氣升式發(fā)酵罐的工作原理

　　氣升環(huán)流式反應器工作原理

　　氣升環(huán)流式反應器是在反應器內沒(méi)有攪拌器，其中央有一個(gè)導流筒，將發(fā)酵醪液分為上升區(導流筒內)和下降區(導流筒外)，在上升區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碎，與導流筒內的發(fā)酵液密切接觸，供給發(fā)酵液溶解氧。由于導流筒內形成的氣液混合物密度降低，加上壓縮空氣的噴流動(dòng)能，因此使導流筒內的液體向上運動(dòng);到達反應器上部液面后，一部分氣生泡破碎，二氧化碳排出到反應器上部空間，而排出部分氣體的發(fā)酵液從導流筒上邊向導流筒外流動(dòng)，導流筒外的發(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)現混合與溶氧傳質(zhì)。

　　氣升環(huán)流式反應器的特點(diǎn)

　　前面已經(jīng)簡(jiǎn)單提到氣升環(huán)式反應器的特點(diǎn)，由于氣升環(huán)流反應器內沒(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。對許多間歇或連續加料的通氣發(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)酵罐內各處的濃度都落在0.1%～1%范圍內，溶解氧為10%一30%。這對需氧生物細胞的生長(cháng)和產(chǎn)物生成有利。此外，還需避免發(fā)酵罐液面生成穩定的泡沫層，以免生物細胞積聚于上而受損害甚至死亡。還有培養基成分尤其是有淀粉類(lèi)易沉降的顆粒物料，更應能懸浮分散。氣升環(huán)流反應器能很好地滿(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械攪拌罐高，kLd可達2000h，且溶氧功耗相對低。

　　(3)剪切力小，對生物細胞損傷?。河捎跉馍椒磻鳑](méi)有機械攪拌葉輪，故對細胞的剪切損傷可減至最低，尤其適合植物細胞及組織的培養。

　　(4)傳熱良好：好氣發(fā)酵均產(chǎn)生大量的發(fā)酵熱，如酵母培養旺盛期發(fā)酵熱高達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。氣升式反應器因液體綜合循環(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)結構簡(jiǎn)單，易于加工制造：氣升式反應器罐內無(wú)機械攪拌器，故不需安裝結構復雜的攪拌系統，密封也容易保證，所以加工制造方便，設備投資低。同時(shí)大型和超大型發(fā)酵反應器放大設計制造也已實(shí)現，如國際上著(zhù)名的ICI壓力循環(huán)發(fā)酵罐體積達3000m3，另一種“BIOHCH'’反應器也達3000m3以上。更大的反應器如鼓泡塔式“BayerAG'’反應器體積高達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)機械攪拌系統，所以結構較簡(jiǎn)單，能耗低，操作方便，特別是不易發(fā)生機械攪拌軸封容易出現的滲漏染菌問(wèn)題。

　　另外因無(wú)機械攪拌熱產(chǎn)生，所以發(fā)酵總熱量較低，便于換熱冷卻系統的裝設。

　　發(fā)酵罐操作技術(shù)

　　1 技術(shù)準備

　　設備使用之前，應先檢查電源是否正常，空壓機、微機控制系統、循環(huán)水系統是否能正常工作。檢查系統上的閥門(mén)、接頭及緊固螺釘是否擰緊。開(kāi)動(dòng)空壓機，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。對溫度儀、調速電機，電容渦街流量計應根據使用說(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)空氣管路上有三級預過(guò)濾器，冷干機和除菌過(guò)濾器。預過(guò)濾器和冷干機不能用蒸汽滅菌，因此在空氣管路通蒸汽前，必須將通向預過(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微微開(kāi)啟，排除冷凝水。

　　(4)空消時(shí)間應持續40分鐘左右，當設備初次使用或長(cháng)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進(jìn)行空消。

　　(2)空消時(shí)，應將罐上的接種口、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，應將夾套內的水放掉?？障Y束后，應將罐內冷凝水排掉，并將排空閥門(mén)打開(kāi)，防止冷卻后罐內產(chǎn)生負壓、損壞設備?？障麜r(shí)，溶氧、PH電極取出，可以延長(cháng)其使用壽命。

　　3 實(shí)消

　　實(shí)消是當罐內加人培養基后，用蒸汽對培養基進(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?？障Y束后，應盡快將配好的培養基從加料口加入罐內，此時(shí)夾套內應無(wú)冷卻水。培養基在進(jìn)罐之前，應先糊化，一般培養基的配方量以罐體全容積的70%左右計算(泡沫多的培養基為65%左右，泡沫少的培養基可達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)啟機械攪拌裝置，使罐內物料均勻混合，轉速50一100rpm。打開(kāi)夾套蒸汽閥、排汽閥，對罐內培養基預熱，當罐內溫度升到90℃時(shí)，關(guān)閉夾套進(jìn)汽閥，打開(kāi)罐內所有進(jìn)汽閥，通人蒸汽。當罐溫上升到105℃時(shí)，緩緩打開(kāi)排汽閥，將罐頂冷空氣排掉，持續五分鐘后，關(guān)閉排汽閥。當罐壓升至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)，在夾套內通水冷卻，當罐內壓力降至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，接種前應事先準備好酒精棉花、鉗子、鑷子和接種環(huán)。菌種裝入三角燒瓶?jì)?，接種量根據工藝要求確定。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)應向罐內通氣，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。將接種口蓋在火焰上滅菌后擰緊。接種后即可通氣培養，罐壓保持在0.05Mpa.