氣升式外環流反應器研究進展

石東升 溫佳文 宋曉麗 張慶文 洪厚勝

（南京工業大學生物與制藥工程學院，江蘇 南京 210009）

氣升式外環流反應器研究進展

石東升 溫佳文 宋曉麗 張慶文 洪厚勝

（南京工業大學生物與制藥工程學院，江蘇 南京 210009）

綜述氣升式外環流反應器的特性參數及其主要影響因素，介紹氣升式外環流反應器在生物及環境領域的應用研究進展，并提出今后研究工作的方向。

外環流；氣升式反應器；特性參數；應用

氣升式外環流反應器（ELALR）是一類在鼓泡塔的基礎上發展起來的氣－液、氣－液－固多相反應器。以空氣為推動力實現流體的循環流動，無需機械攪拌和泵提供推動力，結構簡單，高效節能，被廣泛用于生物、化工及環境科學領域。

氣升式外環流反應器由4個基本部位組成：升氣管、降液管、底部連接段和氣液分離器。降液管與升氣管完全獨立，靠塔頂與塔底兩處水平部分分別連接。當進入反應器內的氣體噴射到升氣管后，由于噴射氣體的動能和升氣管內流體密度減小，迫使升氣管內流體向上，降液管內的流體向下作有規則的循環流動，從而形成良好的混和效果。氣升式外環流反應器有較高的循環速率，表觀速度較大，湍流及氣液傳質好，傳熱傳質性能優于氣升式內環流反應器［1，2］。氣升式環流反應器根據其物理結構的差異可分為兩類：外環流反應器和內環流反應器。其基本結構見圖1。

1 氣升式外環流反應器的性能參數

1.1 氣含率

氣含率是以氣相在反應器中所占的體積分數表示，根據反應器內空間的不同可分為平均氣含率和局部氣含率，對氣－液相界面積有顯著影響，進而影響相間傳質速率［3］。

圖1 氣升式反應器結構示意圖Figure 1 Structure diagram of the airlift reactor

對氣升式外環流反應器的氣含率的研究已經有較長的時間。楊文選等［4］通過空氣－水體系體系，對3種不同結構的氣升式外環流反應器的氣含率數據進行關聯，得到了氣含率與表觀速度的關聯式；并且對環路進行阻力計算，得出了環路的阻力方程；計算發現關聯式和阻力方程聯立求解，可以很好地頂測不同結構的外環流反應器中的氣含率，從而為該反應器的放大提供了依據。劉永民等［5］研究了空氣－水體系，結果表明，氣含率與分離箱高度無關；高徑比越大，上升管氣含率越高。

金家琪等［6］研究表明，氣升式外環流反應器的內環局部氣含率和軸向平均氣含率均隨表觀氣速和外循環液速的增大而增大；在不同的軸向位置，內環氣含率的徑向分布特性有所差異；內環軸向平均氣含率先隨軸向高度的升高而增大，在離開導流筒后略有降低；表觀氣速一定時，隨軸向高度的增加，平均氣含率先增大然后保持不變。

伍倩等［7］研究了在氣升式外環流反應器中氣含率的軸徑向分布，當表觀氣速不發生變化時，平均氣含率隨軸向高度的增加呈現先增大然后保持不變的趨勢；當表觀氣速增大時，氣含率、氣泡上升頻率和速度以及氣液相界面積均增大，而氣泡尺寸則不同，呈現先增大后減小的趨勢。在所研究的表觀氣速范圍內，在軸向位置h/D為1.11，8.78，14.33三處的氣液相界面積和氣含率沿徑向均呈現中心峰分布，但是在軸向位置h/D為3.22處則呈鞍形分布，當軸向高度不變時，低氣速下氣泡尺寸徑向分布較為均勻，高表觀氣速時則呈現中心峰分布。

Freitas等［8］研究表明表面張力對氣泡的聚并和破碎速度都有重要影響，氣含率隨表面張力的增大而降低。

Kaustubha等［9，10］研究表明在多級系統中當循環液速不變，氣含率隨表觀氣速的增大而增大。在低氣速下，氣含率隨著氣速的增大而急劇增大。這是由于在低氣速區域，隨著氣速的增大，產生了大量半徑無明顯變化的氣泡。因此在任何界面，被氣體占據的區域越大則氣含率越高。在高氣速下，由于大氣泡的產生和氣泡的合并，當氣速增大時氣含率增大變緩。而每一級的氣含率達到最大值的順序是逐漸變大。氣含率也隨著循環液速的增大而增大。且在同樣的表觀氣速和循環液速下，多級系統的氣含率比單級系統的氣含率高出45%。

1.2 循環液速

循環液速是外環流反應器的重要流體力學性質。在氣升式外環流反應器中，循環液速與混合時間有著必然的聯系，混合時間是氣升式外環流反應器放大的重要因素［11］。

Renzo等［12］研究了兩相和三相的氣升式外環流反應器的循環液速，很好的預測了在兩相系統中循環液速是氣體流速的函數，循環液速隨著表觀氣速的增加而增加，并且證明在氣－液系統中，分散和集中的壓力損失是預測循環液速是否準確的重要因素，而在多相系統中壓力損失與循環液速是獨立的；當系統中出現固相時，固相成為影響壓力損失的主要因素，循環液速隨著固相的增加而顯著減小。

Dhaouadi等［13］研究表明，固相的出現導致全局和局部的氣泡尺寸，速度分布，循環液速和氣含率的變化。隨著固相增加，系統湍流增大，因此氣泡尺寸和上升氣速減小，從而升氣管的循環液速顯著降低。當循環液速較大時，外環流反應器內流體湍動加劇，加快了氣泡的表面更新率，對相間傳質的進行有利，傳質與傳熱得到了強化［14］。

沐方平等［15］研究表明氣體分布器的種類對外環流反應器的循環種類有一定影響。對于空氣－1% 乙醇體系（非聚并體系），氣體分布器的形式對外環流反應器的氣含率及環流液速有顯著的影響；在相同的操作條件下，空氣－1% 乙醇體系（非聚并體系）的氣含率及循環液速明顯高于空氣－水體系（聚并體系）。

1.3 傳質系數

KLa是液相體積傳質系數，它是表征氣升式外環流反應器傳質性能的重要參數，也是氣升式外環流反應器放大的主要依據。KL是液體本征傳質系數，a是單位有效反應器體積的氣液比表面積。

Guo等［16］通過研究，得出在升氣管高氣含率的情況下，KLa是表觀氣速的函數；當系統中的顆粒是同類型的時候，由于固體顆粒對液體流動增加的抵抗，使循環液速降低導致升氣管氣含率增大，從而造成氣液的傳質增加，以至于固體的含量越大KLa值越大；在氣含率一定的情況下，傳質系數隨循環液速的增大而降低。由于氣－液兩相流動系統的氣含率較低，使氣－液兩相流動系統的傳質系數比含有固體顆粒的反應器的傳質系數小。

Kazuhiro等［17］通過模擬，驗證了當表觀氣速增大時，氣含率降低使比表面積a減小，從而使KLa減小。在多級的氣升式外環流反應器中，表觀氣速做為循環液速的函數對KLa產生影響。在特定的液速下，KLa隨表觀氣速的增大而增大。這是因為當氣速增大，使氣含率增大和系統的湍流加劇，從而使KLa的值增大［18］。

Hossein等［19］將含有99%孔隙的不銹鋼鐵絲網填入氣升式外環流生物反應器的升氣管，研究氣－液兩相流下的流體力學參數與傳質系數，并與無填充層的反應器做了對比。得出了在表觀氣速為0.008m/s時，有填充層的KLa值是無填充層的2.5倍。推導了氣升式外環流反應器的KLa與表觀氣速的關聯式，有填充層和無填充層的關聯式是不同的，且在低表觀氣速（＜0.006m/s）下存在一階簡化方程。

2 氣升式環流反應器的應用研究

由于氣升式環流反應器的耗能遠低于其它類型的生物反應器，已經在生物化工領域得到了廣泛的應用，主要是植物細胞培養、生物發酵和工業廢水處理等幾個方面。

2.1 在發酵方面的應用

氣升式外環流反應器在發酵工業的應用較廣，與普通的機械攪拌的發酵罐相比，氣升式外環流反應器對發酵周期的減少和產率的提高比較明顯。

李穩宏等［20］在冷模試驗中，分別對該反應器的氣含率和體積傳質系數與表觀氣速、高徑比、氣體噴嘴的位置、氣體分布器型式等之間的關系進行了系統的研究，選出優化結構氣升式外環流反應器，用于蘇云金桿菌的發酵。結果表明，該工藝技術不僅操作方便、控制溫度精度高、能耗低，且比普通的機械攪拌反應器發酵周期縮短9h，發酵水平提高35%。

黃建新等［21］研究了Z5－G菌在3L外環流氣升式反應器中的發酵。該菌株的最佳發酵工藝條件為在C源N源配比4∶1，發酵前期通氣量1L/（L·min），后期0.7L/（L·min），發酵時間為36h，在該條件下得出Z5－G菌株在外環流反應器中發酵聚β－羥基丁酸酯比機械攪拌反應器產率高10.7%，發酵周期短6h，從而降低了能耗，對工業化發酵生產聚β－羥基丁酸酯具有實用意義。

沈雪亮等［22］在外循環氣升式生物反應器（工作體積10L，高徑比2.9）中發酵生產酯酶，研究表明在低裝液量條件下，反應器內流體流動循環不好，對發酵不利；增加裝液量（相當于增加靜液高度）可以提高氣體在水中的溶解度，加大傳質動力，改善氣、液兩相的流動性，提高發酵液的氣含率、溶氧量和循環液速。在最適通氣量0.70m3/h，最適裝液量8.75L，發酵48h時酯酶活力達41.6U/g細胞，發酵效果良好。

萬紅貴等［23］針對L－苯丙氨酸的酶法制備體系，研究了內循環和外循環氣升式反應器在L－苯丙氨酸產酶發酵過程中的應用。試驗發現，與標準機械攪拌罐相比，采用氣升式反應器發酵產酶，轉氨酶酶活分別提高了20%和10%，產酶周期也相應縮短。

鄭裕國等［24，25］做了氣升式外環流反應器用于檸檬酸和井岡霉素的研究，得出氣升式外環流反應器用于檸檬酸和井岡霉素發酵的可能性。

張慶文等［26］設計了一種改進型外環流氣升式反應器，將其應用于從酒精到醋酸一步發酵。通過與普通的氣升式環流反應器酒精發酵結果相比較，證明了該改進型氣升式外環流反應器在厭氧發酵領域推廣應用的可能性。并在此基礎上提出進一步改進展望，使其可應用于酒精發酵分離耦合的研究以及作為光生物反應器進行藻類的培養。

2.2 在細胞培養中的應用

由于氣升式反應器結構簡單，設備造價低，氧傳遞效率高，剪切力小，因此它比傳統的機械攪拌反應器更適合于某些品種的植物細胞培養。與一般機械攪拌式反應器相比，具有如下優點：

（1）液體流動時的剪切應力比機械攪拌反應器低。

（2）反應器結構簡單，造價低，無軸封裝置，滅菌方便。

（3）能耗及操作費用低。

陳士云等［27］在5L外循環氣升式反應器擴大培養新班紫草細胞，第一步生長速率為1.4g/（L·d），第二步生長速率為0.8g/（L·d），說明外循環氣升式反應器適合于新疆紫草細胞的大量培養。氣升式環流反應器中液相剪切力均一，而且在植物細胞的生長和代謝合成時，為其提供適宜的環境，因此它在對剪切力敏感的諸如動植物細胞培養中得到了廣泛的應用。

2.3 在廢水處理方面的應用

程樹培等［28］研究了在氣升式外環流反應器中使用球形紅假單胞菌處理味精廢水，在連續供氣、KLa242H－1，活性炭載體濃度10g/L，HRT12h，進水BOD52 750mg/L的條件下，廢水BOD5的去除率達到92%。Fan等［29］研究了氣升式外環流膜生物反應器處理廁所污水，結果表明，當平均的污水質量，COD、BOD5、NH4－N、色度、渾濁度為24mg/L，2.4mg/L，5mg/L，30°和0.2NTU 時，色度、COD、BOD5、渾濁度、NH4－N的去除率分別為80%，90%，99%，99.7%，95%。

Essadki等［30，31］在20L氣升式外環流反應器中采用高效處理廢水的電浮選法從合成及天然的有色紡織品的廢水中脫色，并且除去廢水和飲用水中的可溶和膠狀的污染物。試驗中得出，氣升式外環流反應器可以很好的實現全體的液體循環并且達到較好的混合條件，是電浮選法處理水并產生氫氣的絕佳反器。使用氣升式外環流反應器處理廢水，無需機械攪拌，不用泵送水，不使用壓縮空氣，就可以實現氣液循環；而在其他的傳統的氣－液接觸設備中是無法實現的。因為外環流的設置，可以允許升氣管和降液管的距離較大，這樣就使內部顆粒的再循環最小化，有效的改善了浮選能力，因此氣升式外環流反應器特別適用于電浮選法處理廢水。

Kaustubha等［32］在最新的多級氣升式外環流反應器中加入活性炭處理苯酚廢水，可以有效的去除廢水中的苯酚。與簡單的分批吸附系統相比，使用多級氣升式外環流反應器在較短的時間內，去除了廢水中95%的苯酚。

3 氣升式外環流反應器研究前景

近年來，國內外學者對氣升式外環流反應器開展了大量的研究工作，開發了一些新型的氣升式外環流反應器，取得了一定的進展，如氣升式外環流光生物反應器［33］，氣升式外環流化學反應器和氣升式外環流生物膜反應器等。氣升式外環流反應器在諸多領域也得到廣泛應用，如在生物工程領域用于動植物細胞及微生物細胞的培養，在環境工程領域用于生活污水和工業廢水的處理等。

氣升式外環流反應器的傳質性能是十分復雜的，現有的研究水平還不足以解決設計和放大問題，真正放大設計應用的例子不多。要使氣升式外環流反應器發揮更好的性能，必須在結構上加以改進，探索開發新型內構件，設計操作彈性較大且能適應不同反應體系應用的氣升式外環流反應器；聯系其它領域的研究成果，開發新型高效節能的氣升式外環流反應器；探索表觀液速，氣含率，循環液速以及混合時間按等對氣升式外環流反應器特性的影響規律，優化各操作參數，做到反應器既高效又節能。

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Research progress of external－loop airlift reactors

SHI Dong－sheng WEN Jia－wen SONG Xiao－li ZHANG Qing－wenHONG Hou－sheng

（College of Biological and Pharmaceutical Engineering，NanJing University of Technology，NanJing，Jiangsu210009，China）

The characteristics parameter and major factors of influence on external－loop airlift reactors were reviewed，and the applications of external－loop airlift reactors in the biological and environmental fields were introduced，the development of future research was also presented.

external－loop；airlift reactor；characteristic parameter；application

10.3969/j.issn.1003－5788.2012.02.071

石東升（1990－），男，南京工業大學在讀碩士研究生。E－mail：shidongsheng319＠126.com

2011－12－10