发酵系统中的换热技术及其改进

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近年来,随着发酵新工艺的应用,发酵水平有了较大的提高,相应很多发酵热的升高对发酵罐冷却系统提出了更高的要求.冷却系统能否进行有效的热交换以提供合适的发酵温度,将影响到发酵水平的提高,同时冷却系统效率的高低,更直接影响到能耗(冷却水用量)的水平.提高发酵罐的传热系数K,既有利于降低设备一次投资(即降低冷却排管的钢材用量),更利于降低运行费用(即降低冷却水用量).
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" }5 @; X/ J) M$ d8 S; W传热系数以往称总传热系数。国家现行标准规范统一定名为传热系数。传热系数K值，是指在稳定传热条件下，围护结构两侧空气温差为1度（K，℃），1小时内通过1平方米面积传递的热量，单位是瓦/平方米·度（W/㎡·K，此处K可用℃代替）。

  M0 j- K+ I2 ~9 P发酵过程中微生物的生化反应要产生大量热量,这些热量必须及时被带出罐体,否则培养基温度升高,就会影响发酵最佳条件,引起微生物发酵中断。一般抗生素在发酵过程中会产生每米3 ,每小时约16～25MJ (即4000～6000 大卡/ 米3·时) ,另外培养基经实消和连消后温度较高,需要将其冷却至培养温度,这就需要发酵罐具有足够的传热面积和合适的冷却介质,将热量及时带出罐体。冷却介质一般应采用低温水和循环水。

1 R$ L( I& K$ w3 z- k2 c! h某些北方的工厂“因地制宜”采用深井水冷却,如果深井水目前水需付较高的费用,也许会认为可降低生产成本,但是发酵罐冷却水量极大,如果采用深井水,这对于水资源是极大浪费,因而是不可取的。发酵罐的冷却,主要是考虑微生物发酵过程的发酵热和机械搅拌消耗的功率移送给培养基的热量。此外还要考虑,发酵罐消毒的冷却或实消后的冷却时间。

4 b' ^; U- T0 }' \1 J1 v; r! `目前一般发酵罐的冷却传热面的型式,小型罐(5 米3 以下) 为普通夹套、普通夹套加导流板、蜂窝夹套、分段夹套等。有喷淋冷却器、螺旋板换热器、板式换热器、真空冷却器等。大型发酵罐为几组立式蛇管。立式蛇管虽具有传热系数高的优点,但他占据了发酵罐容积,同时不利于发酵罐的在位清洗（CIP）。据计算罐内立式蛇管体积约占发酵罐的115 %容积,若罐内的蛇管一旦发生泄漏,将造成整个罐批的发酵液染菌、此外罐内蛇管也给罐体清洗带来了不便。有采用强制循环提高了传热系数的方法，但是增加了泵的能耗和水资源。并且应为强制循环提高了传热效果。
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1 H- \1 ?. G" o4 S9 e6 y* n近来新型发酵罐的冷却面移至罐外,采用半圆形外蛇管,该蛇管具有传热系数高,罐体容易清洗,增强罐体强度,因而可大大降低罐体壁厚,使整个发酵罐造价降低,且提高发酵罐的容积,增大放罐体积,因而是值得推广的新技术,国内已经建立了专业的制造厂,解决了对蛇管加工技术难关,为发酵罐设计开创一个新的罐型。外蛇管的设计主要要解决外蛇管的冷却介质的流速和阻力降,因而外蛇管的大小和分组,需要通过计算才能获得满意的效果。
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& N; {7 K' Q: W' `2 d9 z5 G另外，考虑将发酵罐的冷却面和发酵液都移至罐外。采用现代的板式换热器进行换热。其换热的能力将大大提高。板式换热器的换热系数可以达到6000~9000Kcal/㎡.h.℃。远远大于传统夹套换热系数（150~250 Kcal/㎡.h.℃）。可以省去大量的降温用的水。但是在过程中要注意防止污染。

目前，该工艺已经开始在酸奶行业开始使用。