石東升 溫佳文 宋曉麗 張慶文 洪厚勝

（南京工業(yè)大學生物與制藥工程學院，江蘇 南京 210009）

氣升式外環(huán)流反應器研究進展

石東升 溫佳文 宋曉麗 張慶文 洪厚勝

（南京工業(yè)大學生物與制藥工程學院，江蘇 南京 210009）

綜述氣升式外環(huán)流反應器的特性參數(shù)及其主要影響因素，介紹氣升式外環(huán)流反應器在生物及環(huán)境領域的應用研究進展，并提出今后研究工作的方向。

外環(huán)流；氣升式反應器；特性參數(shù)；應用

氣升式外環(huán)流反應器（ELALR）是一類在鼓泡塔的基礎上發(fā)展起來的氣－液、氣－液－固多相反應器。以空氣為推動力實現(xiàn)流體的循環(huán)流動，無需機械攪拌和泵提供推動力，結(jié)構(gòu)簡單，高效節(jié)能，被廣泛用于生物、化工及環(huán)境科學領域。

氣升式外環(huán)流反應器由4個基本部位組成：升氣管、降液管、底部連接段和氣液分離器。降液管與升氣管完全獨立，靠塔頂與塔底兩處水平部分分別連接。當進入反應器內(nèi)的氣體噴射到升氣管后，由于噴射氣體的動能和升氣管內(nèi)流體密度減小，迫使升氣管內(nèi)流體向上，降液管內(nèi)的流體向下作有規(guī)則的循環(huán)流動，從而形成良好的混和效果。氣升式外環(huán)流反應器有較高的循環(huán)速率，表觀速度較大，湍流及氣液傳質(zhì)好，傳熱傳質(zhì)性能優(yōu)于氣升式內(nèi)環(huán)流反應器［1，2］。氣升式環(huán)流反應器根據(jù)其物理結(jié)構(gòu)的差異可分為兩類：外環(huán)流反應器和內(nèi)環(huán)流反應器。其基本結(jié)構(gòu)見圖1。

1 氣升式外環(huán)流反應器的性能參數(shù)

1.1 氣含率

氣含率是以氣相在反應器中所占的體積分數(shù)表示，根據(jù)反應器內(nèi)空間的不同可分為平均氣含率和局部氣含率，對氣－液相界面積有顯著影響，進而影響相間傳質(zhì)速率［3］。

圖1 氣升式反應器結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Structure diagram of the airlift reactor

對氣升式外環(huán)流反應器的氣含率的研究已經(jīng)有較長的時間。楊文選等［4］通過空氣－水體系體系，對3種不同結(jié)構(gòu)的氣升式外環(huán)流反應器的氣含率數(shù)據(jù)進行關聯(lián)，得到了氣含率與表觀速度的關聯(lián)式；并且對環(huán)路進行阻力計算，得出了環(huán)路的阻力方程；計算發(fā)現(xiàn)關聯(lián)式和阻力方程聯(lián)立求解，可以很好地頂測不同結(jié)構(gòu)的外環(huán)流反應器中的氣含率，從而為該反應器的放大提供了依據(jù)。劉永民等［5］研究了空氣－水體系，結(jié)果表明，氣含率與分離箱高度無關；高徑比越大，上升管氣含率越高。

金家琪等［6］研究表明，氣升式外環(huán)流反應器的內(nèi)環(huán)局部氣含率和軸向平均氣含率均隨表觀氣速和外循環(huán)液速的增大而增大；在不同的軸向位置，內(nèi)環(huán)氣含率的徑向分布特性有所差異；內(nèi)環(huán)軸向平均氣含率先隨軸向高度的升高而增大，在離開導流筒后略有降低；表觀氣速一定時，隨軸向高度的增加，平均氣含率先增大然后保持不變。

伍倩等［7］研究了在氣升式外環(huán)流反應器中氣含率的軸徑向分布，當表觀氣速不發(fā)生變化時，平均氣含率隨軸向高度的增加呈現(xiàn)先增大然后保持不變的趨勢；當表觀氣速增大時，氣含率、氣泡上升頻率和速度以及氣液相界面積均增大，而氣泡尺寸則不同，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。在所研究的表觀氣速范圍內(nèi)，在軸向位置h/D為1.11，8.78，14.33三處的氣液相界面積和氣含率沿徑向均呈現(xiàn)中心峰分布，但是在軸向位置h/D為3.22處則呈鞍形分布，當軸向高度不變時，低氣速下氣泡尺寸徑向分布較為均勻，高表觀氣速時則呈現(xiàn)中心峰分布。

Freitas等［8］研究表明表面張力對氣泡的聚并和破碎速度都有重要影響，氣含率隨表面張力的增大而降低。

Kaustubha等［9，10］研究表明在多級系統(tǒng)中當循環(huán)液速不變，氣含率隨表觀氣速的增大而增大。在低氣速下，氣含率隨著氣速的增大而急劇增大。這是由于在低氣速區(qū)域，隨著氣速的增大，產(chǎn)生了大量半徑無明顯變化的氣泡。因此在任何界面，被氣體占據(jù)的區(qū)域越大則氣含率越高。在高氣速下，由于大氣泡的產(chǎn)生和氣泡的合并，當氣速增大時氣含率增大變緩。而每一級的氣含率達到最大值的順序是逐漸變大。氣含率也隨著循環(huán)液速的增大而增大。且在同樣的表觀氣速和循環(huán)液速下，多級系統(tǒng)的氣含率比單級系統(tǒng)的氣含率高出45%。

1.2 循環(huán)液速

循環(huán)液速是外環(huán)流反應器的重要流體力學性質(zhì)。在氣升式外環(huán)流反應器中，循環(huán)液速與混合時間有著必然的聯(lián)系，混合時間是氣升式外環(huán)流反應器放大的重要因素［11］。

Renzo等［12］研究了兩相和三相的氣升式外環(huán)流反應器的循環(huán)液速，很好的預測了在兩相系統(tǒng)中循環(huán)液速是氣體流速的函數(shù)，循環(huán)液速隨著表觀氣速的增加而增加，并且證明在氣－液系統(tǒng)中，分散和集中的壓力損失是預測循環(huán)液速是否準確的重要因素，而在多相系統(tǒng)中壓力損失與循環(huán)液速是獨立的；當系統(tǒng)中出現(xiàn)固相時，固相成為影響壓力損失的主要因素，循環(huán)液速隨著固相的增加而顯著減小。

Dhaouadi等［13］研究表明，固相的出現(xiàn)導致全局和局部的氣泡尺寸，速度分布，循環(huán)液速和氣含率的變化。隨著固相增加，系統(tǒng)湍流增大，因此氣泡尺寸和上升氣速減小，從而升氣管的循環(huán)液速顯著降低。當循環(huán)液速較大時，外環(huán)流反應器內(nèi)流體湍動加劇，加快了氣泡的表面更新率，對相間傳質(zhì)的進行有利，傳質(zhì)與傳熱得到了強化［14］。

沐方平等［15］研究表明氣體分布器的種類對外環(huán)流反應器的循環(huán)種類有一定影響。對于空氣－1% 乙醇體系（非聚并體系），氣體分布器的形式對外環(huán)流反應器的氣含率及環(huán)流液速有顯著的影響；在相同的操作條件下，空氣－1% 乙醇體系（非聚并體系）的氣含率及循環(huán)液速明顯高于空氣－水體系（聚并體系）。

1.3 傳質(zhì)系數(shù)

KLa是液相體積傳質(zhì)系數(shù)，它是表征氣升式外環(huán)流反應器傳質(zhì)性能的重要參數(shù)，也是氣升式外環(huán)流反應器放大的主要依據(jù)。KL是液體本征傳質(zhì)系數(shù)，a是單位有效反應器體積的氣液比表面積。

Guo等［16］通過研究，得出在升氣管高氣含率的情況下，KLa是表觀氣速的函數(shù)；當系統(tǒng)中的顆粒是同類型的時候，由于固體顆粒對液體流動增加的抵抗，使循環(huán)液速降低導致升氣管氣含率增大，從而造成氣液的傳質(zhì)增加，以至于固體的含量越大KLa值越大；在氣含率一定的情況下，傳質(zhì)系數(shù)隨循環(huán)液速的增大而降低。由于氣－液兩相流動系統(tǒng)的氣含率較低，使氣－液兩相流動系統(tǒng)的傳質(zhì)系數(shù)比含有固體顆粒的反應器的傳質(zhì)系數(shù)小。

Kazuhiro等［17］通過模擬，驗證了當表觀氣速增大時，氣含率降低使比表面積a減小，從而使KLa減小。在多級的氣升式外環(huán)流反應器中，表觀氣速做為循環(huán)液速的函數(shù)對KLa產(chǎn)生影響。在特定的液速下，KLa隨表觀氣速的增大而增大。這是因為當氣速增大，使氣含率增大和系統(tǒng)的湍流加劇，從而使KLa的值增大［18］。

Hossein等［19］將含有99%孔隙的不銹鋼鐵絲網(wǎng)填入氣升式外環(huán)流生物反應器的升氣管，研究氣－液兩相流下的流體力學參數(shù)與傳質(zhì)系數(shù)，并與無填充層的反應器做了對比。得出了在表觀氣速為0.008m/s時，有填充層的KLa值是無填充層的2.5倍。推導了氣升式外環(huán)流反應器的KLa與表觀氣速的關聯(lián)式，有填充層和無填充層的關聯(lián)式是不同的，且在低表觀氣速（＜0.006m/s）下存在一階簡化方程。

2 氣升式環(huán)流反應器的應用研究

由于氣升式環(huán)流反應器的耗能遠低于其它類型的生物反應器，已經(jīng)在生物化工領域得到了廣泛的應用，主要是植物細胞培養(yǎng)、生物發(fā)酵和工業(yè)廢水處理等幾個方面。

2.1 在發(fā)酵方面的應用

氣升式外環(huán)流反應器在發(fā)酵工業(yè)的應用較廣，與普通的機械攪拌的發(fā)酵罐相比，氣升式外環(huán)流反應器對發(fā)酵周期的減少和產(chǎn)率的提高比較明顯。

李穩(wěn)宏等［20］在冷模試驗中，分別對該反應器的氣含率和體積傳質(zhì)系數(shù)與表觀氣速、高徑比、氣體噴嘴的位置、氣體分布器型式等之間的關系進行了系統(tǒng)的研究，選出優(yōu)化結(jié)構(gòu)氣升式外環(huán)流反應器，用于蘇云金桿菌的發(fā)酵。結(jié)果表明，該工藝技術(shù)不僅操作方便、控制溫度精度高、能耗低，且比普通的機械攪拌反應器發(fā)酵周期縮短9h，發(fā)酵水平提高35%。

黃建新等［21］研究了Z5－G菌在3L外環(huán)流氣升式反應器中的發(fā)酵。該菌株的最佳發(fā)酵工藝條件為在C源N源配比4∶1，發(fā)酵前期通氣量1L/（L·min），后期0.7L/（L·min），發(fā)酵時間為36h，在該條件下得出Z5－G菌株在外環(huán)流反應器中發(fā)酵聚β－羥基丁酸酯比機械攪拌反應器產(chǎn)率高10.7%，發(fā)酵周期短6h，從而降低了能耗，對工業(yè)化發(fā)酵生產(chǎn)聚β－羥基丁酸酯具有實用意義。

沈雪亮等［22］在外循環(huán)氣升式生物反應器（工作體積10L，高徑比2.9）中發(fā)酵生產(chǎn)酯酶，研究表明在低裝液量條件下，反應器內(nèi)流體流動循環(huán)不好，對發(fā)酵不利；增加裝液量（相當于增加靜液高度）可以提高氣體在水中的溶解度，加大傳質(zhì)動力，改善氣、液兩相的流動性，提高發(fā)酵液的氣含率、溶氧量和循環(huán)液速。在最適通氣量0.70m3/h，最適裝液量8.75L，發(fā)酵48h時酯酶活力達41.6U/g細胞，發(fā)酵效果良好。

萬紅貴等［23］針對L－苯丙氨酸的酶法制備體系，研究了內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)氣升式反應器在L－苯丙氨酸產(chǎn)酶發(fā)酵過程中的應用。試驗發(fā)現(xiàn)，與標準機械攪拌罐相比，采用氣升式反應器發(fā)酵產(chǎn)酶，轉(zhuǎn)氨酶酶活分別提高了20%和10%，產(chǎn)酶周期也相應縮短。

鄭裕國等［24，25］做了氣升式外環(huán)流反應器用于檸檬酸和井岡霉素的研究，得出氣升式外環(huán)流反應器用于檸檬酸和井岡霉素發(fā)酵的可能性。

張慶文等［26］設計了一種改進型外環(huán)流氣升式反應器，將其應用于從酒精到醋酸一步發(fā)酵。通過與普通的氣升式環(huán)流反應器酒精發(fā)酵結(jié)果相比較，證明了該改進型氣升式外環(huán)流反應器在厭氧發(fā)酵領域推廣應用的可能性。并在此基礎上提出進一步改進展望，使其可應用于酒精發(fā)酵分離耦合的研究以及作為光生物反應器進行藻類的培養(yǎng)。

2.2 在細胞培養(yǎng)中的應用

由于氣升式反應器結(jié)構(gòu)簡單，設備造價低，氧傳遞效率高，剪切力小，因此它比傳統(tǒng)的機械攪拌反應器更適合于某些品種的植物細胞培養(yǎng)。與一般機械攪拌式反應器相比，具有如下優(yōu)點：

（1）液體流動時的剪切應力比機械攪拌反應器低。

（2）反應器結(jié)構(gòu)簡單，造價低，無軸封裝置，滅菌方便。

（3）能耗及操作費用低。

陳士云等［27］在5L外循環(huán)氣升式反應器擴大培養(yǎng)新班紫草細胞，第一步生長速率為1.4g/（L·d），第二步生長速率為0.8g/（L·d），說明外循環(huán)氣升式反應器適合于新疆紫草細胞的大量培養(yǎng)。氣升式環(huán)流反應器中液相剪切力均一，而且在植物細胞的生長和代謝合成時，為其提供適宜的環(huán)境，因此它在對剪切力敏感的諸如動植物細胞培養(yǎng)中得到了廣泛的應用。

2.3 在廢水處理方面的應用

程樹培等［28］研究了在氣升式外環(huán)流反應器中使用球形紅假單胞菌處理味精廢水，在連續(xù)供氣、KLa242H－1，活性炭載體濃度10g/L，HRT12h，進水BOD52 750mg/L的條件下，廢水BOD5的去除率達到92%。Fan等［29］研究了氣升式外環(huán)流膜生物反應器處理廁所污水，結(jié)果表明，當平均的污水質(zhì)量，COD、BOD5、NH4－N、色度、渾濁度為24mg/L，2.4mg/L，5mg/L，30°和0.2NTU 時，色度、COD、BOD5、渾濁度、NH4－N的去除率分別為80%，90%，99%，99.7%，95%。

Essadki等［30，31］在20L氣升式外環(huán)流反應器中采用高效處理廢水的電浮選法從合成及天然的有色紡織品的廢水中脫色，并且除去廢水和飲用水中的可溶和膠狀的污染物。試驗中得出，氣升式外環(huán)流反應器可以很好的實現(xiàn)全體的液體循環(huán)并且達到較好的混合條件，是電浮選法處理水并產(chǎn)生氫氣的絕佳反器。使用氣升式外環(huán)流反應器處理廢水，無需機械攪拌，不用泵送水，不使用壓縮空氣，就可以實現(xiàn)氣液循環(huán)；而在其他的傳統(tǒng)的氣－液接觸設備中是無法實現(xiàn)的。因為外環(huán)流的設置，可以允許升氣管和降液管的距離較大，這樣就使內(nèi)部顆粒的再循環(huán)最小化，有效的改善了浮選能力，因此氣升式外環(huán)流反應器特別適用于電浮選法處理廢水。

Kaustubha等［32］在最新的多級氣升式外環(huán)流反應器中加入活性炭處理苯酚廢水，可以有效的去除廢水中的苯酚。與簡單的分批吸附系統(tǒng)相比，使用多級氣升式外環(huán)流反應器在較短的時間內(nèi)，去除了廢水中95%的苯酚。

3 氣升式外環(huán)流反應器研究前景

近年來，國內(nèi)外學者對氣升式外環(huán)流反應器開展了大量的研究工作，開發(fā)了一些新型的氣升式外環(huán)流反應器，取得了一定的進展，如氣升式外環(huán)流光生物反應器［33］，氣升式外環(huán)流化學反應器和氣升式外環(huán)流生物膜反應器等。氣升式外環(huán)流反應器在諸多領域也得到廣泛應用，如在生物工程領域用于動植物細胞及微生物細胞的培養(yǎng)，在環(huán)境工程領域用于生活污水和工業(yè)廢水的處理等。

氣升式外環(huán)流反應器的傳質(zhì)性能是十分復雜的，現(xiàn)有的研究水平還不足以解決設計和放大問題，真正放大設計應用的例子不多。要使氣升式外環(huán)流反應器發(fā)揮更好的性能，必須在結(jié)構(gòu)上加以改進，探索開發(fā)新型內(nèi)構(gòu)件，設計操作彈性較大且能適應不同反應體系應用的氣升式外環(huán)流反應器；聯(lián)系其它領域的研究成果，開發(fā)新型高效節(jié)能的氣升式外環(huán)流反應器；探索表觀液速，氣含率，循環(huán)液速以及混合時間按等對氣升式外環(huán)流反應器特性的影響規(guī)律，優(yōu)化各操作參數(shù)，做到反應器既高效又節(jié)能。

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Research progress of external－loop airlift reactors

SHI Dong－sheng WEN Jia－wen SONG Xiao－li ZHANG Qing－wenHONG Hou－sheng

（College of Biological and Pharmaceutical Engineering，NanJing University of Technology，NanJing，Jiangsu210009，China）

The characteristics parameter and major factors of influence on external－loop airlift reactors were reviewed，and the applications of external－loop airlift reactors in the biological and environmental fields were introduced，the development of future research was also presented.

external－loop；airlift reactor；characteristic parameter；application

10.3969/j.issn.1003－5788.2012.02.071

石東升（1990－），男，南京工業(yè)大學在讀碩士研究生。E－mail：shidongsheng319＠126.com

2011－12－10