气升式发酵罐

  气升式发酵罐也是应用***广泛的生物反应设备之一，气升式发酵罐是空气提升式生物反应器的简称。它是利用空气的喷射功能和流体密度差造成反应液循环流动，来实现液体的搅拌、混合和传递氧，即不用机械搅拌，完全依靠气体的带升使液体产生循环并发生湍动，从而达到气液混合和传递的目的。目前世界上***大的通气发酵罐就是气升环流式的，体积高达3000m3。气升式反应器有多种类型，常见的有气升环流式、鼓泡式、空气喷射式等，生物工业中已经大量应用的气升式发酵罐有气升内环流发酵罐、气液双喷射气升环流发酵罐、设有多层分布板的塔式气升发酵罐。而鼓泡罐则是***原始的通气发酵罐，由于鼓泡式反应器内没有设置导流筒，故不能控制液体的主体定向流动。 

  气升式发酵罐的结构较简单，不需搅拌，易于清洗、维修，不易染菌，能耗低，溶解氧效率高。目前，内循环气升式发酵罐已广泛应用于生物工程领域的好氧发酵方面，如动植物细胞的培养、某些微生物细胞的培养及污水处理等，由此生产的相关产品包括单细胞蛋白、酒精、***、生物表面活性剂等。我国利用生物反应器大量生产生物制剂的应用中，采用气升式细胞培***物反应器的占有相当大的比例。 

  气升式发酵罐按其所采取的液体循环方式的不同，可划分为内循环气升式发酵罐和外循环气升式发酵罐。内循环气升式发酵罐的发酵液循环时，升管与降管均设置在同一发酵罐内部；而外循环气升式发酵罐的发酵液循环则是通过单独设置罐外循环管来实现的。 

  气升式生物反应器主要采用内循环式，但也有少部分采用外循环式。 

  内循环式生物反应器内部有以下四个组成部分： 

  ①升液区：在反应器***和导流管内部。若空气是在导流管底部喷射，由于管内外流体静压差，使气液混合流体沿管内上升，在反应器上部分离部分气体后，又沿***管下降，构成一循环流动。若空气在降液管底部喷射，则流体循环方向恰好相反。 

  ②降液区：为导流管与反应器壁之间的环隙。流体沿降液区上升或下降，视喷射空气的位置而定。 

  ③底部：为升液区与降液区下部相连区。它对反应器特性影响不大。 

  ④顶部：为升液区与降液区上部相连区。可在顶端装气液分离器，除去排出气体中夹带的液体。 气升式发酵罐的操作参数对其使用性能有较强的影响，操作参数主要包括以下几点：

  ①液面高度。气液分离器中液体的体积与总体积之比（VL/V总）对气含率、液体循环速率和气体再循环有显著影响，（VL/V总）越大，气含率降低，液体的循环速率增加，混合时间减少，功耗增加。当（VL/V总）增大到一定值时，气含率和液体循环速率不再变化，但能耗仍在上升，因此存在***佳值。可以看出，在设计和操作气升式反应器时要考虑气液分离器中的（VL/V总）值。 

  ②操作气速。表观气速影响气升式反应器的气含率、循环时间及液体体积传质系数（KLα），并且其影响还与反应器结构（如气体预分布器、内件设置等）和物料的特性有关。有研究表明，在小固含率下，气速是影响KLα的主要因素；而在大固含率下，KLα主要受固含率影响。因此，操作气速要从反应器结构、物料特性等方面综合考虑，使其在功耗***小的情况下得到***大的KLα。 

  ③溶液的性质。气升式反应器在生物技术领域的应用主要是发酵、废水处理和生物细胞培养等。由于黏性较高，为了提高传质速率，以往对发酵液和生物细胞培养液常采用机械搅拌罐。实际上，只要在介质中加入合适的聚合物，采用气升式反应器，不仅可以增强传质，提高产量，而且还可以降低能耗。

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