气体提升式鼓泡反应器

A. 降膜反应器与鼓泡反应器具有哪些异同特点

气液反应器的基本类型： 气液反应器按气液相接触形态可分为： （1）气体以气泡形态分散在液相中的鼓泡塔反应器、搅拌鼓泡釜式反应器和板式反应器； （2）液体以液滴状分散在气相中的喷雾、喷射和文氏反应器等； （3）液体以膜状运动与气相进行接。

B. 鼓泡反应器的主要形式

①鼓泡塔
气体从塔底向上经分布器以气泡形式通过液层，气相中的反应物溶入液相并进行反应，气泡的搅拌作用可使液相充分混合。鼓泡塔结构简单，没有运动部件，适用于高压反应或腐蚀性物系。
②鼓泡搅拌釜
又称通气搅拌釜，利用机械搅拌使气体分散进入液流以实现质量传递和化学反应。常用的搅拌器为涡轮搅拌器，气体分布器安装在搅拌器下方正中处。鼓泡搅拌釜因搅拌器的形式、数量、尺寸、安装位置和转速都可进行选择和调节，故具有较强的适应能力。当反应为强放热时，上述两种反应器均可设置夹套或冷却管以控制反应温度;还可在反应器内设导流筒,以促进定向流动；或使气体经喷嘴注入，以提高液相的含气率，并加强传质。

C. 植物细胞培养反应器的类型及其特点

植物细胞培养具有周期长、细胞抗剪切能力弱、易团聚等特点；同时，植物细胞规模培养的目的是生产天然产物，而这些天然产物均为细胞生长代谢物。所以，植物细胞培养反应器的设计，不仅要考虑有利于细胞生长，同时还要考虑有利于产物的积累和分离。总体上讲，适合植物细胞的反应器应该具有适宜的氧传递、良好的流动性和较低的剪切力。根据不同植物细胞生长和代谢产物积累的特点，目前已研究设计出多种类型的反应器用于植物细胞培养。
反应器的选择取决于生产细胞的浓度、通气量以及所提供的营养成分的分散程度。根据通气和搅拌系统的类型可将生物反应器分为以下几类： 机械搅拌式生物反应器有较大的操作范围，混合程度高，适应性广，在大规模生产中广泛使用。搅拌罐中产生的剪切力大，容易损伤细胞，直接影响细胞的生长和代谢，特别对于次级产物生成影响极大。搅拌转速越高，产生剪切力越大，对植物细胞伤害越大。对于有些对剪切力敏感的细胞，传统的机械搅拌罐不适用。为此，对搅拌罐进行了改进，包括改变搅拌形式、叶轮结构与类型、空气分布器等，力求减少产生的剪切力，同时满足供氧与混合的要求。
Kaman等采用带有1个双螺旋带状叶轮(helicalribbonimpeller)和3个表面挡板的搅拌罐，证明适于剪切力敏感的高密度细胞培养。Jolicoeur等进行了类似的研究，在反应器中得到与摇瓶相同的高浓度生物量。钟建江等通过培养紫苏细胞进行比较，发现带以微孔金属丝网作为空气分布器的三叶螺旋桨反应器(MRP)能提供较小的剪切力和良好的供氧及混合状态，优于六平叶涡轮桨反应器，并认为在高浓度细胞培养时，MRP型反应器将显示更大的优越性。离心式叶轮反应器(centrifugalimpellerbioreactor)与细胞升式反应器(cell-liftbioreactor)相比具有较高升液能力，较低剪切力，较短混合时间，在高浓度下具有高得多的溶解氧系数，表明有用于剪切力敏感的生物系统的巨大潜力。另有方框型桨式搅拌、蝶型涡轮搅拌等不同形式的机械搅拌罐用于植物细胞培养的生产和研究，结果证明不同叶轮产生剪切力大小顺序为涡轮状叶轮>平叶轮>螺旋状叶轮。一种升流式生物反应器(lift-streambioreactor)利用罐中心一根连有多孔板的杆上下移动达到搅拌的目的，可用于培养剪切力敏感细胞。 相对于传统搅拌式反应器，非搅拌式反应器所产生的剪切力较小，结构简单，因此被认为适合植物细胞培养，其主要类型有鼓泡式反应器、气升式反应器和转鼓式反应器等。
通过对培养紫苏细胞的生物反应器比较发现鼓泡式反应器优于机械搅拌式反应器。但由于鼓泡式反应器对氧的利用率较低，如果用较大通气量，则产生的剪切力会损伤细胞。研究表明，喷大气泡时，湍流剪切力是抑制细胞生长和损害细胞的重要原因。较大气泡或较高气速导致较高剪切力，从而对植物细胞有害。
气升式反应器广泛应用于植物细胞培养的研究和生产。通过胡萝卜细胞培养研究发现，比较搅拌罐、气体喷射罐和带通气管的气升式反应器，最高细胞浓度和最短倍增时间可从气升罐中得到。气升式反应器用于多种植物细胞悬浮培养或固定化细胞培养，但其操作弹性较小，低气速时，尤其H/D大，高密度培养时，混合性能欠佳。过量供气，过高的氧浓度反而会影响细胞的生长和次生代谢产物的合成。将气升式发酵罐与慢速搅拌结合使用可弥补低气速时混合性差的弱点，采用分段的气升管，也有利于氧的利用与混合。
转鼓式反应器用于烟草细胞悬浮培养的研究发现，与有一个通风管的气升式反应器相比，相同条件下转鼓式反应器中生长速率高，其氧的传递及剪切力对细胞的伤害水平方面均优于气升式反应器。 许多植物细胞培养过程中需要光照，往往考虑在普通反应器基础上增加光照系统，但在实际中存在很多问题，如光源的安装、保护，光的传递，还有光照系统对反应器供气、混合的影响等。小规模实验往往采用外部光照，反应器表面有透明的照明区，光源固定在反应器外部周围。但大规模生产时透光窗的设置，内部培养物对光的均匀接受等问题难以解决，因此许多人对采用内部光源的反应器进行了研究。
Mori等发明的反应器将多个透明圆柱体平行安装在反应器罐内，光源放置在透明圆柱体中，供给CO2的气体交换器在罐内两个圆柱之间。Ogbonna等研制了一种用于大规模培养光合细胞的新型内部光照搅拌式光生物反应器，它由每个单元都包含光源的多个单元组成。大的光生物反应器通过增加单元数目得到。每个单元中心固定一个玻璃管，光源插入其中，由搅拌桨实现混合，该搅拌浆设计成旋转时不接触玻璃管，玻璃管同时作为挡板，该反应器在低转速下仍有较高混合程度，而且剪切力较小。由于发光体并非机械固定在反应器上，且通过玻璃管与发酵液分离，因此反应器可高压灭菌，而发光体在冷却后插入玻璃管。Yamamurak等研究固定CO2的光反应器，特别之处在于搅拌器具有发光作用。 根据植物细胞的特性，许多有别于传统微生物反应器的新型反应器正用于植物细胞的研究生产，如各种固定化植物细胞反应器和膜反应器等。Dubuis等用新型环回式流化床反应器(loopfluidizedbedreactor)进行coffeaarabica培养，测定了生长和产物合成的动力学参数，认为该反应器操作方便，消除了气体直接喷射引起的剪切力，易于测定放大所需的参数，适合中试和工业化生产。Nagai等用固定床反应器培养固定化烟草细胞，生长速率与摇瓶相同，胞内合成与摇瓶无明显区别。
Tyler等报道了一种植物细胞表面固定化培养系统，避免了传统搅拌罐悬浮培养中的流体流动力或剪切力问题，并促进植物细胞凝聚的特性，使次级代谢产物合成和积累增加，而且该系统培养基交换简单，次级产物提取容易。Lang也研究了植物细胞膜反应器，将细胞固定在膜上3mm厚一层，培养基在膜下封闭回路循环流动，营养透过膜扩散至细胞层，次级代谢物分泌透过膜扩散至培养基。
Humphrey对植物细胞培养微孔膜通气反应器进行了研究，分析了氧传递，为需要小剪切力的植物细胞培养的膜通气反应器提供设计依据，设计应考虑的因素包括管的长度、直径和膜厚度，进气的组成和压力，细胞生长培养阶段等。

D. 气升式生物反应器的应用范围

主要应用很多，当下热门的如 应用及铸砂板式膜生物反应器开发研究 ，应用于化学发酵方面的动力学分析 ，合成特定类的化学药物 等等。本项目研制的气升式反应器结构新颖，可用于抗生素、酶制剂、有机酸、生物农药、食用菌、单细胞蛋白生产等领域。
气升式生物反应器用于高生物量的霉菌或放线菌培养，能满足高生物量对溶氧水平的高要求。另外，由于以气体作混和与传质的动力，气液能量传递在瞬间完成，这对象丝状菌等对剪切力敏感菌体培养的影响远小于“通用式”机械搅拌罐。气升式生物反应器用于三抱布拉氏霉菌β-萝卜素工业发酵生产，使民胡萝卜素产率比“通用式”机械搅拌罐提高2倍左右，发酵周期缩短48 h以上。
气升式生物反应器用于高粘度培养物发酵，能利用高粘度拟塑性发酵液剪切变稀的流变性质，大幅度降低其表观粘度，提高传质速率和溶氧水平。同时，发酵液在反应器中做整体循环，宏观混和较好，不会产生传统的机械搅拌发酵罐中高粘度物料在远离搅拌桨的近壁区常出现的滞流边界层，特别是在挡板后面不会形成静止区或滞流区，该区的气体通过罐中心形成倒漏斗形通道逃逸而不能均匀地和液体混合。气升式生物反应器用于黄原胶、灵芝多糖等多种微生物多糖的工业生产，能显蓍缩短发酵周期，提高多糖产率。
气升式生物反应器用于石油产品的发酵将大大改善油水乳化状态，提高溶氧水平，加快微生物生长和代谢速度，提高生产效率。气升式生物反应器用于工业规模的微生物石油脱蜡，发酵周期比传统的鼓泡反应器缩短4倍多，节能40%左右。文献查新表明，气升式生物反应器是一种结构新颖、混和与传质效率高的反应器。气升式生物反应器对解决一些高生物量、高密度、高粘度、高含油体系的混和和传质难题有独到之处。几年来，气升式生物反应器已成功地应用于高生物量的β一胡萝卜素发酵、高糖度的甘油发酵、高粘度的微生物多糖发酵、高含油量的微生物石油脱蜡等。工业发酵实践证明NALR能加快微生物生长与代谢，缩短发酵周期，提高发酵水平，降低发酵能耗。NALR是一种值得广泛推广的新型生物反应器。

E. 鼓泡反应器的工作原理

液体分批加入，气体连续通入的称为半连续操作鼓泡塔。连续操作的鼓泡塔气体和液体连续加入，流动方向可以为向上并流或逆流。
鼓泡塔多为空塔，一般在塔内设有挡板，以减少液体返混；为加强液体循环和传递反应热，可设外循环管和塔外换热器。
鼓泡塔中也可设置填料来增加气液接触面积减少返混。
气体一般由环形气体分散器、单孔喷嘴、多孔板等分散后通入。
气体鼓泡通过含有反应物或催化剂的液层以实现气液相反应过程的反应器。

F. 鼓泡反应器的介绍

鼓泡反应器是以液相为连续相，气相为分散相的气液反应器。有槽型鼓泡反应器、鼓泡管式反应器、鼓泡塔等多种结构型式，其中鼓泡塔应用最广。

G. 气液鼓泡反应区内流动区域是如何划分的

鼓泡反应器是以液相为连续相，气相为分散相的气液反应器。有槽型鼓泡反应器、鼓泡管式反应器、鼓泡塔等多种结构型式，其中鼓泡塔应用最广。工作原理液体分批加入，气体连续通入的称为半连续操作鼓泡塔。连续操作的鼓泡塔气体和液体连续加入，流动方向可以为向上并流或逆流。鼓泡塔多为空塔，一般在塔内设有挡板，以减少液体返混；为加强液体循环和传递反应热，可设外循环管和塔外换热器。鼓泡塔中也可设置填料来增加气液接触面积减少返混。气体一般由环形气体分散器、单孔喷嘴、多孔板等分散后通入。气体鼓泡通过含有反应物或催化剂的液层以实现气液相反应过程的反应器。主要形式 ①鼓泡塔气体从塔底向上经分布器以气泡形式通过液层，气相中的反应物溶入液相并进行反应，气泡的搅拌作用可使液相充分混合。鼓泡塔结构简单，没有运动部件，适用于高压反应或腐蚀性物系。 ②鼓泡搅拌釜又称通气搅拌釜，利用机械搅拌使气体分散进入液流以实现质量传递和化学反应。常用的搅拌器为涡轮搅拌器，气体分布器安装在搅拌器下方正中处。鼓泡搅拌釜因搅拌器的形式、数量、尺寸、安装位置和转速都可进行选择和调节，故具有较强的适应能力。当反应为强放热时，上述两种反应器均可设置夹套或冷却管以控制反应温度;还可在反应器内设导流筒,以促进定向流动；或使气体经喷嘴注入，以提高液相的含气率，并加强传质。装置特点与填充塔、板式塔相比，鼓泡反应器的主要特点是液相体积分率高（可达90%以上），单位体积液相的相界面积小（在200m2/m3以下）。当反应极慢，过程由液相反应控制时，提高以单位反应器体积为基准的反应速率主要靠增加液相体积分率，宜于采用鼓泡反应器。当反应极快，过程由气液相际传质控制时，提高过程速率主要靠增加相界面积，则以采用填充塔或板式塔为宜。

H. 鼓泡反应器结构图

鼓泡反应器是以液相为连续相，气相为分散相的气液反应器。

有槽型鼓泡反应器、鼓泡管式反应器、鼓泡塔等多种结构型式，其中鼓泡塔应用最广。

工作原理

液体分批加入，气体连续通入的称为半连续操作鼓泡塔。连续操作的鼓泡塔气体和液体连续加入，流动方向可以为向上并流或逆流。

鼓泡塔多为空塔，一般在塔内设有挡板，以减少液体返混；为加强液体循环和传递反应热，可设外循环管和塔外换热器。

鼓泡塔中也可设置填料来增加气液接触面积减少返混。

气体一般由环形气体分散器、单孔喷嘴、多孔板等分散后通入。

气体鼓泡通过含有反应物或催化剂的液层以实现气液相反应过程的反应器。

主要形式

①鼓泡塔

气体从塔底向上经分布器以气泡形式通过液层，气相中的反应物溶入液相并进行反应，气泡的搅拌作用可使液相充分混合。鼓泡塔结构简单，没有运动部件，适用于高压反应或腐蚀性物系。

②鼓泡搅拌釜

又称通气搅拌釜，利用机械搅拌使气体分散进入液流以实现质量传递和化学反应。常用的搅拌器为涡轮搅拌器，气体分布器安装在搅拌器下方正中处。鼓泡搅拌釜因搅拌器的形式、数量、尺寸、安装位置和转速都可进行选择和调节，故具有较强的适应能力。当反应为强放热时，上述两种反应器均可设置夹套或冷却管以控制反应温度;还可在反应器内设导流筒,以促进定向流动；或使气体经喷嘴注入，以提高液相的含气率，并加强传质。

装置特点

与填充塔、板式塔相比，鼓泡反应器的主要特点是液相体积分率高（可达90%以上），单位体积液相的相界面积小（在200m2/m3以下）。

当反应极慢，过程由液相反应控制时，提高以单位反应器体积为基准的反应速率主要靠增加液相体积分率，宜于采用鼓泡反应器。

当反应极快，过程由气液相际传质控制时，提高过程速率主要靠增加相界面积，则以采用填充塔或板式塔为宜。

I. 气升式生物反应器的工作原理

升式环流反应器是在传统的鼓泡塔基础上发展起来的一种新型反应器，按结构可以分为内环流和外环流反应器两种形式。其原理是采用内环流气升式中心进气的反应器，内部无搅拌装置，是在传统的鼓泡塔中加入导流筒构成的。当气体通过气体分布器进入中心导流筒后，造成管内流体密度比管外低，在静压差和进入气体的动量作用下，使液体携带气泡在反应器内形成循环流动，从而达到良好的气液混合。

J. 降膜反应器和鼓泡反应器的异同点

生物反应器通常在常温常压下操作，但与化学反应器相比有下列特点：①生物反应过程的底物（反应物）及产物的浓度均较低，生物的生长速率一般又小于化学反应，因此生物反应器的体积一般较大，或需要很长的反应时间。②温度、pH值、溶氧等反应环境及某些中间产物的浓度对生化反应的影响极大。③生物细胞比重与液体相近，一般不能经受剧烈的机械撞击；生物反应物系常为高粘度的非牛顿型流体，这些因素为混合及传递过程带来很多不利。④一般应在无杂菌的条件下操作，对反应器的严密性、材质及操作参数的检测有较高的要求。发酵罐的形式，除标准的机械搅拌釜外，还有塔式鼓泡罐、气升式环流罐。酶反应器的类型很多，除搅拌罐和鼓泡罐式外，有固定床式、流化床式、转框式、螺旋膜式及中空纤维式等。