內循環液泵反應器溶氧傳質性能研究

朱海東++周曉云

摘要：為液泵反應器的應用推廣提供依據，研究了20 L內循環液泵型生物反應器在不同通風比和不同循環液速下溶氧傳質系數KLa的變化規律，并與BioFlo 110型3 L攪拌式生物反應器作對比試驗。結果找到一組能使2個反應器有相近KLa的操作條件，此時內循環液泵型生物反應器較攪拌式反應器節能約40%左右。

關鍵詞：液泵型生物反應器；攪拌式生物反應器；溶氧傳質系數

中圖分類號：S24 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）05-0966-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.05.045

Study on the Characteristics of Volumetric Oxygen Mass Transfer Coefficient of Reversed Jet Loop Bioreactor

ZHU Hai-dong1，2，ZHOU Xiao-yun2

（1.Hangzhou Vocational and Technical College， Hangzhou 310018，China；2.Department of Biochemical Engineering， Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310014，China）

Abstract： Studied on the KLa change rules of reversed jet loop reactor under different ventilation ratio and liquid circulation velocity which was compared with agitation bioreactor BioFlo 110. Some operating conditions which made the two reactors had similar KLa， at this point， the energy consumed by reversed jet loop reactor was about 40% of BioFlo 110s， and the former showed the prospects for the application.

Key words： reversed jet loop reactor； agitation bioreactor； KLa

目前，常用的通用式發酵罐，其液體的運動主要依靠攪拌槳，在槳葉的上面和下面形成兩大同心旋渦。液泵型發酵罐主要是依靠下噴的射流閥流出的氣液混合流體對罐底碰撞后，在導流筒的中間和筒外四周形成二個上下翻動的旋渦。該反應器有以下特點[1，2]：①該反應器是內循環，解決了外循環生物反應器易染雜菌的問題。目前，所使用的外循環液泵型生物反應器[3-5]將泵置于反應器外，不易解決雜菌問題。②設計了射流閥，以下噴式形式將反應液射向罐底，使液體與空氣充分混合，增加液體的溶解氧，加大了液體的湍流狀態，增加了溶氧傳質系數KLa。③設計了導流筒，使射流閥噴出的流體從罐底返回時，液體分別從導流筒的中間與外邊分別翻起，規整了液體的流動。

為了評估內循環液泵型反應器應用于發酵工業的前景，將該反應器與目前在國內外廣泛使用的通用式發酵罐即通氣攪拌式反應器作對比，研究2個反應器在相同KLa下的操作條件、發酵能耗，為其在發酵工業領域內推廣應用提供依據。

本研究以試驗數據來揭示2個反應器如何達到相同的KLa，使用的反應器分別是由本項目研制完成的20 L內循環液泵型反應器，以及由NEW BRUNWICK SCIENTIFIC生產的型號BioFlo 110的3 L攪拌式反應器。內循環液泵型反應器的KLa主要有通氣和內置泵的轉速提供，而攪拌式反應器的KLa則由通氣和攪拌轉速共同提供。圖1是內循環液泵型生物反應器。

1 材料與方法

1.1 主要儀器設備

20 L內循環液泵型生物反應器，鎮江東方生物工程設備公司生產；BioFlo 110型3 L攪拌式反應器，NEW BRUNWICK SCIENTIFIC生產；HYG-A型轉恒溫調速搖瓶柜，江蘇太倉市實驗設備廠生產。

1.2 試驗方法

1.2.1 溶氧傳質性能的對比方法 在測試液泵型反應器與攪拌式反應器的溶氧傳遞性能的對比試驗中，KLa是主要評價指標。采用亞硫酸鈉氧化法[6]測定KLa。

在相同的操作壓力0.1 MPa、相同的操作溫度25 ℃下，利用亞硫酸鈉氧化法分別測定2個反應器在不同的通風比、不同轉速下的KLa。根據所測KLa，找出一組條件使兩反應器KLa的大小相近，以此作為2個反應器能耗對比，并作為發酵性能比較的依據。

1.2.2 液泵型反應器KLa變化規律測試 在該反應器內加入13 L水，控制溫度在25 ℃，加入Na2SO3晶體（CP），使SO32-濃度達到0.1 mol/L，再加入CuSO4（CP），使Cu2+濃度約為10-3 mol/L。調節循環液泵，設置其轉速為800 r/min，Na2SO3、CuSO4完全溶解后，打開通氣閥門，使通風量為6 L/min，罐內表壓為0，以氣泡冒出為氧化時間開始，每隔3～4 min取樣一次，每次取樣20 mL，立即移入新吸取的已標定的過量碘液中，然后用標定的Na2SO3滴定至藍色變為無色，記錄滴定前后的Na2SO3溶液的體積。

1.2.3 攪拌式生物反應器KLa變化規律測試 在該反應器內加入1.75 L水，控制溫度在25 ℃，加入Na2SO3晶體（CP），使SO32-濃度達到0.1 mol/L，再加入CuSO4（CP），使Cu2+濃度約為10-3 mol/L。打開并調節攪拌轉速，開始設置為200 r/min，Na2SO3、CuSO4完全溶解后，打開通氣閥門，調節空氣轉子流量計，使開始通風量為1.76 L/min，罐內表壓為0，以氣泡冒出為氧化時間開始，每隔3～4 min取樣一次，每次取樣20 mL，立即移入新吸取的已標定的過量碘液中，然后用標定的Na2S2O3滴定至藍色變為無色，記錄滴定前后Na2S2O3溶液的體積。

2 結果與分析

2.1 液泵型反應器的KLa變化規律

由圖1、圖2可知，在試驗條件下液泵型反應器的KLa隨著通風比的增大而增大，也隨著循環液泵轉速的提高而增大。當通風比一定時（0.462∶1），液泵型反應器的KLa隨著液泵轉速的增大而明顯增大，且有一定的線性關系。該反應器的液泵轉速反映液噴速度的大小，當通風比一定時，增大液噴速度有利于減小氣泡直徑和氣體在水里的分散，從而KLa明顯增大；通風比一定時（0.462∶1），KLa與液泵轉速的關系曲線線性度較高，這可能是由于在一定的低通風比下，KLa與液噴速度幾乎成正比關系。

由圖3可知，當液泵轉速一定時，該反應器的KLa隨著通風比的增大而增大，但無線性關系。這是因為增大通風比有利于增大持氣率和擴大氣液界面面積，而增大持氣率和擴大氣液界面面積均有利于提高KLa。當液泵轉速為1 400 r/min時KLa變化比液泵轉速為1 200 r/min時變化明顯，這說明在低液噴速度時，通風比的變化對KLa的影響不顯著，此時液噴速度是瓶頸。

2.2 攪拌式生物反應器KLa變化規律

由圖4、圖5可知，BioFlo 110型3 L攪拌式生物反應器KLa隨著通風比、攪拌轉速的增大而增大。當通風比一定時，增大攪拌轉速有利于提高KLa。在低轉速區，增大攪拌轉速對KLa的提高不如高轉速區明顯。這說明在低轉速區，影響KLa的主要因素不是攪拌轉速，通風量的影響可能起重要作用。當攪拌轉速一定時，攪拌式反應器KLa隨著通風比的增大而增大，但這一變化不明顯。這有可能是在較高的攪拌轉速下，影響KLa的主要因素不是通風量。

2.3 液泵型生物反應器與攪拌式生物反應器的對比

在轉速一定時，不同通風比下2個反應器的KLa變化規律，如圖6所示。由圖6可知，當3 L攪拌式生物反應器的攪拌轉速為500 r/min，通風比為1.5∶1時，其KLa為173.2 1/h；當20 L內循環液泵型生物反應器的液泵轉速為1 400 r/min，通風比為0.846∶1時，其KLa為173.3 1/h，兩者KLa相近。在試驗條件范圍內，改變20 L內循環液泵型生物反應器的通風比和液泵轉速為適當值時，總能找到一組操作變量（通風比和液泵轉速），使其KLa值與3 L攪拌式生物反應器的KLa值基本相同。

2.4 反應器功率消耗比較

在上述2個反應器的KLa值基本相同的試驗條件下，測定2個反應器的能耗。液泵型生物反應器：液泵額定功率340 W，總體積20 L，有效體積14 L；工作條件為液泵轉速1 400 r/min，通風比0.846∶1；運行時測得功率消耗為165 W。攪拌式生物反應器：總體積3 L，有效體積2.1 L；工作條件為攪拌轉速500 r/min，通風比1.5∶1；攪拌軸額定功率186 W，在上述條件運行時，測得功率消耗是額定功率的23%，即42.8 W。如果該反應器放大到20 L，按單位體積液體消耗的功率不變，則功率消耗是285 W，故這2個反應器功率消耗進行比較得到，液泵型比攪拌式反應器功率消耗節省42%。

3 小結

2種反應器達到相同的KLa時，內循環液泵型生物反應器較攪拌式反應器節能約40%左右。攪拌式反應器是目前國內外發酵工業中廣泛應用的發酵設備，試驗得到內循環液泵型生物反應器有著較好的節能效果，有利于內循環液泵反應器的應用推廣。

參考文獻：

[1] 楊 俊.下噴式液泵型生物反應器的基礎研究[D].杭州：浙江工業大學，2003.

[2] 朱海東.一種下噴式液泵型生物反應器的發酵性能研究[J].科技通報，2015，31（6）：233-236.

[3] WEN J P，NA P，HUANG L，et al.Local overall volumetric gas-liquid mass transfer coefficients in gas-liquid-solid reversed flow jet loop bioreactor with a non-Newtonian fluid[J].Biochem Eng J，2000，5（3）：225-229.

[4] 李永祥，程振民，蔣正興，等.三相下噴式環流反應器的傳質性能[J].高校化學工程學報，1997，11（4）：366-371.

[5] 倫世儀.生化工程[M].北京：中國輕工業出版社，1993.

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