摘要：为液泵反应器的应用推广提供依据，研究了20 L内循环液泵型生物反应器在不同通风比和不同循环液速下溶氧传质系数KLa的变化规律，并与BioFlo 110型3 L搅拌式生物反应器作对比试验。结果找到一组能使2个反应器有相近KLa的操作条件，此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。
关键词：液泵型生物反应器；搅拌式生物反应器；溶氧传质系数
目前，常用的通用式发酵罐，其液体的运动主要依靠搅拌桨，在桨叶的上面和下面形成两大同心旋涡。液泵型发酵罐主要是依靠下喷的射流阀流出的气液混合流体对罐底碰撞后，在导流筒的中间和筒外四周形成二个上下翻动的旋涡。该反应器有以下特点［1，2］：①该反应器是内循环，解决了外循环生物反应器易染杂菌的问题。目前，所使用的外循环液泵型生物反应器［3-5］将泵置于反应器外，不易解决杂菌问题。②设计了射流阀，以下喷式形式将反应液射向罐底，使液体与空气充分混合，增加液体的溶解氧，加大了液体的湍流状态，增加了溶氧传质系数KLa。③设计了导流筒，使射流阀喷出的流体从罐底返回时，液体分别从导流筒的中间与外边分别翻起，规整了液体的流动。
为了评估内循环液泵型反应器应用于发酵工业的前景，将该反应器与目前在国内外广泛使用的通用式发酵罐即通气搅拌式反应器作对比，研究2个反应器在相同KLa下的操作条件、发酵能耗，为其在发酵工业领域内推广应用提供依据。
本研究以试验数据来揭示2个反应器如何达到相同的KLa，使用的反应器分别是由本项目研制完成的20 L内循环液泵型反应器，以及由NEW BRUNWICK SCIENTIFIC生产的型号BioFlo 110的3 L搅拌式反应器。内循环液泵型反应器的KLa主要有通气和内置泵的转速提供，而搅拌式反应器的KLa则由通气和搅拌转速共同提供。图1是内循环液泵型生物反应器。
图1 内循环液泵型生物反应器示意图
1 材料与方法
1.1 主要仪器设备
20L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10-3mol／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10-3mol／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。
图2 相同通风比（0.462∶1）下KLa液泵转速变化曲线
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。
图3 相同转速下的KLa通风比变化曲线
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。
图5 相同转速下的KLa通风比变化曲线
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。
图6 两个反应器KLa随通风比变化曲线
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。
