心和基礎(chǔ)。雖然目前應(yīng)用最廣泛的通風

3、發(fā)酵罐是機械攪拌式的，但這種類型的發(fā)酵罐功率消耗大, 加工困難，投資髙，維修麻煩，軸封易淞漏，易染菌，攪 拌剪切力大，大型化后混合不均勻，傳質(zhì)效率下降，因而 難于超大型化。因此，非機械攪拌發(fā)酵罐的研究和應(yīng)用得 到迅速發(fā)展，特別是氣升式發(fā)酵罐。氣升式發(fā)酵罐是20世紀70年代開始發(fā)展應(yīng)用的一種 新型生物反應(yīng)器。因為無機械攪拌機構(gòu)，所以最大限度地 減少了染菌率；同時因為沒有了機械剪切力，對長菌線的 各種真菌尤為適宜：由于氣體提升，充分的氣液混合使氧 氣的傳遞利用極大提高，特別適合髙黏度培養(yǎng)基和對于溶 氧要求髙的產(chǎn)品。一 氣升式發(fā)酵罐的原理它不用機械攪拌就能基本達到良好的氧溶解的目的。 外循環(huán)式培養(yǎng)罐

4、是在罐外裝有氣液上升管，上升管的兩端分 別與罐底部和罐上部相連通，并構(gòu)成一個氣液循環(huán)系統(tǒng)。在 上升管的下部裝設(shè)空氣噴嘴，空氣以250-300m/s的高速度 噴入上升管，使空氣分割細碎，與上升管的發(fā)酵液密切接 觸。由于上升管內(nèi)的發(fā)酵液比重較小，加上壓縮空氣的動 能，使液體上升，罐內(nèi)液體下降進入上升管，形成反復的 循環(huán)。如此液體不斷循環(huán)流動,并在上升管中與噴嘴噴出的細微空氣粒均勻接觸，不斷得到溶解氧的補充，從而保證了 菌體的正常生長。乳化了的醪液由上升管進入發(fā)酵罐，從培 養(yǎng)液中分離出來的空氣由罐頂排出。在罐頂還裝有視鏡和 人孔罐中部有溫度訃插口。培養(yǎng)過程中微生物代謝放出的 熱量在上升管中經(jīng)噴淋冷卻

5、除去，為此，在上升管上部要裝 冷卻器“上升管和下降管的布置可以裝在罐外，稱為外循 環(huán)：也可以裝在罐內(nèi)，稱為內(nèi)循環(huán)。圖1-2-20機械攪拌自吸式發(fā)酵律1 人孔 2進風管 3軸封4-轉(zhuǎn)子5電機 6-聯(lián)軸器7-軸封8-投樣紬9 一定子10冷卻蛇管11一消泡器12排氣管 13消泡轉(zhuǎn)軸(詢循環(huán)管式(b)內(nèi)循環(huán)管式氣升式發(fā)蒔罐示意圖二氣升式發(fā)酵罐的分類氣升式發(fā)酵罐有多種類型，常見的有氣升環(huán)流式、鼓泡式、空氣噴射式等，其工作原 理是把無菌空氣通過噴嘴或噴孔噴射進發(fā)酵液中，通過氣液混合物的湍流作用而使空氣泡 分割細碎，同時由于形成的氣液混介物密度降低故向上運動，而氣含率小的發(fā)酵液則下沉. 形成循環(huán)流動，實現(xiàn)混

6、合與溶解氧傳質(zhì)。已大量應(yīng)用的氣升內(nèi)環(huán)流發(fā)酵罐、氣液雙噴射氣 升環(huán)流發(fā)酵罐、有多層分布板的塔式氣升發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)分別如圖所示。(C)多層分布板的購式氣片發(fā)霧81幾種大嶄屈用的代升氏炭酔0三氣升式反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計1傳統(tǒng)氣升式反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計氣升式反應(yīng)器設(shè)計中的首要問題是結(jié)構(gòu)。目前，研究最多.應(yīng)用最廣泛的是同心圓導流 桶結(jié)構(gòu)，根據(jù)氣體通入方式及是否加入擋板又可將其分為3種，如圖1所示。氣體通入導流 桶底部為最常見的設(shè)汁，其結(jié)構(gòu)見圖19)。氣體也可以通入導流桶和反應(yīng)器內(nèi)壁的環(huán)隙內(nèi)， 其結(jié)構(gòu)見圖1(b),形成相反的循環(huán)。這種通氣方式能夠改善罐壁和管內(nèi)的熱傳導并減少泡 沫的生成。Cooper PG等1在

7、1個55 nf的發(fā)酵罐中證實了這種通氣方式確實能夠改善反 應(yīng)器的熱傳性能。在大型氣升式反應(yīng)器中，還可以在導流桶內(nèi)加入多孔平行擋板，其結(jié)構(gòu)見 圖1(c),這種擋板的作用有2個:使上升液流中的氣泡變得更均勻;消除由于氣泡聚集 形成的氣穴。使用FJ板的 化升式反應(yīng)器(普通流 氣升式反應(yīng)粘Q y：氣升式反應(yīng)設(shè)計的另一個問題是英尺寸。一般來講，這種反應(yīng)器為細長型,高徑比(H/D) 可達1023.細長的反應(yīng)器使氣體在液體內(nèi)停留時間變長，有利于氧氣的充分利用。另外，在 較髙的反應(yīng)器中氣體的抽提作用強、氣液循環(huán)快、攪拌效果好。導流桶和反應(yīng)器直徑之比 是這種反應(yīng)器的另一個重要尺寸。Blenke的研究顯示這個比值

8、在0 59時,氣液循環(huán)速度 最快.阻力最小。Wang等用500 L的反應(yīng)器進行試驗,結(jié)果表明這個比例在0 590 75 時，氧的傳遞效果變化不大,在0 65時最佳。W“nd P用41 L的發(fā)酵罐得到試驗結(jié)果: 這個比值在0 8時混合效果最好。Kriegel等在導流桶與反應(yīng)器內(nèi)壁間隙通入空氣形成反 向循環(huán)，其結(jié)構(gòu)見圖1(b),結(jié)果顯示，這種情況下，反應(yīng)器和導流桶直徑比值在08時氧的 傳遞效果最好。(反向流氣升式反應(yīng)器圖1同心圓導流桶氣升式反應(yīng)器除同心圓導流桶結(jié)構(gòu)外，氣升式反應(yīng)器還有一類，稱為管式環(huán)流結(jié)構(gòu)(Tubular Loop) 圖2是這種結(jié)構(gòu)的示意圖，它由1粗1細2根圓柱管組成,2根圓柱管頂

9、部和底部相連，氣體 從粗管底端引入并驅(qū)動液體上升形成循環(huán)。管式環(huán)流氣升式反應(yīng)器有以下特點:在頂部可將液體中的氣體全部釋放岀來,有效地 防止了發(fā)酵液中C02氣體的積累，不僅有利于生物的生長，且有利于氣泡中的氧氣分壓，提 高氧氣的傳遞速率;在反應(yīng)器的頂部，液體流型均勻劃一，沒有死角;由于在下降液流中 沒有氣泡,可在細圓柱管內(nèi)安裝換熱器，便于移出熱量;細圓柱管內(nèi)可安裝流由于沒 有氣泡的干擾，測量結(jié)果準確。因此，這種反應(yīng)器運行條件的檢測準確可靠，一般用于實驗 室、擴大試驗和中試生產(chǎn)中。圖2管式環(huán)流氣升式反應(yīng)器2特殊結(jié)構(gòu)氣升式反應(yīng)器設(shè)計除以上研究外，近年來，氣升式反應(yīng)器還不斷出現(xiàn)了一些特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計,英

10、中比較成熟 的樣式有:柱體垂直擋板氣升發(fā)酵罐(，見圖(3a)及其變種中間通氣式氣升式發(fā)酵罐，見圖(3b) 以及槽式氣升式發(fā)酵罐，見圖(3c) o()柱體華直持板(b)中何通氣式圖3特殊結(jié)構(gòu)的氣升式反應(yīng)器柱體垂直擋板式氣升反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)非常簡單,就是在圓柱形反應(yīng)器的內(nèi)部，用1個橫跨 直徑的垂直擋板將反應(yīng)器隔成相等的兩半，兩半的上下相連,在其中1個的底部通入氣體，形 成環(huán)流。與同心圓導流桶式氣升反應(yīng)器相比，它在氣液環(huán)流時產(chǎn)生的阻力較小，因為流體接 觸的罐壁總而積小，因此可產(chǎn)生較髙的流體循環(huán)速度11-121;與管式環(huán)流氣升反應(yīng)器相比, 這種反應(yīng)器的載氣量大，因為管式環(huán)流氣升反應(yīng)器下降段基本沒有氣體，而

11、這種反應(yīng)器在上 升和下降段都有氣體，這一點與同心圓導流桶式類似。因此這種反應(yīng)器氧氣的利用率高，尤 其是當下降段的液而低于垂直擋板最髙端時更是如此13。有人在反應(yīng)器內(nèi)增加多個隔板, 形成多段垂直隔板氣升反應(yīng)器，進一步提高了氧氣的利用效率。這種反應(yīng)器的髙徑比(H/D) 一般不超過10.中間通氣式氣升反應(yīng)器是由ICI(Imperial Chem-ical Industries)公司設(shè)il開發(fā)，主 要用于廢水的生物處理過程。與其他氣升反應(yīng)器不同，這種設(shè)計在上置也是個很重要的設(shè)計 參數(shù),Kubota等12建立了設(shè)計模型用以計算氣體通入位置，表明在穩(wěn)左運行的情況下，氣 體通入位置與通氣呈有關(guān),通氣量越大，

12、通氣位置就可以越髙。這種反應(yīng)器內(nèi)氣泡比較均勻, 有利于增加氧的傳遞。槽式氣升反應(yīng)器15(圖3c)為長方形，中間用擋板隔為上下相連相等的2部分,在貝中 一部分的底部通入空氣。通氣管有2個,1個靠近擋板，另一個靠近反應(yīng)器內(nèi)壁。由于長度 不影響該發(fā)酵罐的流體動力學行為，因此，在設(shè)訃中只需考慮髙度和寬度。沒有見到有文獻 報道最優(yōu)的髙/寬比值是多少，但有1個在中試規(guī)模的實際案例，用于廢水處理,它的高/寬比 為6。在槽式氣升式發(fā)酵罐中，下降段的氣泡比英他類型反應(yīng)器多加上氣液接觸而積比其 他類型的反應(yīng)器大，因此，氧的傳遞速率快。四氣升式發(fā)酵罐的特點因氣升環(huán)流發(fā)酵罐內(nèi)沒有攪拌器，且有立向循環(huán)流動，故具有多方而

13、優(yōu)點。反應(yīng)溶液分布均勻 氣一液一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)器的普適要求。對許多間歇或連續(xù)加料的通氣發(fā)酵，基質(zhì)和溶解氧應(yīng)盡可能均勻分散, 以保證其基質(zhì)在發(fā)酵罐內(nèi)各處的濃度都在0. 1%1%范用內(nèi)，溶解氧為10%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)酵罐液而生成穩(wěn)龍的泡沫層， 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)流發(fā)酵罐能很好地滿足這些要求。較高的溶解氧速率和溶解氧效率氣升式反應(yīng)器有較髙的氣含率和比氣液接觸界面， 因而有高傳質(zhì)速率和溶解氧效率，體積溶解氧效率通常比機械攪拌罐髙

14、，溶解氧功耗相對 低。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 剪切損傷可減至最低。傳熱良好好氣發(fā)酵均產(chǎn)生大雖:的發(fā)酵熱，而傳熱溫差則只有幾度CC),尤其夏季， 若使用非冷凍水，則只有310C左右，故需要很大的換熱而積與傳熱系數(shù)。氣升式反應(yīng) 器因其液體綜合循環(huán)速率髙，同時便于在外循環(huán)管路上加裝換熱器，以保證除去發(fā)酵熱而 控制適宜的發(fā)酵溫度。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)復雜的 攪拌系統(tǒng)，密封也容易保證，因此加工制造方便，設(shè)備投資低.放大設(shè)計制適大型和超大 型發(fā)酵反應(yīng)器也容易實現(xiàn)。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)包括高

15、徑比、導流簡髙度與反應(yīng) 器高度之比、導流簡直徑與反應(yīng)器直徑比、導流筒頂部和底部與罐頂和罐底的距離、通氣 速率.循環(huán)時間.平均循環(huán)雷諾準數(shù)、平均循環(huán)速度等。主要缺點：需要非常大的空氣吞吐量，相間混和接觸較差；當循環(huán)的有機體和操作條件發(fā)生變化 時，底物、營養(yǎng)物和氧的量不能保持一致；混和與通氣是耦合問題，也即很難在不改變通 氣的條件下改善混和狀況。影響氣升式發(fā)酵罐的因素影響氣升式發(fā)酵罐性能的三個主要結(jié)構(gòu)即循環(huán)管長度、循環(huán)管與罐身截而構(gòu)成的環(huán)隙 而積比和空氣分布器都影響反應(yīng)器的性能，并隨風量的增加而愈顯示其重要性這就提示我 們在優(yōu)化設(shè)計時不但要對上述單個因素及其相互協(xié)調(diào)進行研究，而且應(yīng)根據(jù)不同對象進行

16、 選擇。事實上，在不同情況下，上述實驗結(jié)果還表現(xiàn)出若干局限性，說明氣升式反應(yīng)器雖 然因其結(jié)構(gòu)簡單，具較好的也和節(jié)約動力等特點，但還必須繼續(xù)深入研究，才能設(shè)計出效 率更髙、更適用的新型氣升式生物反應(yīng)器，以滿足生化工程和發(fā)酵工業(yè)不斷發(fā)展的需要。氣升式發(fā)酵罐的用途及在我國的近況由于氣升式發(fā)酵罐有明顯的優(yōu)點，在生產(chǎn)SCP、絲狀真菌、廢水處理中已獲得廣泛應(yīng) 用。70年代初，英國ICI公司開發(fā)了二種用甲醇連續(xù)生產(chǎn)SCP的氣升式發(fā)酵罐，以后又成 功地將其應(yīng)用于廢水的生物處理，并在有關(guān)國家推廣(目前ICI公司已放大至2000m3,蘇 聯(lián)用于檸檬酸發(fā)酵的氣升式罐也達200m3) o國內(nèi)上海、江門、周口等地已建造

17、用于酵母 味精工業(yè)生產(chǎn)和廢水處理的氣升式罐。對于糖蜜、水解糖、蔗糖等固形物含量少的培養(yǎng)基，采用氣升式發(fā)酵罐更有利。這種 發(fā)酵罐的最適髙徑比是46,限制髙度為2224m雖然它對無菌空氣消耗量比較大，但 總能量消耗還是比機械攪拌式發(fā)酵罐低。在同樣的能耗下，其氧傳遞能力比機械攪拌發(fā)酵 罐要髙得多，因此，在大規(guī)模生產(chǎn)單細胞蛋白時備受重視?，F(xiàn)已有直徑713m,髙60m. 容量達1500m的大型氣升式發(fā)酵罐，用于生產(chǎn)單細胞蛋白，年產(chǎn)量達7萬噸培養(yǎng)檀香木細胞，最終產(chǎn)物濃度可達32. 5亳克/升。氣升式發(fā)酵罐進行谷氨酸發(fā)酵, 其產(chǎn)率，發(fā)酵時間等多項指標均優(yōu)于機械攪拌罐。而且與二倍體積攪拌罐相比，單位體積 發(fā)酵

18、液節(jié)能7.7%。中科院化冶所等研制成的lOOn?大型雙環(huán)流氣升式反應(yīng)器在周口地區(qū)味精廠用于谷 氨酸(GA)發(fā)酵，使生產(chǎn)效率提髙13.6%左右，如能在全國味精行業(yè)推廣，經(jīng)濟效益可觀。 在黃原膠酵時，也曾使用氣升環(huán)流式多糖反應(yīng)器，結(jié)果成本和設(shè)備投資分別降低25%和44%, 產(chǎn)品質(zhì)蚩:達到國際標準。姜信真等人用氣升式發(fā)酵罐進行GA發(fā)酵研究，證明其產(chǎn)率、發(fā)酵 時間等多項指標均優(yōu)于機械攪拌罐，而且與二倍體積攪拌罐相比，單位體積發(fā)酵液肖能 7. 7%這在能源嚴重短缺的今天，無疑有巨大的潛在優(yōu)勢。此外，華南理工大學1990年研 制成功另一種髙效肖能的新型反應(yīng)器一200m2溢流脈沖噴射自吸式反應(yīng)器，用于有關(guān)生

19、產(chǎn)， 可節(jié)能80%,目前正準備放大至1000m3 七結(jié)語當然，通風發(fā)酵發(fā)作為一個新興科技領(lǐng)域，貝中尤為突岀的氣升式發(fā)酵罐近十幾年 來發(fā)展十分迅速，在醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、輕工.食品等各方而均取得令人囑目的成就，得到世界 各國政府和企業(yè)界的髙度重視。就我國整體生物技水平與先進國家比較而言還有不少差距, 尤其是重大基礎(chǔ)研究和下游關(guān)鍵技術(shù)比較薄弱，需要下大氣力重點攻關(guān)才會迎頭趕上。但 我相信隨著技術(shù)的不斷完善，泄會設(shè)汁出效率更髙.更適用的新型氣升式發(fā)酵罐，滿足生 化工程和發(fā)酵工業(yè)不斷發(fā)展的需要。氣升式發(fā)酵罐必將擁有廣闊的應(yīng)用前景。以下無正文僅供個人用于學習、研究；不得用于商業(yè)用途。TonbKO a/ih JiKDAeu, KOTOpbie scno/ib3yOTCfl 助只 oSyneHHfl, ucc/ieflOBaHMM u He AonHbi ncnonb3OBaTbC5i bKOMMepHeCKMX uemx.For personal use only in study and research; not