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转鼓式生物反应器的混合特性及应用; Mixing Characteristics and Application of a Rotating Drum Bioreactor
谭通
学位类型工程硕士
导师丛威 ; 王智慧
2015-04
学位授予单位中国科学院研究生院
学位专业生物工程
关键词转鼓式生物反应器 激光粒子测速法 传质系数 体积功耗 脱钙率
摘要随着能源危机和环境问题的日益严重,微生物反应由于具有成本低及环境友好等特点越来越受到重视。微生物催化领域的研究主要集中在微生物反应机理或工艺方面,针对反应器的研究所占比例不足5% [1]。生物反应器作为生物技术产业化的重要组成部分,其研究开发对于当前的能源环境问题具有重大的现实意义。 目前工业上的搅拌罐式反应器直接借鉴于化工领域,存在剪切高、颗粒碰撞强度大、功耗高、且颗粒密度、粒径要求严格等问题。许多自催化反应体系的要求(如剪切温和、高固含率、高粘度等)不能得到很好的满足。传统反应器应用于高粘度体系存在混合不均、传质效率低且功耗高的问题,低粘度体系中也难以解决高固含率条件下保持高生物活性的矛盾。转鼓式反应器能够以物料提升的方式实现不同密度颗粒之间的良好混合、利用重力做功节约能耗、提供较温和的菌体生长环境,在固态发酵等不含游离水的体系中已得到成功的应用。反应器的流动特性影响着传递和剪切碰撞等影响微生物自催化反应的关键因素,对于生物反应器的放大及性能优化具有重要意义。但是,由于缺乏对转鼓式生物反应器中液/固体系流动特性的研究,目前转鼓式反应器应用于液/固体系的研究刚刚起步,其流动混合特性与物料特性、反应器结构及操作条件间的对应关系的缺乏,限制了转鼓式反应器的进一步发展和工程应用。 本文针对物料的物理性质、反应器的结构及操作条件对转鼓式反应器的流动混合特性的影响进行了基础研究。采用粒子示踪测速法在18 L转鼓式生物反应器中考察了转速和挡板数、挡板类型和角度对转鼓流场的影响。结果表明,较低粘度(自来水和L-乳酸水溶液)体系下,垂直鼓壁安装8块直挡板、转鼓转速调至8 r/min时获得混合较优的流场及较低的功耗。与低粘度体系相比,高粘度8 g/L黄原胶溶液(γ=9.3 s-1时,表观粘度η=1180 mPa·s)体系中流场分布更均匀,剪切更温和,转鼓式生物反应器在高粘度发酵领域具有应用潜力。 除混合性能外,气液传质也是限制生物催化效率的关键因素。 本文应用非稳态法考察了转鼓式生物反应器在以黄原胶为代表的高粘度发酵体系中的传质性能。实验结果表明:在转速4-20 r/min范围内,传质系数随转速增加先增后降,在转鼓体积功耗随转速的增加而增加;通气可有效提高传质速率,通气速率为1 vvm时可使体积溶氧传质系数提高至未通气时的6倍,通气速率对转鼓体积功耗的影响可忽略不计;黄原胶质量分数0.5%-3%范围内,转鼓最高传质系数随着质量分数的增加而减小,最高传质系数对应转速随质量分数增加而增加,转鼓体积功耗随质量分数的增加而增加;将直挡板换成交错斜挡板以及增加挡板数目能够实现较低功耗损失下大幅的传质系数提高。与搅拌罐式反应器相比,转鼓式生物反应器应用于黄原胶发酵体系能够在保证黄原胶发酵需求的基础上大幅节约功耗,通过增加挡板数目及优化挡板结构能够提高转鼓的气液传质性能。转鼓式生物反应器在黄原胶发酵领域可能具有较好的应用前景。 提高固含率也是节约能耗提高效率的一个有效途径。通过摇瓶预实验考察了固液比、颗粒尺寸、接种条件对虾蟹壳乳酸共发酵体系的影响,实验结果显示,固液比0.20 g/mL、蟹壳颗粒尺寸0.60-3.50 mm条件下,乳酸发酵效果较好;以蟹壳充当中和剂的乳酸发酵体系抗菌能力较强。转鼓式生物反应器应用于虾蟹壳乳酸共发酵体系能够在固液比0.20 g/ml条件下实现66.8%的脱钙率,具有良好的应用前景。 关键词:转鼓式生物反应器,激光粒子测速法,传质系数,体积功耗,脱钙率
语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.ipe.ac.cn/handle/122111/20357
专题研究所(批量导入)
推荐引用方式
GB/T 7714
谭通. 转鼓式生物反应器的混合特性及应用, Mixing Characteristics and Application of a Rotating Drum Bioreactor[D]. 中国科学院研究生院,2015.
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