【文章內容簡介】 越大。對于低黏度液體，液體空管速度與氣體空管速度的關系為： （636）適用范圍為，與發(fā)酵特性無關。黏度增大時，式（636）形式不變，系數(shù)減小。（4）混合時間在大設備中混合時間對反應器效率有很大影響?；旌蠒r間隨氣體在上升管中的空管流速的增加而減小，—。由導流管上面環(huán)形渦流造成的混合過程對混合時間由很大影響，導流管離液面的距離對混合時間也有影響。（5）停留時間當氣升式反應器連續(xù)操作式，物料在反應器內的停留時間是不同的。若以表示循環(huán)比，為通過上升管的總流量與系統(tǒng)進料流量的比例，則每一次循環(huán)后示蹤量按的比例下降。N次循環(huán)后，示蹤量下降[]倍，因此，出口后示蹤的相對濃度必須乘上一項，為： （637）式中 ——相對停留時間時循環(huán)系統(tǒng)中的總濃度；；——平均停留時間；，指n次循環(huán)；——第n次循環(huán)時的相對濃度；——時間t內的軸向擴散系數(shù)；——平均循環(huán)時間；——Bodenstein數(shù)； ——流體空管線速度；——循環(huán)一周的距離；——軸向擴散系數(shù)；用代入式（637），得關于停留時間的分布：（6）通氣功率氣升式反應器的通氣功率可用鼓泡通氣功率的計算公式：式中 ——液體密度；——重力加速度；——噴嘴距液面高度；——通氣量。一般來說相同條件下，通氣功率越大，供氧速率越大，供氧功率因數(shù)越小。2．操作參數(shù)（1）液面高度氣液分離器中液體的體積與總體積之比總對氣含率、液體循環(huán)速度和氣體再循環(huán)有顯著影響，總越大，氣含率降低，液體的循環(huán)速度增加，混合時間減少，功耗增加。當總增大到一定值時，氣含率和液體循環(huán)速度不再變化，但能耗仍在上升，因此存在最佳值?？梢钥闯觯瑲庖悍蛛x器中的總值，在設計和操作氣升式反應器時要考慮。（2）操作氣速表觀氣速影響氣升式反應器的氣含率、循環(huán)時間及液體體積傳質系數(shù)，并且其影響還與反應器結構(如氣體預分布器、內件設置等)和物料的特性有關。有研究表明在小固含率下，氣速是影響的主要因素，而在大固含率下，主要受固含率影響。因此操作氣速要從反應器結構、物料特性綜合考慮，使其在功耗最小下得到最大的。（3）溶液的性質氣升式反應器在生物技術領域的應用主要是發(fā)酵、廢水處理和生物細胞培養(yǎng)等。由于粘性較高，為了提高傳質速率，以往對發(fā)酵液和生物細胞培養(yǎng)液常采用機械攪拌罐。實際上，只要在介質中加入合適的聚合物，采用氣升式反應器，不僅可以增強傳質，提高產量，而且還可以降低能耗。三、氣升式反應器的流體動力學模型根據(jù)動量平衡原理和漂流通量模型建立液體循環(huán)流動的模型方程，采用了一個總阻力損失系數(shù)表達方便的優(yōu)點，又進一步建立了總阻力損失系數(shù)與各局部損失系數(shù)的關系，給出了各局部阻力系數(shù)的計算方法，對液體循環(huán)速度和氣含率進行模型計算。根據(jù)動量平衡原理，在穩(wěn)定狀態(tài)下，ALR內的上升管和下降管間的流體靜壓差是液體循環(huán)的推動力，該推動力與流體沿循環(huán)回路引起的總摩擦壓降相平衡，即 （638）式中 ——總摩擦損失系數(shù)，無因次；——氣體分散高度，；在工程上氣體分散高度與反應器的靜液高度 差別不大，可以用代替；——粘度，；——密度，；——上升管氣含率，無因次；——下降管氣含率，無因次。由于下降管氣含率很小可忽略，則上式為： （639）根據(jù)漂流通量模型，可以得到： （640）式中 ——表觀氣體流速，；——上升管氣液分離箱液體流速，；——總流速?！植紖?shù)，它反映了上升管內氣含率、氣泡大小和液體速度分布的不均勻性。均勻鼓泡流時Ｃ為1。若已知和分布參數(shù)Ｃ，聯(lián)立模型方程式（639）、（640）即可得到液體循環(huán)速度和上升管的氣含率。式（638）中的總摩擦壓降是流體在沿程流動的各局部壓降之和： （641）式中 ——總壓差，；——上升管局部壓差，；——下降管局部壓差，；——氣液分離箱局部壓差，；——底箱局部壓差。若以下降管的液體速度為基準，則由上式可得總阻力損失系數(shù)與各局部阻力損失系數(shù)的關系為 （642）式中 ——總阻力損失系數(shù)，無因次； ——下降管局部阻力損失系數(shù)，無因次；——氣液分離箱局部阻力損失系數(shù)，無因次；——底箱局部阻力損失系數(shù)，無因次；——上升管局部阻力損失系數(shù)，無因次；——下降管的橫截面積，；——上升管的橫截面積。由于氣液分離箱、下降管和底箱中的氣含率均很低，這些部分按單相流處理。上升管中氣液兩相流的阻力損失系數(shù)利用氣含率適用范圍較寬的關系式計算有： （643）式中 ——上升管高度，；——上升管直徑。下降管的阻力損失系數(shù)根據(jù)Blaius公式計算 （644）式中 ——下降管高度，；——上升管直徑。四、氣升式反應器的設計1．液體噴射循環(huán)反應器基本設計參數(shù)雖然氣升式反應器有其自身的特殊性，是氣液非均相體系，但是其最基本的原理和最重要的流體動力學參數(shù)及其相互關系是與純水的液體噴射循環(huán)反應器相似的?？梢詫⒎植季鶆虻姆蔷囿w系看為均相，應用液體噴射循環(huán)反應器的結果。液體噴射式循環(huán)反應器的流體動力學式比較有代表性的，氣升式反應器很容易模擬其結果，因此，從液體噴射循環(huán)反應器為例進行討論?；驹O計參數(shù)：反應器的高徑比：；反應器的體積：；反應液質量：；循環(huán)比：；平均循環(huán)速度：；循環(huán)空速：；平均循環(huán)時間：；平均停留時間：；噴嘴出口液體流速：；噴嘴雷諾數(shù)數(shù)：；平均循環(huán)雷諾數(shù)數(shù)：；雷諾數(shù)數(shù)之比：； （645）以上各式中 ——液位高度；——總流體的平均密度；——總質量流率；——循環(huán)質量流率；——進出口質量流率；——總體積流率；，——噴嘴處料液的體積流量，噴嘴管直徑，料液密度；——噴嘴處運動黏度；——總流體的平均運動黏度；——總流體的平均密度。2．液體噴射循環(huán)反應器的循環(huán)阻力平均循環(huán)速率越大，混合越強烈。通常是希望在給定入口噴射功率的條件下，達到盡可能快的循環(huán)速率。循環(huán)的速率是阻力數(shù)相關。 （646）式中 ——流體循環(huán)引起的阻力。工程規(guī)模的反應器可用下列計算式計算阻力數(shù)將上式中的代入（645）得 （647）3．液體噴射循環(huán)反應器中驅動循環(huán)的功率和效率噴嘴循環(huán)反應器的液體噴射功率由下式給定定態(tài)下液體噴射功率必須大于循環(huán)功率。產生循環(huán)的效率可用單位液體噴射功率所產生的循環(huán)功率表示也可以根據(jù)式（647）表示為： 第三節(jié) 鼓泡塔生物反應器常用的鼓泡塔反應器是氣液兩相反應器，是指氣體鼓泡通過含有反應物或催化劑的液層以實現(xiàn)氣液相反應過程的反應器。該反應器以氣體為分散相、液體為連續(xù)相、涉及氣液界面。通常液相中包含有固體懸浮顆粒，如固體培養(yǎng)基、微生物菌體等。反應器內流體的運動狀況是隨分散相氣速的大小而改變的，一般分為兩種：一種是均勻鼓泡流，此時氣速較低，氣泡大小均勻，浮升較有規(guī)則；當隨著氣速的增加，小氣泡被大氣泡兼并，同時也造成了液體的循環(huán)流動，我們把這一種稱之為非均勻鼓泡流。為了有利于氣體的分散和液體的循環(huán)運動，一般在塔內裝多層水平篩板，其高徑比大，液體深度大，我們把這種鼓泡式反應器稱為高位篩板式反應器，見圖67a。壓縮空氣由塔底導入，經過篩板逐漸上升，氣泡在上升過程中帶動發(fā)酵液同時上升，上升后的發(fā)酵液又通過篩板上帶有液封作用的降液管下降而形成循環(huán)。在降液管下端的水平面與篩板之間的空間是氣－液混合區(qū)。由于篩板對氣泡的阻擋作用，使空氣在塔內停留時間較長，同時在篩板上大氣泡被重新分散，從而提高了氧的利用率。除了氣液兩相外，還有氣液固三相鼓泡塔生物反應器。張朝暉等采用三相鼓泡塔作為固定化培養(yǎng)產酶的生物反應器，用于間歇合成木素過氧化物酶系。氣液固三相分別是空氣、培養(yǎng)液和固定了菌絲的聚氨酯泡沫塑料塊。反應器裝置圖見圖67b所示，培養(yǎng)時空氣由下而上鼓入，在反應器中沿著一側的器壁上流，培養(yǎng)液和聚氨酯泡沫塊在氣流的帶動下，作從下往上，再從另一側順流而下的循環(huán)流動，形成一個內循環(huán)氣升式三相鼓泡塔反應器。由于聚氨酯泡沫的比重很小，潤濕后其比重和水的比重相差不大，在鼓泡塔中能夠獲得很好的流化效果。鼓泡反應器結構筒單，易于操作，操作成本低，混合和傳質傳熱性能較好，因此廣泛應用于生物工程行業(yè)中，例如乙醇發(fā)酵、單細胞蛋白發(fā)酵、廢水處理、廢氣處理（例如用微生物處理氣相中的苯）等。鼓泡反應器內無傳動部件，容易密封，對保持無菌條件有利。最簡單的鼓泡式反應器內部是一空塔，塔的底部用篩板或氣體分布器來分布氣體。其工作原理是利用通入培養(yǎng)基中的氣泡在上升時帶動液體而產生混合，并將氣泡中的氧供培養(yǎng)基中的菌體使用。一、流體力學特征一般可用壓降、氣含率、液體速度分布、分散和混合特征等來描述鼓泡反應器的多相流體特征。反應床內氣體體積占總體積的百分比—氣含率是鼓泡反應器的重要設計參數(shù)之一。氣含率是與氧傳遞有關的參數(shù)，它與氣泡直徑一起決定氣液界面的大小，氣含率的徑向分布還可用于計算液體流速分布。分散和混合是生物過程中非常重要的參數(shù)。單靠通氣常常不能使整個反應器內的物料完全均一，此時就需要通過混合來使菌體與氧和其他底物接觸。另外一些基本現(xiàn)象也可用來描述鼓泡反應器的特征，如氣泡形成、圍繞單個上升氣泡的液體流動、氣泡群中泡間的相互作用等。1．氣含率工程上氣含率通常用經驗公式計算，公式形式較多，且都有一定的局限性，尤其反應過程伴有液體汽化發(fā)生時，其計算誤差較大。鼓泡反應器的氣含率可用下式計算：式中 ——氣含率；Ｖ——反應床體積；、——氣相、液相體積。氣含率可以借助γ線空隙率計測量反應床的空隙率(空隙率=氣相占的截面積/總截面積)得到。但由于有些反應器反應床內氣液混合相密度沿反應床高度方向不均勻，應用γ線空隙率計很難測定反應的平均含氣率。采用壓差測量方法測量鼓泡反應器氣含率，可以實現(xiàn)裝置的在線測量，測量數(shù)據(jù)可靠，準確度取決于所用測量設備。根據(jù)需要，差壓變送器與微機控制系統(tǒng)連接，很容易實現(xiàn)自動控制。由于介質的密度具有疊加性質，可知氣含率與密度的關系如下：則氣含率為： （648）式中 ——反應床內混合相密度；、——氣相、液相密度。反應床壓差ΔＰ與密度的關系為： （649）式中 Ｈ——反應床高度。氣含率與反應床壓差的關系將式（649）與式（648）比較，整理得到氣含率計算式： （650）由此可知，通過對反應床的壓差測量，便可得到鼓泡反應器的氣含率。2．流體流動狀態(tài)鼓泡塔內的流體力學狀況，－般是以空塔氣速的大小作為劃分依據(jù)的。對于低黏度的培養(yǎng)基，當≤5cm/s時，稱為安靜區(qū)。此時氣泡直徑相當均勻，氣泡群中的氣泡以相同的速度上升，不發(fā)生嚴重的聚并，相互間不易發(fā)生作用，這種流動狀態(tài)稱為擬均勻流動，工業(yè)上通常要求在這樣的條件下操作。當＞８cm/s，稱為湍動區(qū)，流速增大至液泛點以上，大氣泡生成，產生非均勻流動。對高黏度的培養(yǎng)基，氣速低于５cm/s就有可能形成大氣泡。大氣泡的浮力大，它的上升引起液體在塔內循環(huán)，因此該狀態(tài)也稱為循環(huán)流狀態(tài)。雖然大氣泡的比例很小，但它的上升速度很快。因此在高氣速區(qū)域，大部分氣液傳遞是由大氣泡來完成的，氣泡群對傳質的貢獻相對很小，使得單位輸入功率的氧傳遞效率嚴重下降。影響流體流動狀態(tài)的因素，除氣體流速外，還有分布器的設計參數(shù)，液體的物化性質和液體的速度等。同樣懸浮顆粒的存在也影響流動狀態(tài)。平均孔徑小于的多孔噴嘴，對于不同的流體和反應器，當氣速在至時，仍可保持均勻流動。3. 壓力降如果忽略由于液體的慣性和壁摩擦引起的壓力降，反應器的壓力降主要由兩項組成：氣體分布器壓力降和液體靜壓頭 （651）一般情況下，＞。通過沿塔的壓力分布的在線測量可以確定氣含率。在無因次軸向位置Ｚ處的壓力為 （652）式中 ——反應器頂部壓力；，——液位高度。α為最大靜壓頭與的比例： 160