气升式发酵罐

气升式发酵罐
摘要 :该文简要介绍了气升发酵罐的、工作原理、结构设计、设备特点、优缺点及适用场合及在我国的现状。

并展望了气升式发酵罐的广阔的应用前景。

关键词：气升式发酵罐；结构；高效发酵；现状
Abstract: This paper briefly introduces the airlift fermentor, working principle, structural design, equipment characteristics, advantages and disadvantages ，suitable occasion and the present situation in our country。

And the prospect of airlift fermentation tank the broad application prospects。

Key worlds ： Airlift fermentor ；construction；high acidicferm entation ；present situation；
生化反应过程大都是需氧过程，通风发酵设备是需氧
生化反应设备的核心和基础。

虽然目前应用最广泛的通风
发酵罐是机械搅拌式的，但这种类型的发酵罐功率消耗大，
加工困难，投资高，维修麻烦，轴封易泄漏，易染菌，搅
拌剪切力大，大型化后混合不均匀，传质效率下降，因而
难于超大型化。

因此，非机械搅拌发酵罐的研究和应用得
到迅速发展，特别是气升式发酵罐。

气升式发酵罐是20世纪70年代开始发展应用的一种
新型生物反应器。

因为无机械搅拌机构，所以最大限度地
减少了染菌率；同时因为没有了机械剪切力，对长菌丝的
各种真菌尤为适宜；由于气体提升，充分的气液混合使氧
气的传递利用极大提高，特别适合高黏度培养基和对于溶
氧要求高的产品。

一 .气升式发酵罐的原理
它不用机械搅拌就能基本达到良好的氧溶解的目的。

外循环式培养罐是在罐外装有气液上升管,上升管的两端分
别与罐底部和罐上部相连通,并构成一个气液循环系统。

在
上升管的下部装设空气喷嘴，空气以250-300m/s的高速度
喷入上升管，使空气分割细碎，与上升管的发酵液密切接
触。

由于上升管内的发酵液比重较小，加上压缩空气的动
能，使液体上升，罐内液体下降进入上升管，形成反复的
循环。

如此液体不断循环流动,并在上升管中与喷嘴喷出的
细微空气粒均匀接触,不断得到溶解氧的补充,从而保证了
菌体的正常生长。

乳化了的醪液由上升管进入发酵罐,从培
养液中分离出来的空气由罐顶排出。

在罐顶还装有视镜和
人孔,罐中部有温度计插口。

培养过程中微生物代谢放出的
热量在上升管中经喷淋冷却除去,为此,在上升管上部要装
冷却器。

上升管和下降管的布置可以装在罐外，称为外循
环；也可以装在罐内，称为内循环。

二 . 气升式发酵罐的分类
气升式发酵罐有多种类型，常见的有气升环流式、鼓泡式、空气喷射式等，其工作原理是把无菌空气通过喷嘴或喷孔喷射进发酵液中，通过气液混合物的湍流作用而使空气泡分割细碎，同时由于形成的气液混合物密度降低故向上运动，而气含率小的发酵液则下沉，形成循环流动，实现混合与溶解氧传质。

已大量应用的气升内环流发酵罐、气液双喷射气升环流发酵罐、有多层分布板的塔式气升发酵罐的结构分别如图所示。

三 . 气升式反应器的结构和设计
1 传统气升式反应器的结构和设计
气升式反应器设计中的首要问题是结构。

目前,研究最多、应用最广泛的是同心圆导流桶结构,根据气体通入方式及是否加入挡板又可将其分为3种,如图1所示。

气体通入导流桶底部为最常见的设计,其结构见图1(a)。

气体也可以通入导流桶和反应器内壁的环隙内,其结构见图1(b),形成相反的循环。

这种通气方式能够改善罐壁和管内的热传导并减少泡沫的生成。

Cooper PG等[1]在1个55 m³的发酵罐中证实了这种通气方式确实能够改善反应器的热传性能。

在大型气升式反应器中,还可以在导流桶内加入多孔平行挡板,其结构见图1(c),这种挡板的作用有2个:①使上升液流中的气泡变得更均匀;②消除由于气泡聚集形成的气穴。

气升式反应设计的另一个问题是其尺寸。

一般来讲,这种反应器为细长型,高径比(H/D)可达102−3。

细长的反应器使气体在液体内停留时间变长,有利于氧气的充分利用。

另外,在较高的反应器中,气体的抽提作用强、气液循环快、搅拌效果好。

导流桶和反应器直径之比是这种反应器的另一个重要尺寸。

Blenke的研究显示这个比值在0·59时,气液循环速度最快、阻力最小。

Wang等用500 L的反应器进行试验,结果表明这个比例在0·59~0·75时,氧的传递效果变化不大,在0·65时最佳。

Weiland P用41 L的发酵罐得到试验结果:这个比值在0·8时混合效果最好。

Kriegel等在导流桶与反应器内壁间隙通入空气形成反向循环,其结构见图1(b),结果显示,这种情况下,反应器和导流桶直径比值在0·8时氧的传递效果最好。

除同心圆导流桶结构外,气升式反应器还有一类,称为管式环流结构(Tubular Loop)。

图2是这种结构的示意图,它由1粗1细2根圆柱管组成,2根圆柱管顶部和底部相连,气体从粗管底端引入并驱动液体上升形成循环。

管式环流气升式反应器有以下特点:①在顶部可将液体中的气体全部释放出来,有效地防止了发酵液中CO2气体的积累,不仅有利于生物的生长,且有利于气泡中的氧气分压,提高氧气的传递速率;②在反应器的顶部,液体流型均匀划一,没有死角;③由于在下降液流中没有气泡,可在细圆柱管内安装换热器,便于移出热量;④细圆柱管内可安装流量计,由于没有气泡的干扰,测量结果准确。

因此,这种反应器运行条件的检测准确可靠[,一般用于实验室、扩大试验和中试生产中。

2 特殊结构气升式反应器设计
除以上研究外,近年来,气升式反应器还不断出现了一些特殊的结构设计,其中比较成熟的样式有:柱体垂直挡板气升发酵罐(,见图(3a)及其变种中间通气式气升式发酵罐,见图(3b)以及槽式气升式发酵罐,见图(3c)。

柱体垂直挡板式气升反应器的结构非常简单,就是在圆柱形反应器的内部,用1个横跨直径的垂直挡板将反应器隔成相等的两半,两半的上下相连,在其中1个的底部通入气体,形成环流。

与同心圆导流桶式气升反应器相比,它在气液环流时产生的阻力较小,因为流体接触的罐壁总面积小,因此可产生较高的流体循环速度[11-12];与管式环流气升反应器相比,这种反应器的载气量大,因为管式环流气升反应器下降段基本没有气体,而这种反应器在上升和下降段都有气体,这一点与同心圆导流桶式类似。

因此这种反应器氧气的利用率高,尤其是当下降段的液面低于垂直挡板最高端时更是如此[13]。

有人在反应器内增加多个隔板,形成多段垂直隔板气升反应器,进一步提高了氧气的利用效率。

这种反应器的高径比(H/D)一般不超过10。

中间通气式气升反应器是由ICI(Imperial Chem-ical Industries)公司设计开发,主要用于废水的生物处理过程。

与其他气升反应器不同,这种设计在上置也是个很重要的设计参数,Kubota等[12]建立了设计模型用以计算气体通入位置,表明在稳定运行的情况下,气体通入位置与通气量有关,通气量越大,通气位置就可以越高。

这种反应器内气泡比较均匀,有利于增加氧的传递。

槽式气升反应器[15](图3c)为长方形,中间用挡板隔为上下相连相等的2部分,在其中一部分的底部通入空气。

通气管有2个,1个靠近挡板,另一个靠近反应器内壁。

由于长度不影响该发酵罐的流体动力学行为,因此,在设计中只需考虑高度和宽度。

没有见到有文献报道最优的高/宽比值是多少,但有1个在中试规模的实际案例,用于废水处理,它的高/宽比
为6。

在槽式气升式发酵罐中,下降段的气泡比其他类型反应器多,加上气液接触面积比其他类型的反应器大,因此,氧的传递速率快。

四 . 气升式发酵罐的特点
因气升环流发酵罐内没有搅拌器，且有定向循环流动，故具有多方面优点。

(1)反应溶液分布均匀气一液一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。

对许多间歇或连续加料的通气发酵，基质和溶解氧应尽可能均匀分散，以保证其基质在发酵罐内各处的浓度都在0．1％～1％范围内，溶解氧为10％～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。

气升环流发酵罐能很好地满足这些要求。

(2)较高的溶解氧速率和溶解氧效率气升式反应器有较高的气含率和比气液接触界面，因而有高传质速率和溶解氧效率，体积溶解氧效率通常比机械搅拌罐高，溶解氧功耗相对低。

(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。

(4)传热良好好气发酵均产生大量的发酵热，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，故需要很大的换热面积与传热系数。

气升式反应器因其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，以保证除去发酵热而控制适宜的发酵温度。

(5)结构简单，易于加工制造气升式反应器罐内无机械搅拌器，故不需安装结构复杂的搅拌系统，密封也容易保证，因此加工制造方便，设备投资低，放大设计制造大型和超大型发酵反应器也容易实现。

影响气升环流式发酵罐特性的主要结构及操作参数包括高径比、导流筒高度与反应器高度之比、导流简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。

主要缺点：
需要非常大的空气吞吐量，相间混和接触较差；当循环的有机体和操作条件发生变化时，底物、营养物和氧的量不能保持一致；混和与通气是耦合问题，也即很难在不改变通气的条件下改善混和状况。

五 . 影响气升式发酵罐的因素
影响气升式发酵罐性能的三个主要结构即循环管长度、循环管与罐身截面构成的环隙面积比和空气分布器都影响反应器的性能，并随风量的增加而愈显示其重要性.这就提示我们在优化设计时不但要对上述单个因素及其相互协调进行研究，而且应根据不同对象进行选择。

事实上，在不同情况下，上述实验结果还表现出若干局限性，说明气升式反应器虽然因其结构简单，具较好的K la和节约动力等特点，但还必须继续深入研究，才能设计出效率更高、更适用的新型气升式生物反应器，以满足生化工程和发酵工业不断发展的需要。

六 . 气升式发酵罐的用途及在我国的近况
由于气升式发酵罐有明显的优点，在生产SCP、丝状真菌、废水处理中已获得广泛应用。

70年代初，英国ICI公司开发了二种用甲醇连续生产SCP的气升式发酵罐，以后又成
功地将其应用于废水的生物处理，并在有关国家推广(目前ICI公司已放大至2000m³，苏联用于柠檬酸发酵的气升式罐也达200m³)。

国内上海、江门、周口等地已建造用于酵母、味精工业生产和废水处理的气升式罐。

对于糖蜜、水解糖、蔗糖等固形物含量少的培养基，采用气升式发酵罐更有利。

这种发酵罐的最适高径比是4～6，限制高度为22～24m。

虽然它对无菌空气消耗量比较大，但总能量消耗还是比机械搅拌式发酵罐低。

在同样的能耗下，其氧传递能力比机械搅拌发酵罐要高得多，因此，在大规模生产单细胞蛋白时备受重视。

现已有直径7～13m，高60m、容量达1500m³的大型气升式发酵罐，用于生产单细胞蛋白，年产量达7万吨。

培养檀香木细胞，最终产物浓度可达32．5毫克／升。

气升式发酵罐进行谷氨酸发酵，其产率，发酵时间等多项指标均优于机械搅拌罐。

而且与二倍体积搅拌罐相比，单位体积发酵液节能7.7％。

中科院化冶所等研制成的100m³大型双环流气升式反应器在周口地区味精厂用于谷氨酸(GA)发酵，使生产效率提高13.6%左右，如能在全国味精行业推广，经济效益可观。

在黄原胶酵时，也曾使用气升环流式多糖反应器，结果成本和设备投资分别降低25%和44%，产品质量达到国际标准。

姜信真等人用气升式发酵罐进行GA发酵研究，证明其产率、发酵时间等多项指标均优于机械搅拌罐，而且与二倍体积搅拌罐相比，单位体积发酵液节能7.7%。

这在能源严重短缺的今天，无疑有巨大的潜在优势。

此外，华南理工大学1990年研制成功另一种高效节能的新型反应器—200m²溢流脉冲喷射自吸式反应器，用于有关生产，可节能80%，目前正准备放大至1000m³。

七 . 结语
当然，通风发酵发作为一个新兴科技领域，其中尤为突出的气升式发酵罐近十几年来发展十分迅速，在医药、农业、轻工、食品等各方面均取得令人瞩目的成就，得到世界各国政府和企业界的高度重视。

就我国整体生物技水平与先进国家比较而言还有不少差距，尤其是重大基础研究和下游关键技术比较薄弱，需要下大气力重点攻关才会迎头赶上。

但我相信随着技术的不断完善，定会设计出效率更高、更适用的新型气升式发酵罐，满足生化工程和发酵工业不断发展的需要。

气升式发酵罐必将拥有广阔的应用前景。