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醱酵程序上的應用。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提出。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，具網管的19cm新式反應器，在液位高分別為90cm、110cm、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。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%。在盤尼西林的醱酵實驗中，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，更對具菌絲系統黏度的降低，有著相當大的助益。In air-water system, the values of mass transfer coefficient andgas holdup of the proposed reactor (13cm I.D.) were higher thanthose of bubble column above 100%. Besides, in CMC-air system,the new reactor still exhibited significant improvements on masstransfer and mixing behaviors than in bubble column.Experimental data shown that the static liquid height seemed hadlittle effect on the values of mass transfer coefficient and gasholdup. The empirical equations of the gas holdup and masstransfer coefficient with respected to superficial gas velocitywere correlated. The shear stress of the new reactor was lowerthan the bubble column under the gas velocities between 1.0 cm/sand 7.5 cm/s.Modules of net columns were used for the scale upof the new reactor. One module was constituted of two concentricnet columns and one sparger. This idea made the work of scale upeasily and formed a common principle. In the first stage ofscale up, the diameter of the reactor was extended from 13 cm to19 cm. The net tubes were mesh 3 and 1 m height. The diameter ofinner and outer tube was 8.5 cm and 10 cm, respectly. In thesecond stage of scale up, the diameter of the reactor wasextended to 29 cm.