高效換熱器在生物反應(yīng)器中的應(yīng)用

李干祿，李 輝，韋 策，陳可泉

(南京工業(yè)大學(xué) 生物與制藥工程學(xué)院，江蘇 南京 211800)

生物反應(yīng)器(bioreactor)是進(jìn)行微生物代謝或催化反應(yīng)的場(chǎng)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(xì)胞生長(zhǎng)、繁殖和代謝的物理、化學(xué)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(jiǎn)單、成本低是生物反應(yīng)器研究者的主要目標(biāo)。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(yán)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(duì)其設(shè)計(jì)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(jìn)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(diǎn)。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(guó)內(nèi)外鮮有報(bào)道。

歐陽(yáng)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(dǎo)出使用牛頓流體和非牛頓流體計(jì)算給熱系數(shù)的一般理論模型，同時(shí)利用熱探針測(cè)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(cè)定反應(yīng)釜內(nèi)物料溫度以及夾套進(jìn)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·℃)。……