[发明专利]用于发酵反应的物料热交换系统及方法

说明书

本发明涉及一种用于发酵反应的物料热交换系统，包括顺次连接的发酵物料流出管道、发酵物料热交换管道以及发酵物料流入管道；所述发酵物料流出管道的入口与发酵反应器底部的出料口相连，所述发酵物料流入管道的出口与发酵反应器顶部的进料口相连，且所述发酵反应器内部无热交换结构。本发明提供的热交换系统结构简单，使用的管道、设备均在发酵反应器外部，不占用发酵反应器内部空间，大大降低发酵反应器制作周期及制作成本，改造和维修简单便利，工作安全性高，且本发明提供的体系可以降低发酵反应中的染菌风险，减少发酵培养辅助周期时间，提高发酵反应器利用率，提高热交换效率，具有极强的推广应用价值。

技术领域

本发明涉及发酵工艺领域，具体涉及用于发酵反应的物料热交换系统以及利用该系统进行发酵的方法。

背景技术

微生物发酵生产的基本水平是取决于生产菌种的性能，但有了优良的菌种还需要有最佳的环境条件即发酵工艺加以配合，才能优化提高其生产能力。因此必须研究生产菌种的最佳发酵工艺条件，如营养要求、培养温度、对氧的需求等，据此设计合理的发酵工艺，使生产菌种处于最佳成长条件下，取得优质高产的效果。温度对发酵的影响及其调节控制是影响有机体生长繁殖最重要的因素之一，因为任何生物化学的酶促反应都与温度变化有关。温度对发酵的影响是多方面且错综复杂的，主要表现在对细胞生长、产物合成、发酵液的物理性质和生物合成方向等方面。

在发酵培养过程中，随着微生物对培养基中的营养物质的利用以及机械搅拌的作用，会产生一定的热量，同时，发酵反应器的散热、水分的蒸发等将会带走部分热量，因而引起发酵温度的变化。习惯上将产生的热能减去散失的热能所得的净热量称为发酵热Q_发酵(kJ·m^-3·h^-1)。发酵热包括生物热、搅拌热、蒸发热、辐射热等。

考虑实际工作情况及生产需求，发酵反应器常见的热交换结构有夹套式、弹簧管式、列管式、换热器式热交换结构。具体而言：(1)夹套式换热器主要用于反应过程的加热或冷却，是在容器外壁安装夹套制成。结构简单。但传热面受容器壁面限制，传热系数小。为提高传热系数且使发酵反应器内物料受热均匀，可在发酵反应器内安装搅拌器。也可在发酵反应器内内安装蛇管。(2)弹簧管式换热结构由多组盘管组成，盘管的各层之间的层间距h一般取h＝(1.5-2)d(d为换热管外径)，换热管的外径d、盘管的直径D1、D2、高度H一般根据发酵反应器的直径、高度、工艺要求的热交换面积等具体情况来确定，但在设计工程中也要考虑搅拌空间、盘管与罐壁之间可施焊空间等要求，另外多组盘管情况下还要考虑换热管的最小煨弯半径等综合因素。(3)列管式换热结构由各层列管组成，列管的各层之间的层间距h，亦可取h＝(1.5-2)d(d为热交换管外径)，也可以不同的固定螺栓型式以放下固定螺栓为宜，其余与弹簧式盘管类似。(4)换热器式换热结构的结构型式与普通换热器的结构类似，只是把发酵反应器罐体作为壳程，且满足换热器的结构要求：如管板的最小厚度、换热管与管板的连接方式要求、折流板的支撑跨距要求、换热管间距满足降低焊接应力、弹性变形范围不相交、清洗方便等要求。但该结构可能存在较大的热胀冷缩量，以免长期工作下接管等容易拉断。

综合现有技术的方案，目前发酵反应器使用的夹套式、弹簧管式、列管式、换热器式换热结构至少存在如下缺陷：第一，都需在发酵反应器内部进行焊接安装，降低了发酵反应器有效利用空间，同时弹簧管式、列管式、换热器式换热结构需提前于发酵反应器内部预制完成，管材加工成本高且材损大，大大增加发酵反应器制作成本及制作周期；第二，夹套式、弹簧管式、列管式、换热器式换热结构在发酵反应器灭菌处理过程中，换热结构内残留冷/热介质遇到蒸汽后膨胀震荡容易导致焊接处撕裂，在发酵过程中换热结构中冷/热介质泄漏大概率导致发酵过程染菌，且现有发酵反应器内部换热结构复杂，管道较多，清洗难度大，一旦清洗不彻底留下死角，就会增加染菌风险；第三，为保证换热结构无泄漏还需对焊缝处进行查漏，增加发酵培养辅助周期时间；第四，现有发酵反应器内部换热结构维修难度大，发酵反应器内部结构复杂，空间较小；第五，现有的换热结构换热效率低，热损失多循环水运行成本大，等等。

发明内容