搅拌气升式生物反应器的研究进展

搅拌气升式生物反应器的研究进展
席仁荣，吴振强
（华南理工大学生物科学与工程学院，广东广州510640）摘要：搅拌气升式反应器作为一种新型高效的生物反应器，因为其独特的优势而越来越受到重视，具有良好的研究和应用前景。

概述了搅拌气升式反应器的国内外研究进展，着重评述了搅拌气升式反应器相比于传统机械搅拌式反应器和气升式反应器的所体现出的优点，详细介绍和分析了该新型反应器的基本结构、流体力学性质及相关的重要表征参数，并对其在生物发酵和化工行业中的应用和发展进行了回顾和展望。

关键词：搅拌气升式反应器；传质性能；结构
中图分类号：TQ 050.1 文献标识码：A文章编号：1000–6613（2008）02–0218–05 Research progress of mechanically stirred airlift bioreactors
XI Renrong，WU Zhenqiang
（Collegy of Bioscience and Bioengineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，Guangdong，
China）
ABstract：The mechanically stirred air lift bioreactors are a kind of novel and high-performance bioreactors，which are paid more attention due to their excellent merits in recent years and may have a
good prospest. The corrent research progress of mechanically agitated airlift bioreactors at home and
abroad is summarized. The paper also compares the mechanically stirred air lift bioreactors with mechanically stirred bioreactors and air lift bioreactors and points out its strengths. Besides，the basic
structure ，hydromechanics characteristics and relevant parameters of the novel bioreactors are introduced and analyzed in detail as well as their applications in fermentation and chemical industry in
the future.
Key words：mechanically stirred airlift bioreator；mass transfer performance；structure 气升式反应器和机械搅拌式反应器在生物发酵、化工等领域中得到了广泛应用[1]。

气升式反应器在流体黏度相对不高、需要温和的搅拌[2]和氧传质要求较低[3－4]时非常有效，但操作弹性小、轴向梯度高径比（H/D）大、高黏度时相间传质差等不利因素制约了其发展。

与其相比，传统的机械搅拌式反应器则有更广泛的操作应用范围，混合程度较高，但它们没有确定的混合模式、不能高速的通气、快速机械搅拌的剪切力对于丝状菌和动植物细胞的培养不利。

为了扩展反应器的应用范围，许多研究者通过多种途径来改善它们的性能，包括改进反应器型式、结构、增加内构件等，其中，将搅拌式反应器与气升式反应器结合形成的新型机械搅拌气升式反应器因其能够同时解决传统搅拌和气升式反应器的一些限制而引起了国内外学者的广泛注意。

在气升式反应器中合理设置搅拌，可有效地破碎细胞，扩大传质面积并增加循环速度及扰动，强化传递性能，获得足够高的氧传质效率和热传递性能，并且能耗可以缩减至传统搅拌系统的30％。

Moo-Young等[5]较早地指出在气升式反应器的导流筒中加上一个低剪切力轴流搅拌桨，这可能是搅拌气升式反应器的最初模型，其性能优于单纯的气升式反应器。

同样，这种搅拌气升式反应器已经被证明比传统的单层六平叶圆盘涡轮桨需氧发酵罐具有更高效率[4－6]。

LüXiaoping 等[7]认为在高黏度介质的气升式反应器中，机械搅拌比静态混合器对传质的改善更有效。

目前国内对这种新型混合反应器甚少有系统的
研究，主要的理论研究和应用开发基本限于南京工业大学。

本文作者就这种新型的搅拌气升式反应器的传质特性以及在高黏度需氧发酵、动植物细胞培养、带有固体颗粒的三相反应以及污水处理中的相关应用进行了综述和分析。

1 搅拌气升式生物反应器
搅拌气升式反应器的基本特征是将搅拌式生物反应器和气升式反应器耦合成一个生物反应器。

基本构造为发酵罐体、换热器、搅拌器和进气室。

通常，基础的混合式反应器是通过在气升式反应器的导流筒中安装搅拌桨来实现的。

图1 是3 种较为典型的搅拌气升式反应器结构[8－10]。

在这些混合结构中，图1（c）结构因为气体在环状上升区中通气而不是在搅拌桨下面，故能有效解决搅拌桨的“气阻”问题[11]。

常用的搅拌桨类型有Prochem®hydrofoil 型搅拌桨[9,11]、船用搅拌桨[12－14]、平叶桨[15－16]以及斜桨[17－18]。

其中Prochem® hydrofoil 型搅拌桨能耗、剪切力较低而用于大规模生产[11]。

2 搅拌气升式生物反应器的流体力学特性及相关参数
机械搅拌气升式生物反应器产生的流体力学现象比较复杂，与气升式反应器相比，具有相似高度规则的流型却能得到更高的液体循环速度。

高度分散及强化循环的液体意味着对悬浮物能力的改善并且降低了营养物质和氧气浓度的轴向梯度。

这种轴向梯度存在于较高的气升式反应器中并且会产生不利影响[1,15,19－21]。

2.1 总体积传质系数KLa
总体积传质系数KLa 是反应器的传质性能的重要表征，可以利用溶氧电极动态法测定。

它与传质推动力的浓度成正比。

KLa 主要取决于通气速率和搅拌速率，流体的湍动与液体中气泡的数量及气液表面积增加都能使KLa 提高。

吕效平等[17]研究了表观气速、固含率及桨速对总体积传质系数KLa 的影响。

结果表明，KLa 随气体表观气速和搅拌速度的增加而增加。

在低表观气速下，机械搅拌可较好地促进传质；在高表观气速率时，机械搅拌促进传质的作用减小。

固体颗粒的加入也可以提高总体积传质系数，但存在一个最优固体加入量。

Chisti 等[21]也考察了不同强度的通气速率和搅拌速率对KLa 的影响，得出单独利用通气模式进行操作的混合效果弱于配置搅拌浆的反应器，且与其它鼓泡式和气升式反应器中规律相似，在搅拌气升式反应器中的KLa 与比气含率εg/(1－εg)为线性关系，与使用的流体无关。

与气升式反应器相比，在气升式反应器内部设置了合适的机械搅拌，很大程度上提高了总体积传质系数KLa。

混合型反应器改进传质性能的主要途径有：
（1）可以使气液分散均匀，而且产生的气泡小，增大了气液表面积，明显克服了普通气升式反应器的气泡分散不均这一致命弱点；
（2）搅拌器对罐底的料液有环流作用，使最易发生物料沉淀的地方不沉淀，而且使环流加速，提高了氧传质效率；
（3）多相混合反应器中，可以促进固体的悬浮，延长了和液体接触的时间，进而促进传质。

2.2 液体循环速度UL
液体循环速度UL 也是反应器设计中重要的流体力学参数，不但影响了反应器中流体混合特性、颗粒悬浮、温度和浓度的均匀性，而且与传质、传热系数密切相关[22]。

吕效平等[10]在考察黏度、搅拌速率和表观气速对液体循环速度的影响时发现，黏度的增加或者固体粒径、固含率增加均会降低液体的循环速度；表观气速的增加也可明显增加UL。

而混合反应器中搅拌转速与表观气速则有相互制约的作用，转速较大时，反应器内会产生“气阻”现象。

在相同表观气速下，液体循环速度随转速的增加而增加而搅拌转速大
于1000 r/min 时，液体循环速度随转速的增加而下降，最后趋近某一值。

Chisti 等[19]也发现随着桨速的增加液体循环速度增加，但对通气速率并不敏感，除非进行单独气升式操作。

可以看出，搅拌转速对液体循环速度的影响是不可忽视的，而且新型反应器也增大了换热器传热面积，且分布均匀，换热器内外的水流及料液流动均作强湍流运动，因此换热效率极高。

相比而言，新型反应器确实可以有效改善反应器的液体循环速度。

2.3 气含率εg
气含率和液体循环速度一样是表征气升式环流反应器流体力学特性的基本参数，与气泡的大小和气液两相接触面积直接有关。

与所有流体类似，在搅拌气升式反应器中，气含率随通气速率和搅拌速率的增加而增加。

通常，低速时气含率快速增加；通气速率过大会出现气泡聚并，降低气含率的增加[12,17,19]。

在搅拌速率和通气速率一定时，气含率随浆液中介质浓度的增大而降低，最大幅度降低到60％[19]。

搅拌桨的形状也会影响反应器的气含率[23]，所以为了增加反应器的气含率，需根据生产实验的需要选择合适的搅拌桨。

除此之外，还可以在反应器内添加静态混合器，结合机械搅拌桨，可以很大程度地提高气含率，强化高黏度、非牛顿流体体系中的反应器传递性能，进而提高总体积传质系数KLa。

2.4 混合时间
随着通气速率和搅拌转速的提高混合时间会得到改善，在搅拌气升式反应器中，通气速率只有在桨速很低或停止时才对混合时间有影响。

混合时间对浆液中固体浓度不敏感[19]。

吕效平等[13]发现黏度的增加会增加混合时间，在表观气速相同的情况下，混合时间随转速的增加而下降；但在某一较大转速（1000 r/min）有一转折点，随后混合时间继续下降，表观气速越大，此现象越显著。

对于多相搅拌气升式反应器，固含率也是表征反应器性能的一个重要参数。

无论是搅拌式反应器还是气升式反应器，能耗一直是一个不容忽视的问题。

气升式反应器一般操作弹性小，很难在不改变通气的条件下改善混合状况。

在大型的气升式反应器中，需要较高的气速才能达到满意的效果，而高速通气也带来一系列的问题，与机械搅拌相比，其能耗优势不明显。

这也是为什么机械搅拌式反应器目前仍受到广泛欢迎的原因[9]。

而新型反应器的机械搅拌及其主要装置主要起着分散压缩空气作用，需要的能耗相对而言较低，所以这种气升搅拌式新型反应器有着很大的研究价值和应用前景。

吕效平[17]曾研究了能量耗散速率与总体积传质系数KLa 的影响。

结果表明，搅拌转速一定时，单位反应器体积的机械搅拌能量耗散速率随表观气速的增加而降低，通气耗散速率随表观气速的增加而增加。

通气能量耗散速率的影响大于机械搅拌能量耗散的影响。

所以在满足一定工艺的要求下，应使表观气速与搅拌速度有一个较好的匹配以降低总单位反应器体积能量耗散速率。

3 搅拌气升式生物反应器的应用
近来，气升式反应器在生物化工、化学工程、石油化工、食品发酵等行业中都有广泛的应用，传统搅拌反应器在工业中也依然占着举足轻重的地位，而搅拌气升式新型反应器仍处于研究开发阶段，多还是专利产品，但是提供了一种新型的反应器设计思维，克服了气升式反应器或机械搅拌反应器的致命弱点，必将有着光明的应用前景。

目前该新型反应器的应用范围集中在动植物细胞、微生物培养以及培养发酵过程中的物质萃取中，正逐步向其它行业发展。

3.1 高黏度需氧微生物发酵
高黏度使得气泡聚并，相间传质较差。

搅拌式反应器能打碎气泡，加快液体循环。

而气升式反应器只能通过增加通气速率来达到传质要求。

通过在导流管中安装一个轴向的搅
拌桨可以显著地提高气升式反应器的性能。

这种方法已经在纤维素真菌好食链孢菌（Neurospora sitophila）发酵中得到了证明[4]。

同样，在黏度不大的酵母发酵中也有很好的效果[5,20]。

Pollard 等[12]研究了搅拌桨对中试规模气升式生物反应器中酿酒酵母发酵的影响，结果表明，搅拌桨能引导导流筒中流体向下流动以及帮助罐底部液体的循环，从而降低了反应器中溶氧浓度的极度不均匀性，面包酵母的总摄氧速率增加了3 倍。

在比较高、矮两种不均匀性程度不同的反应器中流体力学特性和氧的传递之后发现，带有搅拌的矮反应器具有更快的循环时间和更高的摄氧速率。

Pollard 等[15]在研究红色糖多孢菌气升式发酵中反应器的不均匀性时，考察了在气升式反应器中使用搅拌桨对红色糖多孢菌发酵的影响。

结果表明，搅拌桨能影响红霉素的产量而不影响细胞的生长。

3.2 动植物细胞培养
与微生物相比，动植物细胞对剪切力更为敏感。

因此，剪切力问题与规模生产的矛盾越来越受到重视。

欧阳平凯等[24]开发了带有低速搅拌的气升式反应器，加强了固形细胞团块的悬浮，在培养西洋参和紫草细胞时获得了较好的结果。

V alluri 等[25]在培养檀香木（Santalum album L.）细胞时使用细胞提升式搅拌器，最后产物浓度可以达到了32.5mg/L 。

Rutgers 大学的Kim D I 和同事发明了一种5 L的杂合式反应器[26]，采用气升式和搅拌式相结合，用于高密度植物细胞的培养。

Rutgers 小组用该反应器进行Thalictrm ragosum 细胞培养和小劈硷的生产，细胞密度高达31 g/L，而且细胞的存活率没有减少，最大小劈硷的浓度为88 mg/L，与摇瓶的生产效率相当。

Favre 等[27]在带有机械搅拌的气升式反应器中进行了哺乳动物细胞的微载体的高密度培养，发现细胞有着高的存活率。

也有学者曾研究使用向上流动的低速搅拌桨来增加细胞的悬浮时间，同样可以有效改善相间的传质。

3.3 带有固体颗粒的三相反应
气升式反应器不适用于含大量固体的发酵液以及含催化颗粒的三相化学反应。

搅拌气升式反应器拓展了传统气升式反应器在这一领域的应用。

吕效平等[28]在多相机械搅拌气升式反应器中考察了固体颗粒的直径、固含率对液体循环速度、气含率等的影响。

实验证明，对气含率而言，多相搅拌气升式反应器不但存在临界颗粒直径和临界固含率，还存在一个临界表观气速，在此气速以下，才能产生气含率随固含率增加而增加的现象。

吕效平等[29]在三相搅拌气升式反应器中研究了气体流速、机械搅拌速度和氧浓度等参数对葡萄糖氧化反应过程的影响。

结果表明，搅拌转速对反应速率有强烈的影响。

使用空气作为进料气体、转速为2000 r/min 时的反应速率要大于使用氧气为进料气体、无搅拌的反应速率。

Bang 等[8,29]也发现了同样的规律。

Bang 等[30]使用搅拌桨改善了气升式反应器中的流动死角，避免了氧化铝颗粒（dp=100 μm）的沉降。

机械搅拌能与气体动能的结合可使固体颗粒较好的悬浮并增强流体流动循环。

3.4 污水处理
气升式生物反应器已成功应用于有机污染物的控制[31]，并逐渐拓展应用于硝化过程[32]。

但在硝化过程中，这种新型生物反应器并没有显示出人们所预期的优势。

因为生物硝化是一个强耗氧过程而气升式反应器中的氧传递不能满足生物硝化的需要，所以调整反应器结构和改进供氧方式可能是缓解氧的供求矛盾，进一步挖掘气升式内环流生物反应器潜能的突破口。

相对于普通气升式硝化反应器，新型混合型反应器可以达到更高的KLa，且氧传
递系数、充氧能力、氧转移效率和氧转移动力效率都有大幅提高，所以该新型混合反应器将会在未来的污水处理行业大放异彩。

4 结语
综上所述，机械搅拌气升式反应器在过去的十几年中取得了飞速的发展，但离大规模应用还有很大一段距离，需在以下几个方面加强研究：
（1）在模拟发酵液或反应基质的基础上加大对工业产品的研究，为大规模应用提供理论依据；
（2）结合计算流体力学（CFD）技术等手段，深入探索机械搅拌气升式反应器的基础理论；
（3）结合其它领域研究成果，研究开发集搅拌、气升、光照等功能于一身的多功能组合式反应器，可以进一步扩大反应器的应用范围；
（4）探索各操作条件对新型反应器性能的影响规律，优化各操作条件做到既提高反应器效率又注重节能。