郭一波
中石化广州工程有限公司 广州510000
摘要：搅拌气升式反应器是一种较为新颖的反应器，本文对其基本结构、原理、关键参数进行了分析，对其应用前景进行了探讨，希望能帮助到相关行业人士。
关键词：反应器；气含率；细胞培养；三相反应
引言：针对于搅拌式和气升式反应器而言，这两种反应器在多方面得以大力使用，比如化工与发酵领域等。对于气升式反应器而言，在气体粘度较低以及温度较为温和的情况下，该种反应器有着较好的应用效果，同时亦存在多种不利因素，比如相间传质不够理想、操作弹性不高等，进而有碍于气升式反应器的发展。
1.搅拌气升反应器概述
对于搅拌气升反应器而言，其是一种生物反应器，由气升式与搅拌式反应器组合而成，该反应器有着较多的构造，主要有进气室以及换热器等。对于混合式反应器而言，主要是基于导流筒，在其中安装搅拌桨得以实现，导流筒源于气升式反应器。如图1所示，为三种反应器结构。对于其中的（c）结构而言，由于气体通气发生于上升区，并不是处于搅拌桨的下面，因此可很好解决气体不通问题。对于搅拌桨而言，有着很多种，比如斜桨以及船用搅拌桨，甚至包括Ph型搅拌桨。由于Ph型搅拌桨耗能不高，而且剪切力并不大，因此得以广泛使用。
图1 三种反应器结构
2.与该反应器有关的参数
对于与该反应器有关的参数，本文主要从液体循环速度、气含率等方面进行分析，以供参考。
2.1液体循环速度
基于反应器的设计，在所有的流体力学参数中，液体循环速度是关键参数，在一定程度上，不但能影响流体混合特性，亦能影响颗粒浓度的均匀，并且和传质系数有着很大的关系。基于对液体循环速度的有关研究得知，在增加黏度的同时，或者是加大固体粒径时，皆会促使液体循环速度减慢；此外，对于液体循环速度与表观气速而言，两者基本上呈正比例关系，也就是在增加气速的同时，液体循环速度随之加快。然而，对于混合反应器来讲，针对于气速和搅拌转速而言，两者能互相制衡，当搅拌转速过快时，在反应器内极容易形成气阻现象。
在表观气速恒定的情况下，在一定范围内，在转速加大的同时，液体循环速度随之加大，但是当转速大于每分钟1000转时，液体循环速度会逐渐下降，直到接近某一数值。此外，在桨速增加的同时，液体循环速度随之加大，对气速的影响并不大，但是在单独气体式的情况下进行操作时，会对表观气速造成影响。由此可以得知，基于液体循环速度而言，搅拌转速对其有着较大的影响，新型反应器的出现，促使传热面积得以加大，而且分布较为均匀，在换热器的内外，不管是料液流动，还是水流流动，皆可视为强湍流运动，由此具备较高的传热效率。一般而言，借助于新型反应器，在一定程度上，有助于提高液体循环速度。
2.2气含率
在流体力学参数中，类似于液体循环速度，气含率亦是根本参数，在一定程度上，可直接影响气泡大小，而且针对于气相与液相，与两者的接触面积有着很大的关系。在气升式反应器中，当加大通气速率时，气含率随之增加，这一点与搅拌速率一样，也就是当搅拌速率加大时，气含率随之加大。一般而言，在通气速率较低时，气含率加大的幅度较大；若通气速率过大，将极容易发生气泡聚并的现象，进而有碍于气含率的加大。针对于通气与搅拌速率，当两者恒定时，当介质浓度增大时，气含率随之减小，降低的极限为55%左右。对于搅拌桨现状而言，在一定程度上，亦可对气含率造成影响，基于此，为促使气含率得以提升，应结合实际生产试验要求，来选取相应的搅拌桨。另外，针对于气升式反应器，可向其中加入静态混合器，同时借助于机械搅拌桨，通过这样的方式，有助于提升气含率，同时可对黏度进行强化，向反应器中传递性能，在此基础上，进而促使传质系数得以加大。
3.有关该反应器的应用
最近几年以来，对于气升式反应器而言，在诸多领域得以应用，比如生物与石油化工、以及发酵行业等，在工业生产中，对于搅拌反应器而言，其占据一定的位置，对于新型反应器而言，仍然处于发展阶段，大部分属于专利产品，在一定程度上，可有效弥补搅拌反应器的不足，在市场中，必然有较大的应用空间。对于该反应器的应用，本文主要从细胞培养、三相反应、污水处理等方面进行探讨，以供参考。
3.1细胞培养
在剪切力方面，相比于微生物而言，动植物细胞较为敏感。基于此，针对于生产与剪切力，两者之间的矛盾得到人们的高度重视。若气升式反应器具备较低的搅拌速率，有助于对细胞悬浮的强化，在对紫草细胞进行培养时，有着较好的应用效果。在对檀香木细胞进行培养时，充分借助于提升式搅拌器，有助于提高产物的浓度，一般可达到每升31.5毫克。对于杂合式反应器而言，是一种混合反应器，由搅拌式与气升式反应器组合而成，容积大小在5升左右，在对植物细胞进行培养时，且要求细胞具备较高的密度时，可采用该种反应器。在对动物细胞进行培养时，采用气升式反应器，该反应器附带机械搅拌，有助于提高细胞的成活率。为延长细胞悬浮时间，可采用低速搅拌桨得以实现，而且可达到优化相间传质的目的。
3.2三相反应
在以下情况下，不适用气升式反应器，也就是发酵液中存在诸多固体，以及在三相反应中含有大量的催化颗粒。然而新型反应器的出现，促使复合反应器在该领域得以使用。基于多相气升式反应器，对有关参数进行研究，比如气含率以及颗粒直径等，得出以下结论：针对于气含率，在多相气升式反应器中，不但存在临界气速与颗粒直径，同时亦存在临界固含率，在此情况下，当固含率增加的同时，气含率随之增加。针对于三相气升式反应器，在GLC氧化反应中，对有关参数进行研究，比如气速以及氧浓度等，得知在所有的参数中，搅拌速率有着较大的影响。在反应速率方面，相比于将氧气视为进料气体，同时不进行搅拌而言，将空气视为进料气体，并且有着一定的转速，后者反应速率较高。
3.3污水处理
对于气升式反应器而言，在污染物控制方面，得以广泛使用，而且在硝化过程方面，亦得到一定程度的拓展。实际上，对于硝化过程而言，利用这种复合反应器，应用效果并不是很理想。这主要由于硝化过程耗氧较多，然而对于气升式反应器而言，其氧传递难以满足硝化需求，基于此，对反应器结构进行适当调整，并且对供氧方式进行优化，有助于解决供氧问题，深入挖掘该反应器的潜能。与一般气升式反应器相比而言，合理应用新型反应器，不但可提高传质系数，同时亦可有效增加有关参数，比如氧转移效率，因此可以说，该反应器具备较大的应用空间，有着较为乐观的市场。
结论：通过以上的分析可以得知，基于液体循环速度而言，搅拌转速对其有着较大的影响，新型反应器的出现，促使传热面积得以加大，而且分布较为均匀，传热效率因此得以提高；针对于气升式反应器，向其中加入静态混合器，同时借助于机械搅拌桨，有助于提升气含率，同时可对黏度进行强化；对反应器结构进行适当调整，并且对供氧方式进行优化，有助于解决供氧问题。
参考文献：
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[2]席仁荣,吴振强.搅拌气升式生物反应器的研究进展[J].化工进展,2018(02):218-222.
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