摘要对外循环气升式生物反应器的气含率进行了试验研究，得出了气含率与操作条件之间的关联式。在此基础上，进行了井冈霉素发酵试验，并与10L机械搅拌生物反应器进行了比较，实验结果表明：当外循环气升式生物反应器的空气喷嘴直径为1.5和3.0mm时，井冈霉素的发酵效价分别为19975和18950u/ml，而10L机械搅拌生物反应器的井冈霉素发酵效价为19630u/ml。因此，将气升式生物反应器应用于井冈霉素的发酵是一项值得研究的工作。

Experimental studies on gas holdup in an external-loop airlift bioreactor

and its application to jinggangmycin fermentation

Zheng Yuguo，Wang ZhaoandChen Xiaolong

(Institute of Bioengineering, Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310014)

ABSTRACTGas holdup in an external-loop airlift bioreactor was investigated, through which an experimental characteristic equation was obtained. The experiments of jinggangmycin fermentation were carried out using the external-loop airlift bioreactor and the mechanically stirred tank bioreactor, respectively. After a total fermentation time of 45h, fermentation titres of 19975 and 18950u/ml jinggangmycin were obtained in the external-loop airlift bioreactor with a sparger hole diameter of 1.5 and 3.0mm, respectively, as compared to 19630u/ml in the mechanically stirred tank bioreactor.

KEY WORDSJinggangmycin；Bioreactor；Airlift

生物反应器种类很多，特点各异，以不同的方式提供给细胞适宜的生长环境。生物反应器设计的主要目标是使产品的质量高、成本低。这就需要反应器的投资小、介质充分混合、氧传递速率高、能量消耗低。气升式生物反应器便是高效低能耗的一种。气升式生物反应器是利用喷射动能和流体在反应器内的重度差造成流体循环流动，从而实现培养液的搅拌、混合和溶氧。其特点为：结构简单、加工安装方便、密封性能好、染菌机会小、电耗低，是一种气搅拌生物反应器，具有机械搅拌生物反应器(通用式发酵罐)不可比拟的优点。因此，对各种形式的气升式生物反应器的开发研制和研究越来越多地引起各国专家和学者的重视，并在生物工程领域中的一些产品中得到了初步应用，如单细胞蛋白^［1］、维生素^［2］、氨基酸^［3］等。但是，综合国内外文献^［1～6］，将气升式生物反应器应用到抗生素发酵和带醪渣或粗粮发酵中的报道并不多见。

井冈霉素是吸水链霉菌井冈变种(S.hygrosco-picus var. jinggangensis Yen.)的代谢产物为氨基糖苷类抗生素^［7，8］。自1973年被发现以来，一直使用机械搅拌发酵罐发酵生产，功率消耗较大。若能用气升式生物反应器代替机械搅拌发酵罐，在井冈霉素发酵生产中得以应用，必将能降低生产成本，促进抗生素工业的发展，具有重要的现实意义。

本文通过对自制的不锈钢外循环气升式生物反应器气含率的试验研究，并将其应用到井冈霉素的发酵中，以考察其发酵性能，旨在为气升式生物反应器的推广应用提供一定的依据。

1材料与方法

1.1试验装置

外循环气升式生物反应器的总容积为11.5L，上升管与下降管的直径之比(D/d)为6.6，罐体高径比(H/D)为2.9，用不锈钢制造，通风量可调，温度可自动控制检测。其结构可参考文献^［9］。

与外循环气升式生物反应器作对比试验的机械搅拌生物反应，高径比为2.0，全容积为10L，三档平直叶搅拌器搅拌，转速、通风量可调，温度可自动控制检测。

上述两种生物反应器均可补料补油，并配有蒸汽发生系统、空气除菌系统。

1.2菌种与培养

1.2.1菌种链霉菌井冈变种(S.hygroscopicus var. jinggangensis Yen.)，系本实验室保藏菌。

1.2.2培养基及培养条件

斜面培养基及培养条件：葡萄糖1.0%，L-天冬酰胺0.05%，磷酸氢二钾0.05%，琼脂2.0%，pH7.0，灭菌接种后置恒温箱38～40℃下培养3～4d。

摇瓶种子培养：500ml三角瓶内装种子培养基40ml，其组成为：大米粉3.0%，豆饼粉2.2%，酵母粉1.0%，氯化钠0.2%，磷酸氢二钾0.08%，灭菌接种后，在回转式摇床上(回转速度200r/min)38～40℃下培养20～25h。

发酵罐发酵：发酵培养基组成为：玉米粉9.0%，豆饼粉4.0%，酵母粉0.5%，磷酸氢二钾0.1%，氯化钠0.1%，消沫油0.1%，经121℃、20min灭菌后，冷却到39±1℃，接入8%摇瓶种子液。发酵罐的培养条件为：罐压0.05MPa，通风量：气升式1∶1.1vvm，机械搅拌式1∶0.8vvm，搅拌转速300r/min，温度39±1℃，培养时间45h。

1.3分析和测量方法

总糖和还原糖采用DNS试剂比色法测定；总氮采用凯氏定氮法测定；井冈霉素效价采用分光光度法测定；pH采用精密试纸测定；氨基氮采用甲醛法测定；气含率采用高度法测定。

2结果与讨论

2.1外循环气升式生物反应器气含率

对于气-液-固多相反应设备，气含率是表征流体力学的关键参数，它影响了气液两相流动和气泡上升速度。本文实验以空气作为气相，水、羧甲基纤维素钠(CMC)水溶液为液相，同时以空气-水体系作为基准进行比较，采用NDJ-4型旋转粘度计测定不同CMC浓度下的液相粘度。影响气含率的因素很多，本文主要研究通风量、装料量、粘度、罐内压力对气含率的影响，结果如图1～7所示，其中图1、图5～7是在空气-水物系中得到的结果。

图1不同装料量下气含率与通风量的关系

1：Vl=8.5L；2：Vl=9.0L；3：Vl=9.5L

图2不同粘度下气含率与通风量的关系

(Vl=9.01L)

1：μ=20mPa·S；2：μ=30mPa·S；

3：μ=40mPa·S；4：μ=50mPa·S

图3不同粘度下气含率与通风量的关系

(Vl=8.5L)

1：μ=20mPa·S；2：μ=30mPa·S；

3：μ=40mPa·S；4：μ=50mPa·S

图4气含率与粘度的关系

1：Vg=400L/h(Vl=8.5L)；2：Vg=800L/h(Vl=8.5L)；

3：Vg=400L/h(Vl=9.0L)；4：Vg=800L/h(Vl=9.0L)；

5：Vg=600L/h(Vl=8.5L)；6：Vg=1000L/h(Vl=8.5L)；

7：Vg=600L/h(Vl=9.0L)；8：Vg=1000L/h(Vl=9.0L)

图5不同通风量下气含率与装料量的关系

1：Vg=400L/h；

2：Vg=600L/h；

3：Vg=800L/h

图6不同装料量下气含率与罐内压力的关系

1：Vl=8.5L；2：Vl=8.75L；

3：Vl=9.0L

图7不同通风量下气含率与罐内压力的关系

1：Vg=1000L/h2：Vg=800L/h；

3：Vg=600L/h

从图中可以看出：

(1)在同一装料量下，随着通风量的增加，气含率随之增加，在高通风量下气含率的变化趋势减缓，当通风量在800L/h之下时，气含率随通风量几乎呈线性变化；实验中还观察到，在高通风量的情况下，反应器上部气液两相分离明显，两相流动不稳定；

(2)料液粘度的增大将引起气含率的减小，通风量越高，减