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自学指导

气升式发酵罐也是应用最广泛的生物反应器,学生学习是要掌握气升式发酵罐工作原理，气

升环流式反应器特点。

重点:气升式发酵罐工作原理,结构。

图1气升式发酵罐实物照片

气升式发酵罐(ALR)（见图1）也是应用最广泛的生物反应设备。华南理工大学高孔荣教授等

对这类反应器进行了较系统深入的研究并取得良好结果，部分已在发酵工厂和废水处理中应

用。这类反应器具有结构简单、不易染菌、溶氧效率高、能耗低等优点。目前世界上最大型

的通气发酵罐就是气升环流式的，体积高达3000多立方米。

气升式反应器有多种类型，常见的有气升环流式、鼓泡式、空气喷射式等，生物工业已经大

量应用的气升式发酵罐有气升内环流发酵罐（见图2）、气液双喷射气升环流发酵罐（见图3）、

设有多层分布板的塔式气升发酵罐（见图4）。而鼓泡罐则是最原始的通气发酵罐，当然鼓

泡式反应器内没有设置导流筒，故未控制液体的主体定向流动。现以气升环流式反应器（见

图2）为例说明其工作原理。

图2气升环流式反应器

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图3气液双喷射气升环流反应器

图4多层空气分布板的气升环流发酵罐

气升环流式反应器构造如图2所示，在反应器内没有搅拌器，其中央有一个导流筒，将发酵

醪液分为上升区（导流筒内）和下降区（导流筒外），在上升区的下部安装了空气喷嘴（见

图3），或环型空气分布管（见图5），空气分布管的下方有许多喷孔。加压的无菌空气通过

喷嘴或喷孔喷射进发酵液中，从空气喷嘴喷入的气速可达250~300（米/秒），无菌空气高速

喷入上升管，通过气液混合物的湍流作用而使空气泡分割细碎，与导流筒内的发酵液密切接

触，供给发酵液溶解氧。由于导流筒内形成的气液混合物密度降低，加上压缩空气的喷流动

能，因此使导流筒内的液体向上运动；到达反应器上部液面后，一部分气生泡破碎，二氧化

碳排出到反应器上部空间，而排出部分气体的发酵液从导流筒上边向导流筒外流动，导流筒

外的发酵液因气含率小，密度增大，发酵液则下降，再次进入上升管，形成循环流动，实现

混合与溶氧传质。

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图5环型空气分布管

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1．气升环式反应器的特点

前面已经简单提到气升环式反应器的特点，由于气升环流反应器内没有搅拌器，并且有定向

循环流动，故具有多个优点，下面具体说明。

(1)反应溶液分布均匀：气液固三相的均匀混合与溶液成分的混合分散良好是生物反应器的

普遍要求，因其流动、混合与停留时间分布均受到影响。对许多间歇或连续加料的通气发酵，

基质和溶氧尽可能均匀分散，以保证其基质在发酵罐内各处的浓度都落在0.1％～1％范围内，

溶解氧为10％一30％。这对需氧生物细胞的生长和产物生成有利。此外，还需避免发酵罐

液面生成稳定的泡沫层，以免生物细胞积聚于上而受损害甚至死亡。还有培养基成分尤其是

有淀粉类易沉降的颗粒物料，更应能悬浮分散。气升环流反应器能很好地满足这些要求。

(2)较高的溶氧速率和溶氧效率：气升式反应器有较高的气含率(gas—holdup)和比气液接触介

面，因而有高传质速率和溶氧效率，体积溶氧效率通常比机械搅拌罐高，kd可达2000h，

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且溶氧功耗相对低。例如一台25m的ALR，溶氧速率2～8kg／(m