高效換熱器在生物反應器中的應用

李干祿，李 輝，韋 策，陳可泉

(南京工業(yè)大學 生物與制藥工程學院，江蘇 南京 211800)

生物反應器(bioreactor)是進行微生物代謝或催化反應的場所，是生產(chǎn)過程將原料轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物的關鍵設備，能夠提供細胞生長、繁殖和代謝的物理、化學環(huán)境，是整條生物工藝過程的核心環(huán)節(jié)[1]；設備結(jié)構(gòu)簡單、成本低是生物反應器研究者的主要目標。在生物發(fā)酵生產(chǎn)過程中，菌種、發(fā)酵設備和發(fā)酵工藝是影響發(fā)酵產(chǎn)品的主要因素。在發(fā)酵過程中的傳質(zhì)、傳熱嚴重影響著微生物的生理生化反應，決定著發(fā)酵產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量[2-4]。所以，生物反應器的傳熱特性研究對其設計應用至關重要。而傳統(tǒng)式生物反應器主要采用夾套(jacketed heat exchanger)或列管式換熱器(tube heat exchanger)[5]進行滅菌或控制體系溫度，但是夾套或列管式換熱器具有傳熱系數(shù)低[6]、能量利用率低、溫度控制精度較低等缺點。板翅式換熱器(plate-fin heat exchanger)是一種高效換熱器，它通過翅片提高了換熱面積，其總的換熱系數(shù)(coefficient of heat transfer)顯著高于夾套或列管式換熱器。但是，有關高效換熱器在生物反應器中應用，國內(nèi)外鮮有報道。

歐陽平凱等[7]研究了氣泡塔生物反應器(bubble bioreactor)中傳熱特性，推導出使用牛頓流體和非牛頓流體計算給熱系數(shù)的一般理論模型，同時利用熱探針測定不同工況條件下氣泡塔的給熱系數(shù)。

冉亮[8]研究了12.5 m3搪瓷氯化釜(enamel kettle of chlorination)傳熱系數(shù)，用熱水通過夾套加熱反應釜中的物料，通過測定反應釜內(nèi)物料溫度以及夾套進出口溫度，然后利用牛頓差值法處理數(shù)據(jù)，算出夾套傳熱系數(shù)為333.7 (W/m2·℃)。

何德員[9]研究了12 m3攪拌式生物反應器(mechanical stirred bioreactor)的不同換熱器的傳熱系數(shù)，發(fā)現(xiàn)了蛇管換熱器(coil heat exchanger)的傳熱系數(shù)為350～520 W/(m2·K)。

李媛[10]研究了平直翅片、鋸齒翅片和波紋翅片換熱器的表面?zhèn)鳠岷土鲃幼枇Q熱系數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)板翅式換熱器的總傳熱系數(shù)高于常規(guī)的夾套和立管式換熱器，甚至高出幾倍。

本文中，所用的板翅式換熱器的翅片材質(zhì)為石墨改性碳纖維增強四氟乙烯板，制作工藝為先用厚度2 mm、長為2 000 mm、寬200 mm不銹鋼板上面將翅片真空釬焊成型，再用亞弧焊封裝厚度2 mm不銹鋼。換熱器安裝時，先將發(fā)酵罐里的擋板拆除，然后將制作成型的單片換熱器安裝在原擋板處，再用不銹鋼管將單片板翅式換熱器采用并聯(lián)方式連接成整體，最后將管道引出發(fā)酵罐外面與蒸汽或冷卻水管對接，考察這種方式下的傳熱現(xiàn)象，為進一步應用奠定基礎。。

1 實驗裝置及方法

1.1 實驗裝置流程

生物反應器傳熱研究的實驗裝置示意圖如圖1所示，實驗裝置分為反應器系統(tǒng)裝置和數(shù)據(jù)測控裝置。反應器系統(tǒng)裝置包括空壓機、空氣儲罐和罐體部分，數(shù)據(jù)測控裝置包括加熱功率測控系統(tǒng)、溫度測控系統(tǒng)以及攪拌功率測控系統(tǒng)?？諝馐墙?jīng)過空壓機壓縮后由空氣分布器進入反應器，攪拌器以一定速度旋轉(zhuǎn)使反應液剪切和湍流，實現(xiàn)氣液混合和傳質(zhì)傳熱。

1.2 設備及儀器

攪拌反應器(250 L)、列管換熱器(0.1 m2)、溫度采集控制器，南京宏泰水處理有限公司；空壓機(VT8-9)，上海英格索蘭壓縮機有限公司；板翅式換熱器(0.1 m2)，南京瑞科特熱能設備有限公司；電熱棒(WYD2000)，江蘇威儀達儀器儀表有限公司；空氣儲罐(GB250-2012)，南京空壓機制造有限公司；空氣流量計(LZB-35)、液體流量計(LZB-20)，南京儀表廠；溫度表(TES1310)，上海平軒科學儀器有限公司；熱電偶探頭(PT100)，德國賀利氏公司。

1—空壓機;2—空氣儲罐;3—安全閥;4—空氣流量計;5—氣體分布器;6—攪拌葉輪器;7—列管換熱器進水流量計;8—列管換熱器出水溫度表;9—溫度采集系統(tǒng);10—立管換熱器進水溫度表;11—板翅式換熱;12—熱電偶溫度探頭;13—板翅式換熱器出水溫度表;14—板翅式換熱器出水溫度表;15—板翅式換熱器進水流量計;16—反應器溫度控制系統(tǒng);17—電熱棒;18—攪拌反應器;19—扭矩傳感器;20—電機圖1 生物反應器傳熱裝置Fig.1 Schematic diagram of heat exchanger of bioreactor

1.3 實驗方法

1.3.1 氣含率的測定方法

采用壓差法來測定反應器中的氣含率。在反應器筒體取兩點，用U型壓差計測出兩點的壓差和垂直距離，利用式(1)算出反應器中的氣含率。

(1)

式中：εT為平均氣含率，ΔP為壓差，ρL為液相密度，ρG為氣相密度，g為重力加速度，h為液面高度。

1.3.2 黏度的測定方法

羧甲基纖維(簡稱CMC)水溶液的表觀黏度用美國Brookfield公司生產(chǎn)的旋轉(zhuǎn)黏度儀來測定，表觀黏度(μap)的計算見式(2)。

(2)

式中：K為稠度系數(shù)，n為流動指數(shù)，γ為剪切速率，τ為剪切力。CMC水溶液的表面張力用平板表面張力儀測定。

1.3.3 轉(zhuǎn)速的測定方法

攪拌轉(zhuǎn)速通過測速儀測定。

1.3.4 傳熱系數(shù)測定方法

換熱系數(shù)的測定裝置如圖1所示，在250 L有機玻璃反應器中，反應器內(nèi)液體溫度、2種換熱器冷卻水進口溫度和進水流量均保持恒定，利用反應溫度控制系統(tǒng)維持反應器內(nèi)溫度不變的情況下自動調(diào)節(jié)加熱棒的加熱功率，同時觀察2種換熱器的出口溫度，當加熱棒的功率和換熱器的出口溫度以及反應器內(nèi)的溫度恒定，并且2種換熱器的換熱面積保持一致時，再通過式(3)和(4)計算傳熱系數(shù)。

(3)

(4)

式中：k為換熱器的傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；Q為加熱棒的功率，kW；A為換熱器的傳熱面積，m2；Δtm為對數(shù)平均溫差，℃；t1為換熱器冷卻水進口溫度，℃；t2為換熱器冷卻水出口溫度，℃；T為反應器內(nèi)物料溫度，℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 不通氣情況下2種換熱器的傳熱系數(shù)

轉(zhuǎn)速顯著影響著反應器內(nèi)的湍流強度和漩渦，同時湍流強度和漩渦是影響換熱器表面換熱的關鍵因素?？疾觳煌D(zhuǎn)速對2種換熱器傳熱系數(shù)的影響，結(jié)果見圖2。

圖2 不同轉(zhuǎn)速對板翅式和列管式換熱器 傳熱系數(shù)的影響Fig.2 Effects of different revolving speeds on heat transfer coefficient of plate-fin and tubular heat exchanger

由圖2可知，由于板翅式換熱器內(nèi)部翅片的作用，大大提高了換熱器的傳熱效果，換熱系數(shù)提高了5～6倍。主要是因為板翅式換熱器主要換熱元件是翅片，流體在板間網(wǎng)狀的流道內(nèi)流過，在流速的作用下，引起強烈的湍流，據(jù)報道，在0.1 m2的范圍內(nèi)就可以分布幾百個“旋渦”。同時結(jié)果表明，當雷諾數(shù)等于200時，板翅式換熱器的板間就可以形成湍流[11]。根據(jù)流體力學原理，當流體處于湍流狀態(tài)時，流體的邊界滯流層就變薄，從而大大地減小熱阻，有效地強化傳熱[11]。同時發(fā)現(xiàn)，隨著攪拌轉(zhuǎn)速的提高，2種換熱器的總傳熱系數(shù)都不斷提高，但到達一定轉(zhuǎn)速后，換熱器的總傳熱系數(shù)趨于平穩(wěn)，主要原因是在攪拌器的推動下，反應器內(nèi)流體的湍流程度不斷提高，流體流速不斷增大，流體的雷諾系數(shù)也不斷加大，換熱器表面的滯流邊界層被破壞，換熱器熱阻降低，從而提高傳熱效果。

2.2 氣含率對換熱器傳熱系數(shù)的影響

在通氣的情況下，反應器的通氣量和攪拌轉(zhuǎn)速改變會影響反應器內(nèi)的氣含率，2種換熱器不同氣含率的傳熱系數(shù)如圖3所示。

圖3 不同氣含率對板翅式和列管式換熱器 傳熱系數(shù)的影響Fig.3 Effects of different gas holdups on heat transfer coefficient of plate-fin and tubular heat exchanger

由圖3可知，攪拌轉(zhuǎn)速恒定的情況下，2種換熱器的傳熱系數(shù)都隨著氣含率的增大而增大，因為通氣量的增大增加了反應器內(nèi)流體的擾動，強化了流體的湍流效應，同時氣泡不斷沖刷流體與換熱器件之間的邊界層，減小了流體的熱阻，提高了傳熱效果。由圖3還發(fā)現(xiàn)，隨著氣含率的增大，板翅式換熱器傳熱系數(shù)的增幅高于立管式換熱器傳熱系數(shù)的增幅，原因在于板翅式換熱器內(nèi)部的給熱系數(shù)比較高，外表面的給熱系數(shù)在呈幾何倍數(shù)增加，總傳熱系數(shù)也會呈幾何倍數(shù)增加。同時還發(fā)現(xiàn)2種換熱器在氣含率達到一定程度時，換熱器的傳熱系數(shù)會出現(xiàn)下降趨勢，隨著氣含率的不斷提高，很多小氣泡會附著在換熱器的表面，加大了換熱器的熱阻，影響了換熱器的傳熱效果，結(jié)果與李紅波等[12]研究鼓炮塔傳熱系數(shù)的結(jié)論相一致。

由圖2和圖3可知，2種換熱器都表現(xiàn)為通氣的傳熱系數(shù)比不通氣高出2～3倍。

2.3 黏度對換熱器傳熱系數(shù)的影響

影響換熱器傳熱系數(shù)另一個主要因素就是反應器內(nèi)流體的黏度，本研究采用1% CMC水溶液模擬非牛頓流體，結(jié)果如圖4所示。

圖4 在1%CMC溶液中不同通氣量對板翅式和 列管式換熱系數(shù)的影響Fig.4 Effects of different ventilations on heat transfer coefficient of plate-fin and tubular heat exchanger in the 1% CMC solution

由圖4可發(fā)現(xiàn)，在1% CMC水溶液中，2種換熱器的傳熱系數(shù)明顯比在水相中的傳熱系數(shù)低，同時2種換熱器的總傳熱系數(shù)都隨著通氣量的增大而提高，但隨著反應器的通氣量增加到一定程度，傳熱系數(shù)都下降。這是因為反應器內(nèi)物料黏度增大，導致反應器內(nèi)流體的流動變慢，增大了流體與換熱器件之間的邊界層厚度，同時也使溶液中氣體的擴散變得困難，大量小氣泡聚并形成大氣泡，導致溶液中局部氣速過快而影響了整體液速，增大了換熱器表面的熱阻，降低了整體傳熱效果。

2.4 攪拌轉(zhuǎn)速與通氣對換熱器傳熱系數(shù)影響

考察攪拌轉(zhuǎn)速和通氣對換熱器傳熱系數(shù)的影響，結(jié)果見圖5。由圖5可知，當攪拌轉(zhuǎn)速較低時，增大通氣量，2種換熱器的傳熱系數(shù)都明顯提高，但是隨著攪拌轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大，換熱器的傳熱系數(shù)增幅變小。當攪拌轉(zhuǎn)速達到一定值時，通氣量的增加反而降低了換熱器的傳熱系數(shù)，原因在于反應器內(nèi)流體的分散良好，反而在換熱器表面存在許多小氣泡，并且上升速度變慢。但是，隨著通氣量繼續(xù)加大，換熱器的傳熱系數(shù)又會增加。在高攪拌轉(zhuǎn)速下，換熱器的傳熱系數(shù)下降更快，雖然通氣量很高時有所提高，但仍小于未通氣狀態(tài)。同時，隨著通氣量增大，換熱系數(shù)變化趨向平緩。

圖5 板翅式(a)和列管式(b)傳熱系數(shù)隨轉(zhuǎn)速和 通氣量的變化Fig.5 Variant of heat transfer coefficient of plate-fin (a) and tubular (b) heat exchanger with different rotation speeds and ventilations

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因為攪拌能使反應器內(nèi)流體形成湍動，會使換熱器的傳熱系數(shù)增大。而通氣會引起反應器內(nèi)流體的循環(huán)流動，加強了反應器內(nèi)流體的湍流作用，從而增強了傳熱效果。另外，隨著通氣量增大，氣泡也會滯留在換熱器表面從而增大熱阻，降低傳熱效果。在低攪拌轉(zhuǎn)速下，攪拌引起的湍動較小，通氣會使反應器內(nèi)流體的湍流程度有所改善，使傳熱效果增強。隨著攪拌轉(zhuǎn)速不斷提高，攪拌引起的湍流逐漸增強，通氣對湍流程度的效應開始減弱，傳熱系數(shù)隨著通氣量增大而增幅趨緩。當攪拌轉(zhuǎn)速達到反應器內(nèi)氣體優(yōu)良分散時，有一部分氣泡會滯留在換熱器表面，從而使換熱器的傳熱效果下降[13]。

3 結(jié)論

通過對分別裝有板翅式換熱器和列管式換熱器的生物反應器傳熱研究，發(fā)現(xiàn)通氣與否、氣含率、攪拌轉(zhuǎn)速以及通氣量都顯著影響換熱器的傳熱系數(shù)。

1)在不通氣的水體系下，2種換熱器的傳熱系數(shù)都隨著攪拌轉(zhuǎn)速的增大而升高，但是，板翅式換熱器的傳熱系數(shù)是列管式換熱器的傳熱系數(shù)5～6倍。

2)在空氣-水體系下，2種換熱器的傳熱系數(shù)都隨著氣含率的升高而增大；同時，還發(fā)現(xiàn)通氣比不通氣的傳熱系數(shù)要高出2～3倍。

3)在空氣-1%CMC水溶液體系下，2種換熱器的傳熱系數(shù)隨著通氣量的增大而提高；但是，當通氣量達到一定程度時，換熱器的傳熱系數(shù)有所下降，板翅式換熱器下降幅度較大；同時物料黏度的增大使換熱器的傳熱系數(shù)降低。

4)在攪拌和通氣共同作用下，2種換熱器在高轉(zhuǎn)速時傳熱系數(shù)隨著通氣量的增大而減小，低轉(zhuǎn)速時隨著通氣量的增大而增大，并且高、低轉(zhuǎn)速的傳熱系數(shù)變化隨著通氣量的增大趨向平緩。