氣升式發酵罐的工作原理及特點

氣升式發酵罐（ALR）也是應用廣泛的生物反應設備。這類反應器具有結構簡單、不易染菌、溶氧效率高、能耗低等優(you) 點。

氣升式反應器有多種類型，常見的有氣升環流式、鼓泡式、空氣噴射式等，生物工業(ye) 已經大量應用的氣升式發酵罐有氣升內(nei) 環流發酵罐、氣液雙噴射氣升環流發酵罐、設有多層分布板的塔式氣升發酵罐。而鼓泡罐則是原始的通氣發酵罐，當然鼓泡式反應器內(nei) 沒有設置導流筒，故未控製液體(ti) 的主體(ti) 定向流動。現以氣升環流式反應器為(wei) 例說明其工作原理。

氣升環流式反應器工作原理

氣升環流式反應器是在反應器內(nei) 沒有攪拌器，其中央有一個(ge) 導流筒，將發酵醪液分為(wei) 上升區（導流筒內(nei) ）和下降區（導流筒外），在上升區的下部安裝了空氣噴嘴，或環型空氣分布管，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酵液中，從(cong) 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(yu) 導流筒內(nei) 的發酵液密切接觸，供給發酵液溶解氧。由於(yu) 導流筒內(nei) 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(nei) 的液體(ti) 向上運動；到達反應器上部液麵後，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(ti) 的發酵液從(cong) 導流筒上邊向導流筒外流動，導流筒外的發酵液因氣含率小，密度增大，發酵液則下降，再次進入上升管，形成循環流動，實現混合與(yu) 溶氧傳(chuan) 質。

氣升環流式反應器的特點

前麵已經簡單提到氣升環式反應器的特點，由於(yu) 氣升環流反應器內(nei) 沒有攪拌器，並且有定向循環流動，故具有多個(ge) 優(you) 點，下麵具體(ti) 說明。

（1）反應溶液分布均勻：氣液固三相的均勻混合與(yu) 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(yu) 停留時間分布均受到影響。對許多間歇或連續加料的通氣發酵，基質和溶氧盡可能均勻分散，以保證其基質在發酵罐內(nei) 各處的濃度都落在0.1％～1％範圍內(nei) ，溶解氧為(wei) 10％一30％。這對需氧生物細胞的生長和產(chan) 物生成有利。此外，還需避免發酵罐液麵生成穩定的泡沫層，以免生物細胞積聚於(yu) 上而受損害甚至死亡。還有培養(yang) 基成分尤其是有澱粉類易沉降的顆粒物料，更應能懸浮分散。氣升環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）和比氣液接觸介麵，因而有高傳(chuan) 質速率和溶氧效率，體(ti) 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(shang) 小：由於(yu) 氣升式反應器沒有機械攪拌葉輪，故對細胞的剪切損傷(shang) 可減至低，尤其適合植物細胞及組織的培養(yang) 。

（4）傳(chuan) 熱良好：好氣發酵均產(chan) 生大量的發酵熱，如酵母培養(yang) 旺盛期發酵熱高達3.0～4.0×105kJ／（m3.h），而傳(chuan) 熱溫差則隻有幾度（℃），尤其夏季，若使用非冷凍水，則隻有3-10℃左右，故需很大的換熱麵積與(yu) 傳(chuan) 熱係數。氣升式反應器因液體(ti) 綜合循環速率高，同時便於(yu) 在外循環管路上加裝換熱器，以保證除去發酵熱以控製適宜的發酵溫度。

（5）結構簡單，易於(yu) 加工製造：氣升式反應器罐內(nei) 無機械攪拌器，故不需安裝結構複雜的攪拌係統，密封也容易保證，所以加工製造方便，設備投資低。同時大型和超大型發酵反應器放大設計製造也已實現，如上的ICI壓力循環發酵罐體(ti) 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(ti) 積高達13000m3，目前用於(yu) 生化廢水處理。

（6）操作和維修方便：因氣升式發酵罐無機械攪拌係統，所以結構較簡單，能耗低，操作方便，特別是不易發生機械攪拌軸封容易出現的滲漏染菌問題 。

另外因無機械攪拌熱產(chan) 生，所以發酵總熱量較低，便於(yu) 換熱冷卻係統的裝設。

此外，氣升式發酵罐設計技術已成熟，易於(yu) 放大設計和模擬。