CN102575913B - 热传递挡板系统及其用途 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种改进的热传递系统，其供在化学和生物工艺中使用的反应容器中使用。在一个实施方案中，提供了包括至少一个分配通路和至少一个溢流通路的热传递挡板。在另一个实施方案中，提供了包括彼此邻接的所述分配通路和溢流通路的两个子组件。

Description

热传递挡板系统及其用途

相关申请

本申请要求2009年9月4日提交的美国序列号为No.61/240,029的优先权。

发明领域

本发明涉及用来制造化学试剂，特别是生物药品的装备。

背景信息

本发明涉及具有用于制造化学和/或生物产品例如生物药品的反应容器的装备。例如，发酵罐通常提供一种用于培养微生物或者哺乳动物、昆虫、或者植物细胞以生成这些产物的反应容器。重要的是，控制反应温度以确保产物的最佳生产。例如，发酵典型地生成过量的热量，所述热量必须被耗散或者从系统去除以确保合适的反应条件。本领域技术人员已经提出了用于控制反应容器内部温度的各种系统，正如以下简要综述的。然而，在本领域中还需要一种改进的热控制系统，其也并入了清洁材料表面的使用，例如，本文所提供的。

在一些美国和外国专利中描述了以前可用的系统。例如，美国专利No.2,973,944(Etter，等人)描述了一种“单独盘管单元”的系统，每个盘管单元含有用作反应容器中热传递元件的一组管。通过使用位于每个单元的顶部、底部和/或整个长度上的支柱构件，这些单元间接地固定到容器的内部。‘944专利指出这种间接附接的优点在于，扩张和压缩单元期间将不损坏反应器壳。由‘944专利所描述的单元不是内部的，例如挡板的部分，而是替代地由对于反应容器完全暴露的多个管组成。在美国专利No.3,986,934(Muller，H.)中描述的另一个基于管的系统，其提供了包括多个管的挡板，挡板基本上设置在反应容器的中心。发酵介质循环通过挡板，以使得接触含有热传递介质的管，从而最优化反应组分和热传递介质之间的接触。并且美国专利No.4,670,397(Wegner，等人)公开了一种近似均匀地在发酵罐周围间隔排列的管挡板的系统。挡板设置与发酵罐壁分离，由此在反应罐外壳和挡板之间提供间隔。

美国专利No.4,985,208(Sugawara，等人)说明了聚合反应设备，其包括附接到反应容器在搅动叶片之间的内壁上的多个热传递元件。热传递介质可以在热传递元件的内部通道内部循环。通过可替代地使用所布置的加强板，可以以所提供的“Z字形”图案来形成内部通道。类似地，美国专利No.4,460,278(Tetsuyuki，等人)公开了一种具有安装在搅动叶片之间的热交换器的圆柱形容器。

目前由制造商(例如，Tranter，Paul Mueller，Omega)所供给的市场上可买到的系统包括：扁平线圈、螺旋缠绕管系统、以及其它垂直管环路系统。例如，系统提供由两个金属片构成的热传递元件，所述两个金属片是焊接在一起的电阻，以形成热传递介质循环通过的通道。扁平线圈可以以各种形式得到，并且适于插入反应容器内部。

目前可得到的系统不提供用于高功率/体积的反应器的足够的结构完整性和清洁的构造。本文所描述的热传递系统包括被描述解决这些问题的挡板。正如以下所述，挡板典型地具有热传递介质循环通过的分配通路以及热传递介质不循环通过的一个或者多个溢流通路，其也可以用作分配通路的通孔。该构造提供独特的结构完整性。挡板还典型地固定到反应容器，以使得基本上在挡板和容器之间没有出现任何接缝，由此提供适于清洁的表面。

发明概述

本文所提供的是热传递系统，其有效地传递热量，经受住反应容器内部所遇到的液力，并且可以被简单且有效地清洁。本文所描述的热传递挡板可以并入热传递系统以解决这些问题。在某些实施方案中，挡板具有至少一个内部通路以及至少两个外部通路。典型地，热传递介质循环通过分配通路，而不是一个或者多个溢流通路，其也可以用作分配通路的通孔。将分配通路和溢流通路并入挡板提供了独特的热传递能力和经受住反应容器中遇到的液力所必需的结构整体性。此外，挡板典型地固定到反应容器，以使得在挡板和容器之间不出现任何接缝，由此提供适于清洁的表面。

附图简述

图1.A.装备有如本文所描述的多个热传递挡板的反应容器的示例性实施方案。B.示例性多地带热传递挡板。

图2.示例性热传递挡板构造。

图3.示例性热传递挡板构造。

图4.示例性热传递介质入口/出口切口(cut-out)。

图5.示例性集管(header)构造。

图6.示例性热传递挡板的侧视图。

图7.示例性热传递挡板的正视图。

图8.来自热传递试验#1的结果。

图9.来自热传递试验#2的结果。

详细概述

本文所描述的是供反应容器使用的热传递系统。示例性反应容器可以采取腔室、发酵罐、生物反应器、或者类似物的形式、和/或在化学反应、微生物发酵、和/或(例如，基于哺乳动物、昆虫或者植物的)细胞培养中通常使用的反应容器。与使用这些反应容器相关联的通常问题是温度控制。反应是极端地放热或者吸热许多次，并且温度的极端改变可以影响化学反应、细胞生长、等等。本文所描述的系统为这些问题提供了鲁棒性的且新颖的解决方案，以使得反应容器内部的温度可以被精确地控制。本文所描述的热传递系统有效地传递热量，经受住反应容器内部所遇到的液力，并且可以被简单且有效地清洁。

本文所描述的热传递系统典型地包括：至少一个热传递挡板。在某些实施方案中，热传递挡板具有一个或者多个分配通路和至少一个溢流通路。根据实施方案，挡板可以含有单个溢流通路或者多个溢流通路。为了指出该选择，该描述可以把溢流通路称作指示“一个或者多个溢流通路”的溢流通路。分配通路典型地被发现与挡板的外部最近，并且由此比溢流通路更接近反应腔室，从而为反应腔室内部提供足够的热传递表面。溢流通路典型地被发现在分配通路之间，而且还可以是替代地或者附加地在分配通路之间或者连接到分配通路外部。热传递介质典型地循环通过分配通路而不是溢流通路。溢流通路典型地通过一个或者多个溢流孔(例如，节流口)直接或者间接地通道罐外部，从而提供检测分配通路的故障(例如，泄漏)和/或防止过量压力增大的方法。这确保了遵照可适用规范来构造承压装备。该配置提供了加强的横截面，由此增加了挡板的机械强度。例如，将溢流通路通到反应腔室的外部可以通过将一个或者多个溢流孔安置在这个封闭条内部来实现。将分配通路和溢流通路包括到挡板中的这种挡板结构的使用提供了独特的热传递能力和经受住反应容器中所遇到的液力所必需的结构完整性(例如，在搅拌式反应中，高搅拌器功率输入/每单位体积)。挡板可以由如本文所描述以及使用任何可用的方法构造的任何合适材料来形成。例如，挡板可以通过装配不同的部分(见以下)或者使用制模或其它技术(例如，其中利用例如塑料等的可制模材料)来构造。以下所描述的是一种用于从其组成部分装配挡板的方法，但是应当理解：许多其它的方法可以是合适的。因而，要理解的是，本文所描述的是：具有两个或者两个以上用于热传递介质循环的分配通路和至少一个溢流通路。挡板可以通过任何合适的方法、使用如本文所描述的任何合适材料或者如本领域人员可以得到的其他方式来构造、制成或者装配。类似地，挡板可以通过所提供的任何合适方法并入、附接到或者固定到反应容器，所述方法提供基本上无缝的附接点(例如，材料之间无缝接头或者边界)，以提供可以被简单且有效地清洁的表面。“基本上无缝的附接点”、“无缝接头”、或者“无缝隙接头”典型地指出：挡板和反应容器之间的边界借助于视觉和/或其它方式(例如，显微术)基本上不可检测。也可以指出：在典型地由本领域技术人员用来“清洁”这个装备的标准清洗程序之后，边界不残留来自前一次反应的残余物。系统因此适用于使用工业公认的“原位清洗”和“原位灭菌”系统的清洁处理，所述“原位清洗和原位灭菌”系统使用包括但不限于清洁剂、刷子、和/或蒸汽的任何合适的清洗试剂。这种边界给予其本身容易且有效的清洁处理，正如以下所限定的。

如果表面被认为由本领域技术人员“清洗”，其可以被认为是清洁的。如果表面是“清洁的”，正如由美国机械工程师协会(ASME)关于生物工艺装备所限定的，例如，“属于经由设计的装备和管道系统，构造的材料和运行保证维持清洁度，以使得由这些系统所生成的产物将不会不利地影响人或者动物健康”，表面可以被认为是清洁的。当表面不受微生物(包括但不限于有生命的或非生命的细菌，和/或病毒)影响时，其可以被认为是清洁的，和/或是无菌的，正如本领域中通常理解的。例如，对于化学反应，清洁表面是基本上在表面上不含任何可检测的化学残余物的表面，所述化学残余物可能不经意地被并入或者以其他方式不利地影响反应产物的生成、其从容器中分离、或者其在分离之后的使用。本领域技术人员将理解的是：用不将包括在该产物中的有机物或者化合物污染施用于人或者动物的产物可能“不利地影响”人或者动物的健康。出于该发明的目的，含有这种污染的表面因此不被认为是“清洁的”。

分配通路典型地通过将至少两个材料彼此邻接，以使得一个或者多个通路形成在这些材料之间来形成。热传递介质循环通过这些通路。由此，只要提供足够的热传递表面面积，通路可以具有任何形式。例如，通路可以是直的、蛇形的、“Z字形的”、等等。通路还可以是规则的或者不规则的，这可以在蜂窝夹套材料中被找到。分配通路也可以由如本文所描述的单个材料(如，塑料)来形成。本领域技术人员已知的分配通路的其它实施方案在本文是预期的。

在某些实施方案中，热传递挡板可以通过机械地装配其各种部件来构建。例如，热传递挡板可以通过将彼此邻接的两个或者两个以上热传递子组件以“背靠背”配置的方式连接以及与所提供的流分配(“入口”)和聚集(“出口”)集管连通来装配。热传递子组件典型地由与第二材料(例如，支撑材料)邻接(例如，焊接)的第一材料(例如，蜂窝夹套材料)制造。在某些实施方案中，材料被邻接，以形成用于传送热传递介质的通路(例如，“分配通路”)。例如，第一和第二材料之间的间隙可以形成热传递介质可以循环或者流动通过的分配通路。两个子组件典型地彼此固定。当两个子组件彼此邻接时，两个分配通路(例如，在每个子组件内部的一个)和一个溢流通路(例如，在子组件之间的)典型地形成在单个热传递挡板内部。子组件可以通过任何合适的方法(例如，焊接、粘结)彼此邻接。在材料是金属形式的情况下，焊接可以是特别有用的，但是其它方法也可以是有用的。例如，子组件可以通过使用制成连接件或者“封闭条”的第三种材料来邻接。该材料典型地与每个子组件连通，由此，使子组件彼此邻接。该材料的长度典型地确定了溢流通路的直径，并且因此可以根据需要调整。

热传递挡板还可以包括：第一材料，其与第二材料连接以使得形成一个或者多个分配通路，其可以通过使用封闭条或者类似物彼此固定。因而，热传递挡板将在挡板的一侧上具有分配通路，在其它侧上具有溢流通路。挡板还可以构建有在一个或者两个分配通路外部的溢流通路。因而，挡板可以设计成含有例如，一、二、三或者更多个溢流通路，所述溢流通路可以在分配通路之间、附近或者周围。该热传递挡板可以然后附接到如本文所描述的反应容器(例如，通过使用附接臂)。在例如需要差不多的热传递表面面积的情况下，这些实施方案中的某一些可能是有用的。

热传递挡板典型地附接到反应容器，优选地附接到其内壁。正如以上所述，可以使用提供基本上无缝附接点(例如，材料之间的无缝接头或者边界)的任何附接的方法。挡板可以直接地附接到反应容器，间接地通过使用另一块材料，或者既直接又间接地。挡板可以完全地或者部分地倚着容器内壁设置，或者挡板本质上可以不实际接触容器内壁。例如，附接可以通过间接地使用第四材料(例如，经由一个或者多个“附接臂”)来部分或者全部完成。如上所述，本文所描述的系统的一个优点在于，系统可以被有效地清洁。出于该目的，附接条或者类似物可以是特别有用的。例如，附接条可以通过任何合适的方法与子组件邻接，然后通过使用相同或者其它合适的方法与反应容器表面邻接。可替代地，附接臂可以与反应容器表面邻接，并且然后附接到子组件。挡板还可以通过例如将挡板与反应容器直接焊接来附接到反应容器。还可以利用使用例如附接臂的间接附接和直接附接(例如，通过将挡板直接与反应容器焊接)的结合。焊接是特别有用的附接方法，因为附接条材料提供了足够的材料来用于沉积接头处牢固的、磨光和/或抛光焊缝。完整装配的外部典型地被适当地机械抛光和/或电抛光，以生成清洁表面。在某些实施方案中，例如当蜂窝夹套材料用在子组件内部时，背靠背的取向将通常难于清洗的蜂窝夹套材料设置在子组件内部上，以及将支撑材料(其典型地是光滑的并且被抛光)设置在子组件外部上。在这个实施方案中，蜂窝夹套材料和支撑材料之间的间隔形成分配通路，并且并列的蜂窝夹套材料之间的间隔形成溢流通路。这种配置提供了具有清洁结构的热传递系统，其提供理想的热传递能力，同时还满足(例如，在搅拌工艺过程中)反应容器内部结构上鲁棒性的机械部件(例如，防涡流挡板)的需求。

热传递系统还典型地包括：用来将热传递介质传入和传出挡板的入口和出口集管。入口集管典型地与热传递介质通过其流入挡板的分配通路的入口管连通，并且出口集管典型地与热传递介质通过其流出挡板的分配通路的出口管连通。挡板的溢流通路典型地不与入口或者出口集管连通。入口和出口集管分别分配和收集分别流向和来自热传递子组件的热传递介质流，在面板的整个宽度上提供热传递介质的均匀分配，以及最小化流动的短线路，由此最大化面板表面的有效性。假如分配通路中泄漏，热传递介质将典型地通过将溢流通路与罐外部连接的一个或者多个溢流孔从系统中去除。假如分配通路中泄漏，溢流通路提供用于分配通路中内含物运动的储液槽，以及始自反应容器或者这些内含物的离开路线(例如，经由溢流孔向罐外部)。入口和出口集管可以由任何合适的材料(例如，管)以管形或者其它合适的形状制造，终止以使得集管可以与系统的热传递介质供给和排放管道连接。入口集管典型地设置在反应容器内部出口集管下面的挡板上，但是，如果需要，入口集管还可以设置在出口集管上方的挡板上。因此，在入口集管设置在出口集管下方的情况中，热传递液体从挡板的下部向上部(例如，底向顶)运动。在入口集管设置在出口集管上方的情况中，热传递介质从挡板的上部向下部(例如，顶向底)运动。入口和出口集管典型地需要挡板材料中在集管和挡板的外部腔室之间的接头处的一个或者多个狭槽(例如，图4)。设置这些狭槽，以使得流入和流出挡板的流量被控制，而且由此没有不利的影响(例如，流向和流出挡板是不受限制的)。集管可以例如通过反应器容器壁与挡板接触(例如，从侧面)或者始自反应器容器内部。用于将热传递介质移入或者移出反应器容器的其他合适布置也可以是合适的，这正如本领域技术人员所理解的。

反应容器可以采用任何合适的形式或者形状，但是典型地是垂直的圆柱体(例如，其还可以是水平的)。挡板可以以规则的或者不规则的间隔从反应容器内壁突起。挡板还可以相对于反应容器的内壁以合适的角度(例如，相对于内壁60°，相对于半径30°，图3)来安装。合适的角度可以是本领域技术人员所理解的合适的角度，以便于或者足够去减少挡板所遇到的力(例如，液力)，该力是由于其搅拌(例如，机械方式或者其它方式)所导致的容器内含物的运动(例如，旋转和/或涡流运动)所引起。合适的角度是防止挡板免受由这种运动所引起的力的损害的角度。合适的角度包括：例如，相对于容器内部或者容器半径5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°、65°、70°、75°、80°、85°或者90°。在反应容器含有用于搅拌或者混合反应的机构(例如，机械机构或者其它机构)的情况下，例如，一组旋转刀片或者类似物(例如，轴向流或者径向流叶轮)，挡板固定到内壁或者从内壁突起，以使得机构和挡板不彼此接触。例如，在用于混合反应组分的装置位于容器的底部中心处的情况下，挡板可以安装在所述工具的最高点上方。在利用多个机械机构的情况下，挡板典型地被配置成避免这些机构。例如，在机构包括一组或者多组旋转刀片的情况下，挡板可以设置在刀片上方、下方、之间或者旁边。挡板设计将确保距离机械机构足够的空隙。

所要求的热传递表面的数量，以及因此的热传递挡板的数量和大小将根据反应或者反应容器的类型改变。所要求的数量可以由本领域技术人员使用可用的方法来计算。如上所述，在搅拌反应中，挡板的尺寸可以至少部分地由用于搅拌的机构类型来确定。在其它的情形中，挡板的尺寸可以由反应容器的大小来确定。例如，在圆柱形反应容器中，挡板的深度(其是从反应容器壁朝向容器内部延伸的挡板部分)可以被估计成大致上包括反应腔室直径的1/6到1/12(例如，1/8，1/10)。然而，可以理解的是，其它的布置也可以是合适的。

合适的热传递介质包括且不限于液体和气体。合适的液体和气体包括且不限于蒸汽(顶向底)、热的和冷的水、乙二醇、热传递油、制冷剂、或者具有理想运行温度范围的其它泵送液体。还可以使用多种类型的热传递介质，以使得例如一种类型的介质朝向反应容器的一个区域以及另一种类型的介质朝向反应容器的不同区域(例如，如在上述的带状系统中)。热传递介质的混合物(例如，30％的乙二醇)也可以是理想的。

“可固定地附接”、“固定”、或者“邻接”意味着：至少两种材料基本上以永久的方式彼此接合。本文所描述的各种部件可以是通过使用例如焊接、使用粘接剂、或者另外一种类似的工艺来彼此接合。部件必须在使用过程中彼此仍然附接，这意味着：除了来自热传递介质流动所建立的压力之外，部件之间的附接点(例如，边界、接头)必须能够经受住反应容器内部所遇到的液力，其是由于反应器内含物响应搅拌机构的动作而运动引起的。

用来生成本文所描述的装备的材料可以具有相同或者不同的组成。本文所描述的系统典型地但不是必须地由耐腐蚀合金(例如，金属)来构建。例如，合适的材料可以包括，不限于，蜂窝夹套材料和/或薄片/平板座。合适的材料其中包括：例如，碳素钢、不锈钢(例如，304、304L、316、316L、317、317L、AL6XN)、铝、(镍铬铁合金)(例如，Inconel 625、Chronin 625、Altemp 625、Haynes 625、Nickelvac 625和Nicrofer 6020)，(耐热镍铬铁合金)、哈氏合金(例如，A、B、B2、B3、B142T、Hybrid-BC1、C、C4、C22、C22HS、C2000、C263、C276、D、G、G2、G3、G30、G50、H9M、N、R235、S、W、X)、以及(蒙乃尔铜-镍合金)、钛、Carpenter(卡彭特合金)然而，要理解的是，除了耐腐蚀合金之外或者加上耐腐蚀合金的其它材料(例如但不限于，塑料、橡胶以及此类材料的混合)也可以是合适的。材料的“混合物”可以指的是：本质上形成组合材料的实际混合物或者在系统内部使用各种材料(例如，合金反应器壳和橡胶挡板组分)。就以上所指出的通路材料而言，可以准备以上所描述的任何合适材料，以使得形成热传递介质可以分配通过的通路。

如以上所述，可以在挡板中使用的一个特别合适的材料是蜂窝夹套材料。蜂窝夹套典型地安装在例如发酵罐的反应容器周围，并且可以用作热传递系统的一部分。蜂窝夹套材料可以以典型的方式用在本文所描述的装置中，例如，包在反应容器周围。在本文所描述的某一实施方案中，蜂窝夹套材料也可以或者可替代地用在挡板结构内部。蜂窝夹套材料是市场上可买到的，并且这些材料中的任何一个可以适用于如本文所公开的用途。典型地，蜂窝夹套材料具有压制成或者形成母材料(例如，一块金属)的基本上一致的蜂窝图案(例如，凹部、凹口)。例如，蜂窝夹套材料可以机械地(“机械的蜂窝夹套”)或者通过充气(例如，充气式电阻点焊)制成。为了准备机械的蜂窝材料，在每个蜂窝典型地含有中心孔的情况下，具有被压制成基本一致阵列的蜂窝的一块金属通过中心孔焊接到母体金属。充气式RSW蜂窝材料典型地通过将一薄块金属上的一排点电阻点焊到更坚固的(例如，更厚的)基底材料(例如，金属)上来制成。所组合的材料的边通过焊接来密封，并且内部在高压下充气，直到薄材料形成蜂窝图案。当用作夹套时，机械的蜂窝材料典型地具有高压力等级以及低到中等的压降，同时，RSW蜂窝夹套典型地呈现中等的压力等级以及高到中等的压降。其它合适的蜂窝夹套材料对于本领域技术人员是可以得到的并且适于本文所描述的用途。

反应容器可以采用反应腔室、发酵罐、生物反应器、或者类似物的形式。容器适用于化学反应、微生物发酵、细胞(例如，哺乳动物、昆虫或者植物基)培养或者其它的用途。反应容器和相关联的热传递系统可以因此在用于控制容器中化学的、制药的或者生物的工艺温度的方法中，所述容器包括：包括在本文所描述的热传递组件中至少一个的内部反应腔室。工艺包括：通过至少一个热传递组件的热传递分配通路来分配热传递介质，以使得由工艺所引起或者所要求的热量借助于热传递介质从反应容器开始传递或者传递到反应容器，由此从反应容器去除热量或者向反应容器增加热量。本文所描述的系统的其它合适应用对于本领域技术人员是公知的。

还提供了用于通过使热传递介质循环通过本文所描述的至少一个热传递挡板的分配通路来控制反应容器中的工艺温度的方法。该方法可以用在例如化学工艺、制药工艺、生物工艺、或者其它工艺中。生物工艺可以是例如微生物培养、哺乳动物细胞培养、植物细胞培养、或者类似情况。该方法还可以用在生成疫苗中的至少一个步骤中。该方法典型地通过将热传递液体泵送通过例如与热传递液体的源或者储液槽连通的入口集管送入热传递挡板内来实现。热传递液体的温度典型地高于或者低于容器内含物的温度，这分别取决于容器内含物的温度将增加或者减小。热传递液体的温度可以根据需要调整，以便于获得容器内含物的理想温度。液体典型地循环通过热传递挡板，并且通过例如出口集管离开来用于进一步的处理(例如，加热或者冷却)和/或再次循环通过挡板。容器内含物的温度由此根据用户需要来改变或者维持。使用本文所描述的系统的其它合适的方法对于本领域技术人员是公知的。

热传递系统的典型实施方案在图1A中示出。正如在此所示出的，通过使用附接臂7(其可以或者不可以延伸到挡板的整个宽度)，热传递挡板2固定到反应容器6的内部1。在图1A中所示出的特别实施方案中，挡板间接地附接到反应容器，并且不直接接触容器。挡板典型地与热传递液体通过其进入挡板的入口集管3和热传递介质通过其离开挡板的出口集管4连通。在该实施方案中，挡板附接到机构上方、下方或者旁边的反应容器，用于混合(5)容器内含物。用于混合反应组分的机构可以是例如可以正如由虚线所指出的、沿着容器延伸任何长度的叶轮系统。合适的叶轮系统包括但不限于例如轴向流和径向流开式叶轮的任何方式和/或单个和/或多个和/或组合。挡板典型地借助于焊接或者导致在挡板和反应容器之间基本上无缝接头的其他工艺、通过附接臂7与反应容器壳外部邻接。因而，正如典型构造的，反应容器壳和挡板可以看上去形成单个单元。这提供了明显的优点，因为热传递系统可以被有效地清洗，和/或清洁，优选地在接头处不留下任何残余物。

还可以构造挡板，以使得热传递介质在挡板的一个或者多个隔室或者地带以及因此在反应容器内部循环。例如，正如在图1B中所示出的，挡板可以通过分隔物8彼此分离，以形成独立的挡板内隔室，以使得热传递介质可以循环通过每个隔室。热传递介质可以连续地或者独立于任何其它隔室地循环通过每个隔室。独立的循环典型地要求每个隔室或者地带包括附接用于每个隔室的入口和出口集管。入口和出口集管可以彼此连通或者彼此独立。还可以提供阀或者用于选择特别挡板和/或入口和/或出口集管的其它机构。以这种方式，热传递介质可以在反应容器的特定区域(例如，基本上在顶部、底部或者中间)内部循环。在例如反应容积随时间增加或者减少的情况下，这是有用的，以使得需要差不多的热传递表面面积。挡板还可以相对于反应腔室水平安装，这意味着：代替经过腔室的顶部和底部长度，挡板还可以侧向横过腔室。其它合适的挡板取向在本文是预期的，正如本领域技术人员所理解的。

图2、图3和图5-7图示了示例性挡板和其一部分。正如以上所讨论的，挡板典型地与入口集管3和出口集管4连接。这些集管与挡板邻接，以使得热传递介质循环通过分配通路9。溢流通路10典型地通过使用例如溢流孔(例如，其可以在封闭条内部被发现)来通向容器的外部。入口和出口集管与溢流通路10不连通，热传递介质不是典型地循环通过溢流通路10，这是由于关于承压装备的设计要求。因而，分配和溢流通路不连通，除非泄漏在分配通路内部形成，以使得热传递介质或者其它的材料进入溢流通路并且从挡板和反应容器排出。分配通道9典型地形成在每个子组件的支撑材料11和蜂窝夹套材料12之间。溢流通路10典型地通过将两个子组件彼此邻接来形成，每个子组件包括可固定地附接到蜂窝夹套材料12的支撑材料11。在这些实施方案中，通过焊接或者导致材料可固定地彼此附接的其它工艺，每个子组件的蜂窝夹套材料和支撑材料典型地彼此邻接。子组件典型地通过使用封闭条13彼此邻接。通过焊接或者导致基本无缝的接头的其它工艺，封闭条典型地与支撑材料邻接。封闭条的宽度可以被调整，以根据需要设定溢流通路的宽度(例如，设定并列的蜂窝夹套一起更加靠近或者进一步地分开)。一个或者多个溢流孔可以制成在封闭条内部，以使得溢流通路可以与反应腔室外部连通。通过焊接或者导致基本无缝的接头的其它工艺，挡板组件典型地通过附接臂7可固定地附接到容器。如上所述，使用附接臂有益地保证了有效地清洗和/或清洁挡板，因为在附接工艺(例如，焊接)之后，反应容器的内表面和挡板之间的接头处残留非常少至没有任何残余物。

根据经由图示所提出的以下实施例，将更好地理解本发明和其许多优点。

实施例

实施例1

挡板构造

主要使用以下所述的步骤来实现如本文所描述的热传递挡板的构造：

1.按大小切割挡板材料。在挡板材料的两端切割热传递介质入口/出口狭缝。

2.挡板材料被固定到合乎要求的夹具和固定装置内，以保护挡板材料在焊接工艺过程中免受由于生热的弯曲。弯曲可能使得挡板材料失去其理想的形状。

3.蜂窝被冲压成热传递材料，以建立将热传递材料焊接到挡板材料上的附接点。在热传递材料中冲压蜂窝建立了蜂窝点间的开口“垫”部分。建立该“垫”部分允许热传递介质适当地流过整个热传递表面。按大小切割热传递材料，并且边被卷曲以允许蜂窝状的热传递表面边缘被焊接到挡板材料上。

4.蜂窝状的热传递材料被焊接到挡板材料上。蜂窝和边缘边的焊接顺序被适当地间隔开，以便于减少正被焊接的两个材料中的生热量。同时在任何区域中的过量热可能使得材料弯曲，从而使得挡板失去其理想的形状。

注意：为了建立一个清洁的热传递挡板组件，典型必要的是，制造如以上步骤1#到4#中所描述的挡板/热传递材料的两个子组件。

5.按长度切割挡板封闭条。

6.设置两个挡板/热传递子组件，而它们的热传递表面彼此相对。对齐挡板材料，以使得表面彼此平行并且边对齐。

7.挡板密封条用来建立挡板/热传递子组件之间的足够间隔(例如，由此提供溢流通路)，并且焊接封闭条在适当的位置搭焊。在最后的焊接之前，检查挡板组件的最后间隔、位置和“方正度”。

8.挡板组件被固定到合乎要求的夹具和固定装置内，以保护挡板组件在焊接工艺过程中免受由于生热的弯曲。弯曲可能使得挡板组件失去其理想的形状。

9.挡板密封条然后被焊接到位。挡板密封条的焊接顺序被适当地间隔开，以便于减少正被焊接的材料中的生热量。同时在任何区域中的过量热可能使得材料弯曲，从而使得挡板组件失去其理想的形状。

10.按长度切割入口/出口集管的管子，并且集管的管子沿着一侧的中间设有凹口以接受挡板组件。

11.入口/出口集管帽沿着中间设有凹口，以接受挡板组件。

12.按长度切割挡板支撑，并且沿着一端的中间切割凹口，以接受挡板组件。

13.入口/出口集管管子焊接到适当的位置。

14.入口/出口集管帽焊接到适当的位置。

15.挡板支撑焊接到适当的位置。

16.所有的焊接被磨削光滑并且冲洗，这确保了不允许任何裂口。所有的表面都被光滑，而没有任何裂口，以便于清洁的光洁度。

17.如果要求更加光滑的表面光洁度，挡板组件的外表面将被完全地电抛光。

实施例2

热传递试验

热传递系统本质上如实例1中所描述的那样来构建，并且使用以下参数来试验：

1.六(6)个热传递挡板以图1A中所图示的方式安装在垂直的圆柱形容器中。

i.每个挡板是12”(305mm)宽×168”(4,267mm)长。

ii.挡板以相对于容器半径30°的角度安装。

iii.挡板取向成离开搅拌器叶轮的流向。

iv.容器是72”(1,829mm)直径×195”(4,953mm)，具有ASME碟形封头；

1.容器总容积：14,000升

2.容器工作容积：10,000升

2.容器装备有100hp(75kW)搅拌器

i.搅拌器最大速度：159rpm(2.65s^-1)

ii.叶轮配置：垂直中心线上有四个(4)

1.下面的、中下的：Rushton涡轮，32.5”(826mm)直径

2.中上的、上面的：大稠度水翼，34”(864mm)直径

3.测量仪表被安装并且可用来做以下测量：

i.温度：热电偶安装在热电偶套管中，以测量容器内含物的温度(两个探针)以及挡板冷却剂供给和排放温度。使用Kaye Validator数据记录器来收集和存储温度数据点。

ii.使用超声流量计来测量挡板冷却剂流动速度，而其传感器设置在冷却剂供给管道上。

iii.使用发酵罐自动化控制系统来设定搅拌器运行速度

1.在准备(set-up)过程中，使用手持光学测速计来校准自动化系统搅拌器速度控制。

2.在试验过程中使用相同的校准光学测速计来验证搅拌器速度。

iv.使用数字功率计来测量搅拌机线功率汲取，以监测电动机的AC变频驱动功率的所有三个数字记录器。

v.使用校准的压差传感器来确定容器内含物的量。

4.容器在环境条件下充有10,000升(千克)的去离子水，并且内含物的温度通过直接的蒸汽注入上升到70℃。在蒸汽注入之后记录内含物的最后量，以考虑由此产生的蒸汽冷凝物的增加。

5.搅拌器速度设定到某一值，以传送全部电动机功率的近似80％持续第一试验时间；以选定的速度进行接下来的试验，从而给出最初值近似50％和25％的功率等级。

6.使用装在滑动底座的冷却器和泵，冷却剂(冷水)再循环通过挡板组件。

i.使用阀来调整冷却剂流量到理想速率，以调节循环泵的排出流量。

ii.使用如上所提到的超声流量计来测量冷却剂速度；体积流速根据速度和管横截面积的产物来计算。

iii.在冷却剂流动速率的范围内进行试验。

iv.通过在设计挡板冷却剂供给和排放管道和集管时所固有的液压平衡，所报告的总的冷却剂流量均等地分给六个挡板。

7.当物料从70℃被冷却到25℃，容器物料温度以及冷却剂供给和排放温度以每分钟一次的速率被同时记录，以用于指定的设定冷却剂流量和搅拌器运行速度(图8)。

8.根据基于物料量和物料温度每分钟的变化的数据来计算在整个试验过程中的热传递速率Q是使用以下关系：

Q＝m·c_p·ΔT·60

其中：Q＝热传递速率，BTU/hr

m＝物料内含物的量，lb_m

c_p＝容器内含物的热容，BTU/lb_m-°F

ΔT＝每分钟的温度变化(例如，T_t+1-T_t)，°F

然后在试验过程中计算总热传递系数U，其根据以下关系：

Q＝U·A·ΔT_ln

其中：Q＝热传递速率，BTU/hr

U＝总的热传递系数，BTU/hr-ft²-°F

A＝热传递的可用面积，ft²

ΔT_ln＝记录平均温度驱动力，°F

使用以上方法，因为冷却剂入口温度不保持恒定，而是在试验过程中变化(减小)以及在冷却器运行时循环；对于所有的试验，冷却剂温度在54℃到12℃的范围中。因而引起的U值在试验过程中同样减少，并且在所关心的物料温度处(在该例子中，37℃)做所有的比较。

注意的是，基于物料温度改变的上述方法是传统的，因为基于冷却剂温度改变(增加)的热平衡给出了更高的热负载。

正如图9中所示，热传递系统能够有效地传递源自反应混合物的热量。在所关心的运行范围(37℃)中，试验给出的U值超过200BTU/hr-ft²-°F；这将非常利地比较冷却操作值，这对于外部夹套(100-130)和内部结构(传统的螺旋线圈和垂直管束：100；扁平线圈：90-160)是要求的。对于六个挡板(每个17gpm)，甚至以大约100gpm的低流速，所测量的热传递系数大于或者等于其它装置的热传递系数。

在所试验的最大冷却剂流速处所收集的数据和与微生物发酵运行相关联的搅拌器功率输入等级(8-29hp/kgal或者1.6-5.7Kw/m³)指出：总的热传递系数U在所检查的范围内比较恒定(237±6BTU/hr-ft²-°F)。本文所提及或者涉及的所有文档以引用的方式整个并入本描述中。虽然本文所提供的描述可以根据优选的实施方案来介绍，但是要理解的是，本领域技术人员将想到各种变化和修改。因此，意图是：所附权利要求覆盖了所要求权利要求的主题范围内的所有的这些等同变化。

Claims (19)

1.一种热传递挡板，其包括

a.第一子组件，其主要由与第二材料邻接的第一材料组成，以在所述第一材料与所述第二材料之间提供分配通路，以及

b.第二子组件，其主要由与第二材料邻接的第一材料组成，以在所述第一材料与所述第二材料之间提供分配通路，

其中至少一个溢流通路形成在第一子组件和第二子组件之间，并且热传递介质循环通过至少一个分配通路，而不需要还循环通过至少一个溢流通路。

2.如权利要求1所述的热传递挡板，还包括第三材料，所述第三材料将第一子组件和第二子组件彼此邻接。

3.如权利要求1所述的热传递挡板，其包括两个或者两个以上分立的隔室，通过所述隔室，热传递介质可以独立于任何其它的隔室循环。

4.一种热传递系统，其包括与反应容器邻接的一个或者多个权利要求1所述的热传递挡板。

5.如权利要求4所述的热传递系统，其中所述一个或者多个热传递挡板可固定地附接到所述反应容器的内表面，以使得当所述容器含有在运动中于所述挡板上产生压力的内含物时，所述压力减小。

6.如权利要求5所述的热传递系统，其中所述一个或者多个热传递挡板以相对于所述容器的内壁或者半径的某一角度可固定地附接到所述反应容器的所述内表面，所述角度选自由大约5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°、65°、70°、75°、80°、85°和90°组成的组。

7.如权利要求6所述的热传递系统，其中所述角度相对于所述内壁为约60°或者相对于所述半径为约30°。

8.如权利要求4所述的热传递系统，其中所述一个或者多个热传递挡板通过所述挡板和所述容器之间的基本无缝接头边界与所述反应器容器邻接。

9.一种热传递系统，其包括一个或者多个权利要求1所述的热传递挡板，所述分配通路与热传递介质入口集管邻接。

10.一种热传递系统，其包括一个或者多个权利要求1所述的热传递挡板，其中所述至少一个分配通路与热传递介质出口集管邻接。

11.一种热传递系统，其包括一个或者多个权利要求1所述的热传递挡板，至少一个分配通路与热传递介质入口集管和热传递介质出口集管邻接。

12.一种热传递系统，其包括与反应容器内表面邻接的一个或者多个权利要求1所述的热传递挡板，其中每个挡板与至少一个热传递介质入口集管和至少一个热传递介质出口集管邻接，并且每个挡板的所述溢流通路通向所述容器外部。

13.一种反应容器，在其内部包括至少一个权利要求1所述的热传递挡板。

14.一种用于控制反应容器中工艺温度的方法，其中所述反应容器内部包括至少一个权利要求1所述的热传递挡板，所述方法包括使热传递介质循环通过至少一个所述的热传递挡板的所述分配通路。

15.如权利要求14所述的方法，其中所述热传递介质选自由蒸汽、可泵送的液体、制冷剂以及其组合组成的组。

16.如权利要求15所述的方法，其中所述可泵送的液体包括水、乙二醇、热传递油以及其组合。

17.如权利要求14所述的方法，其中所述工艺选自由化学工艺、制药工艺以及生物工艺组成的组。

18.如权利要求17所述的方法，其中所述生物工艺选自由微生物培养、哺乳动物细胞培养以及植物细胞培养组成的组。

19.如权利要求17所述的方法，其中所述工艺是生成疫苗中的至少一个步骤。