介紹已開發成功並在檸檬酸生產中推廣套用的噴環式好氧發酵罐，本技術突破了傳統的通用式發酵罐的傳質機理和設計技術，具有增產、節能、降耗的顯著效果。
概況
中國於60年代開始研製檸檬酸，70年代初進行工業化生產，至今已歷經30多年的發展和努力。但發酵生產中的關鍵生化反應設備——發酵罐較為陳舊，大多仍沿襲50年代蘇聯提供圖紙為蘭本的傳統的通用式發酵罐，攪拌裝置和通氣裝置較為落後的現狀。
浙江省石油化工設計院和杭州檸檬酸廠根據檸檬酸發酵生產的工藝特點，從1995年初起，共同開發《噴環式好氧發酵罐在檸檬酸生產上的套用研究》這一省重點課題，並於1996年底通過省級鑑定。近4年來已在國內、外檸檬酸廠及其它製藥，食品和輕化工行業10餘家生產廠成功推廣套用。
2 機理與特性
眾所周知，檸檬酸發酵是黑曲酶素代謝過程失調的一種特殊過程，這種失調來源於營養條件(原材料的質量、數量)，環境條件(生產工藝條件和設備的合理性)以及細胞化學組成、結構和酶系的一系列複雜變化，在這一複雜的生化反應過程中，通氣和攪拌是整個檸檬酸發酵過程中的兩個重要參數，它不僅影響到溶氧水平，而且影響到發酵體系的傳質和菌體的形態，最終必將影響到產酸水平。由於檸檬酸菌體是好氧性微生物，在其菌體生長發育和生物合成過程中需要氧，菌體長得愈旺盛，氧的需要量就愈大，但氧氣是難溶於水的。氧氣由氣相擴散至細胞內部總的推動力為飽和氧濃度與發酵液中氧濃度之差，主要阻力為液膜阻力，因此，氧在擴散過程中屬於液膜控制，氧的傳遞方程式為：
KLa(C0－C1)=r
式中
KL——總傳質係數 m/h
a——氣、液二相接觸比表面積(即單位液體中氣泡的總面積)m2/m3
C0——飽和氧濃度mM/l
C1——發酵液中氧濃度 mM/l
r——攝氧率 mM/l．h
可見，單位發酵液體積中的所有細胞在單位時間內的耗氧量(攝氧率)與傳質係數，氣、液比表面積，飽和氧濃度和發酵液中氧濃度密切相關。而容量傳質係數KLa與發酵罐的通氣、攪拌和發酵液粘度有關，其關係方程式為：
KLa=k[(P/V)α(VS)β(ηapp)－W]
式中
K—係數
P/V——發酵液消耗功率KW/m3
VS——空氣線速度 m/h
ηapp——發酵液粘度 μ．106
αβW——與空氣分布器、攪拌器型式有關的指數
顯然，若要提高氧的傳統遞係數，必將提高攪拌功率和增加通氣量。對於攪拌功率P，它與發酵液的動壓頭H、翻動量Q和重度r有關，可視為：
P=HRQ≈HQ
一般說來，增加動壓頭有利於氣泡的粉碎，增大翻動量有利於氣、液二相的混合，欲同時增大H、Q值，勢必相應增加攪拌功率。同樣，提高容量傳質係數必須增大氣、液二相的接觸比表面積a，這又取決於氣泡的粉碎程度。當單個氣泡的直徑dB>0.006m時，其氣泡直徑與上升速度的關係方程為：
VB=5dB＋0.2
式中
VB——氣泡上升速度 m/s
dB——氣泡直徑 m
可見減小氣泡直徑，有利於氣、液二相比表面積的增加、接觸時間的增長和容量傳質係數的提高。然而當今傳統的通用式發酵罐所採用的任何通氣裝置，其氣泡直徑隨著通氣量的增大而增大，氣泡上升速度也隨之增大；氣泡粉碎程度卻並不隨著攪拌轉速的增加而增大，它只能維持在同一個數量級上。因此，增大通氣量和增加攪拌功率對容量傳質係數不僅不可能有較大幅度的提高，相反將導致大量能源的消耗和產品成本的提高。
噴環式好氧發酵罐基於上述反應機理基礎上，罐底設定氣——液型噴射混合攪拌裝置和環流反應器，氣——液型噴射器是該裝置中的關鍵部件，其結構型式和流動模型如圖1所示。當通入發酵罐內壓力為P1的壓縮空氣PP從收縮型噴組噴出，在其靜壓能轉換為速度能的同時，使噴射器吸入口的壓力降低到P1，在壓縮空氣的噴射作用下，將重度為r1的發酵液VL吸入並隨空氣一併進入噴射器擴散管，在擴散管喉部，氣、液二相由初步的混合發展為激烈的混合震盪並產生氣體動力沫化和壓力沫化，使發酵液和空氣被粉碎成大量的微小粒群，造就氣液間一個高度湍動、擴展且表面不斷更新的乳化界面，試驗表明：氣泡直徑隨著通氣量VP的增大或噴咀推動力(PP－P1)的增加而減小，乳化程度加劇。以後隨著擴散管擴張斷面的增大，流速下降，靜壓能得以逐步恢復，依靠噴射器擴散管出、入口處的壓力差(P2－P1)和重度差(r1－r2)，並藉助於噴射器的切線布置結構，使氣液二相混合物產生與機械攪拌器旋轉方向一致的徑向全循環的噴射旋流運動。爾後進入環流反應器，依靠導流筒內、外氣液混合物的重度差和靜壓力差，再次實現氣液混合物的軸向環流運動，以增長氣液二相的接觸時間，縱觀全床，球型小氣泡群似蜂窩狀向上浮動，在上浮過程中，氣泡之間因互相碰撞、合併，直徑增大，當氣泡上升到與機械攪拌器相遇時，被再次粉碎並隨發酵液混合翻動，最後從液面逸出經排氣口排出。顯然，噴環式好氧發酵罐在生化反應過程中具有深層乳化操作，全床產生小氣泡群與高氣含率的傳質特點和氣液二相混合物徑、軸向流的流動特性。
相關詞條
參考連結
1、http://www.helixnet.cn/archiver/tid-2721.html
2、http://scitech.people.com.cn/GB/other2137/
3、http://book.sina.com.cn/nzt/spi/gongzuodna/
