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?lài)娙肷仙?，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(lèi)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(mǎn)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?。河捎跉馍椒磻?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“BayerAG'’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)。

　　發(fā)酵罐操作技術(shù)

　　1 技術(shù)準(zhǔn)備

　　設(shè)備使用之前，應(yīng)先檢查電源是否正常，空壓機(jī)、微機(jī)控制系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)是否能正常工作。檢查系統(tǒng)上的閥門(mén)、接頭及緊固螺釘是否擰緊。開(kāi)動(dòng)空壓機(jī)，用O.15Mpa壓力，檢查種子罐、發(fā)酵罐、過(guò)濾器、管路、閥門(mén)的密封性能是否良好。對(duì)溫度儀、調(diào)速電機(jī)，電容渦街流量計(jì)應(yīng)根據(jù)使用說(shuō)明書(shū)進(jìn)行檢查、校正。

　　2 空消

　　在投料前，氣路、料路、種子罐、發(fā)酵罐、消泡罐必須用蒸汽進(jìn)行滅菌，消除所有死角的雜菌，保證系統(tǒng)處于無(wú)菌狀態(tài)。

　　2.1 空氣管路的空消

　　(1)空氣管路上有三級(jí)預(yù)過(guò)濾器，冷干機(jī)和除菌過(guò)濾器。預(yù)過(guò)濾器和冷干機(jī)不能用蒸汽滅菌，因此在空氣管路通蒸汽前，必須將通向預(yù)過(guò)濾器的閥門(mén)關(guān)閉，使蒸汽通過(guò)減壓閥、蒸汽過(guò)濾器，然后進(jìn)入除菌過(guò)濾器。

　　(2)除菌過(guò)濾器的濾芯不能承受高溫高壓，因此，蒸汽減壓閥必須調(diào)整在0.13Mpa，不得超過(guò)0.15MPa。

　　(3)空消過(guò)程中，除菌過(guò)濾器下端的排氣閥應(yīng)微微開(kāi)啟，排除冷凝水。

　　(4)空消時(shí)間應(yīng)持續(xù)40分鐘左右，當(dāng)設(shè)備初次使用或長(zhǎng)期不用后啟動(dòng)時(shí)，最好采用間歇空消，即第一次空消后，隔3—5小時(shí)再空消一次，以便消除芽孢。

　　(5)經(jīng)空消后的過(guò)濾器，應(yīng)通氣吹干，約20～30分鐘，然后將氣路閥門(mén)關(guān)閉。

　　2.2 種子罐、發(fā)酵罐、堿罐及消泡罐空消

　　(1)種子罐、發(fā)酵罐、堿罐及消泡罐是將蒸汽直接通入罐內(nèi)進(jìn)行空消。

　　(2)空消時(shí)，應(yīng)將罐上的接種口、排氣閥及料路閥門(mén)微微打開(kāi)，使蒸汽通過(guò)這些閥門(mén)排出，同時(shí)保罐壓為O.13～0.15Mpa。

　　(3)空消時(shí)間為30～40分鐘，特殊情況下，可采用間歇空消。

　　(4)種子罐、發(fā)酵罐、消泡罐、酸堿罐空消前，應(yīng)將夾套內(nèi)的水放掉?？障Y(jié)束后，應(yīng)將罐內(nèi)冷凝水排掉，并將排空閥門(mén)打開(kāi)，防止冷卻后罐內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓、損壞設(shè)備?？障麜r(shí)，溶氧、PH電極取出，可以延長(zhǎng)其使用壽命。

　　3 實(shí)消

　　實(shí)消是當(dāng)罐內(nèi)加人培養(yǎng)基后，用蒸汽對(duì)培養(yǎng)基進(jìn)行滅菌的過(guò)程，種子罐、堿罐、消泡罐和發(fā)酵罐實(shí)消的操作過(guò)程相同。空消結(jié)束后，應(yīng)盡快將配好的培養(yǎng)基從加料口加入罐內(nèi)，此時(shí)夾套內(nèi)應(yīng)無(wú)冷卻水。培養(yǎng)基在進(jìn)罐之前，應(yīng)先糊化，一般培養(yǎng)基的配方量以罐體全容積的70%左右計(jì)算(泡沫多的培養(yǎng)基為65%左右，泡沫少的培養(yǎng)基可達(dá)75%.80%)，考慮到冷凝水和接種量因素，加水量為罐體全容積的50%左右，加水量的多少與培養(yǎng)基溫度和蒸汽壓力等因素有關(guān)，需在實(shí)踐中摸索。先開(kāi)啟機(jī)械攪拌裝置，使罐內(nèi)物料均勻混合，轉(zhuǎn)速50一100rpm。打開(kāi)夾套蒸汽閥、排汽閥，對(duì)罐內(nèi)培養(yǎng)基預(yù)熱，當(dāng)罐內(nèi)溫度升到90℃時(shí)，關(guān)閉夾套進(jìn)汽閥，打開(kāi)罐內(nèi)所有進(jìn)汽閥，通人蒸汽。當(dāng)罐溫上升到105℃時(shí)，緩緩打開(kāi)排汽閥，將罐頂冷空氣排掉，持續(xù)五分鐘后，關(guān)閉排汽閥。當(dāng)罐壓升至0.12Mpa，溫度升到121～123℃時(shí)，控制蒸汽閥門(mén)開(kāi)度，保持罐壓不變，30分鐘后停止供汽。打開(kāi)冷卻水的進(jìn)排閥門(mén)，在夾套內(nèi)通水冷卻，當(dāng)罐內(nèi)壓力降至O.05Mpa時(shí)，微微開(kāi)啟排氣閥和進(jìn)氣閥，進(jìn)行通氣攪拌，加速冷卻速度，并保持罐壓為O.05Mpa，直到罐溫降至接種溫度。

　　4接種

　　采用火焰封口接種，接種前應(yīng)事先準(zhǔn)備好酒精棉花、鉗子、鑷子和接種環(huán)。菌種裝入三角燒瓶?jī)?nèi)，接種量根據(jù)工藝要求確定。將酒精棉花圍在接種口周?chē)c(diǎn)燃，用鉗子或鐵棒擰開(kāi)接種口，此時(shí)應(yīng)向罐內(nèi)通氣，使接種口有空氣排出。將三角瓶的菌種在火環(huán)中間倒人罐內(nèi)。將接種口蓋在火焰上滅菌后擰緊。接種后即可通氣培養(yǎng)，罐壓保持在0.05Mpa.