內置板翅式換熱器的攪拌式反應器及控溫方法

2023-05-24 17:09:51 1

專利名稱：內置板翅式換熱器的攪拌式反應器及控溫方法
技術領域：
本發明屬於攪拌式反應器領域，涉及一種內置板翅式換熱器的攪拌式反應器及控溫方法。
背景技術：
生物反應器是實現微生物發酵、動植物細胞培養，生產各種生物製品和發酵產品的必備設備，其作用是強化傳質傳熱，為微生物或動植物細胞提供穩定的生長環境。目前已經有多種生物反應器問世，按其混合方式可分為機械攪拌式反應器、氣升式反應器和空氣鼓泡式等，它們能分別使用於某些特定物質的生產，對生物技術產業的發展起到重要的推動作用。細胞反應是對溫度變化十分敏感的放熱反應，因此，生物反應器的設計對溫度控制的要求較高，特別是隨著反應器體積的增大、其熱量移去和溫度控制將成為反應器設計的一項重要內容。在細胞反應過程中，反應器以產生熱量為主，需要採用有效的冷卻方式來降低溫度。例如，在發酵過程中，菌體分解營養物質而產生能量，其中一部分能提供菌體生長和生成代謝產物，另一部分以熱量形式釋放出來，一般把在發酵過程中所釋放出來的熱量稱為發酵熱。根據所用菌種和工藝的不同，發酵熱的峰值有所偏差，如穀氨酸生產過程中發酵熱的峰值約為1. 17 X IO4 kcal/(m3 · h),賴氨酸發酵熱的峰值約為1. 8 X IO4kcal/(m3*h);而酵母的發酵熱更大，如酒精發酵過程中發酵熱的峰值約為2. 2 X IO4 kcal/(m3 · h),有的畢赤酵母在發酵過程中的發酵熱的峰值可達到2. 4X IO4 kcal/(m3 · h)。上述產品在發酵過程中生物產熱大，尤其在炎熱的夏天，降溫十分困難，往往導致生物產熱高峰階段的發酵溫度失控。若發酵 溫度超出最適溫度範圍的時間持續較長，生產菌的生長、代謝均受到嚴重的影響。目前可以通過人工控制或自動控制，將冷卻水通入反應器的夾套或蛇形管中，通過熱交換來降溫，保持反應器中溫度的相對恆定。板翅式換熱器是一種新興的熱設計技術，相比於夾套或蛇形管的降溫方式，板翅式換熱器的優勢在於傳熱效率高、結構緊湊、輕巧而牢固、適應性大、經濟性好等，但目前尚未有將板翅式換熱器應用於攪拌式反應器的報導。

發明內容
本發明的目的是提供一種內置板翅式換熱器的攪拌式反應器，解決目前夾套或蛇形管傳熱效率比較低，不利於調節溫度的問題。本發明的另一個目的是提供一種利用上述內置板翅式換熱器的攪拌式反應器控制溫度的方法，主要用於發酵產賴氨酸、酵母擴大培養、朽1檬酸液體發酵等方面。本發明通過以下技術方案來實現
一、內置板翅式換熱器的攪拌式反應器，包括攪拌式反應器；所述的攪拌式反應器內設置具有多個扇形板翅換熱片的板翅式換熱器，板翅式換熱器上端有蒸汽進口和冷卻水出口法蘭，下端有蒸汽冷凝水出口和冷卻水進口法蘭，其中，蒸汽進口和冷卻水出口法蘭通過環管一把扇形的板翅換熱片連成一個整體，蒸汽冷凝水出口和冷卻水進口法蘭通過環管二把扇形的板翅換熱片連成一個整體。所述的板翅式換熱器與攪拌式反應器之間為活動連接。所述的活動連接為支撐件和螺栓相連接。二、一種利用內置板翅式換熱器的攪拌式反應器控制溫度的方法，該方法包括加熱和冷卻兩部分，具體步驟如下
(1)加熱過程蒸汽從板翅式換熱器的上端的蒸汽進口進入，通過環管一到達板翅式換熱器的扇形板翅換熱片，交換熱量後進入環管二，然後從下端的蒸汽冷凝水出口排出；
(2)冷卻過程冷卻水從板翅式換熱器的下端的冷卻水進口進入，通過環管二到達板翅式換熱器的扇形板翅換熱片，交換熱量後進入環管一，然後從上端的冷卻水出口排出。採用上述技術方案的積極效果本發明將板翅式換熱器應用於攪拌式反應器，利用板翅式換熱器的多個扇形板翅換熱片進行熱量交換，克服了夾套或蛇形管傳熱方式的不足，使得傳熱效率大大提高，有利於對溫度的精確控制，有利於降低冷卻水用量，甚至利用常溫水即可達到控溫的效果，同時，多個扇形板翅換熱片也有助於促進流體湍流，增加反應器的傳質係數；另外，將板翅式換熱器與攪拌式反應器之間改為活動連接，可以大大方便拆卸檢修。



圖1是本發明的結構示意 圖2是圖1中A-A向的俯視圖。圖中，I攪拌式反應器，2板翅式換熱器，3蒸汽進口和冷卻水出口法蘭，4環管一，5支撐件，6環管二，7蒸汽冷凝水出口和冷卻水進口法蘭。
具體實施例方式下面結合實施例對本發明的技術方案做進一步的說明，但不應理解為對本發明的限制
實施例1
圖1是本發明的結構示意圖，圖2是圖1中A-A向的俯視圖，結合圖1、圖2所示，內置板翅式換熱器的攪拌式反應器，包括攪拌式反應器1，攪拌式反應器I內設置具有多個扇形板翅換熱片的板翅式換熱器2,扇形板翅換熱片用於交換熱量。板翅式換熱器2上端有蒸汽進口和冷卻水出口法蘭3，下端有蒸汽冷凝水出口和冷卻水進口法蘭7，其中，蒸汽進口和冷卻水出口法蘭3通過環管一 4把扇形的板翅換熱片連成一個整體，蒸汽冷凝水出口和冷卻水進口法蘭7通過環管二 6把扇形的板翅換熱片連成一個整體，便於蒸汽或者冷卻水的流動。為了方便拆卸檢修，板翅式換熱器2與攪拌式反應器I之間為活動連接，只要能夠實現便於拆裝的活動連接均可，本實施例中為支撐件5和螺栓相連接。當需要加熱時，蒸汽從板翅式換熱器2的上端的蒸汽進口進入，通過環管一 4到達板翅式換熱器2的扇形板翅換熱片，交換熱量後進入環管二 6，然後從下端的蒸汽冷凝水出口排出；當需要冷卻時，冷卻水從板翅式換熱器2的下端的冷卻水進口進入，通過環管二 6到達板翅式換熱器2的扇形板翅換熱片，交換熱量後進入環管一 4，然後從上端的冷卻水出口排出即可。實施例2
本實施例用於說明利用10 Hi3的內置板翅式換熱器的攪拌式反應器發酵生產L-賴氨酸的方法
在培養基和管道滅菌操作中，先使蒸汽從板翅式換熱器2的上端的蒸汽進口進入，通過環管一 4到達板翅式換熱器2的扇形板翅換熱片，交換熱量後進入環管二 6，然後從下端的蒸汽冷凝水出口排出，當反應器內溫度達到9(T95 °C時，換熱器中停止通蒸汽，接著進行培養基和管道滅菌的操作。發酵培養與結果按10%的接種量將產L-賴氨酸的大腸桿菌接入裝有5 m3發酵培養基的10 m3內置板翅式換熱器的攪拌式反應器中(IL發酵培養基含葡萄糖20 40 g/L,(NH4)2SO4 1.5 1.8 g, KH2PO41. 2 g，玉米漿 I 2 g，L-蘇氨酸 O. 2 0. 4 g)，通氣量為 200 250m3/h，攪拌轉速100 200 r/min，發酵溫度35 37 °C，流加氨水以控制pH在6. 5 6. 8，每隔2^4 h檢測殘糖濃度，並流加700 g/L的葡萄糖，維持殘糖濃度在1(T15 g/L，發酵結束前4飛h，停止流加糖液，當殘糖降至5 7 g/L時，即發酵結束，整個發酵周期約72 h。發酵過程中，使冷卻水從板翅式換熱器2的下端的冷卻水進口進入，通過環管二 6到達板翅式換熱器2的扇形板翅換熱片，交換熱量後進入環管一 4，然後從上端的冷卻水出口排出，冷卻水進水溫度為20°C左右，出水溫度在25 °C左右，而發酵工藝控制溫度範圍為35 37 °C。實施例3
本實施例用於說明利用20 m3的內置板翅式換熱器的攪拌式反應器發酵生產乙醇的方
法
在培養基和管道滅菌操作中，先使蒸汽從板翅式換熱器2的上端的蒸汽進口進入，通過環管一 4到達板翅式換熱器2的扇形板翅換熱片，交換熱量後進入環管二 6，然後從下端的蒸汽冷凝水出口排出，當反應器內溫度達到9(T95 °C時，換熱器中停止通蒸汽，接著進行培養基和管道滅菌的操作。發酵培養與結果按10%的接種量將畢赤酵母接入裝有14m3發酵培養基的20m3內置板翅式換熱器的攪拌式反應器中(1L發酵培養基含葡萄糖3(T50 g/L, (NH4)2SO445^65g, KH2PO4 1.2 g)，流加氨水以控制pH在4. 0 4. 5，通氣量為2000 2500 m3/h，攪拌轉速100^150 r/min，發酵溫度28 30 °C，整個發酵周期約24h。發酵過程中，使冷卻水從板翅式換熱器2的下端的冷卻水進口進入，通過環管二 6到達板翅式換熱器2的扇形板翅換熱片，交換熱量後進入環管一 4，然後從上端的冷卻水出口排出，冷卻水進水溫度為20 °C左右，出水溫度在25°C左右，而發酵工藝控制溫度範圍為28 31 °C。實施例4
本實施例用於說明利用50 m3的內置板翅式換熱器的攪拌式反應器發酵生產檸檬酸的方法在培養基和管道滅菌操作中，先使蒸汽從板翅式換熱器2的上端的蒸汽進口進入，通過環管一 4到達板翅式換熱器2的扇形板翅換熱片，交換熱量後進入環管二 6，然後從下端的蒸汽冷凝水出口排出，當反應器內溫度達到9(T95 °C時，換熱器中停止通蒸汽，接著進行培養基和管道滅菌的操作。發酵培養與結果按10%的接種量將產檸檬酸黑麴黴接入裝有35m3發酵培養基的50m3內置板翅式換熱器的攪拌式反應器中(IL發酵培養基含薯幹5(T70 g，α -澱粉酶80U/g原料，(NH4)2SO4 45 65 g)，通氣量為2500 4000 m3/h，攪拌轉速100 150 r/min，發酵溫度28 30 °C，整個發酵周期約65 h。發酵過程中，使冷卻水從板翅式換熱器2的下端的冷卻水進口進入，通過環管二 6到達板翅式換熱器2的扇形板翅換熱片，交換熱量後進入環管一 4，然後從上端的冷卻水出口排出，冷卻水進水溫度為20 °C左右，出水溫度在25 V左右， 而發酵工藝控制溫度範圍為28 31 °C。
權利要求
1.一種內置板翅式換熱器的攪拌式反應器，包括攪拌式反應器(1)，其特徵在於所述的攪拌式反應器(I)內設置具有多個扇形板翅換熱片的板翅式換熱器(2)，板翅式換熱器(2)上端有蒸汽進口和冷卻水出口法蘭(3)，下端有蒸汽冷凝水出口和冷卻水進口法蘭(7)，其中，蒸汽進口和冷卻水出口法蘭(3)通過環管一(4)把扇形的板翅換熱片連成一個整體，蒸汽冷凝水出口和冷卻水進口法蘭(7)通過環管二(6)把扇形的板翅換熱片連成一個整體。
2.根據權利要求1所述的內置板翅式換熱器的攪拌式反應器，其特徵在於所述的板翅式換熱器(2)與攪拌式反應器(I)之間為活動連接。
3.根據權利要求2所述的內置板翅式換熱器的攪拌式反應器，其特徵在於所述的活動連接為支撐件(5)和螺栓相連接。
4.一種利用內置板翅式換熱器的攪拌式反應器控制溫度的方法，其特徵在於該方法包括加熱和冷卻兩部分，具體步驟如下 (1)加熱過程蒸汽從板翅式換熱器(2)的上端的蒸汽進口進入，通過環管一(4)到達板翅式換熱器(2 )的扇形板翅換熱片，交換熱量後進入環管二( 6 )，然後從下端的蒸汽冷凝水出口排出； (2)冷卻過程冷卻水從板翅式換熱器(2)的下端的冷卻水進口進入，通過環管二(6)到達板翅式換熱器(2)的扇形板翅換熱片，交換熱量後進入環管一(4)，然後從上端的冷卻水出口排出。
全文摘要
本發明涉及一種內置板翅式換熱器的攪拌式反應器，包括攪拌式反應器，攪拌式反應器內設置具有多個扇形板翅換熱片的板翅式換熱器，板翅式換熱器上端有蒸汽進口和冷卻水出口法蘭，下端有蒸汽冷凝水出口和冷卻水進口法蘭，其中，蒸汽進口和冷卻水出口法蘭通過環管一把扇形的板翅換熱片連成一個整體，蒸汽冷凝水出口和冷卻水進口法蘭通過環管二把扇形的板翅換熱片連成一個整體。本發明還提供了利用內置板翅式換熱器的攪拌式反應器的控溫方法。本發明克服了夾套或蛇形管傳熱方式的不足，使得傳熱效率大大提高，有利於對溫度的精確控制，同時，多個扇形板翅換熱片也有助於促進流體湍流，增加反應器的傳質係數。
文檔編號C12M1/02GK103060189SQ20131003493
公開日2013年4月24日 申請日期2013年1月29日 優先權日2013年1月29日
發明者韋策, 李幹祿, 賀仁濤, 李暉, 張慶文, 陳可泉, 凌翔, 歐陽平凱 申請人:南京工業大學