CN101182458B - 一种用于多种生物反应的动态热管搅拌生物反应器 - Google Patents

一种用于多种生物反应的动态热管搅拌生物反应器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于多种生物反应的动态热管搅拌生物反应器。本发明包括反应器主体、动态热管、肋片、涡轮、电机及传动机构、冷风夹套，动态热管在反应器主体内的一段为吸热段，在反应器主体外的一段为放热段，其主要技术特征在于动态热管的吸热段与中心搅拌轴连接，吸热段作为搅拌桨叶。解决了机械搅拌式生物反应器的夹套、蛇管和列管等存在的传热效率低，传热面积大，消耗大量冷却水和水循环动力及温度分布不均匀等缺点。本发明采用动态热管作为搅拌桨叶，形成良好的等温体，与静止的流体产生相对运动，形成流体横掠直管的流动形态，比流体沿直管流动的传热系数增大3倍，减少传热面积，增大反应器装填空间，提高反应器的容积效率。

Description

一种用于多种生物反应的动态热管搅拌生物反应器
技术领域
本发明涉及生物工程领域，特别涉及一种用于多种生物反应的动态热管搅拌生物反应器。
背景技术
酶或微生物生长代谢过程放出大量的热量，为了精确控制反应过程，最大程度获得所需产物，反应器内应有足够的冷却面积。
在本发明之前，目前机械搅拌式生物反应器的传热装置一般均采用传统的夹套、蛇管和列管等方式。这些方式存在着传热效率低，反应器需很大的传热面积，占用了反应器内的大量有效空间，同时需要消耗大量冷却水和消耗大量的水循环动力；另一方面由于冷却面排列的拥挤而产生反应器内温度分布的不均匀等缺点。
发明内容
本发明的目的就在于克服上述缺陷，提供一种用于多种生物反应的动态热管搅拌生物反应器。
本发明的技术方案是：
一种用于多种生物反应的动态热管搅拌生物反应器，包括反应器主体、动态热管、肋片、涡轮、电机及传动机构、冷风夹套，动态热管在反应器主体内的一段为吸热段，在反应器主体外的一段为放热段，其主要技术特征在于动态热管的吸热段与中心搅拌轴连接，吸热段作为搅拌桨叶。
本发明的优点和效果是用动态热管作为搅拌桨叶，因为动态热管本身是一个良好的等温体，当它作为搅拌桨叶围绕中心搅拌轴旋转时可以与静止的流体产生相对运动，形成流体横掠直管的流动形态，比流体沿直管流动的传热系数增大3倍；在同样温差下，传热系数的增大，可以减少传热面积，增大反应器装填空间，提高了反应器的容积效率。
本发明的其它优点和效果将在下面继续描述。
附图说明
图1--本发明结构示意图。
图2--图1中使用的搅拌桨叶的分布图。其中，A是两片桨叶图；B是三片桨叶图；C是四片桨叶图。
图3--图1中使用的搅拌桨叶的结构示意图。其中，D表示丝网筒型图；E表示锥形导流筒型图。
图4--图1中使用的中心搅拌轴结构示意图。其中，F是主视图；G是俯视图。
图5--图1中的中心搅拌轴内壁沟槽形式。其中，H表示矩形槽；I表示梯形槽；J表示三角形槽。
图6--本发明中的热流路线图。
具体实施方式
本发明的原理是：
采用回路热管的技术原理，将动态热管的吸热段做成桨叶形状，吸热段的两端与中心搅拌轴相通形成回路；当动态热管吸热段在反应器中旋转时，不断吸收反应器中放出的反应热，动态热管内部液体气化变为蒸汽，进入到中心搅拌轴并上升到反应器外的动态热管放热段，在外界流体(冷风或冷水)冷却下蒸汽冷凝成为液体沿中心搅拌轴内壁流到轴的下端，供动态热管的吸热段吸热气化，通过不断的相变循环将反应器中的反应热传到反应器外，保持了反应器内的最佳反应温度。
如图1、图2所示，搅拌桨叶2-1围绕中心搅拌轴2-2(热管内工作液体的汽、液通道)成圆周均匀布置，并且不同圆周上可布置不同数量的搅拌桨叶2-1；当搅拌桨叶2-1围绕中心搅拌轴2-2运动时，将会在反应器液体中形成圆筒形的液体等温层；当搅拌桨叶2-1布置同心圆层数愈多，反应器内的圆筒形液体等温层也愈多，这就可以实现整个反应器内部的径向等温；搅拌桨叶2-1的横断面可加工成流线型，减小桨叶在旋转时对流体的剪切力，也不会产生强烈的漩涡，可减少生物反应器内动植物细胞的损耗。
如图3所示，搅拌桨叶2-1结构可以灵活多样，即当在同一圆周上的搅拌桨叶2-1用丝网16连接时，形成了圆筒形筛网，具有圆筒形筛生物反应器的功能，提高反应器的溶氧传质系数、细胞浓度及产物浓度；而当将搅拌桨叶2-1加工成锥形覆上丝网16形成锥形导流筒形式时，则可起到泡床式搅拌生物反应器的作用，其效果是可以促进溶氧传质系数的提高。
如图4、图5所示，中心搅拌轴2-2作为动态热管的蒸气上升通道和冷凝液下降通道，其内壁有沟槽17，沟槽17表面覆有丝网16，形成复合吸液芯以提高热管内部冷凝液体的回流能力；中心搅拌轴沟槽17的形式可有矩形或梯形或三角形。
在动态热管的放热段2-3上可布有肋片5以强化外部传热，外围布有冷风夹套或水夹套6(采用水冷时)；在冷风(或冷水)管道中附设冷风(或冷水)温度和流量的调节装置，便于采用温度自控机构来调节不同生物反应器温度的需要，可节约大量冷却水及动力循环的电耗，实现节能减排的目的。
如图6所示，是本发明的热流路线图，即搅拌桨叶2-1随中心搅拌轴2-2转动，吸收生物反应器中的热量18，管内工质22受热蒸发为蒸汽19，沿中心搅拌轴2-2内蒸汽通道上升至反应器外的冷凝段释放出热量20，冷凝后的工质21沿中心搅拌轴2-2内冷凝液下降通道流回到热管的吸热段。
本发明是一种具有显著的氧传质效率高，传热效率高和能耗低的生物反应器装置。
下面结合附图对本发明作进一步的描述：
本发明是一种用于多种生物反应的动态热管搅拌生物反应器，如图1所示，它主要由反应器主体1、动态热管2、肋片5、涡轮11、电机及传动机构3、冷风夹套6(或水夹套)组成；反应器主体1由圆柱形直筒10、顶部的上封头9和底部的下封头13构成，圆柱形直筒10下部设有通气管12，下封头13底部设有放料口14；动态热管2下部设有涡轮11，且与上封头9之间设有密封结构8，与下封头13之间设有底轴承15；动态热管放热段2-3上附设肋片5；外围布有冷风夹套6，在冷风夹套6上设有冷风或冷水的进口7和出口4；电机及传动机构3带动动态热管2旋转，动态热管吸热段即搅拌桨叶2-1吸收生物反应器1中的反应热18，使得管内工质22蒸发，沿中心搅拌轴2-2内蒸汽通道上升至反应器主体1外的动态热管放热段2-3，通过动态热管放热段2-3上的肋片5，将热量放出；冷空气(或冷水)通过冷风夹套6将热量带走。

Claims (4)

1.一种用于多种生物反应的动态热管搅拌生物反应器，包括反应器主体、动态热管、肋片、涡轮、电机及传动机构、冷风夹套，动态热管在反应器主体内的一段为吸热段，在反应器主体外的一段为放热段，其特征在于动态热管的吸热段与中心搅拌轴连接，吸热段做成桨叶形状作为搅拌桨叶，吸热段的两端与中心搅拌轴相通形成回路，中心搅拌轴作为动态热管的蒸汽上升通道、冷凝液下降通道。
2.根据权利要求1所述的一种用于多种生物反应的动态热管搅拌生物反应器，其特征在于搅拌桨叶围绕中心搅拌轴成圆周均匀布置。
3.根据权利要求1所述的一种用于多种生物反应的动态热管搅拌生物反应器，其特征在于搅拌桨叶的横截面加工成流线型。
4.根据权利要求1所述的一种用于多种生物反应的动态热管搅拌生物反应器，其特征在于同一圆周上的搅拌桨叶可用丝网连接形成丝网筒形式，或加工成锥形覆上丝网形成锥形导流筒形式。
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