內(nèi)循環(huán)液泵反應(yīng)器溶氧傳質(zhì)性能研究

朱海東++周曉云

摘要：為液泵反應(yīng)器的應(yīng)用推廣提供依據(jù)，研究了20 L內(nèi)循環(huán)液泵型生物反應(yīng)器在不同通風(fēng)比和不同循環(huán)液速下溶氧傳質(zhì)系數(shù)KLa的變化規(guī)律，并與BioFlo 110型3 L攪拌式生物反應(yīng)器作對比試驗。結(jié)果找到一組能使2個反應(yīng)器有相近KLa的操作條件，此時內(nèi)循環(huán)液泵型生物反應(yīng)器較攪拌式反應(yīng)器節(jié)能約40%左右。

關(guān)鍵詞：液泵型生物反應(yīng)器；攪拌式生物反應(yīng)器；溶氧傳質(zhì)系數(shù)

中圖分類號：S24 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）05-0966-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.05.045

Study on the Characteristics of Volumetric Oxygen Mass Transfer Coefficient of Reversed Jet Loop Bioreactor

ZHU Hai-dong1，2，ZHOU Xiao-yun2

（1.Hangzhou Vocational and Technical College， Hangzhou 310018，China；2.Department of Biochemical Engineering， Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310014，China）

Abstract： Studied on the KLa change rules of reversed jet loop reactor under different ventilation ratio and liquid circulation velocity which was compared with agitation bioreactor BioFlo 110. Some operating conditions which made the two reactors had similar KLa， at this point， the energy consumed by reversed jet loop reactor was about 40% of BioFlo 110s， and the former showed the prospects for the application.

Key words： reversed jet loop reactor； agitation bioreactor； KLa

目前，常用的通用式發(fā)酵罐，其液體的運(yùn)動主要依靠攪拌槳，在槳葉的上面和下面形成兩大同心旋渦。液泵型發(fā)酵罐主要是依靠下噴的射流閥流出的氣液混合流體對罐底碰撞后，在導(dǎo)流筒的中間和筒外四周形成二個上下翻動的旋渦。該反應(yīng)器有以下特點[1，2]：①該反應(yīng)器是內(nèi)循環(huán)，解決了外循環(huán)生物反應(yīng)器易染雜菌的問題。目前，所使用的外循環(huán)液泵型生物反應(yīng)器[3-5]將泵置于反應(yīng)器外，不易解決雜菌問題。②設(shè)計了射流閥，以下噴式形式將反應(yīng)液射向罐底，使液體與空氣充分混合，增加液體的溶解氧，加大了液體的湍流狀態(tài)，增加了溶氧傳質(zhì)系數(shù)KLa。③設(shè)計了導(dǎo)流筒，使射流閥噴出的流體從罐底返回時，液體分別從導(dǎo)流筒的中間與外邊分別翻起，規(guī)整了液體的流動。

為了評估內(nèi)循環(huán)液泵型反應(yīng)器應(yīng)用于發(fā)酵工業(yè)的前景，將該反應(yīng)器與目前在國內(nèi)外廣泛使用的通用式發(fā)酵罐即通氣攪拌式反應(yīng)器作對比，研究2個反應(yīng)器在相同KLa下的操作條件、發(fā)酵能耗，為其在發(fā)酵工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)推廣應(yīng)用提供依據(jù)。

本研究以試驗數(shù)據(jù)來揭示2個反應(yīng)器如何達(dá)到相同的KLa，使用的反應(yīng)器分別是由本項目研制完成的20 L內(nèi)循環(huán)液泵型反應(yīng)器，以及由NEW BRUNWICK SCIENTIFIC生產(chǎn)的型號BioFlo 110的3 L攪拌式反應(yīng)器。內(nèi)循環(huán)液泵型反應(yīng)器的KLa主要有通氣和內(nèi)置泵的轉(zhuǎn)速提供，而攪拌式反應(yīng)器的KLa則由通氣和攪拌轉(zhuǎn)速共同提供。圖1是內(nèi)循環(huán)液泵型生物反應(yīng)器。

1 材料與方法

1.1 主要儀器設(shè)備

20 L內(nèi)循環(huán)液泵型生物反應(yīng)器，鎮(zhèn)江東方生物工程設(shè)備公司生產(chǎn)；BioFlo 110型3 L攪拌式反應(yīng)器，NEW BRUNWICK SCIENTIFIC生產(chǎn)；HYG-A型轉(zhuǎn)恒溫調(diào)速搖瓶柜，江蘇太倉市實驗設(shè)備廠生產(chǎn)。

1.2 試驗方法

1.2.1 溶氧傳質(zhì)性能的對比方法 在測試液泵型反應(yīng)器與攪拌式反應(yīng)器的溶氧傳遞性能的對比試驗中，KLa是主要評價指標(biāo)。采用亞硫酸鈉氧化法[6]測定KLa。

在相同的操作壓力0.1 MPa、相同的操作溫度25 ℃下，利用亞硫酸鈉氧化法分別測定2個反應(yīng)器在不同的通風(fēng)比、不同轉(zhuǎn)速下的KLa。根據(jù)所測KLa，找出一組條件使兩反應(yīng)器KLa的大小相近，以此作為2個反應(yīng)器能耗對比，并作為發(fā)酵性能比較的依據(jù)。

1.2.2 液泵型反應(yīng)器KLa變化規(guī)律測試 在該反應(yīng)器內(nèi)加入13 L水，控制溫度在25 ℃，加入Na2SO3晶體（CP），使SO32-濃度達(dá)到0.1 mol/L，再加入CuSO4（CP），使Cu2+濃度約為10-3 mol/L。調(diào)節(jié)循環(huán)液泵，設(shè)置其轉(zhuǎn)速為800 r/min，Na2SO3、CuSO4完全溶解后，打開通氣閥門，使通風(fēng)量為6 L/min，罐內(nèi)表壓為0，以氣泡冒出為氧化時間開始，每隔3～4 min取樣一次，每次取樣20 mL，立即移入新吸取的已標(biāo)定的過量碘液中，然后用標(biāo)定的Na2SO3滴定至藍(lán)色變?yōu)闊o色，記錄滴定前后的Na2SO3溶液的體積。

1.2.3 攪拌式生物反應(yīng)器KLa變化規(guī)律測試 在該反應(yīng)器內(nèi)加入1.75 L水，控制溫度在25 ℃，加入Na2SO3晶體（CP），使SO32-濃度達(dá)到0.1 mol/L，再加入CuSO4（CP），使Cu2+濃度約為10-3 mol/L。打開并調(diào)節(jié)攪拌轉(zhuǎn)速，開始設(shè)置為200 r/min，Na2SO3、CuSO4完全溶解后，打開通氣閥門，調(diào)節(jié)空氣轉(zhuǎn)子流量計，使開始通風(fēng)量為1.76 L/min，罐內(nèi)表壓為0，以氣泡冒出為氧化時間開始，每隔3～4 min取樣一次，每次取樣20 mL，立即移入新吸取的已標(biāo)定的過量碘液中，然后用標(biāo)定的Na2S2O3滴定至藍(lán)色變?yōu)闊o色，記錄滴定前后Na2S2O3溶液的體積。

2 結(jié)果與分析

2.1 液泵型反應(yīng)器的KLa變化規(guī)律

由圖1、圖2可知，在試驗條件下液泵型反應(yīng)器的KLa隨著通風(fēng)比的增大而增大，也隨著循環(huán)液泵轉(zhuǎn)速的提高而增大。當(dāng)通風(fēng)比一定時（0.462∶1），液泵型反應(yīng)器的KLa隨著液泵轉(zhuǎn)速的增大而明顯增大，且有一定的線性關(guān)系。該反應(yīng)器的液泵轉(zhuǎn)速反映液噴速度的大小，當(dāng)通風(fēng)比一定時，增大液噴速度有利于減小氣泡直徑和氣體在水里的分散，從而KLa明顯增大；通風(fēng)比一定時（0.462∶1），KLa與液泵轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線線性度較高，這可能是由于在一定的低通風(fēng)比下，KLa與液噴速度幾乎成正比關(guān)系。

由圖3可知，當(dāng)液泵轉(zhuǎn)速一定時，該反應(yīng)器的KLa隨著通風(fēng)比的增大而增大，但無線性關(guān)系。這是因為增大通風(fēng)比有利于增大持氣率和擴(kuò)大氣液界面面積，而增大持氣率和擴(kuò)大氣液界面面積均有利于提高KLa。當(dāng)液泵轉(zhuǎn)速為1 400 r/min時KLa變化比液泵轉(zhuǎn)速為1 200 r/min時變化明顯，這說明在低液噴速度時，通風(fēng)比的變化對KLa的影響不顯著，此時液噴速度是瓶頸。

2.2 攪拌式生物反應(yīng)器KLa變化規(guī)律

由圖4、圖5可知，BioFlo 110型3 L攪拌式生物反應(yīng)器KLa隨著通風(fēng)比、攪拌轉(zhuǎn)速的增大而增大。當(dāng)通風(fēng)比一定時，增大攪拌轉(zhuǎn)速有利于提高KLa。在低轉(zhuǎn)速區(qū)，增大攪拌轉(zhuǎn)速對KLa的提高不如高轉(zhuǎn)速區(qū)明顯。這說明在低轉(zhuǎn)速區(qū)，影響KLa的主要因素不是攪拌轉(zhuǎn)速，通風(fēng)量的影響可能起重要作用。當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速一定時，攪拌式反應(yīng)器KLa隨著通風(fēng)比的增大而增大，但這一變化不明顯。這有可能是在較高的攪拌轉(zhuǎn)速下，影響KLa的主要因素不是通風(fēng)量。

2.3 液泵型生物反應(yīng)器與攪拌式生物反應(yīng)器的對比

在轉(zhuǎn)速一定時，不同通風(fēng)比下2個反應(yīng)器的KLa變化規(guī)律，如圖6所示。由圖6可知，當(dāng)3 L攪拌式生物反應(yīng)器的攪拌轉(zhuǎn)速為500 r/min，通風(fēng)比為1.5∶1時，其KLa為173.2 1/h；當(dāng)20 L內(nèi)循環(huán)液泵型生物反應(yīng)器的液泵轉(zhuǎn)速為1 400 r/min，通風(fēng)比為0.846∶1時，其KLa為173.3 1/h，兩者KLa相近。在試驗條件范圍內(nèi)，改變20 L內(nèi)循環(huán)液泵型生物反應(yīng)器的通風(fēng)比和液泵轉(zhuǎn)速為適當(dāng)值時，總能找到一組操作變量（通風(fēng)比和液泵轉(zhuǎn)速），使其KLa值與3 L攪拌式生物反應(yīng)器的KLa值基本相同。

2.4 反應(yīng)器功率消耗比較

在上述2個反應(yīng)器的KLa值基本相同的試驗條件下，測定2個反應(yīng)器的能耗。液泵型生物反應(yīng)器：液泵額定功率340 W，總體積20 L，有效體積14 L；工作條件為液泵轉(zhuǎn)速1 400 r/min，通風(fēng)比0.846∶1；運(yùn)行時測得功率消耗為165 W。攪拌式生物反應(yīng)器：總體積3 L，有效體積2.1 L；工作條件為攪拌轉(zhuǎn)速500 r/min，通風(fēng)比1.5∶1；攪拌軸額定功率186 W，在上述條件運(yùn)行時，測得功率消耗是額定功率的23%，即42.8 W。如果該反應(yīng)器放大到20 L，按單位體積液體消耗的功率不變，則功率消耗是285 W，故這2個反應(yīng)器功率消耗進(jìn)行比較得到，液泵型比攪拌式反應(yīng)器功率消耗節(jié)省42%。

3 小結(jié)

2種反應(yīng)器達(dá)到相同的KLa時，內(nèi)循環(huán)液泵型生物反應(yīng)器較攪拌式反應(yīng)器節(jié)能約40%左右。攪拌式反應(yīng)器是目前國內(nèi)外發(fā)酵工業(yè)中廣泛應(yīng)用的發(fā)酵設(shè)備，試驗得到內(nèi)循環(huán)液泵型生物反應(yīng)器有著較好的節(jié)能效果，有利于內(nèi)循環(huán)液泵反應(yīng)器的應(yīng)用推廣。

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