氣(qi)升(sheng)式(shi)發(fa)酵罐(guan)的(de)工(gong)作原理(li)及(ji)特(te)點

氣(qi)升(sheng)式(shi)發(fa)酵罐(guan)（ALR）也(ye)是(shi)應(ying)用(yong)廣泛的(de)生物反應(ying)設備(bei)。這類反(fan)應(ying)器(qi)具有(you)結(jie)構(gou)簡單、不易(yi)染(ran)菌、溶(rong)氧(yang)效率(lv)高(gao)、能耗低等優(you)點。

氣(qi)升(sheng)式(shi)反應(ying)器(qi)有(you)多種類型，常見(jian)的有(you)氣(qi)升(sheng)環流(liu)式、鼓(gu)泡(pao)式、空(kong)氣(qi)噴射式(shi)等，生物工(gong)業(ye)已經(jing)大量應(ying)用(yong)的(de)氣(qi)升(sheng)式(shi)發(fa)酵罐(guan)有(you)氣(qi)升(sheng)內(nei)環流(liu)發(fa)酵罐(guan)、氣(qi)液雙(shuang)噴射氣(qi)升(sheng)環流(liu)發(fa)酵罐(guan)、設有(you)多層分布板(ban)的(de)塔式(shi)氣(qi)升(sheng)發(fa)酵罐(guan)。而(er)鼓(gu)泡(pao)罐則(ze)是(shi)原始(shi)的通(tong)氣(qi)發(fa)酵罐(guan)，當(dang)然(ran)鼓(gu)泡(pao)式反(fan)應(ying)器(qi)內沒(mei)有(you)設置導流(liu)筒，故未控(kong)制(zhi)液體的主(zhu)體定向流(liu)動(dong)。現(xian)以氣(qi)升(sheng)環流(liu)式反(fan)應(ying)器(qi)為例(li)說(shuo)明(ming)其工作原理(li)。

氣(qi)升(sheng)環流(liu)式反(fan)應(ying)器(qi)工作原理(li)

氣(qi)升(sheng)環流(liu)式反(fan)應(ying)器(qi)是(shi)在反應(ying)器(qi)內沒(mei)有(you)攪(jiao)拌器(qi)，其中(zhong)央有(you)壹個導流(liu)筒，將發(fa)酵醪(lao)液分為上(shang)升(sheng)區（導流(liu)筒內(nei)）和下降區（導流(liu)筒外），在上(shang)升(sheng)區的下部安(an)裝了(le)空(kong)氣(qi)噴嘴，或(huo)環型空(kong)氣(qi)分布管(guan)，空(kong)氣(qi)分布管(guan)的(de)下方有(you)許多噴孔。加(jia)壓(ya)的(de)無菌空(kong)氣(qi)通(tong)過噴嘴或(huo)噴孔噴射進(jin)發(fa)酵液中(zhong)，從空(kong)氣(qi)噴嘴噴入(ru)的氣(qi)速(su)可(ke)達 250~300（米(mi)/秒(miao)），無菌空(kong)氣(qi)高(gao)速(su)噴入(ru)上(shang)升(sheng)管(guan)，通(tong)過氣(qi)液混合(he)物的湍(tuan)流(liu)作用而(er)使(shi)空(kong)氣(qi)泡分(fen)割細(xi)碎，與(yu)導流(liu)筒內(nei)的發(fa)酵液密(mi)切(qie)接觸，供給(gei)發(fa)酵液溶解(jie)氧(yang)。由於(yu)導(dao)流(liu)筒內(nei)形成的氣(qi)液混合(he)物密(mi)度(du)降低，加(jia)上(shang)壓(ya)縮(suo)空(kong)氣(qi)的噴流(liu)動(dong)能，因(yin)此使(shi)導(dao)流(liu)筒內(nei)的液體向上(shang)運動(dong)；到達(da)反應(ying)器(qi)上(shang)部液面(mian)後(hou)，壹(yi)部分(fen)氣(qi)生泡(pao)破(po)碎，二氧(yang)化碳(tan)排(pai)出(chu)到反(fan)應(ying)器(qi)上(shang)部空(kong)間(jian)，而排(pai)出(chu)部分(fen)氣(qi)體的發(fa)酵液從導(dao)流(liu)筒上(shang)邊(bian)向導(dao)流(liu)筒外流(liu)動(dong)，導(dao)流(liu)筒外的(de)發(fa)酵液因(yin)氣(qi)含率(lv)小(xiao)，密(mi)度(du)增(zeng)大，發(fa)酵液則(ze)下降，再(zai)次進入(ru)上(shang)升(sheng)管(guan)，形成循環流(liu)動(dong)，實(shi)現(xian)混(hun)合(he)與(yu)溶氧(yang)傳質(zhi)。

氣(qi)升(sheng)環流(liu)式反(fan)應(ying)器(qi)的特(te)點

前(qian)面(mian)已經(jing)簡(jian)單提到氣(qi)升(sheng)環式反(fan)應(ying)器(qi)的特(te)點，由(you)於(yu)氣(qi)升(sheng)環流(liu)反應(ying)器(qi)內沒(mei)有(you)攪(jiao)拌器(qi)，並(bing)且(qie)有(you)定向循(xun)環流(liu)動(dong)，故具有(you)多個優(you)點，下面(mian)具體說(shuo)明(ming)。

（1）反(fan)應(ying)溶(rong)液分布均(jun)勻：氣(qi)液固三相的均勻混合(he)與(yu)溶液成分(fen)的(de)混合(he)分散(san)良好是(shi)生(sheng)物(wu)反應(ying)器(qi)的普遍要求，因(yin)其流(liu)動(dong)、混(hun)合(he)與(yu)停(ting)留(liu)時間(jian)分布均(jun)受到影(ying)響(xiang)。對(dui)許多間(jian)歇或(huo)連續(xu)加(jia)料(liao)的(de)通(tong)氣(qi)發(fa)酵，基質(zhi)和(he)溶(rong)氧(yang)盡(jin)可(ke)能均(jun)勻分散(san)，以保證其基質(zhi)在發(fa)酵罐(guan)內(nei)各處的濃(nong)度(du)都(dou)落在0.1％～1％範圍內(nei)，溶解氧(yang)為10％壹30％。這對(dui)需氧(yang)生物(wu)細(xi)胞(bao)的(de)生(sheng)長和(he)產物(wu)生成有(you)利。此外，還需避免(mian)發(fa)酵罐(guan)液面(mian)生成(cheng)穩定的泡(pao)沫(mo)層，以免生物細(xi)胞(bao)積聚(ju)於(yu)上(shang)而(er)受損(sun)害(hai)甚至死亡。還有(you)培養基成(cheng)分(fen)尤(you)其是(shi)有(you)澱粉類易(yi)沈降的(de)顆粒(li)物料(liao)，更(geng)應(ying)能懸(xuan)浮分(fen)散(san)。氣(qi)升(sheng)環流(liu)反應(ying)器(qi)能很(hen)好地滿(man)足(zu)這些(xie)要求。

（2）較(jiao)高(gao)的(de)溶(rong)氧(yang)速(su)率(lv)和(he)溶(rong)氧(yang)效率(lv)：氣(qi)升(sheng)式(shi)反應(ying)器(qi)有(you)較(jiao)高(gao)的(de)氣(qi)含率(lv)（gas—holdup）和(he)比(bi)氣(qi)液接觸介(jie)面(mian)，因(yin)而有(you)高(gao)傳(chuan)質(zhi)速(su)率(lv)和(he)溶(rong)氧(yang)效率(lv)，體積溶(rong)氧(yang)效率(lv)通(tong)常(chang)比機(ji)械(xie)攪(jiao)拌罐高(gao)，kLd可(ke)達2000h，且溶氧(yang)功耗相對(dui)低。

（3）剪(jian)切(qie)力(li)小(xiao)，對(dui)生物細(xi)胞(bao)損(sun)傷小(xiao)：由(you)於(yu)氣(qi)升(sheng)式(shi)反應(ying)器(qi)沒有(you)機(ji)械(xie)攪(jiao)拌葉輪，故對(dui)細(xi)胞(bao)的(de)剪(jian)切(qie)損傷可(ke)減至低，尤其適合(he)植物細(xi)胞(bao)及(ji)組織(zhi)的(de)培養。

（4）傳熱良好：好氣(qi)發(fa)酵均(jun)產生(sheng)大量的發(fa)酵熱(re)，如(ru)酵母培養旺盛(sheng)期發(fa)酵熱(re)高(gao)達(da)3.0～4.0×105kJ／（m3.h），而(er)傳(chuan)熱溫差則(ze)只有(you)幾(ji)度(du)（℃），尤其夏(xia)季，若(ruo)使(shi)用(yong)非冷(leng)凍水(shui)，則(ze)只有(you)3-10℃左(zuo)右，故需很(hen)大的(de)換(huan)熱面(mian)積與(yu)傳熱(re)系(xi)數。氣(qi)升(sheng)式(shi)反應(ying)器(qi)因(yin)液體綜(zong)合(he)循環速(su)率(lv)高(gao)，同(tong)時(shi)便(bian)於(yu)在外循(xun)環管(guan)路上(shang)加(jia)裝換熱器(qi)，以保證除去發(fa)酵熱(re)以控制(zhi)適宜的(de)發(fa)酵溫度(du)。

（5）結(jie)構(gou)簡單，易於(yu)加(jia)工(gong)制(zhi)造(zao)：氣(qi)升(sheng)式(shi)反應(ying)器(qi)罐內(nei)無機(ji)械(xie)攪(jiao)拌器(qi)，故不需安裝結(jie)構(gou)復(fu)雜(za)的攪(jiao)拌系(xi)統，密(mi)封(feng)也(ye)容(rong)易保(bao)證，所(suo)以加(jia)工(gong)制(zhi)造(zao)方便，設備(bei)投資(zi)低。同時大型和超(chao)大型發(fa)酵反(fan)應(ying)器(qi)放大設計(ji)制(zhi)造(zao)也(ye)已(yi)實(shi)現(xian)，如(ru)上(shang)的(de)ICI壓(ya)力(li)循環發(fa)酵罐(guan)體積達(da)3000m3，另壹(yi)種“BIOHCH'’反應(ying)器(qi)也達(da)3000m3以上(shang)。更(geng)大的(de)反(fan)應(ying)器(qi)如(ru)鼓(gu)泡(pao)塔式(shi)“Bayer AG'’反應(ying)器(qi)體積高(gao)達(da)13000m3，目(mu)前(qian)用(yong)於(yu)生(sheng)化(hua)廢水(shui)處理(li)。

（6）操(cao)作和維(wei)修方便：因(yin)氣(qi)升(sheng)式(shi)發(fa)酵罐(guan)無機(ji)械(xie)攪(jiao)拌系(xi)統，所(suo)以結(jie)構(gou)較(jiao)簡單，能耗低，操作方便，特(te)別是(shi)不(bu)易(yi)發(fa)生機(ji)械(xie)攪(jiao)拌軸封(feng)容(rong)易(yi)出(chu)現(xian)的(de)滲漏(lou)染(ran)菌問(wen)題 。

另外因(yin)無機(ji)械(xie)攪(jiao)拌熱產生(sheng)，所(suo)以發(fa)酵總(zong)熱(re)量較(jiao)低，便於(yu)換(huan)熱(re)冷卻(que)系(xi)統的裝設。

此(ci)外，氣(qi)升(sheng)式(shi)發(fa)酵罐(guan)設計(ji)技術(shu)已(yi)成熟，易於(yu)放(fang)大設計(ji)和模擬(ni)。