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(yīng)器(bioreactor)是進行微生物代謝或催化反應(yīng)的場所，是生產(chǎn)過程將原料轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物的關(guān)鍵設(shè)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(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、成本低是生物反應(yīng)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(shè)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(yīng)，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(yīng)器的傳熱特性研究對其設(shè)計應(yīng)用至關(guān)重要。而傳統(tǒng)式生物反應(yīng)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(guān)高效換熱器在生物反應(yīng)器中應(yīng)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(yīng)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(yīng)釜中的物料，通過測定反應(yīng)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(yīng)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(yīng)用奠定基礎(chǔ)。。

1 實驗裝置及方法

1.1 實驗裝置流程

生物反應(yīng)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(yīng)器系統(tǒng)裝置和數(shù)據(jù)測控裝置。反應(yīng)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(yīng)器，攪拌器以一定速度旋轉(zhuǎn)使反應(yīng)液剪切和湍流，實現(xiàn)氣液混合和傳質(zhì)傳熱。

1.2 設(shè)備及儀器

攪拌反應(yīng)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(shè)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(yīng)器溫度控制系統(tǒng);17—電熱棒;18—攪拌反應(yīng)器;19—扭矩傳感器;20—電機圖1 生物反應(yīng)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(yīng)器中的氣含率。在反應(yīng)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(yīng)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(yīng)器中，反應(yīng)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(yīng)溫度控制系統(tǒng)維持反應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(guān)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(yīng)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(yīng)器的通氣量和攪拌轉(zhuǎn)速改變會影響反應(yīng)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(yīng)器內(nèi)流體的擾動，強化了流體的湍流效應(yīng)，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(yīng)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(yīng)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(yīng)器內(nèi)物料黏度增大，導致反應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)器內(nèi)流體的循環(huán)流動，加強了反應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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。