搅拌式生物反应器溶解氧性能研究

【摘要】：搅拌式生物反应器是生物反应器的重要一种,搅拌系统是搅拌式生物反应器的核心装置。在好氧的发酵生产过程中,细胞需要分子态的氧作为呼吸链电子传递系统末端的电子受体,最终与氢离子结合成水并释放出大量能量,供细胞维持生长和合成反应使用。抗生素发酵多数是需氧发酵,氧的传递与摄取和抗生素合成有十分密切的关系。发酵液中氧扩散速率是限制很多抗生素发酵呼吸过程的因素。因此,如何改善溶氧已成为好氧发酵过程控制的重要课题。 本文在30L全自动发酵罐中,通过改变搅拌浆不同组合型式以及通气量和搅拌转速等操作条件,研究水溶液和高粘度CMC溶液的溶解氧性能,找出了容量传递系数Kla比较高的几种搅拌型式。实验结果表面:水溶液和高粘度CMC溶液的Kla随搅拌转速的增加比随通气量的增加升幅较大;相同操作条件下,在低粘度范围(1-100cp)比在高粘度范围(100-200cp)内粘度的增加对Kla的影响更为显著;在水溶液中,双层园盘涡轮平直叶、底层园盘涡轮半圆管叶+上层园盘涡轮平直叶、底层园盘涡轮半圆管叶+上层园盘涡轮箭叶搅拌浆组合的溶解氧性能总体优于底层园盘涡轮平直叶+上层园盘涡轮45°斜直叶和底层园盘涡轮平直叶+上层园盘涡轮弯叶搅拌浆组合,其中尤以双层园盘涡轮平直叶搅拌浆在各种操作条件下的溶解氧性能最稳定;在高粘度CMC溶液中,底层园盘涡轮半圆管叶+上层园盘涡轮箭叶搅拌浆组合整体优于底层园盘涡轮平直叶+上层园盘涡轮45°斜直叶。 通过抗生素发酵罐设计放大实例以及对现有抗生素生产发酵罐搅拌系统改进,即洛伐他汀1m~3中试罐由2层园盘涡轮箭叶改为2层园盘涡轮平直叶、放大设计头孢菌素120m~3发酵罐时采用底层园盘涡轮半圆管叶+上面3层轴向流搅拌器(原36m~3发酵罐为3层园盘涡轮平直叶搅拌器)、大观霉素大生产42m~3发酵罐的搅拌系统由3层园盘涡轮平直叶优化为底层园盘涡轮平直叶+上面一层轴向流搅拌器时,跟踪各相应生产品种洛伐他汀、头孢菌素和大观霉素的发酵单位、发酵液溶解氧、菌丝体浓度、发酵液总糖浓度的变化,实验数据表明:改进搅拌系统后的发酵罐(包括放大设计的发酵罐)的溶解氧整体优于改进前;改进后的发酵单位,洛伐他汀增加40%,大观霉素和头孢菌素也略有增加,并且改进后