气升式外环流反应器研究进展

石东升 温佳文 宋晓丽 张庆文 洪厚胜

（南京工业大学生物与制药工程学院，江苏 南京 210009）

气升式外环流反应器研究进展

石东升 温佳文 宋晓丽 张庆文 洪厚胜

（南京工业大学生物与制药工程学院，江苏 南京 210009）

综述气升式外环流反应器的特性参数及其主要影响因素，介绍气升式外环流反应器在生物及环境领域的应用研究进展，并提出今后研究工作的方向。

外环流；气升式反应器；特性参数；应用

气升式外环流反应器（ELALR）是一类在鼓泡塔的基础上发展起来的气－液、气－液－固多相反应器。以空气为推动力实现流体的循环流动，无需机械搅拌和泵提供推动力，结构简单，高效节能，被广泛用于生物、化工及环境科学领域。

气升式外环流反应器由4个基本部位组成：升气管、降液管、底部连接段和气液分离器。降液管与升气管完全独立，靠塔顶与塔底两处水平部分分别连接。当进入反应器内的气体喷射到升气管后，由于喷射气体的动能和升气管内流体密度减小，迫使升气管内流体向上，降液管内的流体向下作有规则的循环流动，从而形成良好的混和效果。气升式外环流反应器有较高的循环速率，表观速度较大，湍流及气液传质好，传热传质性能优于气升式内环流反应器［1，2］。气升式环流反应器根据其物理结构的差异可分为两类：外环流反应器和内环流反应器。其基本结构见图1。

1 气升式外环流反应器的性能参数

1.1 气含率

气含率是以气相在反应器中所占的体积分数表示，根据反应器内空间的不同可分为平均气含率和局部气含率，对气－液相界面积有显著影响，进而影响相间传质速率［3］。

图1 气升式反应器结构示意图Figure 1 Structure diagram of the airlift reactor

对气升式外环流反应器的气含率的研究已经有较长的时间。杨文选等［4］通过空气－水体系体系，对3种不同结构的气升式外环流反应器的气含率数据进行关联，得到了气含率与表观速度的关联式；并且对环路进行阻力计算，得出了环路的阻力方程；计算发现关联式和阻力方程联立求解，可以很好地顶测不同结构的外环流反应器中的气含率，从而为该反应器的放大提供了依据。刘永民等［5］研究了空气－水体系，结果表明，气含率与分离箱高度无关；高径比越大，上升管气含率越高。

金家琪等［6］研究表明，气升式外环流反应器的内环局部气含率和轴向平均气含率均随表观气速和外循环液速的增大而增大；在不同的轴向位置，内环气含率的径向分布特性有所差异；内环轴向平均气含率先随轴向高度的升高而增大，在离开导流筒后略有降低；表观气速一定时，随轴向高度的增加，平均气含率先增大然后保持不变。

伍倩等［7］研究了在气升式外环流反应器中气含率的轴径向分布，当表观气速不发生变化时，平均气含率随轴向高度的增加呈现先增大然后保持不变的趋势；当表观气速增大时，气含率、气泡上升频率和速度以及气液相界面积均增大，而气泡尺寸则不同，呈现先增大后减小的趋势。在所研究的表观气速范围内，在轴向位置h/D为1.11，8.78，14.33三处的气液相界面积和气含率沿径向均呈现中心峰分布，但是在轴向位置h/D为3.22处则呈鞍形分布，当轴向高度不变时，低气速下气泡尺寸径向分布较为均匀，高表观气速时则呈现中心峰分布。

Freitas等［8］研究表明表面张力对气泡的聚并和破碎速度都有重要影响，气含率随表面张力的增大而降低。

Kaustubha等［9，10］研究表明在多级系统中当循环液速不变，气含率随表观气速的增大而增大。在低气速下，气含率随着气速的增大而急剧增大。这是由于在低气速区域，随着气速的增大，产生了大量半径无明显变化的气泡。因此在任何界面，被气体占据的区域越大则气含率越高。在高气速下，由于大气泡的产生和气泡的合并，当气速增大时气含率增大变缓。而每一级的气含率达到最大值的顺序是逐渐变大。气含率也随着循环液速的增大而增大。且在同样的表观气速和循环液速下，多级系统的气含率比单级系统的气含率高出45%。

1.2 循环液速

循环液速是外环流反应器的重要流体力学性质。在气升式外环流反应器中，循环液速与混合时间有着必然的联系，混合时间是气升式外环流反应器放大的重要因素［11］。

Renzo等［12］研究了两相和三相的气升式外环流反应器的循环液速，很好的预测了在两相系统中循环液速是气体流速的函数，循环液速随着表观气速的增加而增加，并且证明在气－液系统中，分散和集中的压力损失是预测循环液速是否准确的重要因素，而在多相系统中压力损失与循环液速是独立的；当系统中出现固相时，固相成为影响压力损失的主要因素，循环液速随着固相的增加而显著减小。

Dhaouadi等［13］研究表明，固相的出现导致全局和局部的气泡尺寸，速度分布，循环液速和气含率的变化。随着固相增加，系统湍流增大，因此气泡尺寸和上升气速减小，从而升气管的循环液速显著降低。当循环液速较大时，外环流反应器内流体湍动加剧，加快了气泡的表面更新率，对相间传质的进行有利，传质与传热得到了强化［14］。

沐方平等［15］研究表明气体分布器的种类对外环流反应器的循环种类有一定影响。对于空气－1% 乙醇体系（非聚并体系），气体分布器的形式对外环流反应器的气含率及环流液速有显著的影响；在相同的操作条件下，空气－1% 乙醇体系（非聚并体系）的气含率及循环液速明显高于空气－水体系（聚并体系）。

1.3 传质系数

KLa是液相体积传质系数，它是表征气升式外环流反应器传质性能的重要参数，也是气升式外环流反应器放大的主要依据。KL是液体本征传质系数，a是单位有效反应器体积的气液比表面积。

Guo等［16］通过研究，得出在升气管高气含率的情况下，KLa是表观气速的函数；当系统中的颗粒是同类型的时候，由于固体颗粒对液体流动增加的抵抗，使循环液速降低导致升气管气含率增大，从而造成气液的传质增加，以至于固体的含量越大KLa值越大；在气含率一定的情况下，传质系数随循环液速的增大而降低。由于气－液两相流动系统的气含率较低，使气－液两相流动系统的传质系数比含有固体颗粒的反应器的传质系数小。

Kazuhiro等［17］通过模拟，验证了当表观气速增大时，气含率降低使比表面积a减小，从而使KLa减小。在多级的气升式外环流反应器中，表观气速做为循环液速的函数对KLa产生影响。在特定的液速下，KLa随表观气速的增大而增大。这是因为当气速增大，使气含率增大和系统的湍流加剧，从而使KLa的值增大［18］。

Hossein等［19］将含有99%孔隙的不锈钢铁丝网填入气升式外环流生物反应器的升气管，研究气－液两相流下的流体力学参数与传质系数，并与无填充层的反应器做了对比。得出了在表观气速为0.008m/s时，有填充层的KLa值是无填充层的2.5倍。推导了气升式外环流反应器的KLa与表观气速的关联式，有填充层和无填充层的关联式是不同的，且在低表观气速（＜0.006m/s）下存在一阶简化方程。

2 气升式环流反应器的应用研究

由于气升式环流反应器的耗能远低于其它类型的生物反应器，已经在生物化工领域得到了广泛的应用，主要是植物细胞培养、生物发酵和工业废水处理等几个方面。

2.1 在发酵方面的应用

气升式外环流反应器在发酵工业的应用较广，与普通的机械搅拌的发酵罐相比，气升式外环流反应器对发酵周期的减少和产率的提高比较明显。

李稳宏等［20］在冷模试验中，分别对该反应器的气含率和体积传质系数与表观气速、高径比、气体喷嘴的位置、气体分布器型式等之间的关系进行了系统的研究，选出优化结构气升式外环流反应器，用于苏云金杆菌的发酵。结果表明，该工艺技术不仅操作方便、控制温度精度高、能耗低，且比普通的机械搅拌反应器发酵周期缩短9h，发酵水平提高35%。

黄建新等［21］研究了Z5－G菌在3L外环流气升式反应器中的发酵。该菌株的最佳发酵工艺条件为在C源N源配比4∶1，发酵前期通气量1L/（L·min），后期0.7L/（L·min），发酵时间为36h，在该条件下得出Z5－G菌株在外环流反应器中发酵聚β－羟基丁酸酯比机械搅拌反应器产率高10.7%，发酵周期短6h，从而降低了能耗，对工业化发酵生产聚β－羟基丁酸酯具有实用意义。

沈雪亮等［22］在外循环气升式生物反应器（工作体积10L，高径比2.9）中发酵生产酯酶，研究表明在低装液量条件下，反应器内流体流动循环不好，对发酵不利；增加装液量（相当于增加静液高度）可以提高气体在水中的溶解度，加大传质动力，改善气、液两相的流动性，提高发酵液的气含率、溶氧量和循环液速。在最适通气量0.70m3/h，最适装液量8.75L，发酵48h时酯酶活力达41.6U/g细胞，发酵效果良好。

万红贵等［23］针对L－苯丙氨酸的酶法制备体系，研究了内循环和外循环气升式反应器在L－苯丙氨酸产酶发酵过程中的应用。试验发现，与标准机械搅拌罐相比，采用气升式反应器发酵产酶，转氨酶酶活分别提高了20%和10%，产酶周期也相应缩短。

郑裕国等［24，25］做了气升式外环流反应器用于柠檬酸和井冈霉素的研究，得出气升式外环流反应器用于柠檬酸和井冈霉素发酵的可能性。

张庆文等［26］设计了一种改进型外环流气升式反应器，将其应用于从酒精到醋酸一步发酵。通过与普通的气升式环流反应器酒精发酵结果相比较，证明了该改进型气升式外环流反应器在厌氧发酵领域推广应用的可能性。并在此基础上提出进一步改进展望，使其可应用于酒精发酵分离耦合的研究以及作为光生物反应器进行藻类的培养。

2.2 在细胞培养中的应用

由于气升式反应器结构简单，设备造价低，氧传递效率高，剪切力小，因此它比传统的机械搅拌反应器更适合于某些品种的植物细胞培养。与一般机械搅拌式反应器相比，具有如下优点：

（1）液体流动时的剪切应力比机械搅拌反应器低。

（2）反应器结构简单，造价低，无轴封装置，灭菌方便。

（3）能耗及操作费用低。

陈士云等［27］在5L外循环气升式反应器扩大培养新班紫草细胞，第一步生长速率为1.4g/（L·d），第二步生长速率为0.8g/（L·d），说明外循环气升式反应器适合于新疆紫草细胞的大量培养。气升式环流反应器中液相剪切力均一，而且在植物细胞的生长和代谢合成时，为其提供适宜的环境，因此它在对剪切力敏感的诸如动植物细胞培养中得到了广泛的应用。

2.3 在废水处理方面的应用

程树培等［28］研究了在气升式外环流反应器中使用球形红假单胞菌处理味精废水，在连续供气、KLa242H－1，活性炭载体浓度10g/L，HRT12h，进水BOD52 750mg/L的条件下，废水BOD5的去除率达到92%。Fan等［29］研究了气升式外环流膜生物反应器处理厕所污水，结果表明，当平均的污水质量，COD、BOD5、NH4－N、色度、浑浊度为24mg/L，2.4mg/L，5mg/L，30°和0.2NTU 时，色度、COD、BOD5、浑浊度、NH4－N的去除率分别为80%，90%，99%，99.7%，95%。

Essadki等［30，31］在20L气升式外环流反应器中采用高效处理废水的电浮选法从合成及天然的有色纺织品的废水中脱色，并且除去废水和饮用水中的可溶和胶状的污染物。试验中得出，气升式外环流反应器可以很好的实现全体的液体循环并且达到较好的混合条件，是电浮选法处理水并产生氢气的绝佳反器。使用气升式外环流反应器处理废水，无需机械搅拌，不用泵送水，不使用压缩空气，就可以实现气液循环；而在其他的传统的气－液接触设备中是无法实现的。因为外环流的设置，可以允许升气管和降液管的距离较大，这样就使内部颗粒的再循环最小化，有效的改善了浮选能力，因此气升式外环流反应器特别适用于电浮选法处理废水。

Kaustubha等［32］在最新的多级气升式外环流反应器中加入活性炭处理苯酚废水，可以有效的去除废水中的苯酚。与简单的分批吸附系统相比，使用多级气升式外环流反应器在较短的时间内，去除了废水中95%的苯酚。

3 气升式外环流反应器研究前景

近年来，国内外学者对气升式外环流反应器开展了大量的研究工作，开发了一些新型的气升式外环流反应器，取得了一定的进展，如气升式外环流光生物反应器［33］，气升式外环流化学反应器和气升式外环流生物膜反应器等。气升式外环流反应器在诸多领域也得到广泛应用，如在生物工程领域用于动植物细胞及微生物细胞的培养，在环境工程领域用于生活污水和工业废水的处理等。

气升式外环流反应器的传质性能是十分复杂的，现有的研究水平还不足以解决设计和放大问题，真正放大设计应用的例子不多。要使气升式外环流反应器发挥更好的性能，必须在结构上加以改进，探索开发新型内构件，设计操作弹性较大且能适应不同反应体系应用的气升式外环流反应器；联系其它领域的研究成果，开发新型高效节能的气升式外环流反应器；探索表观液速，气含率，循环液速以及混合时间按等对气升式外环流反应器特性的影响规律，优化各操作参数，做到反应器既高效又节能。

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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

石东升（1990－），男，南京工业大学在读硕士研究生。E－mail：shidongsheng319＠126.com

2011－12－10