内循环液泵反应器溶氧传质性能研究

材料与方法

1.1 主要仪器设备

20 L内循环液泵型生物反应器，镇江东方生物工程设备公司生产；BioFlo 110型3 L搅拌式反应器，NEW BRUNWICK SCIENTIFIC生产；HYG-A型转恒温调速摇瓶柜，江苏太仓市实验设备厂生产。

1.2 试验方法

1.2.1 溶氧传质性能的对比方法 在测试液泵型反应器与搅拌式反应器的溶氧传递性能的对比试验中，KLa是主要评价指标。采用亚硫酸钠氧化法[6]测定KLa。

在相同的操作压力0.1 MPa、相同的操作温度25 ℃下，利用亚硫酸钠氧化法分别测定2个反应器在不同的通风比、不同转速下的KLa。根据所测KLa，找出一组条件使两反应器KLa的大小相近，以此作为2个反应器能耗对比，并作为发酵性能比较的依据。

1.2.2 液泵型反应器KLa变化规律测试 在该反应器内加入13 L水，控制温度在25 ℃，加入Na2SO3晶体（CP），使SO32-浓度达到0.1 mol/L，再加入CuSO4（CP），使Cu2+浓度约为10-3 mol/L。调节循环液泵，设置其转速为800 r/min，Na2SO3、CuSO4完全溶解后，打开通气阀门，使通风量为6 L/min，罐内表压为0，以气泡冒出为氧化时间开始，每隔3～4 min取样一次，每次取样20 mL，立即移入新吸取的已标定的过量碘液中，然后用标定的Na2SO3滴定至蓝色变为无色，记录滴定前后的Na2SO3溶液的体积。

1.2.3 搅拌式生物反应器KLa变化规律测试 在该反应器内加入1.75 L水，控制温度在25 ℃，加入Na2SO3晶体（CP），使SO32-浓度达到0.1 mol/L，再加入CuSO4（CP），使Cu2+浓度约为10-3 mol/L。打开并调节搅拌转速，开始设置为200 r/min，Na2SO3、CuSO4完全溶解后，打开通气阀门，调节空气转子流量计，使开始通风量为1.76 L/min，罐内表压为0，以气泡冒出为氧化时间开始，每隔3～4 min取样一次，每次取样20 mL，立即移入新吸取的已标定的过量碘液中，然后用标定的Na2S2O3滴定至蓝色变为无色，记录滴定前后Na2S2O3溶液的体积。

2 结果与分析

2.1 液泵型反应器的KLa变化规律

由图1、图2可知，在试验条件下液泵型反应器的KLa随着通风比的增大而增大，也随着循环液泵转速的提高而增大。当通风比一定时（0.462∶1），液泵型反应器的KLa随着液泵转速的增大而明显增大，且有一定的线性关系。该反应器的液泵转速反映液喷速度的大小，当通风比一定时，增大液喷速度有利于减小气泡直径和气体在水里的分散，从而KLa明显增大；通风比一定时（0.462∶1），KLa与液泵转速的关系曲线线性度较高，这可能是由于在一定的低通风比下，KLa与液喷速度几乎成正比关系。

由图3可知，当液泵转速一定时，该反应器的KLa随着通风比的增大而增大，但无线性关系。这是因为增大通风比有利于增大持气率和扩大气液界面面积，而增大持气率和扩大气液界面面积均有利于提高KLa。当液泵转速为1 400 r/min时KLa变化比液泵转速为1 200 r/min时变化明显，这说明在低液喷速度时，通风比的变化对KLa的影响不显著，此时液喷速度是瓶颈。

2.2 搅拌式生物反应器KLa变化规律

由图4、图5可知，BioFlo 110型3 L搅拌式生物反应器KLa随着通风比、搅拌转速的增大而增大。当通风比一定时，增大搅拌转速有利于提高KLa。在低转速区，增大搅拌转速对KLa的提高不如高转速区明显。这说明在低转速区，影响KLa的主要因素不是搅拌转速，通风量的影响可能起重要作用。当搅拌转速一定时，搅拌式反应器KLa随着通风比的增大而增大，但这一变化不明显。这有可能是在较高的搅拌转速下，影响KLa的主要因素不是通风量。

2.3 液泵型生物反应器与搅拌式生物反应器的对比

在转速一定时，不同通风比下2个反应器的KLa变化规律，如图6所示。由图6可知，当3 L搅拌式生物反应器的搅拌转速为500 r/min，通风比为1.5∶1时，其KLa为173.2 1/h；当20 L内循环液泵型生物反应器的液泵转速为1 400 r/min，通风比为0.846∶1时，其KLa为173.3 1/h，两者KLa相近。在试验条件范围内，改变20 L内循环液泵型生物反应器的通风比和液泵转速为适当值时，总能找到一组操作变量（通风比和液泵转速），使其KLa值与3 L搅拌式生物反应器的KLa值基本相同。

2.4 反应器功率消耗比较

在上述2个反应器的KLa值基本相同的试验条件下，测定2个反应器的能耗。液泵型生物反应器：液泵额定功率340 W，总体积20 L，有效体积14 L；工作条件为液泵转速1 400 r/min，通风比0.846∶1；运行时测得功率消耗为165 W。搅拌式生物反应器：总体积3 L，有效体积2.1 L；工作条件为搅拌转速500 r/min，通风比1.5∶1；搅拌轴额定功率186 W，在上述条件运行时，测得功率消耗是额定功率的23%，即42.8 W。如果该反应器放大到20 L，按单位体积液体消耗的功率不变，则功率消耗是285 W，故这2个反应器功率消耗进行比较得到，液泵型比搅拌式反应器功率消耗节省42%。

3 小结

2种反应器达到相同的KLa时，内循环液泵型生物反应器较搅拌式反应器节能约40%左右。搅拌式反应器是目前国内外发酵工业中广泛应用的发酵设备，试验得到内循环液泵型生物反应器有着较好的节能效果，有利于内循环液泵反应器的应用推广。

参考文献：

[1] 杨 俊.下喷式液泵型生物反应器的基础研究[D].杭州：浙江工业大学，2003.

[2] 朱海东.一种下喷式液泵型生物反应器的发酵性能研究[J].科技通报，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，蔣正兴，等.三相下喷式环流反应器的传质性能[J].高校化学工程学报，1997，11（4）：366-371.

[5] 伦世仪.生化工程[M].北京：中国轻工业出版社，1993.

[6] YASUHIKO I，HIROSUKE T，MASATOSHI M.A simple Na2SO3 feeding method for KLa measurement in large-scale fermntors[J].Biotechnol Bioengeg，1987，29（8）：982-993.

相关热词搜索： 传质 反应器 循环 性能 研究