Working principle of airlift fermentor

　　气升环流式反应器工作原理

　　气升环流式反应器是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，或环型空气分布管，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。

　　气升环流式反应器的特点

　　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，kLd可达2000h，且溶氧功耗相对低。

　　(3)剪切力小，对生物细胞损伤小：由于气升式反应器没有机械搅拌叶轮，故对细胞的剪切损伤可减至最低，尤其适合植物细胞及组织的培养。

　　(4)传热良好：好气发酵均产生大量的发酵热，如酵母培养旺盛期发酵热高达3.0～4.0×105kJ/(m3.h)，而传热温差则只有几度(℃)，尤其夏季，若使用非冷冻水，则只有3-10℃左右，故需很大的换热面积与传热系数。气升式反应器因液体综合循环速率高，同时便于在外循环管路上加装换热器，以保证除去发酵热以控制适宜的发酵温度。

　　(5)结构简单，易于加工制造：气升式反应器罐内无机械搅拌器，故不需安装结构复杂的搅拌系统，密封也容易保证，所以加工制造方便，设备投资低。同时大型和超大型发酵反应器放大设计制造也已实现，如国际上著名的ICI压力循环发酵罐体积达3000m3，另一种“BIOHCH'’反应器也达3000m3以上。更大的反应器如鼓泡塔式“BayerAG'’反应器体积高达13000m3，目前用于生化废水处理。

　　(6)操作和维修方便：因气升式发酵罐无机械搅拌系统，所以结构较简单，能耗低，操作方便，特别是不易发生机械搅拌轴封容易出现的渗漏染菌问题。

　　另外因无机械搅拌热产生，所以发酵总热量较低，便于换热冷却系统的装设。

　　发酵罐操作技术

　　1 技术准备

　　设备使用之前，应先检查电源是否正常，空压机、微机控制系统、循环水系统是否能正常工作。检查系统上的阀门、接头及紧固螺钉是否拧紧。开动空压机，用O.15Mpa压力，检查种子罐、发酵罐、过滤器、管路、阀门的密封性能是否良好。对温度仪、调速电机，电容涡街流量计应根据使用说明书进行检查、校正。

　　2 空消

　　在投料前，气路、料路、种子罐、发酵罐、消泡罐必须用蒸汽进行灭菌，消除所有死角的杂菌，保证系统处于无菌状态。

　　2.1 空气管路的空消

　　(1)空气管路上有三级预过滤器，冷干机和除菌过滤器。预过滤器和冷干机不能用蒸汽灭菌，因此在空气管路通蒸汽前，必须将通向预过滤器的阀门关闭，使蒸汽通过减压阀、蒸汽过滤器，然后进入除菌过滤器。

　　(2)除菌过滤器的滤芯不能承受高温高压，因此，蒸汽减压阀必须调整在0.13Mpa，不得超过0.15MPa。

　　(3)空消过程中，除菌过滤器下端的排气阀应微微开启，排除冷凝水。

　　(4)空消时间应持续40分钟左右，当设备初次使用或长期不用后启动时，最好采用间歇空消，即第一次空消后，隔3—5小时再空消一次，以便消除芽孢。

　　(5)经空消后的过滤器，应通气吹干，约20～30分钟，然后将气路阀门关闭。

　　2.2 种子罐、发酵罐、碱罐及消泡罐空消

　　(1)种子罐、发酵罐、碱罐及消泡罐是将蒸汽直接通入罐内进行空消。

　　(2)空消时，应将罐上的接种口、排气阀及料路阀门微微打开，使蒸汽通过这些阀门排出，同时保罐压为O.13～0.15Mpa。

　　(3)空消时间为30～40分钟，特殊情况下，可采用间歇空消。

　　(4)种子罐、发酵罐、消泡罐、酸碱罐空消前，应将夹套内的水放掉。空消结束后，应将罐内冷凝水排掉，并将排空阀门打开，防止冷却后罐内产生负压、损坏设备。空消时，溶氧、PH电极取出，可以延长其使用寿命。

　　3 实消

　　实消是当罐内加人培养基后，用蒸汽对培养基进行灭菌的过程，种子罐、碱罐、消泡罐和发酵罐实消的操作过程相同。空消结束后，应尽快将配好的培养基从加料口加入罐内，此时夹套内应无冷却水。培养基在进罐之前，应先糊化，一般培养基的配方量以罐体全容积的70%左右计算(泡沫多的培养基为65%左右，泡沫少的培养基可达75%.80%)，考虑到冷凝水和接种量因素，加水量为罐体全容积的50%左右，加水量的多少与培养基温度和蒸汽压力等因素有关，需在实践中摸索。先开启机械搅拌装置，使罐内物料均匀混合，转速50一100rpm。打开夹套蒸汽阀、排汽阀，对罐内培养基预热，当罐内温度升到90℃时，关闭夹套进汽阀，打开罐内所有进汽阀，通人蒸汽。当罐温上升到105℃时，缓缓打开排汽阀，将罐顶冷空气排掉，持续五分钟后，关闭排汽阀。当罐压升至0.12Mpa，温度升到121～123℃时，控制蒸汽阀门开度，保持罐压不变，30分钟后停止供汽。打开冷却水的进排阀门，在夹套内通水冷却，当罐内压力降至O.05Mpa时，微微开启排气阀和进气阀，进行通气搅拌，加速冷却速度，并保持罐压为O.05Mpa，直到罐温降至接种温度。

　　4接种

　　采用火焰封口接种，接种前应事先准备好酒精棉花、钳子、镊子和接种环。菌种装入三角烧瓶内，接种量根据工艺要求确定。将酒精棉花围在接种口周围点燃，用钳子或铁棒拧开接种口，此时应向罐内通气，使接种口有空气排出。将三角瓶的菌种在火环中间倒人罐内。将接种口盖在火焰上灭菌后拧紧。接种后即可通气培养，罐压保持在0.05Mpa.