CN103060189A - 内置板翅式换热器的搅拌式反应器及控温方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种内置板翅式换热器的搅拌式反应器，包括搅拌式反应器，搅拌式反应器内设置具有多个扇形板翅换热片的板翅式换热器，板翅式换热器上端有蒸汽进口和冷却水出口法兰，下端有蒸汽冷凝水出口和冷却水进口法兰，其中，蒸汽进口和冷却水出口法兰通过环管一把扇形的板翅换热片连成一个整体，蒸汽冷凝水出口和冷却水进口法兰通过环管二把扇形的板翅换热片连成一个整体。本发明还提供了利用内置板翅式换热器的搅拌式反应器的控温方法。本发明克服了夹套或蛇形管传热方式的不足，使得传热效率大大提高，有利于对温度的精确控制，同时，多个扇形板翅换热片也有助于促进流体湍流，增加反应器的传质系数。
Description
技术领域
本发明属于搅拌式反应器领域，涉及一种内置板翅式换热器的搅拌式反应器及控温方法。
背景技术
生物反应器是实现微生物发酵、动植物细胞培养，生产各种生物制品和发酵产品的必备设备，其作用是强化传质传热，为微生物或动植物细胞提供稳定的生长环境。目前已经有多种生物反应器问世，按其混合方式可分为机械搅拌式反应器、气升式反应器和空气鼓泡式等，它们能分别使用于某些特定物质的生产，对生物技术产业的发展起到重要的推动作用。
细胞反应是对温度变化十分敏感的放热反应，因此，生物反应器的设计对温度控制的要求较高，特别是随着反应器体积的增大、其热量移去和温度控制将成为反应器设计的一项重要内容。在细胞反应过程中，反应器以产生热量为主，需要采用有效的冷却方式来降低温度。例如，在发酵过程中，菌体分解营养物质而产生能量，其中一部分能提供菌体生长和生成代谢产物，另一部分以热量形式释放出来，一般把在发酵过程中所释放出来的热量称为发酵热。根据所用菌种和工艺的不同，发酵热的峰值有所偏差，如谷氨酸生产过程中发酵热的峰值约为1.17×104 kcal/(m3·h)，赖氨酸发酵热的峰值约为1.8×104 kcal/(m3·h)；而酵母的发酵热更大，如酒精发酵过程中发酵热的峰值约为2.2×104 kcal/(m3·h)，有的毕赤酵母在发酵过程中的发酵热的峰值可达到2.4×104 kcal/(m3·h)。上述产品在发酵过程中生物产热大，尤其在炎热的夏天，降温十分困难，往往导致生物产热高峰阶段的发酵温度失控。若发酵温度超出最适温度范围的时间持续较长，生产菌的生长、代谢均受到严重的影响。目前可以通过人工控制或自动控制，将冷却水通入反应器的夹套或蛇形管中，通过热交换来降温，保持反应器中温度的相对恒定。板翅式换热器是一种新兴的热设计技术，相比于夹套或蛇形管的降温方式，板翅式换热器的优势在于传热效率高、结构紧凑、轻巧而牢固、适应性大、经济性好等，但目前尚未有将板翅式换热器应用于搅拌式反应器的报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种内置板翅式换热器的搅拌式反应器，解决目前夹套或蛇形管传热效率比较低，不利于调节温度的问题。
本发明的另一个目的是提供一种利用上述内置板翅式换热器的搅拌式反应器控制温度的方法，主要用于发酵产赖氨酸、酵母扩大培养、柠檬酸液体发酵等方面。
本发明通过以下技术方案来实现：
一、内置板翅式换热器的搅拌式反应器，包括搅拌式反应器；所述的搅拌式反应器内设置具有多个扇形板翅换热片的板翅式换热器，板翅式换热器上端有蒸汽进口和冷却水出口法兰，下端有蒸汽冷凝水出口和冷却水进口法兰，其中，蒸汽进口和冷却水出口法兰通过环管一把扇形的板翅换热片连成一个整体，蒸汽冷凝水出口和冷却水进口法兰通过环管二把扇形的板翅换热片连成一个整体。
所述的板翅式换热器与搅拌式反应器之间为活动连接。
所述的活动连接为支撑件和螺栓相连接。
二、一种利用内置板翅式换热器的搅拌式反应器控制温度的方法，该方法包括加热和冷却两部分，具体步骤如下：
（1）加热过程：蒸汽从板翅式换热器的上端的蒸汽进口进入，通过环管一到达板翅式换热器的扇形板翅换热片，交换热量后进入环管二，然后从下端的蒸汽冷凝水出口排出；
（2）冷却过程：冷却水从板翅式换热器的下端的冷却水进口进入，通过环管二到达板翅式换热器的扇形板翅换热片，交换热量后进入环管一，然后从上端的冷却水出口排出。
采用上述技术方案的积极效果：本发明将板翅式换热器应用于搅拌式反应器，利用板翅式换热器的多个扇形板翅换热片进行热量交换，克服了夹套或蛇形管传热方式的不足，使得传热效率大大提高，有利于对温度的精确控制，有利于降低冷却水用量，甚至利用常温水即可达到控温的效果，同时，多个扇形板翅换热片也有助于促进流体湍流，增加反应器的传质系数；另外，将板翅式换热器与搅拌式反应器之间改为活动连接，可以大大方便拆卸检修。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1中A-A向的俯视图。
图中，1搅拌式反应器，2板翅式换热器，3蒸汽进口和冷却水出口法兰，4环管一，5支撑件，6环管二，7蒸汽冷凝水出口和冷却水进口法兰。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步的说明，但不应理解为对本发明的限制：
实施例1
图1是本发明的结构示意图，图2是图1中A-A向的俯视图，结合图1、图2所示，内置板翅式换热器的搅拌式反应器，包括搅拌式反应器1，搅拌式反应器1内设置具有多个扇形板翅换热片的板翅式换热器2，扇形板翅换热片用于交换热量。板翅式换热器2上端有蒸汽进口和冷却水出口法兰3，下端有蒸汽冷凝水出口和冷却水进口法兰7，其中，蒸汽进口和冷却水出口法兰3通过环管一4把扇形的板翅换热片连成一个整体，蒸汽冷凝水出口和冷却水进口法兰7通过环管二6把扇形的板翅换热片连成一个整体，便于蒸汽或者冷却水的流动。
为了方便拆卸检修，板翅式换热器2与搅拌式反应器1之间为活动连接，只要能够实现便于拆装的活动连接均可，本实施例中为支撑件5和螺栓相连接。
当需要加热时，蒸汽从板翅式换热器2的上端的蒸汽进口进入，通过环管一4到达板翅式换热器2的扇形板翅换热片，交换热量后进入环管二6，然后从下端的蒸汽冷凝水出口排出；当需要冷却时，冷却水从板翅式换热器2的下端的冷却水进口进入，通过环管二6到达板翅式换热器2的扇形板翅换热片，交换热量后进入环管一4，然后从上端的冷却水出口排出即可。
实施例2
本实施例用于说明利用10 m3的内置板翅式换热器的搅拌式反应器发酵生产L-赖氨酸的方法
在培养基和管道灭菌操作中，先使蒸汽从板翅式换热器2的上端的蒸汽进口进入，通过环管一4到达板翅式换热器2的扇形板翅换热片，交换热量后进入环管二6，然后从下端的蒸汽冷凝水出口排出，当反应器内温度达到90~95 ℃时，换热器中停止通蒸汽，接着进行培养基和管道灭菌的操作。
发酵培养与结果：按10%的接种量将产L-赖氨酸的大肠杆菌接入装有5 m3发酵培养基的10 m3内置板翅式换热器的搅拌式反应器中（1L发酵培养基含：葡萄糖20~40 g/L，(NH4)2SO4 1.5~1.8 g，KH2PO4 1.2 g，玉米浆 1~2 g，L-苏氨酸0.2~0.4 g），通气量为200~250 m3/h，搅拌转速100~200 r/min，发酵温度35~37 ℃，流加氨水以控制pH在6.5~6.8，每隔2~4 h检测残糖浓度，并流加700 g/L的葡萄糖，维持残糖浓度在10~15 g/L，发酵结束前4~5 h，停止流加糖液，当残糖降至5~7 g/L时，即发酵结束，整个发酵周期约72 h。发酵过程中，使冷却水从板翅式换热器2的下端的冷却水进口进入，通过环管二6到达板翅式换热器2的扇形板翅换热片，交换热量后进入环管一4，然后从上端的冷却水出口排出，冷却水进水温度为20℃左右，出水温度在25 ℃左右，而发酵工艺控制温度范围为35~37 ℃。
实施例3
本实施例用于说明利用20 m3的内置板翅式换热器的搅拌式反应器发酵生产乙醇的方法
在培养基和管道灭菌操作中，先使蒸汽从板翅式换热器2的上端的蒸汽进口进入，通过环管一4到达板翅式换热器2的扇形板翅换热片，交换热量后进入环管二6，然后从下端的蒸汽冷凝水出口排出，当反应器内温度达到90~95 ℃时，换热器中停止通蒸汽，接着进行培养基和管道灭菌的操作。
发酵培养与结果：按10%的接种量将毕赤酵母接入装有14m3发酵培养基的20m3内置板翅式换热器的搅拌式反应器中（1L发酵培养基含：葡萄糖30~50 g/L，(NH4)2SO4 45~65g，KH2PO4 1.2 g），流加氨水以控制pH在4.0~4.5，通气量为2000~2500 m3/h，搅拌转速100~150 r/min，发酵温度28~30 ℃，整个发酵周期约24h。发酵过程中，使冷却水从板翅式换热器2的下端的冷却水进口进入，通过环管二6到达板翅式换热器2的扇形板翅换热片，交换热量后进入环管一4，然后从上端的冷却水出口排出，冷却水进水温度为20 ℃左右，出水温度在25℃左右，而发酵工艺控制温度范围为28~31 ℃。
实施例4
本实施例用于说明利用50 m3的内置板翅式换热器的搅拌式反应器发酵生产柠檬酸的方法
在培养基和管道灭菌操作中，先使蒸汽从板翅式换热器2的上端的蒸汽进口进入，通过环管一4到达板翅式换热器2的扇形板翅换热片，交换热量后进入环管二6，然后从下端的蒸汽冷凝水出口排出，当反应器内温度达到90~95 ℃时，换热器中停止通蒸汽，接着进行培养基和管道灭菌的操作。
发酵培养与结果：按10%的接种量将产柠檬酸黑曲霉接入装有35m3发酵培养基的50m3内置板翅式换热器的搅拌式反应器中（1L发酵培养基含：薯干50~70 g，α-淀粉酶80 U/g原料，(NH4)2SO4 45~65 g），通气量为2500~4000 m3/h，搅拌转速100~150 r/min，发酵温度28~30 ℃，整个发酵周期约65 h。发酵过程中，使冷却水从板翅式换热器2的下端的冷却水进口进入，通过环管二6到达板翅式换热器2的扇形板翅换热片，交换热量后进入环管一4，然后从上端的冷却水出口排出，冷却水进水温度为20 ℃左右，出水温度在25 ℃左右，而发酵工艺控制温度范围为28~31 ℃。
Claims (4)
1.一种内置板翅式换热器的搅拌式反应器，包括搅拌式反应器（1），其特征在于：所述的搅拌式反应器（1）内设置具有多个扇形板翅换热片的板翅式换热器（2），板翅式换热器（2）上端有蒸汽进口和冷却水出口法兰（3），下端有蒸汽冷凝水出口和冷却水进口法兰（7），其中，蒸汽进口和冷却水出口法兰（3）通过环管一（4）把扇形的板翅换热片连成一个整体，蒸汽冷凝水出口和冷却水进口法兰（7）通过环管二（6）把扇形的板翅换热片连成一个整体。
2.根据权利要求1所述的内置板翅式换热器的搅拌式反应器，其特征在于：所述的板翅式换热器（2）与搅拌式反应器（1）之间为活动连接。
3.根据权利要求2所述的内置板翅式换热器的搅拌式反应器，其特征在于：所述的活动连接为支撑件（5）和螺栓相连接。
4.一种利用内置板翅式换热器的搅拌式反应器控制温度的方法，其特征在于：该方法包括加热和冷却两部分，具体步骤如下：
（1）加热过程：蒸汽从板翅式换热器（2）的上端的蒸汽进口进入，通过环管一（4）到达板翅式换热器（2）的扇形板翅换热片，交换热量后进入环管二（6），然后从下端的蒸汽冷凝水出口排出；
（2）冷却过程：冷却水从板翅式换热器（2）的下端的冷却水进口进入，通过环管二（6）到达板翅式换热器（2）的扇形板翅换热片，交换热量后进入环管一（4），然后从上端的冷却水出口排出。
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