生物反應(yīng)器中常常采用機械攪拌式反應(yīng)器，例如頭孢菌素生產(chǎn)過程中用到的種子罐和主發(fā)酵罐常采用機械攪拌。生物反應(yīng)與化學(xué)反應(yīng)的不同點在于它們所處理的對象不同，以細胞生物反應(yīng)器（俗稱發(fā)酵罐）為例，發(fā)酵罐所處理的對象是微生物，它的繁殖、生長，與化學(xué)反應(yīng)過程有很大的區(qū)別。
（1）生物反應(yīng)器都在多相體系中進行，絕大多數(shù)生物反應(yīng)體系包括氣-液固三相，即空氣或CO2等氣體產(chǎn)物、液態(tài)增培養(yǎng)基和生物細胞及其載體的顆粒，如青霉素、鏈霉素、頭孢菌素等醫(yī)藥產(chǎn)品。發(fā)酵液的特點如下。
①黏度是變化的。發(fā)酵開始時，發(fā)酵液的黏度一般不大，流體屬牛頓型流體，隨著發(fā)酵的進行，菌體不斷系列和代謝物的不斷產(chǎn)生，發(fā)酵液的黏度不斷增加，流體從牛頓型流體變成非牛頓型流體。
②生物顆粒具有生命活力。它從環(huán)境中撮營養(yǎng)、獲得能量、自我繁殖。其形態(tài)可能隨著加工過程的進行而變化，如從絲狀變?yōu)閳A球狀，從單細胞到絮凝細胞團等。
（2）大多數(shù)生物顆粒對剪切力非常造敏感，剪切作用可能影響細胞的生成速率和組成比例，因此對攪拌產(chǎn)生的剪切力要進行控制。
（3）大多數(shù)微生物發(fā)酵需要氧氣 氧氣對需氧菌的培養(yǎng)至關(guān)重要，只要短暫缺氧，就會導(dǎo)致菌體的失活或死亡。而氧在水中溶解度極低，因此氧氣的供應(yīng)就成為十分突出的問題。
鑒于上述生物發(fā)酵的特點，機械攪拌發(fā)酵罐常采用通氣式攪拌。對攪拌過程要求：①打碎空氣氣泡，使氣泡細化以增加氣液接觸界面，提高氣液面的傳質(zhì)速率；②發(fā)酵液要有較大的流動循環(huán)量，使液體中的固形物保持懸浮狀態(tài)。為有效利用空氣中的氧，增加氣體在設(shè)備內(nèi)的停留時間，發(fā)酵罐的高徑比往往大于2。因此傳統(tǒng)的發(fā)酵罐常采用多層攪拌器，如多層六直葉圓盤渦輪攪拌器、六彎葉圓盤渦輪攪拌器、六箭葉圓盤渦輪攪拌器等都能取得較好的效果。然而隨著發(fā)酵規(guī)模不斷擴大，采用多層相同徑流型攪拌器的不足就明顯暴露出來。徑作用強，但整個發(fā)酵罐的流動循環(huán)差，影響了發(fā)酵設(shè)備的大型化發(fā)展。
最新研究表明，對通氣式機械攪拌發(fā)酵罐，其攪拌器的要求既要有較強剪切力，又要有較大的流體循環(huán)特性，采用單一的徑流型器是達不到要求的。往往采用徑向流和軸向流相結(jié)合的多層攪拌槳組合式攪拌系統(tǒng)。如下層采用剪切力強的圓盤渦輪式徑流型攪拌器，上層采用循環(huán)量大的軸向流攪拌器，既有利于氣泡的分散，增加接觸界面；又能促進全罐的混合，延長氣體的停留時間，有利于溶氧的速率，提高發(fā)酵單位，增加產(chǎn)量。
應(yīng)于生化發(fā)酵設(shè)備的攪拌器除傳統(tǒng)的直葉圓盤渦輪攪拌器、彎順圓盤渦輪攪拌器、箭葉圓盤渦輪攪拌器外，還有斜葉圓盤渦輪攪拌器也是很好的選擇。斜葉圓盤渦輪攪拌器既有一定的剪切作用，又能產(chǎn)生較強的軸向循環(huán)流，可獲得較好的氣液分散、氣含率和傳熱系數(shù)大，且攪拌功率較小。由于槳葉的傾斜，增大了葉片對氣體的覆蓋作用，泛點轉(zhuǎn)速也較低。因此斜葉圓盤渦輪是一種性能優(yōu)良的器，近年來得到廣泛的應(yīng)用。
另外瑞明公司開發(fā)的A315葉輪以及國內(nèi)開發(fā)的軸向流葉輪是用于氣液分散系的新型葉輪，其特點是在葉輪區(qū)的水平投影上葉片的投影所占的比例（例面積率）達87%（4葉45°斜葉圓盤渦輪為42%）。功率準數(shù)Np值比直葉圓盤渦輪小得多。但這種葉輪的分散能力不如圓盤渦輪，實際上這種葉輪常常與圓盤渦輪組合使用。如在多層攪拌器的發(fā)酵罐中，底層仍用分散性能好的圓盤渦輪，上層采用A315葉輪，增加整罐的混合。應(yīng)用結(jié)果表明，該組合具有能耗低，混合好，可提高發(fā)酵指數(shù)，取得明顯的經(jīng)濟效益。
新近開發(fā)的新型徑流型弧形葉圓盤渦輪特別適用于各種發(fā)酵罐。一般在氣-液分散的操作中，為分散氣體，傳統(tǒng)的攪拌器多采用直葉圓盤渦輪，由于在直葉片的背面附著大量氣穴，使其泵送能力降低。在高氣速下，有時整個攪拌器被氣穴所包裹，攪拌近于空轉(zhuǎn)，效率很低。根據(jù)氣穴理論揭示的氣-液分散機理，開發(fā)的新型弧形葉圓盤渦輪攪拌器，克服了上述缺點，其弧形的葉片使其背面的漩渦減少，抑制了氣穴的形成，具有良好的氣-液分散混合性能。弧形葉圓盤渦輪攪拌器具有下列優(yōu)點。
①載氣能力提高，泛點轉(zhuǎn)速低。
②改善了分散和傳質(zhì)性能，Kla可增大20%～30%。
③由于通氣使攪拌功率下降的程度比其他的葉輪小，攪拌器的泵送能力提高。
目前設(shè)計的發(fā)酵罐，當(dāng)采用多層攪拌器時，其底層攪拌器常常采用弧形葉圓盤渦輪，已取得了很好的效果。
生物技術(shù)產(chǎn)品的應(yīng)用范圍不斷擴展，已廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥工業(yè)，食品工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境保護等領(lǐng)域。作為生物反應(yīng)過程的核心設(shè)備生物反應(yīng)器，對高效節(jié)能攪拌器的研究，是開發(fā)新型反應(yīng)器的中心內(nèi)容。近年來提出了生物反應(yīng)器工程，研究的內(nèi)容包括生物反應(yīng)特性、生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)、操作條件與混合、傳質(zhì)、傳熱的關(guān)系、生物反應(yīng)器的設(shè)計與放大、生物反應(yīng)器的優(yōu)化操作與控制等，生物反應(yīng)器將得到更快的發(fā)展。
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