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氣升式發(fā)酵罐的工作原理及特點(diǎn)

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2010-12-31  來(lái)源:中國(guó)生物器材網(wǎng)
核心提示:氣升式發(fā)酵罐的工作原理及特點(diǎn)

氣升式發(fā)酵罐(ALR)也是應(yīng)用最廣泛的生物反應(yīng)設(shè)備。這類反應(yīng)器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不易染菌、溶氧效率高、能耗低等優(yōu)點(diǎn)。

氣升式反應(yīng)器有多種類型,常見(jiàn)的有氣升環(huán)流式、鼓泡式、空氣噴射式等,生物工業(yè)已經(jīng)大量應(yīng)用的氣升式發(fā)酵罐有氣升內(nèi)環(huán)流發(fā)酵罐、氣液雙噴射氣升環(huán)流發(fā)酵罐、設(shè)有多層分布板的塔式氣升發(fā)酵罐。而鼓泡罐則是最原始的通氣發(fā)酵罐,當(dāng)然鼓泡式反應(yīng)器內(nèi)沒(méi)有設(shè)置導(dǎo)流筒,故未控制液體的主體定向流動(dòng),F(xiàn)以氣升環(huán)流式反應(yīng)器為例說(shuō)明其工作原理。

氣升環(huán)流式反應(yīng)器工作原理

氣升環(huán)流式反應(yīng)器是在反應(yīng)器內(nèi)沒(méi)有攪拌器,其中央有一個(gè)導(dǎo)流筒,將發(fā)酵醪液分為上升區(qū)(導(dǎo)流筒內(nèi))和下降區(qū)(導(dǎo)流筒外),在上升區(qū)的下部安裝了空氣噴嘴,或環(huán)型空氣分布管,空氣分布管的下方有許多噴孔。加壓的無(wú)菌空氣通過(guò)噴嘴或噴孔噴射進(jìn)發(fā)酵液中,從空氣噴嘴噴入的氣速可達(dá) 250~300(米/秒),無(wú)菌空氣高速噴入上升管,通過(guò)氣液混合物的湍流作用而使空氣泡分割細(xì)碎,與導(dǎo)流筒內(nèi)的發(fā)酵液密切接觸,供給發(fā)酵液溶解氧。由于導(dǎo)流筒內(nèi)形成的氣液混合物密度降低,加上壓縮空氣的噴流動(dòng)能,因此使導(dǎo)流筒內(nèi)的液體向上運(yùn)動(dòng);到達(dá)反應(yīng)器上部液面后,一部分氣生泡破碎,二氧化碳排出到反應(yīng)器上部空間,而排出部分氣體的發(fā)酵液從導(dǎo)流筒上邊向?qū)Я魍餐饬鲃?dòng),導(dǎo)流筒外的發(fā)酵液因氣含率小,密度增大,發(fā)酵液則下降,再次進(jìn)入上升管,形成循環(huán)流動(dòng),實(shí)現(xiàn)混合與溶氧傳質(zhì)。

氣升環(huán)流式反應(yīng)器的特點(diǎn)

前面已經(jīng)簡(jiǎn)單提到氣升環(huán)式反應(yīng)器的特點(diǎn),由于氣升環(huán)流反應(yīng)器內(nèi)沒(méi)有攪拌器,并且有定向循環(huán)流動(dòng),故具有多個(gè)優(yōu)點(diǎn),下面具體說(shuō)明。

(1)反應(yīng)溶液分布均勻:氣液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)器的普遍要求,因其流動(dòng)、混合與停留時(shí)間分布均受到影響。對(duì)許多間歇或連續(xù)加料的通氣發(fā)酵,基質(zhì)和溶氧盡可能均勻分散,以保證其基質(zhì)在發(fā)酵罐內(nèi)各處的濃度都落在0.1%~1%范圍內(nèi),溶解氧為10%一30%。這對(duì)需氧生物細(xì)胞的生長(zhǎng)和產(chǎn)物生成有利。此外,還需避免發(fā)酵罐液面生成穩(wěn)定的泡沫層,以免生物細(xì)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)流反應(yīng)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(yīng)器有較高的氣含率(gas—holdup)和比氣液接觸介面,因而有高傳質(zhì)速率和溶氧效率,體積溶氧效率通常比機(jī)械攪拌罐高,kLd可達(dá)2000h,且溶氧功耗相對(duì)低。

(3)剪切力小,對(duì)生物細(xì)胞損傷小:由于氣升式反應(yīng)器沒(méi)有機(jī)械攪拌葉輪,故對(duì)細(xì)胞的剪切損傷可減至最低,尤其適合植物細(xì)胞及組織的培養(yǎng)。

(4)傳熱良好:好氣發(fā)酵均產(chǎn)生大量的發(fā)酵熱,如酵母培養(yǎng)旺盛期發(fā)酵熱高達(dá)3.0~4.0×105kJ/(m3.h),而傳熱溫差則只有幾度(℃),尤其夏季,若使用非冷凍水,則只有3-10℃左右,故需很大的換熱面積與傳熱系數(shù)。氣升式反應(yīng)器因液體綜合循環(huán)速率高,同時(shí)便于在外循環(huán)管路上加裝換熱器,以保證除去發(fā)酵熱以控制適宜的發(fā)酵溫度。

(5)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于加工制造:氣升式反應(yīng)器罐內(nèi)無(wú)機(jī)械攪拌器,故不需安裝結(jié)構(gòu)復(fù)雜的攪拌系統(tǒng),密封也容易保證,所以加工制造方便,設(shè)備投資低。同時(shí)大型和超大型發(fā)酵反應(yīng)器放大設(shè)計(jì)制造也已實(shí)現(xiàn),如國(guó)際上著名的ICI壓力循環(huán)發(fā)酵罐體積達(dá)3000m3,另一種“BIOHCH'’反應(yīng)器也達(dá)3000m3以上。更大的反應(yīng)器如鼓泡塔式“Bayer AG'’反應(yīng)器體積高達(dá)13000m3,目前用于生化廢水處理。

(6)操作和維修方便:因氣升式發(fā)酵罐無(wú)機(jī)械攪拌系統(tǒng),所以結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單,能耗低,操作方便,特別是不易發(fā)生機(jī)械攪拌軸封容易出現(xiàn)的滲漏染菌問(wèn)題 。

另外因無(wú)機(jī)械攪拌熱產(chǎn)生,所以發(fā)酵總熱量較低,便于換熱冷卻系統(tǒng)的裝設(shè)。

此外,氣升式發(fā)酵罐設(shè)計(jì)技術(shù)已成熟,易于放大設(shè)計(jì)和模擬。


 

編輯:songjiajie2010

 
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