Abstract
一個設計良好的生化反應器，除了可以提供微生物良好的生長環境外，更可以兼顧動力以及空間的限制，不致造成經濟上的過度負荷。傳統氣泡塔雖然具有較溫和的剪力環境，然而較差的氧氣質傳，卻往往限制了其適用範圍。為了提高氣泡塔的氧氣質傳性能以及混合效果，本研究提出了雙網狀導管氣舉式反應器的新式設計，並且進行規模放大的測試及其在盤尼西林發酵程序上的應用。 反應器的性能藉由一系列的性能指標來評估。包括氣體佔有率、體積質傳係數及混合時間等。受測系統包括牛頓流體、非牛頓流體以及三相流體。 經由實驗證實，使用直徑為13公分的雙網管反應器，可以將相同規模的氣泡塔在水－空氣系統中的質傳係數及氣體佔有率，提昇一倍以上。同時在CMC水溶液－空氣系統及三相系統中，也有顯著的提昇效果。 雙網管反應器在不同的起始液位高度下，其氣體佔有率及氣液質傳係數的變化均不大。液位高度在1.5公尺以下的氣體佔有率及質傳係數，對氣體流速的經驗關係式分別為： (ξ)=-0058+4.53uG及(kLa)=0.78 (uG)0.78 (LH)-0.15。此外，在氣體流速介於0.01m/s及0.075m/S時，新反應器的剪應力小於氣泡塔。 在反應器的規模放大方面，吾人提出模組化的放大構想，將每一組同心網管與一具氣體分散器，共同組成一個模組。使得規模放大變得更為容易，並可形成本類型反應器的通則。 放大的第一階段，反應器直徑由13公分放大至19公分，內外網管直徑為8.5公分及10公分，網管長度1公尺。放大的第二階段，反應器直徑由19公分放大至29公分，網管採模組化排列。每一組網管直徑分別為６公分及8.5公分，長度固定為２公尺。結果發現，其網管的19cm新式反應器，在液位高分別為90cm, 11Ocm, 160cm時，其氣－液質傳係數均高於傳統氣泡塔，最高提昇率可達70%。 在內徑29公分的複式雙網管反應器的研究中，發現質傳係數在低氣體流速時領先氣泡塔約30%左右。氣體佔有率受反應器內徑及起始液位高度的影響並不大。液位在1.5公尺以下的雙網管反應器之質傳係數，可以用如下的經驗關係式來估算。 kLa=1550 (uG)0.67 (LH)-0.028 (Dc)0.11 在液相混合時間方面，複式雙導流網管反應器的液相混合時間，隨著氣體流速提高而迅速下降，而其值則略低於氣泡塔。在相同的氣體流速中，新反應器具有較小的氣泡直徑，氣泡數目高過氣泡塔約50%。 在盤尼西林的酸酵實驗中，雙網狀導管反應器確實可以有效的解除菌體在生產相時的溶氧限制。因為溶氧充足，盤尼西林順利分泌。同時，網管的存在有助於菌體固定化，更對其菌絲系統黏度的降低，有著相當大的助益。