新型气力搅拌式生物反应器的实验研究
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实验观察及测量得到： 在相同气体流量的条件 下，虽然液体黏度越大，含气率越小； 但随着液体黏 度增加，气泡在液体中上升的阻力增加，使得上升速 度减慢，气泡在液体中的停留时间增加。因此总体 的结果是含气率随黏度的变化不大。 5． 2 表面张力对反应器中含气率的影响
表面张力对含气率的影响较大，表面张力越大， 气泡聚并的阻力越小，含气率越小，小气泡更容易并 成大气泡，因而使含气率变小，见图 8。
中，气体流量、液体高度、压力及液体动力黏度等是 影响反应器内搅拌性能的主要参数。
设计参数： 液体高度 H = 0． 5—0． 8 m，压强 p = 0． 01—0． 1 MPa，气体流量 q = 5—35 m3 / h，液体动 力黏度 μ = （ 1． 005—8． 60） × 10 － 3 Pa·s，液体的表 面张力 σ = （ 51—120） × 10 － 3 N / m。
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化学工程 2011 年第 39 卷第 3 期
6 溶氧质量浓度实验 评价气升式生物反应器的最重要指标是相间传
质速率，而生物反应器的相间传质速率的测定是通 过反应器中溶氧质量浓度来体现的。在不同的气体 流量工况，可以通过溶氧仪直接测量溶氧质量浓度 随时间的变化，见图 11。
图 8 表面张力对含气率的影响 Fig． 8 Influence of surface tension on gas hold-up
物反应器内的搅拌及流动［4］，用于生物工程中反应 器的优化设计。
实验采用简化的反应器形状，目的是选择橡胶 膜片的开孔个数及开孔方式，测量橡胶膜片微孔气 体分布器对应的阻力损失、反应器内的含气率及溶 氧质量浓度，为设计和应用提供理论及实验依据。
实验装置如图 3 所示。简化反应器采用高 1． 0 m、 内径 0． 3 m 的有机玻璃圆筒（ 见图 4） 。反应器底部 中心安装橡胶膜片微孔气体分布器。气体由空气压 缩机提供，流量测量采用玻璃转子流量计，反应器上 部的阀门用来调节反应器内的压强，采用便携式溶氧 电极测量反应器内气力搅拌后的溶氧质量浓度。
对开孔 数 为 6 260 的 橡 胶 膜 片 分 别 用 直 径 0． 01，0． 5，1． 0 mm 的圆锥进行开孔，进行孔径与压 力损失的实验，实验结果如图 7 所示。图中曲线表 明，阻力损失与微孔的直径呈反比。
4 压力损失实验结果分析 生物反应器的压力损失由以下二部分组成：
橡胶膜片微孔气体分布器的压力损失和反应器 内气液二相流动的压力损失。后者与前者相比 压力损失较小，可近 似 只 考 虑 气 体 分 布 器 的 压 力 损失。实验目的： 探讨对橡胶膜片微孔气体分布 器压力 损 失 的 相 关 影 响 因 素，为 设 计 提 供 技 术 参数。
图 7 孔径与压力损失的关系 Fig． 7 Relation between aperture and pressure loss
5 含气率实验结果与分析 含气率是气液混合物中气体所占的体积与混合
物总体积之比，是反映生物反应器传质性能的重要参 数。实验平均含气率是通过测量气液混合物的总体 积与静止时（ 无空气时） 液体的体积得到。实验的橡 胶膜片采用圆锥型孔，孔径为 0． 5 mm 的气体分布器。 5． 1 黏度对反应器中含气率的影响
以满足溶氧需求较高、介质密度较高、同时具有较高黏度的液体介质的搅拌要求。实验过程中，对生物反应器进行
了流动特性观察、压力损失、反应器内含气率及溶氧质量浓度的测量等实验，选取了综合性能较好的微孔橡胶膜
片。结果表明： 这种生物反应器产生的气泡比较均匀，供氧效率高，且具有较好的介质混合性能，对反应器内的液
Experimental study on new pneumatic stirring bioreactor
WEN Jian-long，ZHAO Song-feng，ZHANG Xing，ZHANG Jing-wen （ College of Energy and Power Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，Jiangsu Province，China） Abstract： In order to culture the cell of the microbe and flora or fauna，a new membrane bioreactor was developed． The microporous rubber membrane was used for lowering the stirring shear force to meet the stirring demand for the fluid media with rich dissolved oxygen，high density and high viscosity． In this experiment，the flow characteristic， pressure loss，gas holdup and dissolved oxygen mass concentration for the reactor were investigated，and the microporous rubber membrane with better comprehensive properties was selected． The result indicates that this kind of membrane bioreactor is featured by homogeneous air bubble，high rate of oxygen supply，good properties of blending and no mechanical shear damage on the liquid medium in the reactor． Compared with the conventional mechanical string membrane bioreactor，the reactor has obvious advantages and can be widely used in the mediumsize and small-size reactors that have higher requirement for the shear properties of medium． Key words： pneumatic stirring； bioreactor； microporous rubber membrane； gas holdup； mixed properties
体介质无机械的剪切破坏。与传统机械式搅拌生物反应器相比，具有明显的优点，可应用于对介质剪切性能要求
较高的中小型反应器。
关键词： 气力搅拌； 生物反应器； 微孔橡胶膜片； 含气率； 混合性能
中图分类号： TQ 021． 1
文献标识码： A
文章编号： 1005-9954（ 2011） 03-0059-04
胞培养、生物发酵等场合［1］。
1 反应器实验装置 实验采用橡胶膜片微孔气体分布器的生物反应
器（ 见图 1） ，是一种新型的气力搅拌式反应器［2］。 反应器结构简单，内部无运动部件。由压缩空气提 供能量，依靠含气泡液体与纯液体的密度差造成的 升力使气 液 二 相 充 分 混 合，实 现 均 匀 搅 拌 过 程［3］。 反应器的关键部件是橡胶膜片微孔气体分布器，本 文对反应器进行了实验观察与测量，选取最佳开孔 尺寸及方式的橡胶膜片（ 见图 2） 。使用添加剂，改 变实验用水的动力黏度和表面张力，以模拟真实生
实验用清水，选择油酸钠调整液体介质的表面 张力，三甘醇调整液体的运动黏度。实验时静止液 面高度为 0． 68 m（ 选用依据： 真实的生物反应器静 液高度与反应器的高度之比约为 2 ∶ 3） 。在反应器 中，沿高度方向平均开设小孔，测量对应的液相运动 速度和溶氧质量浓度。
图 6 橡胶硅片微孔分布 Fig． 6 Rubber silicon chip microporous distribution
生物反应器是实现生物技术产品的关键技术， 是连接原料和产物的桥梁。生物反应器分为： 通过 机械搅拌输入能量的机械式生物反应器，利用气体 喷射动能的气升式生物反应器和利用泵对液体的喷 射作用而使液体循环的生物反应器。目前使用最广 泛的仍是机械搅拌式生物反应器。机械式搅拌器存 在能耗高、径向剪切力大、容易伤害菌体等局限性。 随着生物技术的发展，为满足溶氧需求较高、介质密 度较高、同时具有较高黏度的液体介质搅拌的要求， 需要在较低的剪切力条件下培养微生物和动植物细 胞或组织来获取生物制品的场合。以气体喷射动能 的气力搅拌式生物反应器，能克服以上局限，用于细
2 观察实验分析 反应器内液体的搅拌状况与气体速度密切相
关，在较低速度时，液相中气泡较小，且流动稳定，可 将搅拌流场分为 3 个区域（ 见图 5） ： ①均匀搅拌区， 当气体表观速度小于 0． 05 m / s 时，气泡较分散，且 直径较均匀； ②湍流搅拌区，当速度增加，小气泡开 始并成大气泡，反应器内气液搅拌剧烈，产生较好的 液体上下循环流动； ③团状气泡搅拌区，当气体的表 观速度继续增大时，当反应器直径较小时，产生半球 形的大气泡，特别当液体黏度较高时，大气泡的直径 可与反应器直径相当。
5． 3 操作参数对反应器中含气率的影响 气体通量、操作压力和静止液面高度等是影响反
应器内含气率的重要因素［5］，实验选取不同的操作参 数，得到含气率与气体流量的关系曲线，如图 9 所示。
图 11 溶氧质量浓度随时间的变化 Fig． 11 Dissolved oxygen mass concentration changing with time
图 5 反应器内流动状态 Fig． 5 Flow regime in reactor
闻建龙等 新型气力搅拌式生物反应器的实验研究
对反应器的静水区观察得到，静水区约占总体 积的 5% ，优于传统的机械式搅拌反应器。实际中 的生物反应器大都采用椭圆型封头，此时静水区则 更小。
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3 测量实验选择 在安装橡胶膜片微孔气体分布器的生物反应器
基金项目： 国家自然科学基金资助项目（ 51006047） 作者简介： 闻建龙（ 1962—） ，男，教授，主要从事二相流动理论及应用的研究； 赵松峰（ 1986—） ，男，硕士研究生，主要从事二相流研究，
E-mail： zhaosf123@ 126． com。
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化学工程 2011 年第 39 卷第 3 期
从图 11 曲线中可以看出，随时间的增加，反应 器内液体的溶氧质量浓度逐渐增大，液体中含氧量 处于过饱和状态，有利于生物反应器。
如图 6 所示的微孔分布方式，用直径为 0． 5 mm 的圆锥在橡胶膜片分别开孔 4 450，6 260，8 008 个， 对开孔数与压力损失的实验表明： 开孔数增加，橡胶 膜片上空气的流通面积增大，压力损失减小。因橡 胶膜片具有较好的弹性，在气体流量增加时，所开微 孔会增大到一个稳定值，使压力损失基本不随气体 流量变 化，达 到 一 个 较 为 稳 定 的 值。选 择 开 孔 数 6 260 作为下一步实验的基础。实验中对开孔数为 6 260 的橡胶膜片分别用圆锥、一字锥和三棱锥进 行开孔。橡胶膜片上的开孔形状与压力损失的实验 结果表明： 用圆锥进行开孔的橡胶膜片气体分布器 的压力损失最小，进行的反应器内气力搅拌流动性 能观察结果最好。
第 39 卷 第 3 期 2011 年 3 月
化学工程 CHEMICAL ENGINEERING（ CHINA）
Vol． 39 No． 3 Mar． 2011
新型气力搅拌式生物反应器的实验研究
闻建龙，赵松峰，张 星，张静文
（ 江苏大学 能源与动力工程学院，江苏 镇江 212013）
源自文库
摘要： 为了研制培养微生物和动植物细胞或组织的生物反应器，采用微孔橡胶膜片装置使产生的搅拌剪切力较低，
表面张力对含气率的影响较大，表面张力越大， 气泡聚并的阻力越小，含气率越小，小气泡更容易并 成大气泡，因而使含气率变小，见图 8。
中，气体流量、液体高度、压力及液体动力黏度等是 影响反应器内搅拌性能的主要参数。
设计参数： 液体高度 H = 0． 5—0． 8 m，压强 p = 0． 01—0． 1 MPa，气体流量 q = 5—35 m3 / h，液体动 力黏度 μ = （ 1． 005—8． 60） × 10 － 3 Pa·s，液体的表 面张力 σ = （ 51—120） × 10 － 3 N / m。
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化学工程 2011 年第 39 卷第 3 期
6 溶氧质量浓度实验 评价气升式生物反应器的最重要指标是相间传
质速率，而生物反应器的相间传质速率的测定是通 过反应器中溶氧质量浓度来体现的。在不同的气体 流量工况，可以通过溶氧仪直接测量溶氧质量浓度 随时间的变化，见图 11。
图 8 表面张力对含气率的影响 Fig． 8 Influence of surface tension on gas hold-up
物反应器内的搅拌及流动［4］，用于生物工程中反应 器的优化设计。
实验采用简化的反应器形状，目的是选择橡胶 膜片的开孔个数及开孔方式，测量橡胶膜片微孔气 体分布器对应的阻力损失、反应器内的含气率及溶 氧质量浓度，为设计和应用提供理论及实验依据。
实验装置如图 3 所示。简化反应器采用高 1． 0 m、 内径 0． 3 m 的有机玻璃圆筒（ 见图 4） 。反应器底部 中心安装橡胶膜片微孔气体分布器。气体由空气压 缩机提供，流量测量采用玻璃转子流量计，反应器上 部的阀门用来调节反应器内的压强，采用便携式溶氧 电极测量反应器内气力搅拌后的溶氧质量浓度。
对开孔 数 为 6 260 的 橡 胶 膜 片 分 别 用 直 径 0． 01，0． 5，1． 0 mm 的圆锥进行开孔，进行孔径与压 力损失的实验，实验结果如图 7 所示。图中曲线表 明，阻力损失与微孔的直径呈反比。
4 压力损失实验结果分析 生物反应器的压力损失由以下二部分组成：
橡胶膜片微孔气体分布器的压力损失和反应器 内气液二相流动的压力损失。后者与前者相比 压力损失较小，可近 似 只 考 虑 气 体 分 布 器 的 压 力 损失。实验目的： 探讨对橡胶膜片微孔气体分布 器压力 损 失 的 相 关 影 响 因 素，为 设 计 提 供 技 术 参数。
图 7 孔径与压力损失的关系 Fig． 7 Relation between aperture and pressure loss
5 含气率实验结果与分析 含气率是气液混合物中气体所占的体积与混合
物总体积之比，是反映生物反应器传质性能的重要参 数。实验平均含气率是通过测量气液混合物的总体 积与静止时（ 无空气时） 液体的体积得到。实验的橡 胶膜片采用圆锥型孔，孔径为 0． 5 mm 的气体分布器。 5． 1 黏度对反应器中含气率的影响
以满足溶氧需求较高、介质密度较高、同时具有较高黏度的液体介质的搅拌要求。实验过程中，对生物反应器进行
了流动特性观察、压力损失、反应器内含气率及溶氧质量浓度的测量等实验，选取了综合性能较好的微孔橡胶膜
片。结果表明： 这种生物反应器产生的气泡比较均匀，供氧效率高，且具有较好的介质混合性能，对反应器内的液
Experimental study on new pneumatic stirring bioreactor
WEN Jian-long，ZHAO Song-feng，ZHANG Xing，ZHANG Jing-wen （ College of Energy and Power Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，Jiangsu Province，China） Abstract： In order to culture the cell of the microbe and flora or fauna，a new membrane bioreactor was developed． The microporous rubber membrane was used for lowering the stirring shear force to meet the stirring demand for the fluid media with rich dissolved oxygen，high density and high viscosity． In this experiment，the flow characteristic， pressure loss，gas holdup and dissolved oxygen mass concentration for the reactor were investigated，and the microporous rubber membrane with better comprehensive properties was selected． The result indicates that this kind of membrane bioreactor is featured by homogeneous air bubble，high rate of oxygen supply，good properties of blending and no mechanical shear damage on the liquid medium in the reactor． Compared with the conventional mechanical string membrane bioreactor，the reactor has obvious advantages and can be widely used in the mediumsize and small-size reactors that have higher requirement for the shear properties of medium． Key words： pneumatic stirring； bioreactor； microporous rubber membrane； gas holdup； mixed properties
体介质无机械的剪切破坏。与传统机械式搅拌生物反应器相比，具有明显的优点，可应用于对介质剪切性能要求
较高的中小型反应器。
关键词： 气力搅拌； 生物反应器； 微孔橡胶膜片； 含气率； 混合性能
中图分类号： TQ 021． 1
文献标识码： A
文章编号： 1005-9954（ 2011） 03-0059-04
胞培养、生物发酵等场合［1］。
1 反应器实验装置 实验采用橡胶膜片微孔气体分布器的生物反应
器（ 见图 1） ，是一种新型的气力搅拌式反应器［2］。 反应器结构简单，内部无运动部件。由压缩空气提 供能量，依靠含气泡液体与纯液体的密度差造成的 升力使气 液 二 相 充 分 混 合，实 现 均 匀 搅 拌 过 程［3］。 反应器的关键部件是橡胶膜片微孔气体分布器，本 文对反应器进行了实验观察与测量，选取最佳开孔 尺寸及方式的橡胶膜片（ 见图 2） 。使用添加剂，改 变实验用水的动力黏度和表面张力，以模拟真实生
实验用清水，选择油酸钠调整液体介质的表面 张力，三甘醇调整液体的运动黏度。实验时静止液 面高度为 0． 68 m（ 选用依据： 真实的生物反应器静 液高度与反应器的高度之比约为 2 ∶ 3） 。在反应器 中，沿高度方向平均开设小孔，测量对应的液相运动 速度和溶氧质量浓度。
图 6 橡胶硅片微孔分布 Fig． 6 Rubber silicon chip microporous distribution
生物反应器是实现生物技术产品的关键技术， 是连接原料和产物的桥梁。生物反应器分为： 通过 机械搅拌输入能量的机械式生物反应器，利用气体 喷射动能的气升式生物反应器和利用泵对液体的喷 射作用而使液体循环的生物反应器。目前使用最广 泛的仍是机械搅拌式生物反应器。机械式搅拌器存 在能耗高、径向剪切力大、容易伤害菌体等局限性。 随着生物技术的发展，为满足溶氧需求较高、介质密 度较高、同时具有较高黏度的液体介质搅拌的要求， 需要在较低的剪切力条件下培养微生物和动植物细 胞或组织来获取生物制品的场合。以气体喷射动能 的气力搅拌式生物反应器，能克服以上局限，用于细
2 观察实验分析 反应器内液体的搅拌状况与气体速度密切相
关，在较低速度时，液相中气泡较小，且流动稳定，可 将搅拌流场分为 3 个区域（ 见图 5） ： ①均匀搅拌区， 当气体表观速度小于 0． 05 m / s 时，气泡较分散，且 直径较均匀； ②湍流搅拌区，当速度增加，小气泡开 始并成大气泡，反应器内气液搅拌剧烈，产生较好的 液体上下循环流动； ③团状气泡搅拌区，当气体的表 观速度继续增大时，当反应器直径较小时，产生半球 形的大气泡，特别当液体黏度较高时，大气泡的直径 可与反应器直径相当。
5． 3 操作参数对反应器中含气率的影响 气体通量、操作压力和静止液面高度等是影响反
应器内含气率的重要因素［5］，实验选取不同的操作参 数，得到含气率与气体流量的关系曲线，如图 9 所示。
图 11 溶氧质量浓度随时间的变化 Fig． 11 Dissolved oxygen mass concentration changing with time
图 5 反应器内流动状态 Fig． 5 Flow regime in reactor
闻建龙等 新型气力搅拌式生物反应器的实验研究
对反应器的静水区观察得到，静水区约占总体 积的 5% ，优于传统的机械式搅拌反应器。实际中 的生物反应器大都采用椭圆型封头，此时静水区则 更小。
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3 测量实验选择 在安装橡胶膜片微孔气体分布器的生物反应器
基金项目： 国家自然科学基金资助项目（ 51006047） 作者简介： 闻建龙（ 1962—） ，男，教授，主要从事二相流动理论及应用的研究； 赵松峰（ 1986—） ，男，硕士研究生，主要从事二相流研究，
E-mail： zhaosf123@ 126． com。
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化学工程 2011 年第 39 卷第 3 期
从图 11 曲线中可以看出，随时间的增加，反应 器内液体的溶氧质量浓度逐渐增大，液体中含氧量 处于过饱和状态，有利于生物反应器。
如图 6 所示的微孔分布方式，用直径为 0． 5 mm 的圆锥在橡胶膜片分别开孔 4 450，6 260，8 008 个， 对开孔数与压力损失的实验表明： 开孔数增加，橡胶 膜片上空气的流通面积增大，压力损失减小。因橡 胶膜片具有较好的弹性，在气体流量增加时，所开微 孔会增大到一个稳定值，使压力损失基本不随气体 流量变 化，达 到 一 个 较 为 稳 定 的 值。选 择 开 孔 数 6 260 作为下一步实验的基础。实验中对开孔数为 6 260 的橡胶膜片分别用圆锥、一字锥和三棱锥进 行开孔。橡胶膜片上的开孔形状与压力损失的实验 结果表明： 用圆锥进行开孔的橡胶膜片气体分布器 的压力损失最小，进行的反应器内气力搅拌流动性 能观察结果最好。
第 39 卷 第 3 期 2011 年 3 月
化学工程 CHEMICAL ENGINEERING（ CHINA）
Vol． 39 No． 3 Mar． 2011
新型气力搅拌式生物反应器的实验研究
闻建龙，赵松峰，张 星，张静文
（ 江苏大学 能源与动力工程学院，江苏 镇江 212013）
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摘要： 为了研制培养微生物和动植物细胞或组织的生物反应器，采用微孔橡胶膜片装置使产生的搅拌剪切力较低，