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氣升式發(fā)酵罐

氣升式發(fā)酵罐也是應(yīng)用廣泛的生物反應(yīng)設(shè)備中的員，氣升式發(fā)酵罐是空氣提升式生物反應(yīng)器的簡稱。它是利用空氣的噴射功能和流體密度差造成反應(yīng)液循環(huán)流動，來實(shí)現(xiàn)液體的攪拌、混合和傳遞氧，即不用機(jī)械攪拌，依靠氣體的帶升使液體產(chǎn)生循環(huán)并發(fā)生湍動，從而達(dá)到氣液混合和傳遞的目的。目前世界上大的通氣發(fā)酵罐就是氣升環(huán)流式的，體積高達(dá)3000m3。氣升式反應(yīng)器有多種類型，常見的有氣升環(huán)流式、鼓泡式、空氣噴射式等，生物工業(yè)中已經(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。而鼓泡罐則是原始的通氣發(fā)酵罐，由于鼓泡式反應(yīng)器內(nèi)沒有設(shè)置導(dǎo)流筒，故不能控制液體的主體定向流動。

氣升式發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)較簡單，不需攪拌，易于清洗、維修，不易染菌，能耗低，溶解氧效率高。目前，內(nèi)循環(huán)氣升式發(fā)酵罐已廣泛應(yīng)用于生物工程域的好氧發(fā)酵方面，如動植物細(xì)胞的培養(yǎng)、某些微生物細(xì)胞的培養(yǎng)及污水處理等，由此生產(chǎn)的相關(guān)產(chǎn)品包括單細(xì)胞蛋白、酒精、抗生素、生物表面活性劑等。我利用生物反應(yīng)器大量生產(chǎn)生物制劑的應(yīng)用中，采用氣升式細(xì)胞培養(yǎng)生物反應(yīng)器的占有相當(dāng)大的比例。

氣升式發(fā)酵罐按其所采取的液體循環(huán)方式的不同，可劃分為內(nèi)循環(huán)氣升式發(fā)酵罐和外循環(huán)氣升式發(fā)酵罐。內(nèi)循環(huán)氣升式發(fā)酵罐的發(fā)酵液循環(huán)時(shí)，升管與降管均設(shè)置在同發(fā)酵罐內(nèi)部；而外循環(huán)氣升式發(fā)酵罐的發(fā)酵液循環(huán)則是通過單設(shè)置罐外循環(huán)管來實(shí)現(xiàn)的。

氣升式生物反應(yīng)器主要采用內(nèi)循環(huán)式，但也有少部分采用外循環(huán)式。

內(nèi)循環(huán)式生物反應(yīng)器內(nèi)部有以下四個(gè)組成部分：

①升液區(qū)：在反應(yīng)器和導(dǎo)流管內(nèi)部。若空氣是在導(dǎo)流管底部噴射，由于管內(nèi)外流體靜壓差，使氣液混合流體沿管內(nèi)上升，在反應(yīng)器上部分離部分氣體后，又沿降壓管下降，構(gòu)成循環(huán)流動。若空氣在降液管底部噴射，則流體循環(huán)方向恰好相反。

②降液區(qū)：為導(dǎo)流管與反應(yīng)器壁之間的環(huán)隙。流體沿降液區(qū)上升或下降，視噴射空氣的位置而定。

③底部：為升液區(qū)與降液區(qū)下部相連區(qū)。它對反應(yīng)器特性影響不

④頂部：為升液區(qū)與降液區(qū)上部相連區(qū)?？稍陧敹搜b氣液分離器，除去排出氣體中夾帶的液體。

氣升式發(fā)酵罐的操作參數(shù)對其使用性能有較強(qiáng)的影響，操作參數(shù)主要包括以下幾點(diǎn)：

①液面高度。氣液分離器中液體的體積與總體積之比（VL/V總）對氣含率、液體循環(huán)速率和氣體再循環(huán)有顯著影響，（VLV總）越大，氣含率降低，液體的循環(huán)速率增加，混合時(shí)間減少，功耗增加。當(dāng)（VLV總）增大到定值時(shí)，氣含率和液體循環(huán)速率不再變化，但能耗仍在上升，因此存在佳值。可以看出，在設(shè)計(jì)和操作氣升式反應(yīng)器時(shí)要考慮氣液分離器中的（VLV總）值。

②操作氣速。表觀氣速影響氣升式反應(yīng)器的氣含率、循環(huán)時(shí)間及液體體積傳質(zhì)系數(shù)（KLa），并且其影響還與反應(yīng)器結(jié)構(gòu)（如氣體預(yù)分布器、內(nèi)件設(shè)置等）和物料的特性有關(guān)。有研究表明，在小固含率下，氣速是影響KLo的主要因素；而在大固含率下，KLa主要受固含率影響。因此，操作氣速要從反應(yīng)器結(jié)構(gòu)、物料特性等方面綜合考慮，使其在功耗小的情況下得到大的KLa。

③溶液的性質(zhì)。氣升式反應(yīng)器在生物技術(shù)域的應(yīng)用主要是發(fā)酵、廢水處理和生物細(xì)胞培養(yǎng)等。由于黏性較高，為了提高傳質(zhì)速率，以往對發(fā)酵液和生物細(xì)胞培養(yǎng)液常采用機(jī)械攪拌罐。實(shí)際上，只要在介質(zhì)中加入合適的聚合物，采用氣升式反應(yīng)器，不僅可以增強(qiáng)傳質(zhì)，提高產(chǎn)量，而且還可以降低能耗。