李干禄，李 辉，韦 策，陈可泉

(南京工业大学 生物与制药工程学院，江苏 南京 211800)

生物反应器(bioreactor)是进行微生物代谢或催化反应的场所，是生产过程将原料转化成产物的关键设备，能够提供细胞生长、繁殖和代谢的物理、化学环境，是整条生物工艺过程的核心环节[1]；设备结构简单、成本低是生物反应器研究者的主要目标。在生物发酵生产过程中，菌种、发酵设备和发酵工艺是影响发酵产品的主要因素。在发酵过程中的传质、传热严重影响着微生物的生理生化反应，决定着发酵产品的产量和质量[2-4]。所以，生物反应器的传热特性研究对其设计应用至关重要。而传统式生物反应器主要采用夹套(jacketed heat exchanger)或列管式换热器(tube heat exchanger)[5]进行灭菌或控制体系温度，但是夹套或列管式换热器具有传热系数低[6]、能量利用率低、温度控制精度较低等缺点。板翅式换热器(plate-fin heat exchanger)是一种高效换热器，它通过翅片提高了换热面积，其总的换热系数(coefficient of heat transfer)显著高于夹套或列管式换热器。但是，有关高效换热器在生物反应器中应用，国内外鲜有报道。

欧阳平凯等[7]研究了气泡塔生物反应器(bubble bioreactor)中传热特性，推导出使用牛顿流体和非牛顿流体计算给热系数的一般理论模型，同时利用热探针测定不同工况条件下气泡塔的给热系数。

冉亮[8]研究了12.5 m3搪瓷氯化釜(enamel kettle of chlorination)传热系数，用热水通过夹套加热反应釜中的物料，通过测定反应釜内物料温度以及夹套进出口温度，然后利用牛顿差值法处理数据，算出夹套传热系数为333.7 (W/m2·℃)。

何德员[9]研究了12 m3搅拌式生物反应器(mechanical stirred bioreactor)的不同换热器的传热系数，发现了蛇管换热器(coil heat exchanger)的传热系数为350～520 W/(m2·K)。

李媛[10]研究了平直翅片、锯齿翅片和波纹翅片换热器的表面传热和流动阻力对换热系数的影响，发现板翅式换热器的总传热系数高于常规的夹套和立管式换热器，甚至高出几倍。

本文中，所用的板翅式换热器的翅片材质为石墨改性碳纤维增强四氟乙烯板，制作工艺为先用厚度2 mm、长为2 000 mm、宽200 mm不锈钢板上面将翅片真空钎焊成型，再用亚弧焊封装厚度2 mm不锈钢。换热器安装时，先将发酵罐里的挡板拆除，然后将制作成型的单片换热器安装在原挡板处，再用不锈钢管将单片板翅式换热器采用并联方式连接成整体，最后将管道引出发酵罐外面与蒸汽或冷却水管对接，考察这种方式下的传热现象，为进一步应用奠定基础。。

1 实验装置及方法

1.1 实验装置流程

生物反应器传热研究的实验装置示意图如图1所示，实验装置分为反应器系统装置和数据测控装置。反应器系统装置包括空压机、空气储罐和罐体部分，数据测控装置包括加热功率测控系统、温度测控系统以及搅拌功率测控系统。空气是经过空压机压缩后由空气分布器进入反应器，搅拌器以一定速度旋转使反应液剪切和湍流，实现气液混合和传质传热。

1.2 设备及仪器

搅拌反应器(250 L)、列管换热器(0.1 m2)、温度采集控制器，南京宏泰水处理有限公司；空压机(VT8-9)，上海英格索兰压缩机有限公司；板翅式换热器(0.1 m2)，南京瑞科特热能设备有限公司；电热棒(WYD2000)，江苏威仪达仪器仪表有限公司；空气储罐(GB250-2012)，南京空压机制造有限公司；空气流量计(LZB-35)、液体流量计(LZB-20)，南京仪表厂；温度表(TES1310)，上海平轩科学仪器有限公司；热电偶探头(PT100)，德国贺利氏公司。

1—空压机;2—空气储罐;3—安全阀;4—空气流量计;5—气体分布器;6—搅拌叶轮器;7—列管换热器进水流量计;8—列管换热器出水温度表;9—温度采集系统;10—立管换热器进水温度表;11—板翅式换热;12—热电偶温度探头;13—板翅式换热器出水温度表;14—板翅式换热器出水温度表;15—板翅式换热器进水流量计;16—反应器温度控制系统;17—电热棒;18—搅拌反应器;19—扭矩传感器;20—电机图1 生物反应器传热装置Fig.1 Schematic diagram of heat exchanger of bioreactor

1.3 实验方法

1.3.1 气含率的测定方法

采用压差法来测定反应器中的气含率。在反应器筒体取两点，用U型压差计测出两点的压差和垂直距离，利用式(1)算出反应器中的气含率。

(1)

式中：εT为平均气含率，ΔP为压差，ρL为液相密度，ρG为气相密度，g为重力加速度，h为液面高度。

1.3.2 黏度的测定方法

羧甲基纤维(简称CMC)水溶液的表观黏度用美国Brookfield公司生产的旋转黏度仪来测定，表观黏度(μap)的计算见式(2)。

(2)

式中：K为稠度系数，n为流动指数，γ为剪切速率，τ为剪切力。CMC水溶液的表面张力用平板表面张力仪测定。

1.3.3 转速的测定方法

搅拌转速通过测速仪测定。

1.3.4 传热系数测定方法

换热系数的测定装置如图1所示，在250 L有机玻璃反应器中，反应器内液体温度、2种换热器冷却水进口温度和进水流量均保持恒定，利用反应温度控制系统维持反应器内温度不变的情况下自动调节加热棒的加热功率，同时观察2种换热器的出口温度，当加热棒的功率和换热器的出口温度以及反应器内的温度恒定，并且2种换热器的换热面积保持一致时，再通过式(3)和(4)计算传热系数。

(3)

(4)

式中：k为换热器的传热系数，W/(m2·℃)；Q为加热棒的功率，kW；A为换热器的传热面积，m2；Δtm为对数平均温差，℃；t1为换热器冷却水进口温度，℃；t2为换热器冷却水出口温度，℃；T为反应器内物料温度，℃。

2 结果与讨论

2.1 不通气情况下2种换热器的传热系数

转速显著影响着反应器内的湍流强度和漩涡，同时湍流强度和漩涡是影响换热器表面换热的关键因素。考察不同转速对2种换热器传热系数的影响，结果见图2。

图2 不同转速对板翅式和列管式换热器 传热系数的影响Fig.2 Effects of different revolving speeds on heat transfer coefficient of plate-fin and tubular heat exchanger

由图2可知，由于板翅式换热器内部翅片的作用，大大提高了换热器的传热效果，换热系数提高了5～6倍。主要是因为板翅式换热器主要换热元件是翅片，流体在板间网状的流道内流过，在流速的作用下，引起强烈的湍流，据报道，在0.1 m2的范围内就可以分布几百个“旋涡”。同时结果表明，当雷诺数等于200时，板翅式换热器的板间就可以形成湍流[11]。根据流体力学原理，当流体处于湍流状态时，流体的边界滞流层就变薄，从而大大地减小热阻，有效地强化传热[11]。同时发现，随着搅拌转速的提高，2种换热器的总传热系数都不断提高，但到达一定转速后，换热器的总传热系数趋于平稳，主要原因是在搅拌器的推动下，反应器内流体的湍流程度不断提高，流体流速不断增大，流体的雷诺系数也不断加大，换热器表面的滞流边界层被破坏，换热器热阻降低，从而提高传热效果。

2.2 气含率对换热器传热系数的影响

在通气的情况下，反应器的通气量和搅拌转速改变会影响反应器内的气含率，2种换热器不同气含率的传热系数如图3所示。

图3 不同气含率对板翅式和列管式换热器 传热系数的影响Fig.3 Effects of different gas holdups on heat transfer coefficient of plate-fin and tubular heat exchanger

由图3可知，搅拌转速恒定的情况下，2种换热器的传热系数都随着气含率的增大而增大，因为通气量的增大增加了反应器内流体的扰动，强化了流体的湍流效应，同时气泡不断冲刷流体与换热器件之间的边界层，减小了流体的热阻，提高了传热效果。由图3还发现，随着气含率的增大，板翅式换热器传热系数的增幅高于立管式换热器传热系数的增幅，原因在于板翅式换热器内部的给热系数比较高，外表面的给热系数在呈几何倍数增加，总传热系数也会呈几何倍数增加。同时还发现2种换热器在气含率达到一定程度时，换热器的传热系数会出现下降趋势，随着气含率的不断提高，很多小气泡会附着在换热器的表面，加大了换热器的热阻，影响了换热器的传热效果，结果与李红波等[12]研究鼓炮塔传热系数的结论相一致。

由图2和图3可知，2种换热器都表现为通气的传热系数比不通气高出2～3倍。

2.3 黏度对换热器传热系数的影响

影响换热器传热系数另一个主要因素就是反应器内流体的黏度，本研究采用1% CMC水溶液模拟非牛顿流体，结果如图4所示。

图4 在1%CMC溶液中不同通气量对板翅式和 列管式换热系数的影响Fig.4 Effects of different ventilations on heat transfer coefficient of plate-fin and tubular heat exchanger in the 1% CMC solution

由图4可发现，在1% CMC水溶液中，2种换热器的传热系数明显比在水相中的传热系数低，同时2种换热器的总传热系数都随着通气量的增大而提高，但随着反应器的通气量增加到一定程度，传热系数都下降。这是因为反应器内物料黏度增大，导致反应器内流体的流动变慢，增大了流体与换热器件之间的边界层厚度，同时也使溶液中气体的扩散变得困难，大量小气泡聚并形成大气泡，导致溶液中局部气速过快而影响了整体液速，增大了换热器表面的热阻，降低了整体传热效果。

2.4 搅拌转速与通气对换热器传热系数影响

考察搅拌转速和通气对换热器传热系数的影响，结果见图5。由图5可知，当搅拌转速较低时，增大通气量，2种换热器的传热系数都明显提高，但是随着搅拌转速继续增大，换热器的传热系数增幅变小。当搅拌转速达到一定值时，通气量的增加反而降低了换热器的传热系数，原因在于反应器内流体的分散良好，反而在换热器表面存在许多小气泡，并且上升速度变慢。但是，随着通气量继续加大，换热器的传热系数又会增加。在高搅拌转速下，换热器的传热系数下降更快，虽然通气量很高时有所提高，但仍小于未通气状态。同时，随着通气量增大，换热系数变化趋向平缓。

图5 板翅式(a)和列管式(b)传热系数随转速和 通气量的变化Fig.5 Variant of heat transfer coefficient of plate-fin (a) and tubular (b) heat exchanger with different rotation speeds and ventilations

出现上述现象的原因为搅拌能使反应器内流体形成湍动，会使换热器的传热系数增大。而通气会引起反应器内流体的循环流动，加强了反应器内流体的湍流作用，从而增强了传热效果。另外，随着通气量增大，气泡也会滞留在换热器表面从而增大热阻，降低传热效果。在低搅拌转速下，搅拌引起的湍动较小，通气会使反应器内流体的湍流程度有所改善，使传热效果增强。随着搅拌转速不断提高，搅拌引起的湍流逐渐增强，通气对湍流程度的效应开始减弱，传热系数随着通气量增大而增幅趋缓。当搅拌转速达到反应器内气体优良分散时，有一部分气泡会滞留在换热器表面，从而使换热器的传热效果下降[13]。

3 结论

通过对分别装有板翅式换热器和列管式换热器的生物反应器传热研究，发现通气与否、气含率、搅拌转速以及通气量都显著影响换热器的传热系数。

1)在不通气的水体系下，2种换热器的传热系数都随着搅拌转速的增大而升高，但是，板翅式换热器的传热系数是列管式换热器的传热系数5～6倍。

2)在空气-水体系下，2种换热器的传热系数都随着气含率的升高而增大；同时，还发现通气比不通气的传热系数要高出2～3倍。

3)在空气-1%CMC水溶液体系下，2种换热器的传热系数随着通气量的增大而提高；但是，当通气量达到一定程度时，换热器的传热系数有所下降，板翅式换热器下降幅度较大；同时物料黏度的增大使换热器的传热系数降低。

4)在搅拌和通气共同作用下，2种换热器在高转速时传热系数随着通气量的增大而减小，低转速时随着通气量的增大而增大，并且高、低转速的传热系数变化随着通气量的增大趋向平缓。