[發明專利]用于發酵反應的物料熱交換系統及方法

在審

• 申請號: 202011441202.1
• 申請日: 2020-12-11
• 公開（公告）號: CN112608833A
• 公開（公告）日: 2021-04-06
• 發明（設計）人: 李榮杰;穆曉玲;王舒;李維理;孟瑤
• 申請（專利權）人: 安徽豐原生物技術股份有限公司
• 主分類號: C12M1/38
• 分類號: C12M1/38;C12M1/34;C12M1/12;C12M1/02;C12M1/00;C12P7/48;C12P7/46;C12P13/08;C12P13/06;C12P19/26;C12P17/04;C12P7/56;C12R1/685;C12R1/645
• 代理公司: 北京睿陽聯合知識產權代理有限公司 11758
• 代理人: 郭奧博;張穎

本發明涉及一種用于發酵反應的物料熱交換系統，包括順次連接的發酵物料流出管道、發酵物料熱交換管道以及發酵物料流入管道；所述發酵物料流出管道的入口與發酵反應器底部的出料口相連，所述發酵物料流入管道的出口與發酵反應器頂部的進料口相連，且所述發酵反應器內部無熱交換結構。本發明提供的熱交換系統結構簡單，使用的管道、設備均在發酵反應器外部，不占用發酵反應器內部空間，大大降低發酵反應器制作周期及制作成本，改造和維修簡單便利，工作安全性高，且本發明提供的體系可以降低發酵反應中的染菌風險，減少發酵培養輔助周期時間，提高發酵反應器利用率，提高熱交換效率，具有極強的推廣應用價值。

技術領域

本發明涉及發酵工藝領域，具體涉及用于發酵反應的物料熱交換系統以及利用該系統進行發酵的方法。

背景技術

微生物發酵生產的基本水平是取決于生產菌種的性能，但有了優良的菌種還需要有最佳的環境條件即發酵工藝加以配合，才能優化提高其生產能力。因此必須研究生產菌種的最佳發酵工藝條件，如營養要求、培養溫度、對氧的需求等，據此設計合理的發酵工藝，使生產菌種處于最佳成長條件下，取得優質高產的效果。溫度對發酵的影響及其調節控制是影響有機體生長繁殖最重要的因素之一，因為任何生物化學的酶促反應都與溫度變化有關。溫度對發酵的影響是多方面且錯綜復雜的，主要表現在對細胞生長、產物合成、發酵液的物理性質和生物合成方向等方面。

在發酵培養過程中，隨著微生物對培養基中的營養物質的利用以及機械攪拌的作用，會產生一定的熱量，同時，發酵反應器的散熱、水分的蒸發等將會帶走部分熱量，因而引起發酵溫度的變化。習慣上將產生的熱能減去散失的熱能所得的凈熱量稱為發酵熱Q_發酵(kJ·m^-3·h^-1)。發酵熱包括生物熱、攪拌熱、蒸發熱、輻射熱等。

考慮實際工作情況及生產需求，發酵反應器常見的熱交換結構有夾套式、彈簧管式、列管式、換熱器式熱交換結構。具體而言：(1)夾套式換熱器主要用于反應過程的加熱或冷卻，是在容器外壁安裝夾套制成。結構簡單。但傳熱面受容器壁面限制，傳熱系數小。為提高傳熱系數且使發酵反應器內物料受熱均勻，可在發酵反應器內安裝攪拌器。也可在發酵反應器內內安裝蛇管。(2)彈簧管式換熱結構由多組盤管組成，盤管的各層之間的層間距h一般取h＝(1.5-2)d(d為換熱管外徑)，換熱管的外徑d、盤管的直徑D1、D2、高度H一般根據發酵反應器的直徑、高度、工藝要求的熱交換面積等具體情況來確定，但在設計工程中也要考慮攪拌空間、盤管與罐壁之間可施焊空間等要求，另外多組盤管情況下還要考慮換熱管的最小煨彎半徑等綜合因素。(3)列管式換熱結構由各層列管組成，列管的各層之間的層間距h，亦可取h＝(1.5-2)d(d為熱交換管外徑)，也可以不同的固定螺栓型式以放下固定螺栓為宜，其余與彈簧式盤管類似。(4)換熱器式換熱結構的結構型式與普通換熱器的結構類似，只是把發酵反應器罐體作為殼程，且滿足換熱器的結構要求：如管板的最小厚度、換熱管與管板的連接方式要求、折流板的支撐跨距要求、換熱管間距滿足降低焊接應力、彈性變形范圍不相交、清洗方便等要求。但該結構可能存在較大的熱脹冷縮量，以免長期工作下接管等容易拉斷。

綜合現有技術的方案，目前發酵反應器使用的夾套式、彈簧管式、列管式、換熱器式換熱結構至少存在如下缺陷：第一，都需在發酵反應器內部進行焊接安裝，降低了發酵反應器有效利用空間，同時彈簧管式、列管式、換熱器式換熱結構需提前于發酵反應器內部預制完成，管材加工成本高且材損大，大大增加發酵反應器制作成本及制作周期；第二，夾套式、彈簧管式、列管式、換熱器式換熱結構在發酵反應器滅菌處理過程中，換熱結構內殘留冷/熱介質遇到蒸汽后膨脹震蕩容易導致焊接處撕裂，在發酵過程中換熱結構中冷/熱介質泄漏大概率導致發酵過程染菌，且現有發酵反應器內部換熱結構復雜，管道較多，清洗難度大，一旦清洗不徹底留下死角，就會增加染菌風險；第三，為保證換熱結構無泄漏還需對焊縫處進行查漏，增加發酵培養輔助周期時間；第四，現有發酵反應器內部換熱結構維修難度大，發酵反應器內部結構復雜，空間較??；第五，現有的換熱結構換熱效率低，熱損失多循環水運行成本大，等等。

發明內容