氣體提升式鼓泡反應器

A. 降膜反應器與鼓泡反應器具有哪些異同特點

氣液反應器的基本類型： 氣液反應器按氣液相接觸形態可分為： （1）氣體以氣泡形態分散在液相中的鼓泡塔反應器、攪拌鼓泡釜式反應器和板式反應器； （2）液體以液滴狀分散在氣相中的噴霧、噴射和文氏反應器等； （3）液體以膜狀運動與氣相進行接。

B. 鼓泡反應器的主要形式

①鼓泡塔
氣體從塔底向上經分布器以氣泡形式通過液層，氣相中的反應物溶入液相並進行反應，氣泡的攪拌作用可使液相充分混合。鼓泡塔結構簡單，沒有運動部件，適用於高壓反應或腐蝕性物系。
②鼓泡攪拌釜
又稱通氣攪拌釜，利用機械攪拌使氣體分散進入液流以實現質量傳遞和化學反應。常用的攪拌器為渦輪攪拌器，氣體分布器安裝在攪拌器下方正中處。鼓泡攪拌釜因攪拌器的形式、數量、尺寸、安裝位置和轉速都可進行選擇和調節，故具有較強的適應能力。當反應為強放熱時，上述兩種反應器均可設置夾套或冷卻管以控制反應溫度;還可在反應器內設導流筒,以促進定向流動；或使氣體經噴嘴注入，以提高液相的含氣率，並加強傳質。

C. 植物細胞培養反應器的類型及其特點

植物細胞培養具有周期長、細胞抗剪切能力弱、易團聚等特點；同時，植物細胞規模培養的目的是生產天然產物，而這些天然產物均為細胞生長代謝物。所以，植物細胞培養反應器的設計，不僅要考慮有利於細胞生長，同時還要考慮有利於產物的積累和分離。總體上講，適合植物細胞的反應器應該具有適宜的氧傳遞、良好的流動性和較低的剪切力。根據不同植物細胞生長和代謝產物積累的特點，目前已研究設計出多種類型的反應器用於植物細胞培養。
反應器的選擇取決於生產細胞的濃度、通氣量以及所提供的營養成分的分散程度。根據通氣和攪拌系統的類型可將生物反應器分為以下幾類： 機械攪拌式生物反應器有較大的操作范圍，混合程度高，適應性廣，在大規模生產中廣泛使用。攪拌罐中產生的剪切力大，容易損傷細胞，直接影響細胞的生長和代謝，特別對於次級產物生成影響極大。攪拌轉速越高，產生剪切力越大，對植物細胞傷害越大。對於有些對剪切力敏感的細胞，傳統的機械攪拌罐不適用。為此，對攪拌罐進行了改進，包括改變攪拌形式、葉輪結構與類型、空氣分布器等，力求減少產生的剪切力，同時滿足供氧與混合的要求。
Kaman等採用帶有1個雙螺旋帶狀葉輪(helicalribbonimpeller)和3個表面擋板的攪拌罐，證明適於剪切力敏感的高密度細胞培養。Jolicoeur等進行了類似的研究，在反應器中得到與搖瓶相同的高濃度生物量。鍾建江等通過培養紫蘇細胞進行比較，發現帶以微孔金屬絲網作為空氣分布器的三葉螺旋槳反應器(MRP)能提供較小的剪切力和良好的供氧及混合狀態，優於六平葉渦輪槳反應器，並認為在高濃度細胞培養時，MRP型反應器將顯示更大的優越性。離心式葉輪反應器(centrifugalimpellerbioreactor)與細胞升式反應器(cell-liftbioreactor)相比具有較高升液能力，較低剪切力，較短混合時間，在高濃度下具有高得多的溶解氧系數，表明有用於剪切力敏感的生物系統的巨大潛力。另有方框型槳式攪拌、蝶型渦輪攪拌等不同形式的機械攪拌罐用於植物細胞培養的生產和研究，結果證明不同葉輪產生剪切力大小順序為渦輪狀葉輪>平葉輪>螺旋狀葉輪。一種升流式生物反應器(lift-streambioreactor)利用罐中心一根連有多孔板的桿上下移動達到攪拌的目的，可用於培養剪切力敏感細胞。 相對於傳統攪拌式反應器，非攪拌式反應器所產生的剪切力較小，結構簡單，因此被認為適合植物細胞培養，其主要類型有鼓泡式反應器、氣升式反應器和轉鼓式反應器等。
通過對培養紫蘇細胞的生物反應器比較發現鼓泡式反應器優於機械攪拌式反應器。但由於鼓泡式反應器對氧的利用率較低，如果用較大通氣量，則產生的剪切力會損傷細胞。研究表明，噴大氣泡時，湍流剪切力是抑制細胞生長和損害細胞的重要原因。較大氣泡或較高氣速導致較高剪切力，從而對植物細胞有害。
氣升式反應器廣泛應用於植物細胞培養的研究和生產。通過胡蘿卜細胞培養研究發現，比較攪拌罐、氣體噴射罐和帶通氣管的氣升式反應器，最高細胞濃度和最短倍增時間可從氣升罐中得到。氣升式反應器用於多種植物細胞懸浮培養或固定化細胞培養，但其操作彈性較小，低氣速時，尤其H/D大，高密度培養時，混合性能欠佳。過量供氣，過高的氧濃度反而會影響細胞的生長和次生代謝產物的合成。將氣升式發酵罐與慢速攪拌結合使用可彌補低氣速時混合性差的弱點，採用分段的氣升管，也有利於氧的利用與混合。
轉鼓式反應器用於煙草細胞懸浮培養的研究發現，與有一個通風管的氣升式反應器相比，相同條件下轉鼓式反應器中生長速率高，其氧的傳遞及剪切力對細胞的傷害水平方面均優於氣升式反應器。 許多植物細胞培養過程中需要光照，往往考慮在普通反應器基礎上增加光照系統，但在實際中存在很多問題，如光源的安裝、保護，光的傳遞，還有光照系統對反應器供氣、混合的影響等。小規模實驗往往採用外部光照，反應器表面有透明的照明區，光源固定在反應器外部周圍。但大規模生產時透光窗的設置，內部培養物對光的均勻接受等問題難以解決，因此許多人對採用內部光源的反應器進行了研究。
Mori等發明的反應器將多個透明圓柱體平行安裝在反應器罐內，光源放置在透明圓柱體中，供給CO2的氣體交換器在罐內兩個圓柱之間。Ogbonna等研製了一種用於大規模培養光合細胞的新型內部光照攪拌式光生物反應器，它由每個單元都包含光源的多個單元組成。大的光生物反應器通過增加單元數目得到。每個單元中心固定一個玻璃管，光源插入其中，由攪拌槳實現混合，該攪拌漿設計成旋轉時不接觸玻璃管，玻璃管同時作為擋板，該反應器在低轉速下仍有較高混合程度，而且剪切力較小。由於發光體並非機械固定在反應器上，且通過玻璃管與發酵液分離，因此反應器可高壓滅菌，而發光體在冷卻後插入玻璃管。Yamamurak等研究固定CO2的光反應器，特別之處在於攪拌器具有發光作用。 根據植物細胞的特性，許多有別於傳統微生物反應器的新型反應器正用於植物細胞的研究生產，如各種固定化植物細胞反應器和膜反應器等。Dubuis等用新型環回式流化床反應器(loopfluidizedbedreactor)進行coffeaarabica培養，測定了生長和產物合成的動力學參數，認為該反應器操作方便，消除了氣體直接噴射引起的剪切力，易於測定放大所需的參數，適合中試和工業化生產。Nagai等用固定床反應器培養固定化煙草細胞，生長速率與搖瓶相同，胞內合成與搖瓶無明顯區別。
Tyler等報道了一種植物細胞表面固定化培養系統，避免了傳統攪拌罐懸浮培養中的流體流動力或剪切力問題，並促進植物細胞凝聚的特性，使次級代謝產物合成和積累增加，而且該系統培養基交換簡單，次級產物提取容易。Lang也研究了植物細胞膜反應器，將細胞固定在膜上3mm厚一層，培養基在膜下封閉迴路循環流動，營養透過膜擴散至細胞層，次級代謝物分泌透過膜擴散至培養基。
Humphrey對植物細胞培養微孔膜通氣反應器進行了研究，分析了氧傳遞，為需要小剪切力的植物細胞培養的膜通氣反應器提供設計依據，設計應考慮的因素包括管的長度、直徑和膜厚度，進氣的組成和壓力，細胞生長培養階段等。

D. 氣升式生物反應器的應用范圍

主要應用很多，當下熱門的如 應用及鑄砂板式膜生物反應器開發研究 ，應用於化學發酵方面的動力學分析 ，合成特定類的化學葯物 等等。本項目研製的氣升式反應器結構新穎，可用於抗生素、酶制劑、有機酸、生物農葯、食用菌、單細胞蛋白生產等領域。
氣升式生物反應器用於高生物量的黴菌或放線菌培養，能滿足高生物量對溶氧水平的高要求。另外，由於以氣體作混和與傳質的動力，氣液能量傳遞在瞬間完成，這對象絲狀菌等對剪切力敏感菌體培養的影響遠小於「通用式」機械攪拌罐。氣升式生物反應器用於三抱布拉氏黴菌β-蘿卜素工業發酵生產，使民胡蘿卜素產率比「通用式」機械攪拌罐提高2倍左右，發酵周期縮短48 h以上。
氣升式生物反應器用於高粘度培養物發酵，能利用高粘度擬塑性發酵液剪切變稀的流變性質，大幅度降低其表觀粘度，提高傳質速率和溶氧水平。同時，發酵液在反應器中做整體循環，宏觀混和較好，不會產生傳統的機械攪拌發酵罐中高粘度物料在遠離攪拌槳的近壁區常出現的滯流邊界層，特別是在擋板後面不會形成靜止區或滯流區，該區的氣體通過罐中心形成倒漏斗形通道逃逸而不能均勻地和液體混合。氣升式生物反應器用於黃原膠、靈芝多糖等多種微生物多糖的工業生產，能顯蓍縮短發酵周期，提高多糖產率。
氣升式生物反應器用於石油產品的發酵將大大改善油水乳化狀態，提高溶氧水平，加快微生物生長和代謝速度，提高生產效率。氣升式生物反應器用於工業規模的微生物石油脫蠟，發酵周期比傳統的鼓泡反應器縮短4倍多，節能40%左右。文獻查新表明，氣升式生物反應器是一種結構新穎、混和與傳質效率高的反應器。氣升式生物反應器對解決一些高生物量、高密度、高粘度、高含油體系的混和和傳質難題有獨到之處。幾年來，氣升式生物反應器已成功地應用於高生物量的β一胡蘿卜素發酵、高糖度的甘油發酵、高粘度的微生物多糖發酵、高含油量的微生物石油脫蠟等。工業發酵實踐證明NALR能加快微生物生長與代謝，縮短發酵周期，提高發酵水平，降低發酵能耗。NALR是一種值得廣泛推廣的新型生物反應器。

E. 鼓泡反應器的工作原理

液體分批加入，氣體連續通入的稱為半連續操作鼓泡塔。連續操作的鼓泡塔氣體和液體連續加入，流動方向可以為向上並流或逆流。
鼓泡塔多為空塔，一般在塔內設有擋板，以減少液體返混；為加強液體循環和傳遞反應熱，可設外循環管和塔外換熱器。
鼓泡塔中也可設置填料來增加氣液接觸面積減少返混。
氣體一般由環形氣體分散器、單孔噴嘴、多孔板等分散後通入。
氣體鼓泡通過含有反應物或催化劑的液層以實現氣液相反應過程的反應器。

F. 鼓泡反應器的介紹

鼓泡反應器是以液相為連續相，氣相為分散相的氣液反應器。有槽型鼓泡反應器、鼓泡管式反應器、鼓泡塔等多種結構型式，其中鼓泡塔應用最廣。

G. 氣液鼓泡反應區內流動區域是如何劃分的

鼓泡反應器是以液相為連續相，氣相為分散相的氣液反應器。有槽型鼓泡反應器、鼓泡管式反應器、鼓泡塔等多種結構型式，其中鼓泡塔應用最廣。工作原理液體分批加入，氣體連續通入的稱為半連續操作鼓泡塔。連續操作的鼓泡塔氣體和液體連續加入，流動方向可以為向上並流或逆流。鼓泡塔多為空塔，一般在塔內設有擋板，以減少液體返混；為加強液體循環和傳遞反應熱，可設外循環管和塔外換熱器。鼓泡塔中也可設置填料來增加氣液接觸面積減少返混。氣體一般由環形氣體分散器、單孔噴嘴、多孔板等分散後通入。氣體鼓泡通過含有反應物或催化劑的液層以實現氣液相反應過程的反應器。主要形式 ①鼓泡塔氣體從塔底向上經分布器以氣泡形式通過液層，氣相中的反應物溶入液相並進行反應，氣泡的攪拌作用可使液相充分混合。鼓泡塔結構簡單，沒有運動部件，適用於高壓反應或腐蝕性物系。 ②鼓泡攪拌釜又稱通氣攪拌釜，利用機械攪拌使氣體分散進入液流以實現質量傳遞和化學反應。常用的攪拌器為渦輪攪拌器，氣體分布器安裝在攪拌器下方正中處。鼓泡攪拌釜因攪拌器的形式、數量、尺寸、安裝位置和轉速都可進行選擇和調節，故具有較強的適應能力。當反應為強放熱時，上述兩種反應器均可設置夾套或冷卻管以控制反應溫度;還可在反應器內設導流筒,以促進定向流動；或使氣體經噴嘴注入，以提高液相的含氣率，並加強傳質。裝置特點與填充塔、板式塔相比，鼓泡反應器的主要特點是液相體積分率高（可達90%以上），單位體積液相的相界面積小（在200m2/m3以下）。當反應極慢，過程由液相反應控制時，提高以單位反應器體積為基準的反應速率主要靠增加液相體積分率，宜於採用鼓泡反應器。當反應極快，過程由氣液相際傳質控制時，提高過程速率主要靠增加相界面積，則以採用填充塔或板式塔為宜。

H. 鼓泡反應器結構圖

鼓泡反應器是以液相為連續相，氣相為分散相的氣液反應器。

有槽型鼓泡反應器、鼓泡管式反應器、鼓泡塔等多種結構型式，其中鼓泡塔應用最廣。

工作原理

液體分批加入，氣體連續通入的稱為半連續操作鼓泡塔。連續操作的鼓泡塔氣體和液體連續加入，流動方向可以為向上並流或逆流。

鼓泡塔多為空塔，一般在塔內設有擋板，以減少液體返混；為加強液體循環和傳遞反應熱，可設外循環管和塔外換熱器。

鼓泡塔中也可設置填料來增加氣液接觸面積減少返混。

氣體一般由環形氣體分散器、單孔噴嘴、多孔板等分散後通入。

氣體鼓泡通過含有反應物或催化劑的液層以實現氣液相反應過程的反應器。

主要形式

①鼓泡塔

氣體從塔底向上經分布器以氣泡形式通過液層，氣相中的反應物溶入液相並進行反應，氣泡的攪拌作用可使液相充分混合。鼓泡塔結構簡單，沒有運動部件，適用於高壓反應或腐蝕性物系。

②鼓泡攪拌釜

又稱通氣攪拌釜，利用機械攪拌使氣體分散進入液流以實現質量傳遞和化學反應。常用的攪拌器為渦輪攪拌器，氣體分布器安裝在攪拌器下方正中處。鼓泡攪拌釜因攪拌器的形式、數量、尺寸、安裝位置和轉速都可進行選擇和調節，故具有較強的適應能力。當反應為強放熱時，上述兩種反應器均可設置夾套或冷卻管以控制反應溫度;還可在反應器內設導流筒,以促進定向流動；或使氣體經噴嘴注入，以提高液相的含氣率，並加強傳質。

裝置特點

與填充塔、板式塔相比，鼓泡反應器的主要特點是液相體積分率高（可達90%以上），單位體積液相的相界面積小（在200m2/m3以下）。

當反應極慢，過程由液相反應控制時，提高以單位反應器體積為基準的反應速率主要靠增加液相體積分率，宜於採用鼓泡反應器。

當反應極快，過程由氣液相際傳質控制時，提高過程速率主要靠增加相界面積，則以採用填充塔或板式塔為宜。

I. 氣升式生物反應器的工作原理

升式環流反應器是在傳統的鼓泡塔基礎上發展起來的一種新型反應器，按結構可以分為內環流和外環流反應器兩種形式。其原理是採用內環流氣升式中心進氣的反應器，內部無攪拌裝置，是在傳統的鼓泡塔中加入導流筒構成的。當氣體通過氣體分布器進入中心導流筒後，造成管內流體密度比管外低，在靜壓差和進入氣體的動量作用下，使液體攜帶氣泡在反應器內形成循環流動，從而達到良好的氣液混合。

J. 降膜反應器和鼓泡反應器的異同點

生物反應器通常在常溫常壓下操作，但與化學反應器相比有下列特點：①生物反應過程的底物（反應物）及產物的濃度均較低，生物的生長速率一般又小於化學反應，因此生物反應器的體積一般較大，或需要很長的反應時間。②溫度、pH值、溶氧等反應環境及某些中間產物的濃度對生化反應的影響極大。③生物細胞比重與液體相近，一般不能經受劇烈的機械撞擊；生物反應物系常為高粘度的非牛頓型流體，這些因素為混合及傳遞過程帶來很多不利。④一般應在無雜菌的條件下操作，對反應器的嚴密性、材質及操作參數的檢測有較高的要求。發酵罐的形式，除標準的機械攪拌釜外，還有塔式鼓泡罐、氣升式環流罐。酶反應器的類型很多，除攪拌罐和鼓泡罐式外，有固定床式、流化床式、轉框式、螺旋膜式及中空纖維式等。