CN112608833A - 用于发酵反应的物料热交换系统及方法 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

用于发酵反应的物料热交换系统及方法
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
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种结构简单、操作便利、染菌风险低、热交换效率高的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。
第一方面，本发明提供用于发酵反应的物料热交换系统，所述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；
所述热交换管道经过间壁式换热器实现发酵物料的热交换，即控制物料温度的介质与物料之间有间壁进行隔离；
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。
在一些实施方式中，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之间设置过滤装置，用于过滤发酵反应器内大粒径杂质，避免对外循环泵造成损坏。
本发明采用的管道可以但是不限于金属材料、非金属材料、金属衬里、非金属衬里等。
所述金属材料的管道可以是但不限于无缝钢管、螺旋焊缝管、直缝钢管等。优选使用无缝钢管。
所述无缝钢管可以是但不限于碳素钢无缝钢管、铬钼钢无缝钢管、铬钼钒钢无缝钢管、不锈钢无缝钢管。优选使用不锈钢无缝钢管。
所述不锈钢无缝钢管可以是但不限于碳素体不锈钢、奥氏体不锈钢、奥氏体-碳素体双相不锈钢、沉淀硬化不锈钢、马氏体不锈钢、承压设备用不锈钢等。优选使用承压设备用不锈钢。
所述管道在柠檬酸发酵时，当使用黑曲霉进行发酵时，一般使用但不限于承压设备用不锈钢无缝钢管。优选使用321材质不锈钢无缝钢管。
所述管道在柠檬酸发酵时，当使用酵母进行发酵时，一般使用但不限于承压设备用不锈钢无缝钢管。优选使用304材质不锈钢无缝钢管。
所述管道在苹果酸发酵时，当使用黑曲霉、嗜热毁丝菌、米曲霉、毛霉进行发酵时，一般使用但不限于承压设备用不锈钢无缝钢管。优选使用304材质不锈钢无缝钢管。
所述管道在乳酸发酵时，当使用凝结芽孢杆菌进行发酵时，一般使用但不限于承压设备用不锈钢无缝钢管。优选使用304材质不锈钢无缝钢管。
所述管道在赖氨酸发酵时，当使用谷氨酸棒杆菌或大肠杆菌进行发酵时，一般使用但不限于承压设备用不锈钢无缝钢管。优选使用316L材质不锈钢无缝钢管。
所述管道在丙氨酸发酵时，当使用芽孢杆菌或大肠杆菌进行发酵时，一般使用但不限于承压设备用不锈钢无缝钢管。优选使用304材质不锈钢无缝钢管。
所述管道在氨基葡萄糖发酵时，当使用谷氨酸棒杆菌、枯草芽孢杆菌或大肠杆菌进行发酵时，一般使用但不限于承压设备用不锈钢无缝钢管。优选使用316L材质不锈钢无缝钢管。
在一些实施方式中，所述系统还包括外循环泵，用于推动发酵物料在管道中流动。所述外循环泵可以选用容积泵、回旋泵、叶片泵、蠕动泵和离心泵等。
所述容积泵可以是往复泵、隔膜泵、回转泵。
所述回转泵可以是齿轮泵、螺杆泵、旋片泵、或软管泵。
所述叶片泵可以是离心泵、轴流泵、混流泵、旋涡泵。
所述外循环泵考虑到发酵的无菌要求，优选使用卫生级泵。
在一些实施方式中，所述系统还包括与所述发酵物料流入管道平行设置的发酵物料回流管道，且所述发酵物料回流管道与所述发酵反应器顶部的进料口相连。本发明采用上述设置可以防止所述发酵物料流入管道内部以及与其配套使用的外循环泵进出口处的压力过高对系统造成损坏，还可以在发酵物料流入管道出现故障的时候，用所述发酵物料回流管道作为备用，确保系统正常运转。
在一些实施方式中，所述外循环泵还可以与放料管道相连；发酵反应结束后，所述外循环泵切换至放料泵模式，推动物料的排放。
在一些实施方式中，所述间壁式换热器为板式换热器、列管换热器或能够实现间壁式换热的自制装置。
所述的板式换热器根据发酵品种可以根据情况进行选择，包括可拆卸板式换热器、焊接板式换热器、螺旋板式换热器、板卷式换热器。
所述的实现间壁式换热的自制装置可以是弯曲的特制管道或容器，只要物料在其中可以通畅进出、保持无菌状态、保持先进先出即可。
所述的自制装置的材质可以是碳钢、不锈钢、玻璃、硅胶或塑料材质。
所述的自制装置可以整体置于一个大型容器中，该容器中充满冷/热介质，并能够保持冷/热状态。
在本发明一个实施方案中，所述自制装置具体为：在发酵反应器底部接出40米乳胶管，其中30米盘旋于不锈钢容器中。不锈钢容器中充满流动的自来水以保证低温，通过发酵反应器顶部的补料口返回到发酵反应器中。
在一些实施方式中，所述间壁式换热器采用的冷/热介质选自水、蒸汽、冷媒和有机热载体。
作为换热介质的水主要包括但不限于使用自来水、深井水、河水、循环水或冷水。
作为换热介质的冷媒主要包括但不限于使用盐水、乙二醇、四氯乙烷、丙烷、R407c等。
作为换热介质的蒸汽主要包括但不限于使用饱和蒸汽、过热蒸汽等。
作为换热介质的有机热载体主要包括但不限于使用合成型有机热载体、矿物油型有机热载体等。
控制物料温度的冷/热介质与物料相互流动方式可以是逆流、顺流或其他流动状态。优选地，所述控制物料温度的冷/热介质与物料互流动方式可以是逆流。
在本发明的一个具体实施方案中，采用可拆式板式换热器，装配采用悬挂式结构，端板与夹紧螺栓联接处为开口式，便于拆卸；板片形式为单边流；板片材质使用316L不锈钢(材质执行国家牌号为：022Cr17Ni12Mo2)。物料通过DN65不锈钢管道、不锈钢卫生级球阀以及不锈钢卫生级离心泵，与板式换热器相连。经过板式换热器换热后用不锈钢管通过发酵反应器上部回到发酵反应器中。热侧离心泵选用最大流量30m3/h、扬程40m、功率7.5kw定频无菌离心泵；冷侧离心泵选用最大流量60m3/h、扬程40m、功率18.5kw定频离心泵。
在一些实施方式中，发酵菌对酸碱度敏感，因此可以在所述发酵反应器的出料口和/或进料口处设置pH值传感器，感应得到的pH值信号经变送器传送至控制系统，进一步控制发酵体系的pH值在需要的范围内。
在一些实施方式中，所述发酵反应器内设置温度传感器，感应得到的温度信号经变送器传送至控制系统，由控制系统调节所述外循环泵的阀门，从而调节发酵物料的流动速度，实现发酵物料热交换过程中的温度调控。优选地，所述外循环泵的阀门为自动调节阀，用于调节外循环泵的转速或频率。
在一些实施方式中，所述发酵反应器内设置温度传感器，感应得到的温度信号经变送器传送至控制系统，由控制系统调节所述冷/热介质的阀门或所述冷/热介质的循环泵，从而调节冷/热介质的流动速度，实现发酵物料热交换过程中的温度调控。优选地，所述冷/热介质的阀门为自动调节阀，用于调节冷/热介质阀门的开度或者开关频率。优选地，所述冷/热介质的循环泵为变频循环泵。
本发明所述温度传感器可以但不限于热电阻传感器或热敏电阻传感器。优选使用热电阻传感器。所述热电阻传感器可以但不限于NTC热电阻传感器或PTC热电阻传感器。优选使用PTC热电阻传感器。
本发明所述阀门可以是但不限于截断阀、调节阀、及其他用途的阀。所述阀门可以是但不限于低压阀。所述阀门可以是但不限于常温阀或中温阀。所述阀门可以是但不限于自动阀、动力驱动阀或手动阀。所述阀门可以是但不限于截止阀、球阀、闸阀、蝶阀等。所述阀门可以是但不限于螺纹连接、法兰连接、焊接、卡箍、卡套、对夹等。所述阀门可以是但不限于金属材料、非金属材料、金属衬里、非金属衬里等。
所述阀门可以是但不限于使用两位阀、调节阀、分流阀、切断阀，优选使用调节阀。
所述阀门可以是但不限于使用气动调节阀、电动调节阀、液体调节阀。优选使用气动调节阀。
本发明所述控制系统是但不限于手动控制或自动控制系统。
所述手动控制可以但不限于通过人工进行控制。
所述自动控制系统可以但不限于通过通断控制或比例、积分、微分组合(PID)控制。
第二方面，本发明提供利用第一方面所述述物料热交换系统进行发酵的方法。
本发明所述发酵方法是指采用发酵培养基，接入一定量种子液后，在所生产产品的合适温度下，通过氧气的供应或控制、酸碱度的控制、机械搅拌或其他混合方式等措施来完成生产。
本发明所述发酵目标产物包括但不限于柠檬酸、苹果酸、乳酸、赖氨酸、丙氨酸、氨基葡萄糖、维生素C等。
本发明所述的发酵培养基包括碳源、氮源、无机盐、生长因子等。
所述的碳源因为不同的产品其碳源有所不同，这和产品、微生物等密切相关。
所述碳源在柠檬酸发酵时，当使用黑曲霉进行发酵时，一般使用的碳源包括并不限于葡萄糖、玉米液化液、木薯液化液、玉米糖化液、木薯糖化液、葡萄糖母液、纤维素酶解液等。
所述碳源在柠檬酸发酵时，当使用酵母进行发酵时，一般使用的碳源包括并不限于甘油等。
所述碳源在苹果酸发酵时，当使用黑曲霉、嗜热毁丝菌、米曲霉、毛霉进行发酵时，一般使用的碳源包括并不限于葡萄糖、玉米液化液、木薯液化液、玉米糖化液、木薯糖化液、葡萄糖母液、纤维素酶解液、半纤维素酶解液、纤维素酸水解液、半纤维素水解液等。
所述碳源在乳酸发酵时，当使用凝结芽孢杆菌进行发酵时，一般使用的碳源包括并不限于葡萄糖、玉米糖化液、木薯糖化液、葡萄糖母液、纤维素酶解液等。
所述碳源在赖氨酸发酵时，当使用谷氨酸棒杆菌或大肠杆菌进行发酵时，一般使用的碳源包括并不限于葡萄糖、玉米糖化液、木薯糖化液、葡萄糖母液等。
所述碳源在丙氨酸发酵时，当使用芽孢杆菌或大肠杆菌进行发酵时，一般使用的碳源包括并不限于葡萄糖、玉米糖化液、木薯糖化液、甘油、葡萄糖母液等。
所述碳源在氨基葡萄糖发酵时，当使用谷氨酸棒杆菌、枯草芽孢杆菌或大肠杆菌进行发酵时，一般使用的碳源包括并不限于葡萄糖、玉米糖化液、木薯糖化液、葡萄糖母液等。
本发明所述的氮源因为不同的产品其氮源有所不同，这和产品、微生物等密切相关。
所述氮源在柠檬酸发酵时，当使用黑曲霉进行发酵时，一般使用的碳源包括并不限于玉米液化滤渣、玉米蛋白粉、玉米黄粉、木薯液化滤渣、黄豆粉、豆粕粉、尿素、硫酸铵、氯化铵等。
所述氮源在苹果酸发酵时，当使用黑曲霉、嗜热毁丝菌、米曲霉、毛霉进行发酵时，一般使用的氮源包括并不限于玉米液化滤渣、玉米蛋白粉、玉米黄粉、木薯液化滤渣、酵母粉、蛋白胨、黄豆粉、豆粕粉、尿素、硫酸铵、氯化铵等。
所述氮源在乳酸发酵时，当使用凝结芽孢杆菌进行发酵时，一般使用的氮源包括并不限于酵母粉、酵母膏、大豆蛋白胨、鱼胨、牛骨蛋白胨、牛肉膏、尿素、硫酸铵、氯化铵等。
所述氮源在赖氨酸发酵时，当使用谷氨酸棒杆菌或大肠杆菌进行发酵时，一般使用的氮源源包括并不限于酵母粉、酵母膏、大豆蛋白胨、鱼胨、牛骨蛋白胨、牛肉膏、尿素、硫酸铵、氯化铵等。
所述氮源在丙氨酸发酵时，当使用芽孢杆菌或大肠杆菌进行发酵时，一般使用的氮源包括并不限于酵母粉、酵母膏、大豆蛋白胨、复合氮素、牛骨蛋白胨、牛肉膏、磷酸氢二铵、磷酸二氢铵等。
所述氮源在氨基葡萄糖发酵时，当使用谷氨酸棒杆菌、枯草芽孢杆菌或大肠杆菌进行发酵时，一般使用的氮源包括并不限于酵母粉、酵母膏、大豆蛋白胨、鱼胨、牛骨蛋白胨、牛肉膏、硫酸铵、氯化铵等。
本发明所述的无机盐因为不同的产品其无机盐有所不同，这和产品、微生物等密切相关。
所述无机盐在柠檬酸发酵时，当使用黑曲霉进行发酵时，使用的无机盐由碳源或氮源中的相关的无机盐提供，一般包括并不限于额外添加。
所述无机盐在苹果酸发酵时，当使用黑曲霉、嗜热毁丝菌、米曲霉、毛霉进行发酵时，一般使用的无机盐包括并不限于磷酸氢二钾、磷酸二氢钾、硫酸镁、氯化钙、硫酸亚铁和氯化钠等。
所述无机盐在乳酸发酵时，当使用凝结芽孢杆菌进行发酵时，一般使用的无机盐包括并不限于磷酸氢二钾、磷酸二氢钾、硫酸镁、氯化钙、硫酸锌、硫酸亚铁和氯化钠等。
所述无机盐在赖氨酸发酵时，当使用谷氨酸棒杆菌或大肠杆菌进行发酵时，一般使用的无机盐包括并不限于磷酸氢二钾、磷酸二氢钾、硫酸镁、硫酸铜、硫酸锌、硫酸锰、氯化钾、硫酸亚铁和氯化钠等。
所述无机盐在丙氨酸发酵时，当使用芽孢杆菌或大肠杆菌进行发酵时，一般使用的无机盐包括并不限于磷酸氢二钾、磷酸二氢钾、硫酸镁、硫酸亚铁和氯化钠等。
所述无机盐在氨基葡萄糖发酵时，当使用谷氨酸棒杆菌、枯草芽孢杆菌或大肠杆菌进行发酵时，一般使用的无机盐包括并不限于磷酸氢二钾、磷酸二氢钾、磷酸氢二钠、硫酸镁、硫酸钾、氯化钙、硫酸亚铁和氯化钠等。
本发明所述的生长因子因为不同的产品其生长因子有所不同，这和产品、微生物等密切相关。
所述生长因子在柠檬酸发酵时，当使用黑曲霉进行发酵时，使用的生长因子由碳源或氮源中的相关的无机盐提供，一般包括并不限于额外添加。
所述生长因子在苹果酸发酵时，当使用黑曲霉、嗜热毁丝菌、米曲霉、毛霉进行发酵时，一般使用的生长因子包括并不限于维生素、生物素、烟酸等。
所述生长因子在乳酸发酵时，当使用凝结芽孢杆菌进行发酵时，一般使用的生长因子包括并不限于维生素、碱基、嘌呤、嘧啶、生物素、烟酸等。
所述生长因子在赖氨酸发酵时，当使用谷氨酸棒杆菌或大肠杆菌进行发酵时，一般使用的生长因子包括并不限于生物素、烟酸等。
所述生长因子在丙氨酸发酵时，当使用芽孢杆菌或大肠杆菌进行发酵时，一般使用的生长因子包括并不限于维生素、碱基、嘌呤、嘧啶等。
所述生长因子在氨基葡萄糖发酵时，当使用谷氨酸棒杆菌、枯草芽孢杆菌或大肠杆菌进行发酵时，一般使用的生长因子包括并不限于维生素、碱基、嘌呤、嘧啶等。
本发明所述的种子液因为不同的产品其种子液有所不同，这和产品、微生物、试验或生产情况等密切相关。
所述种子液在柠檬酸发酵培养时，当使用黑曲霉进行发酵时，使用的种子液一般表现为并不限于接种量为发酵培养基的10％，培养周期为24～35小时，pH小于3.0，菌球在0.05～0.1mm，镜检无杂菌、无长菌丝，菌球均匀，有短的伸出菌丝。
所述种子液在苹果酸发酵时，当使用黑曲霉、嗜热毁丝菌、米曲霉、毛霉进行发酵时，一般使用的种子液包括并不限于接种量为发酵培养基的10％，培养周期为24～35小时，镜检无杂菌，菌丝茁壮、均匀。
所述种子液在乳酸发酵时，当使用凝结芽孢杆菌进行发酵时，一般使用的种子液包括并不限于接种量为发酵培养基的20～30％，且可以使用处于对数期的发酵醪液进行接种，培养周期为15～25小时，镜检无杂菌，杆菌细长、均匀。
所述种子液在赖氨酸发酵时，当使用谷氨酸棒杆菌或大肠杆菌进行发酵时，一般使用的种子液包括并不限于接种量为发酵培养基的10～15％，培养周期为15～25小时，镜检无杂菌，杆菌均匀。
所述种子液在丙氨酸发酵时，当使用芽孢杆菌或大肠杆菌进行发酵时，一般使用的种子液包括并不限于接种量为发酵培养基的10～15％，培养周期为15～25小时，镜检无杂菌，杆菌均匀。
所述种子液在氨基葡萄糖发酵时，当使用谷氨酸棒杆菌、枯草芽孢杆菌或大肠杆菌进行发酵时，一般使用的种子液包括并不限于接种量为发酵培养基的10～15％，培养周期为15～25小时，镜检无杂菌，杆菌均匀。
本发明所述的氧气的供应或控制因为不同的产品其氧气的供应或控制有所不同，这和产品、微生物、试验或生产情况等密切相关。
所述通过氧气的供应或控制在柠檬酸发酵时，当使用黑曲霉进行发酵时，使用的通过氧气的供应或控制一般表现为并不限于通风量为1：0.2～1:1vvm，压力为0.02～0.1Mpa，通风管开口在发酵反应器底部。
所述通过氧气的供应或控制在苹果酸发酵时，当使用黑曲霉、嗜热毁丝菌、米曲霉、毛霉进行发酵时，一般使用的通过氧气的供应或控制包括并不限于通风量为1：0.1～1:0.5vvm，压力为0.02～0.05Mpa，通风管开口在发酵反应器底部。
所述通过氧气的供应或控制在乳酸发酵时，当使用凝结芽孢杆菌进行发酵时，一般使用的通过氧气的供应或控制包括并不限于通风量为排风管有气感，压力为正压，通风管开口在发酵反应器顶部。
所述通过氧气的供应或控制在赖氨酸发酵时，当使用谷氨酸棒杆菌或大肠杆菌进行发酵时，一般使用的通过氧气的供应或控制包括并不限于通风量为1：0.3～1:0.5vvm，压力为0.05～0.1Mpa，通风管开口在发酵反应器底部。
所述通过氧气的供应或控制在丙氨酸发酵时，当使用芽孢杆菌或大肠杆菌进行发酵时，一般使用的通过氧气的供应或控制包括并不限于通风量前8～15小时为1：0.2～1:0.3vvm，压力为0.05～0.1Mpa；发酵后期关闭发酵反应器进排风阀门停止通风保压；通风管开口在发酵反应器底部。
所述通过氧气的供应或控制在氨基葡萄糖发酵时，当使用谷氨酸棒杆菌、枯草芽孢杆菌或大肠杆菌进行发酵时，一般使用的通过氧气的供应或控制包括并不限于风量为1：0.3～1:0.5vvm，压力为0.05～0.1Mpa，通风管开口在发酵反应器底部。
本发明所述的酸碱度的控制因为不同的产品其酸碱度的控制有所不同，这和产品、微生物、试验或生产情况等密切相关。
所述酸碱度的控制在柠檬酸发酵时，当使用黑曲霉进行发酵时，使用的酸碱度的控制可以并不限于pH自然，不需要调节。
所述酸碱度的控制在苹果酸发酵时，当使用黑曲霉、嗜热毁丝菌、米曲霉、毛霉进行发酵时，一般使用的酸碱度的控制包括并不限于pH在5.0～6.5，通过碳酸钙、氢氧化钙等调节。
所述酸碱度的控制在乳酸发酵时，当使用凝结芽孢杆菌进行发酵时，一般使用的酸碱度的控制包括并不限于pH在6.5～7.0，通过氢氧化钙、氨水等调节。
所述酸碱度的控制在赖氨酸发酵时，当使用谷氨酸棒杆菌或大肠杆菌进行发酵时，一般使用的酸碱度的控制包括并不限于pH在6.9～7.2，通过液氨、氨水等调节。
所述酸碱度的控制在丙氨酸发酵时，当使用芽孢杆菌或大肠杆菌进行发酵时，一般使用的酸碱度的控制包括并不限于pH在6.5～7.0，通过液氨、氨水等调节。
所述酸碱度的控制在氨基葡萄糖发酵时，当使用谷氨酸棒杆菌、枯草芽孢杆菌或大肠杆菌进行发酵时，一般使用的酸碱度的控制包括并不限于pH在6.5～7.0，通过液氨、氨水等调节。
本发明所述的机械搅拌或其他混合方式因为不同的产品其机械搅拌或其他混合方式有所不同，这和产品、微生物、试验或生产情况等密切相关。
所述机械搅拌或其他混合方式在柠檬酸发酵时，当使用黑曲霉进行发酵时，使用的机械搅拌或其他混合方式包括并不限于机械搅拌，与溶解氧不联动。
所述机械搅拌或其他混合方式在苹果酸发酵时，当使用黑曲霉、嗜热毁丝菌、米曲霉、毛霉进行发酵时，一般使用的机械搅拌，与溶解氧联动。
所述机械搅拌或其他混合方式在乳酸发酵时，当使用凝结芽孢杆菌进行发酵时，一般使用的机械搅拌或其他混合方式包括并不限于机械搅拌，与溶解氧不联动。
所述机械搅拌或其他混合方式在赖氨酸发酵时，当使用谷氨酸棒杆菌或大肠杆菌进行发酵时，一般使用的机械搅拌或其他混合方式包括并不限于机械搅拌，与溶解氧联动。
所述机械搅拌或其他混合方式在丙氨酸发酵时，当使用芽孢杆菌或大肠杆菌进行发酵时，一般使用的机械搅拌或其他混合方式包括并不限于机械搅拌，与溶解氧联动。
所述机械搅拌或其他混合方式在氨基葡萄糖发酵时，当使用谷氨酸棒杆菌、枯草芽孢杆菌或大肠杆菌进行发酵时，一般使用的机械搅拌或其他混合方式包括并不限于机械搅拌，与溶解氧联动。
在一些实施方式中，在发酵反应前/后，本发明对所述物料热交换系统进行消毒或灭菌，优选采用物理或化学方法进行消毒或灭菌。
所述消毒或灭菌在柠檬酸发酵时，当使用黑曲霉进行发酵时，一般使用的物理消毒可以但不限于使用蒸汽吹扫。当进行蒸汽吹扫时可以与发酵反应器的消毒或灭菌一起进行，或单独进行。优选使用0.05-0.12Mpa蒸汽吹扫。
所述消毒或灭菌在柠檬酸发酵时，当使用酵母进行发酵时，一般使用的化学药品消毒可以使用双氧水、甲醛、NaOH溶液等化学消毒剂。当进行化学药品消毒时可以与发酵反应器的化学药品消毒一起进行，或单独进行。优选使用0.5-5％NaOH溶液进行消毒，更优选使用50-90℃0.5-5％NaOH溶液进行消毒。
所述消毒或灭菌在苹果酸发酵时，当使用黑曲霉、嗜热毁丝菌、米曲霉、毛霉进行发酵时，一般使用的物理消毒可以但不限于使用蒸汽吹扫。当进行蒸汽吹扫时可以与发酵反应器的消毒或灭菌一起进行，或单独进行。优选使用0.05-0.12Mpa蒸汽吹扫。
所述消毒或灭菌在乳酸发酵时，当使用凝结芽孢杆菌进行发酵时，一般使用的化学药品消毒可以使用双氧水、甲醛、NaOH溶液等化学消毒剂。当进行化学药品消毒时可以与发酵反应器的化学药品消毒一起进行，或单独进行。优选使用0.2-3％H2O2溶液进行消毒，更优选使用0.2-3％H2O2溶液循环或浸泡1-5h进行消毒。
所述消毒或灭菌在赖氨酸发酵时，当使用谷氨酸棒杆菌或大肠杆菌进行发酵时，一般使用的物理消毒可以但不限于使用蒸汽吹扫。当进行蒸汽吹扫时可以与发酵反应器的消毒或灭菌一起进行，或单独进行。优选使用0.05-0.12Mpa蒸汽吹扫。
所述消毒或灭菌在丙氨酸发酵时，当使用芽孢杆菌或大肠杆菌进行发酵时，一般使用的化学药品消毒可以使用双氧水、甲醛、NaOH溶液等化学消毒剂。当进行化学药品消毒时可以与发酵反应器的化学药品消毒一起进行，或单独进行。优选使用0.5-5％NaOH溶液进行消毒，更优选使用50-90℃0.5-5％NaOH溶液进行消毒。
所述消毒或灭菌在氨基葡萄糖发酵时，当使用谷氨酸棒杆菌、枯草芽孢杆菌或大肠杆菌进行发酵时，一般使用的物理消毒可以但不限于使用蒸汽吹扫。当进行蒸汽吹扫时可以与发酵反应器的消毒或灭菌一起进行，或单独进行。优选使用0.05-0.12Mpa蒸汽吹扫。
对所述物料热交换系统中的外循环泵而言，腔体内部及附属管道可以进行物理或化学消毒；机封使用耐高温耐腐蚀耐磨材质；泵体泵壳各密封垫圈选用耐高温耐腐蚀材料；泵体、泵盖、叶轮等凡与物料接触之的部件优选316L不锈钢制造；离心泵叶轮优选敞开式叶轮，不留卫生死角；泵体接液部分经过抛光，其余亚光或喷砂处理，确保料液无残留；电机优选变频防爆电机，以满足不同场合的需要及运行的稳定可靠。
相对于现有技术中发酵反应器常用的夹套式、弹簧管式、列管式、换热器式换热结构，本发明提供的物料热交换系统具有以下显著优势：
(1)节省发酵反应器空间，降低发酵反应器制作成本：本发明提供的热交换系统结构简单，使用管道、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；
(2)降低染菌风险：本发明提供的热交换系统在罐外通过热交换装置进行热交换，此过程稳定可控，大大降低冷/热介质泄漏风险，从而降低染菌风险；
(3)减少发酵培养辅助周期时间，提高发酵反应器利用率：本发明提供的热交换系统结构简单，尤其是板式换热器只要松动压紧螺栓，即可松开板束，卸下板片进行机械清洗，可以与发酵反应器处理同时进行，同时使用外循环热交换系统的发酵反应器内部结构简单，清洗方便，大大节省发酵培养辅助周期时间，提高发酵反应器利用率；
(4)降低维修时间，提高维修工作安全性：本发明提供的热交换系统维修简单便捷；
(5)传热系数高换热效率高，热损失少：由于不同的波纹板相互倒置，构成复杂的流道，使流体在波纹板间流道内呈旋转三维流动，能在较低的雷诺数(一般Re＝50～200)下产生紊流，所以传热系数高，一般认为是管壳式的3～5倍；且板式换热器只有传热板的外壳板暴露在大气中，因此散热损失可以忽略不计；由于内部充分湍动，不易结垢，其结垢系数仅为管壳式换热器的1/3～1/10；
(6)换热温差小，降低循环水成本：本发明提供的热交换系统，尤其是板式换热器多是并流或逆流流动方式，其修正系数也通常在0.95左右，此外，冷、热流体在板式换热器内的流动平行于换热面、无旁流，因此使得板式换热器的末端温差小，对水换热可低于1℃(管壳式换热器一般为5℃)，大大降低了循环水温度要求，降低循环水降温成本；
(7)改造简单便利，灵活性强：本发明提供的系统只需增加或减少几张板，即可达到增加或减少换热面积的目的；改变板片排列或更换几张板片，即可达到所要求的流程组合，适应新的换热工况。板式换热器的板片厚度仅为0.4～0.8mm。采用冲压加工，标准化程度高，制作方便；
(8)本发明提供的系统可以进行保温处理，对于绝热层的保温材料来讲，热导率一般很小，所以绝热层的临界半径很小，一般均能保证绝热层的外半径超过临界半径，这样随着绝热层的厚度增加，热损失减小，保温(或保冷)效果越好，本发明提供的系统管道可以预留足够空间进行保温，将热损失降到最低。
附图说明
图1为实施例3或4热交换系统中板式换热器及其进出口管道及阀门示意图；其中：1、蒸汽管道；2、冷热介质来源管道；3、冷热介质自动调节阀；4、板式换热器；5、发酵物料流入管道(即热交换物料流出管道)；6、发酵物料流出管道(即热交换物料流入管道)；7、冷热介质回流管道。
图2为实施例3或4热交换系统相连接的发酵反应器底部连接示意图；其中：1、消毒或灭菌管道；3、冷热介质自动调节阀；6、发酵物料流出管道；8、发酵反应器；9、温度感应器；10、排污阀；
图3为实施例3或4热交换系统相连接的发酵反应器顶部连接示意图；其中：5、发酵物料流入管道；8、发酵反应器；11、发酵物料回流管道；
图4为实施例3或4热交换系统中外循环泵进出口管道及阀门示意图；其中：5、发酵物料流入管道；11、发酵物料回流管道；12、外循环泵；
图5为实施例5发酵生产柠檬酸的温度控制曲线示意图；
图6为实施例6发酵生产苹果酸的温度控制曲线示意图；
图7为实施例7发酵生产赖氨酸的温度控制曲线示意图；
图8为实施例8发酵生产赖氨酸的温度控制曲线示意图；
图9为实施例9发酵生产丙氨酸的温度控制曲线示意图；
图10为实施例10发酵生产氨基葡萄糖的温度控制曲线示意图；
图11为实施例11发酵生产维生素C的温度控制曲线示意图；
图12为实施例12发酵生产乳酸的温度控制曲线示意图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1：热交换系统
本实施例提供了一种用于发酵反应的热交换系统，具体包括：
从发酵反应器底部接出DN15的乳胶管共40米，其中30米结成直径25cm的圈盘旋于40L不锈钢容器中。不锈钢容器中充满流动的自来水以保证低温。乳胶管上放置弹簧止水夹。乳胶管在1米位置通过蠕动泵进入不锈钢容器中。乳胶管从不锈钢容器中出来后，通过发酵反应器顶部的补料口接到发酵反应器中。
实施例2：热交换系统
本实施例提供了一种用于发酵反应的热交换系统，具体包括：
本实施例提供了一种用于发酵反应的热交换系统，从发酵反应器底部接出DN15的不锈钢软管共40米，其中30米结成直径25cm的圈盘旋于100L冷水机组的不锈钢容器中。不锈钢容器中充满冰水以保证低温。不锈钢软管使用卫生级球阀控制物料流动。不锈钢软管管道在1米位置通过卫生级离心泵进入不锈钢容器中。不锈钢管从不锈钢容器中出来后，通过发酵反应器上部的补料口接到发酵反应器中。
实施例3：热交换系统
本实施例提供了一种用于发酵反应的热交换系统，具体包括顺次连接的发酵物料流出管道6、发酵物料热交换管道以及发酵物料流入管道5；所述热交换管道经过板式换热器4，使管道内的发酵物料与板式换热器4中通入的冷热介/质充分换热(冷热介质经冷热介质来源管道2输入，经冷热介质回流管道7输出)，实现发酵物料的热交换(如图1所示)；所述发酵物料流出管道6的入口与发酵反应器8底部的出料口相连，所述发酵反应器底部还设置过滤装置以及排污阀10(如图2所示)；所述发酵物料流入管道5的出口与发酵反应器8顶部的进料口相连，所述系统同时设置与所述发酵物料流入管道5平行且出口与发酵反应器8顶部的进料口相连的发酵物料回流管道11(如图3所示)；
所述系统还包括用于推动发酵物料在管道中流动卫生级外循环泵12(如图4所示)；
所述发酵反应器8内部无热交换结构，且所述发酵反应器8内设置温度传感器9，感应得到的温度信号经变送器传送至控制系统，由控制系统调节外循环泵12的自动调节阀，从而调节发酵物料的流动速度，实现发酵物料热交换过程中的温度调控。
所述系统内还设置消毒或灭菌管道1，用于使用物理或化学方法进行消毒或灭菌操作。
实施例4：热交换系统
本实施例提供了一种用于发酵反应的热交换系统，与实施例3相比，区别仅在于：所述发酵反应器8内设置温度传感器9，感应得到的温度信号经变送器传送至控制系统，由控制系统调节冷热介质自动调节阀3，从而调节冷/热介质的流动速度，实现发酵物料热交换过程中的温度调控(如图1和图2所示所示)。
实施例5：发酵生产50L柠檬酸
菌种：黑曲霉Co827
种子培养：对粉浆比20％(g/100ml)的玉米粉进行调浆，加入α-淀粉酶，在75℃保温1小时，再升温到95℃保温半小时。将液化后的玉米全渣液化液3L倒入5L发酵反应器中。对5L发酵反应器进行121℃25分钟灭菌。当种子培养基温度降至37℃时接入黑曲霉孢子，风量1:1，转速700rpm，培养30小时。当镜检菌球大小均匀、无杂菌、无长菌丝、pH≤3.0，即可以作为培养合格的种子接入发酵反应器。
发酵培养：对粉浆比25％(g/100ml)的玉米粉进行调浆，加入α-淀粉酶，在75℃保温1小时，再升温到95℃保温半小时。将液化后的玉米全渣液化液进行过滤，取过滤后液化液24L倒入50L发酵反应器中，同时加入3L玉米全渣液化液。对50L发酵反应器进行105℃25分钟消毒。当发酵培养基温度降至37℃时接入种子液3L，风量1:0.5，压力0.1Mpa，转速500rpm，培养70小时。
自制热交换系统管道的灭菌：将乳胶管进出口用纱布包扎后置于高压灭菌锅中，121℃60min灭菌待用。
热交换系统设备：采用实施例1提供的自制热交换系统。
温度控制过程：发酵培养开始后，当物料温度从37℃升至37.5℃时，打开弹簧止水夹，开动蠕动泵。发酵培养过程中通过蠕动泵的转速来控制物料的温度。
温度控制如图5所示。从图5可以看出，发酵培养开始2小时物料温度开始回升，蠕动泵开启，此时蠕动泵的转速在20rpm，其物料流量在36.4ml/min。随着发酵培养的进行，其发酵培养产生热量非常迅速，在12小时进入到顶峰，其时蠕动泵的转速在100rpm，其物料流量在182ml/min。从图5还可以观察到，从56小时开始，发酵培养产生热量开始下降，蠕动泵的转速开始下降。以上与柠檬酸的发酵培养过程是一致的。
实施例6：发酵生产50L苹果酸
菌种：嗜热毁丝菌
种子培养：配制培养基：葡萄糖150g/L，豆粕粉100g/L，磷酸氢二钾0.15g/L，磷酸二氢钾0.15g/L，硫酸镁0.1g/L，0.1g/L生物素2ml，氯化钠0.08g/L，硫酸锌0.1g/L，硫酸亚铁0.15g/L，柠檬酸0.15g/L。
对5L发酵反应器进行121℃25分钟灭菌。当种子培养基温度降至45℃时接入种子，风量1:1，转速700rpm，培养30小时。当镜检菌丝粗细均匀、无杂菌、无异常菌丝、pH5.0，即可以作为培养合格的种子接入发酵反应器。
发酵培养：配制培养基：葡萄糖250g/L，豆粕粉200g/L，磷酸氢二钾0.17g/L，磷酸二氢钾0.14g/L，硫酸镁0.15g/L，0.1g/L生物素2ml，氯化钠0.07g/L，硫酸锌0.13g/L，硫酸亚铁0.16g/L，柠檬酸0.19g/L。
对50L发酵反应器进行105℃25分钟消毒。当发酵培养基温度降至45℃时接入种子液3L，风量1:0.2～0.5，罐压0.02～0.05Mpa，转速500rpm，控制溶氧在30％，培养152小时。
热交换系统设备的灭菌：将不锈钢管、卫生级离心泵、卫生级球阀进出口用纱布包扎后置于高压灭菌锅中，121℃60min灭菌待用。
热交换系统设备：采用实施例2提供的自制热交换系统。
温度控制过程：发酵培养开始后，当物料温度从45℃升至45≥0.2℃时，打开卫生级球阀，开动卫生级离心泵。发酵培养过程中卫生级离心泵的转速恒定，通过冷水机组制冷调节冷水的温度来控制物料的温度。
温度控制如图6所示。从图6可以看出，发酵培养开始，离心泵未开启，此时冷水机组水温为25度。发酵培养开始4小时物料温度开始回升，离心泵开启，此时冷水机组水温为24.5度。随着发酵培养的进行，其发酵培养产生热量非常迅速，在28小时进入到顶峰，其冷水机组温度降为10度左右。从图6还可以观察到，从136小时开始，冷水机组温度开始回升，发酵培养产生的热量开始下降。以上与苹果酸的发酵培养过程是一致的。
实施例7：发酵生产50立方赖氨酸(利用循环水)
菌种：大肠杆菌
一级种子罐培养基：蔗糖70g/L，酵母抽提物85g/L，硫酸铵90g/L，硫酸镁0.8g/L，磷酸二氢钾5g/L，氯化钠4g/L，硫酸亚铁1g/L，硫酸锰1g/L，硫酸锌0.005g/L，硫酸铜0.005g/L，生物素0.0004g/L，消泡剂1g/L。
控制条件：温度34℃；液氨控制pH7.2；0h风量0.8m/min；罐压0.10Mpa；溶氧≥30％；转速：220转/min。
一级种子成熟标准：培养时间22h；△OD＝0.7-0.75(波长562nm)。
二级种子罐培养基：葡萄糖70g/L，蔗糖40g/L，酵母抽提物25g/L，豆柏水解液250g/L，硫酸铵30g/L，硫酸镁0.53g/L，磷酸二氢钾3g/L，硫酸亚铁1g/L，硫酸锰1g/L，硫酸锌0.005g/L，硫酸铜0.005g/L，生物素0.0004g/L，消泡剂1g/L。
控制条件：温度34℃；液氨控制pH6.9；0h风量6m3/min；压力0.08Mpa；转速：100转/min；溶氧≥30％。
种子成熟标准：培养时间12h；△OD＝0.75-0.8(波长562nm)。
发酵培养基：葡萄糖40g/L，糖蜜25g/L玉米浆2.5g/L，豆柏水解液4.95g/L，硫酸铵20g/L，硫酸镁0.53g/L，磷酸0.3g/L，氯化钾0.53g/L，硫酸亚铁1g/L，硫酸锰0.8g/L，硫酸锌0.005g/L，硫酸铜0.005g/L，生物素0.0004g/L，消泡剂1g/L。
流加1：:糖蜜250g/L，豆柏水解液24.95g/L，硫酸镁10.53g/L，磷酸5.3g/L，氯化钾6.53g/L，硫酸亚铁1g/L，硫酸锰0.5g/L，硫酸锌0.015g/L，硫酸铜0.035g/L，生物素0.004g/L，消泡剂1g/L。
流加2：硫酸铵配置浓度45％(w/w)。
流加3：浓糖配置浓度65％(w/w)。
控制条件：0h：温度34℃，16h提至37℃；液氨控制pH7.0；0h风量2800m/h；罐压0.05Mpa；转速：100rpm；溶氧≥30％。
当残糖低于1％时(约5-6h)，开始流加葡萄糖，控制残糖0.5％左右，中间放料后控制残糖＜0.5％(0.3％左右)；通过控制硫酸铵的流加速度，控制发酵液中残AN的含量，AN0.2％±0.02％；流加3：流加1＝8：1；流加3：流加2＝9.5～10：1，流加糖液时同时流加。
发酵培养过程中控制物料体积避免逃液，当体积过大时，需要进行中间排料，每次排料约1.5～5m3。
放罐：发酵周期约39h，当赖氨酸含量不再显著增长，停补料糖，约20-30min后停氯化铵和小料(总氮)，待溶氧回升，放罐。
热交换系统设备：实施例4提供的热交换系统。
板式换热器冷侧：循环水、进料t＝25℃；出料t＝25-30℃、p＝0.4Mpa、流量0-60m3/h，，冷侧进、出口为DN65管道。热侧：物料、流量30m3/h、进料t＝37.5℃，出料t＝37℃p＝0.4Mpa，热侧进、出口为DN65管道。
板式换热器采用可拆式板式换热器，装配采用悬挂式结构，端板与夹紧螺栓联接处为开口式，便于拆卸；板片形式为单边流，设计压力：1.0Mpa，板片件密封垫为EPDM，耐温范围：-20℃～160℃；板片材质使用316L不锈钢(材质执行国家牌号为：022Cr17Ni12Mo2)。
发酵反应器内物料通过DN65不锈钢管道、不锈钢卫生级球阀以及不锈钢卫生级离心泵，与板式换热器相连。经过板式换热器换热降温后用不锈钢管通过发酵反应器上部的管道回到发酵反应器中。热侧离心泵选用最大流量30m3/h、扬程40m、功率7.5kw定频无菌离心泵；冷侧离心泵选用最大流量60m3/h、扬程40m、功率18.5kw定频离心泵。
温度控制过程：发酵培养开始后，当物料温度高于控制温度0.5℃时，打开卫生级球阀，开动热侧、冷侧离心泵。发酵培养过程中热侧卫生级离心泵的转速恒定，通过冷侧调节阀开度调节循环水的流速来控制物料的温度。
温度控制如图7所示。从图7可以看出，发酵培养开始2小时物料开始回升，卫生泵开启，此时循环水调节阀的开度在20％。随着发酵培养的进行，其发酵培养产生热量非常迅速，在22小时进入到顶峰，其时调节阀的开度在99％。因为赖氨酸是流加发酵培养，发酵培养过程中需要流加葡萄糖溶液、硫酸铵溶液、液氨调节pH值，所以体积也增长很快，在22小时罐体积在38立方左右，这时候需要采取放料操作，即减少罐容，减少体积在6立方。从图7还可以观察到，在24小时，调节阀的开度下降到80％，发酵培养产生的热量随体积的降低也下降。在30小时，再次减少体积6立方，调节阀的开度在回升后再次下降到81％。从图7还可以观察到，从32小时开始，调节阀的开度开始下降，发酵培养产生的热量开始下降。以上与赖氨酸的发酵培养过程是一致的。
实施例8：发酵生产50立方赖氨酸(利用冷水)
菌种：大肠杆菌
一级种子罐培养基：蔗糖70g/L，酵母抽提物85g/L，硫酸铵90g/L，硫酸镁0.8g/L，磷酸二氢钾5g/L，氯化钠4g/L，硫酸亚铁1g/L，硫酸锰1g/L，硫酸锌0.005g/L，硫酸铜0.005g/L，生物素0.0004g/L，消泡剂1g/L。
控制条件：温度34℃；液氨控制pH7.2；0h风量0.8m3/min；罐压0.10Mpa；溶氧≥30％；转速：220转/min。
一级种子成熟标准：培养时间22h；△OD＝0.7-0.75(波长562nm)。
二级种子罐培养基：葡萄糖70g/L，蔗糖40g/L，酵母抽提物25g/L，豆柏水解液250g/L，硫酸铵30g/L，硫酸镁0.53g/L，磷酸二氢钾3g/L，硫酸亚铁1g/L，硫酸锰1g/L，硫酸锌0.005g/L，硫酸铜0.005g/L，生物素0.0004g/L，消泡剂1g/L。
控制条件：温度34℃；液氨控制pH6.9；0h风量6m3/min；罐压0.08Mpa；转速：100转/min；溶氧≥30％；。
种子成熟标准：培养时间12h；△OD＝0.75-0.8(波长562nm)。
发酵培养基：葡萄糖40g/L，糖蜜25g/L玉米浆2.5g/L，豆柏水解液4.95g/L，硫酸铵20g/L，硫酸镁0.53g/L，磷酸0.3g/L，氯化钾0.53g/L，硫酸亚铁1g/L，硫酸锰0.8g/L，硫酸锌0.005g/L，硫酸铜0.005g/L，生物素0.0004g/L，消泡剂1g/L。
流加1：:糖蜜250g/L，豆柏水解液24.95g/L，硫酸镁10.53g/L，磷酸5.3g/L，氯化钾6.53g/L，硫酸亚铁1g/L，硫酸锰0.5g/L，硫酸锌0.015g/L，硫酸铜0.035g/L，生物素0.004g/L，消泡剂1g/L。
流加2：硫酸铵配置浓度45％(w/w)。
流加3：浓糖配置浓度65％(w/w)。
控制条件：0h：温度34℃，16h提至37℃；液氨控制pH7.0；0h风量2800m3/h；罐压0.05Mpa；转速：100rpm；溶氧≥30％。
当残糖低于1％时(约5-6h)，开始流加葡萄糖，控制残糖0.5％左右，中间放料后控制残糖＜0.5％(0.3％左右)；通过控制硫酸铵的流加速度，控制物料中残AN的含量，AN0.2％±0.02％；流加3：流加1＝8：1；流加3：流加2＝9.5～10：1，流加糖液时同时流加。
发酵培养过程中控制物料体积避免逃液，当体积过大时，需要进行中间排料，每次排料约1.5～5m3。
放罐：发酵培养周期约39h，当赖氨酸含量不再显著增长，停补料糖，约20-30min后停氯化铵和小料(总氮)，待溶氧回升，放罐。
热交换系统设备：实施例4提供的热交换系统。
板式换热器冷侧：冰水、进料t＝10℃；出料t＝10-15℃、p＝0.4MPa、流量0-60m3/h，，冷侧进、出口为DN65管道。热侧：物料、流量30m3/h、进料t＝34.5℃-37.5℃，出料t＝34℃-37℃p＝0.4MPa，热侧进、出口为DN65管道。
板式换热器采用可拆式板式换热器，装配采用悬挂式结构，端板与夹紧螺栓联接处为开口式，便于拆卸；板片形式为单边流，设计压力：1.0MPa，板片件密封垫为EPDM，耐温范围：-20℃～160℃；板片材质使用316L不锈钢(材质执行国家牌号为：022Cr17Ni12Mo2)。
发酵反应器内物料通过DN65不锈钢管道、不锈钢卫生级球阀以及不锈钢卫生级离心泵，与板式换热器相连。经过板式换热器换热降温后用不锈钢管通过发酵反应器上部的管道回到发酵反应器中。热侧离心泵选用最大流量30m3/h、扬程40m、功率7.5kw定频无菌离心泵；冷侧离心泵选用最大流量60m3/h、扬程40m、功率18.5kw定频离心泵。
温度控制过程：发酵培养开始后，当物料温度高于控制温度0.5℃时，打开卫生级球阀，开动热侧、冷侧离心泵。发酵培养过程中热侧卫生级离心泵的转速恒定，通过冷侧变频离心泵调节冰水的流速来控制物料的温度。
温度控制如图8所示。从图8可以看出，发酵培养开始2小时物料温度开始回升，卫生级离心泵开启，此时离心泵的频率在21.8Hz。随着发酵培养的进行，其发酵培养产生热量非常迅速，在22小时进入到顶峰，其时离心泵的频率在50Hz。因为赖氨酸是流加发酵培养，发酵培养过程中需要流加葡萄糖溶液、硫酸铵溶液、液氨调节pH值，所以体积也增长很快，在22小时物料体积在38.1立方左右，这时候需要采取放料操作，即减少罐容，减少体积在6立方。从图8还可以观察到，在24小时，离心泵的频率下降到46.3Hz，发酵培养产生热量随体积的降低也下降。在30小时，再次减少体积4.4立方，离心泵的频率在回升后再次下降到44.4Hz。从图8还可以观察到，从32小时开始，离心泵的开度开始下降，发酵培养产生热量开始下降。以上与赖氨酸的发酵培养过程是一致的。
实施例9：发酵生产50立方丙氨酸
菌种：大肠杆菌
发酵培养基包括(质量百分比)：葡萄糖12％，牛骨蛋白胨0.1％，磷酸氢二钠1％，磷酸二氢钾0.1％，氯化铵0.5％，硫酸镁0.05％。好氧阶段通风比为1:0.6vvm，转速300rpm。当菌体OD600达到5时，停止进气，并将转速降至100rpm，发酵培养进入厌氧阶段。发酵培养温度35℃，压力0.05MPa，发酵培养过程中用氨水控制pH至7.0。发酵培养周期45h，L-丙氨酸含量为92g/L。
热交换系统：实施例4提供的热交换系统。
板式换热器冷侧：循环水、进料t＝25℃；出料t＝25-30℃、p＝0.4Mpa、流量0-60m3/h，，冷侧进、出口为DN65管道。热侧：发酵醪液、流量30m3/h、进料t＝35.5℃，出料t＝35℃p＝0.4Mpa，热侧进、出口为DN65管道。
板式换热器采用可拆式板式换热器，装配采用悬挂式结构，端板与夹紧螺栓联接处为开口式，便于拆卸；板片形式为单边流，设计压力：1.0MPa，板片件密封垫为EPDM，耐温范围：-20℃～160℃；板片材质使用316L不锈钢(材质执行国家牌号为：022Cr17Ni12Mo2)。
发酵反应器内物料通过DN65不锈钢管道、不锈钢卫生级球阀以及不锈钢卫生级离心泵，与板式换热器相连。经过板式换热器换热降温后用不锈钢管通过发酵反应器上部的管道回到发酵反应器中。热侧离心泵选用最大流量30m3/h、扬程40m、功率7.5kw定频卫生级离心泵；冷侧离心泵选用最大流量60m3/h、扬程40m、功率18.5kw定频卫生级离心泵。
温度控制过程：发酵培养开始后，当物料温度高于控制温度0.5℃时，打开卫生级球阀，开动热侧、冷侧离心泵。发酵培养过程中热侧卫生级离心泵的转速恒定，通过冷侧调节阀开度调节循环水的流速来控制物料的温度。
温度控制如图9所示。从图9可以看出，发酵培养开始2小时物料温度开始回升，卫生级离心泵开启，此时循环水调节阀的开度在30％。随着发酵培养的进行，其发酵培养产生热量非常迅速，在4小时进入到顶峰，其时调节阀的开度在100％。但当OD600到10时发酵培养由好氧转入厌氧状态，从图9还可以观察到，循环水的用量迅速下降，循环水调节阀的开度在20％。随后，发酵培养在厌氧过程中持续发热，10小时循环水调节阀的开度在60％。10到36小时，循环水调节阀的开度维持在50～60％。从36小时开始，调节阀的开度开始下降，发酵培养产生的热量开始下降。以上与丙氨酸的发酵培养过程是一致的。
实施例10：发酵生产100方氨基葡萄糖
种子罐培养基：葡萄糖20g/L，硫酸铵10g/L，硫酸镁2.8g/L，磷酸二氢钾5g/L，磷酸氢二钾5g/L，氯化钠1.5g/L，硫酸亚铁1g/L，硫酸锰1g/L，氯化钠1.5g/L，硫酸铜0.005g/L，生物素0.4g/L，消泡剂0.01g/L。
控制条件：温度35℃；液氨控制pH7.2；0h风量0.8m3/min；压力0.03-0.1Mpa；溶氧≥30％；转速：220rpm。
种子成熟标准：培养时间22h；△OD＝0.7-0.75(波长562nm)。
发酵培养基：葡萄糖15g/L，玉米浆10g/L，豆柏水解液0.95g/L，硫酸铵15g/L，硫酸镁0.53g/L，柠檬酸6g/L，硫酸钾1.27g/L，硫酸亚铁1g/L，硫酸锰0.8g/L，硫酸锌0.005g/L，硫酸铜0.005g/L，生物素0.41g/L，消泡剂0.01g/L。
浓糖配置浓度65％(w/w)。
控制条件：0h：温度35℃，16h提至37℃；氨水控制pH7.0；0h风量2800m3/h；罐压0.05Mpa；转速：100rpm；溶氧≥30％。当残糖低于1％时(约5-6h)，开始流加葡萄糖，控制残糖0.5％左右。
放罐：发酵培养周期约55h，当氨基葡萄糖含量不再显著增长，停补料糖，待溶氧回升，放罐。
热交换系统设备：实施例4提供的热交换系统。
板式换热器冷侧：循环水、进料t＝25℃；出料t＝25-30℃、p＝0.4MPa、流量0-120m3/h，，冷侧进、出口为DN125管道。热侧：发酵醪液、流量60m3/h、进料t＝34.5℃-37.5℃，出料t＝34℃-37℃p＝0.4MPa，热侧进、出口为DN100管道。
板式换热器采用可拆式板式换热器，装配采用悬挂式结构，端板与夹紧螺栓联接处为开口式，便于拆卸；板片形式为单边流，设计压力：1.0MPa，板片件密封垫为EPDM，耐温范围：-20℃～160℃；板片材质使用316L不锈钢(材质执行国家牌号为：022Cr17Ni12Mo2)。
发酵反应器内物料通过DN100不锈钢管道、不锈钢球阀以及不锈钢离心泵，与板式换热器相连。经过板式换热器换热降温后用不锈钢管通过发酵反应器上部的管道回到发酵反应器中。热侧物料离心泵选用最大流量60m3/h、扬程60m、功率18.5kw定频无菌离心泵；冷侧循环水离心泵选用最大流量120m3/h、扬程40m、功率22kw定频离心泵。
温度控制过程：发酵培养开始后，当物料温度高于控制温度0.5℃时，打开不锈钢球阀，开动热侧、冷侧离心泵。发酵培养过程中热侧离心泵的转速恒定，通过冷侧调节阀开度调节循环水的流速来控制物料的温度。
同时，由于大肠杆菌在发酵培养过程中对物料的酸碱度敏感，而在物料进行外循环换热时发酵培养仍然在进行，如果物料pH值低于最适pH值0.2即6.5以下会导致这个发酵培养代谢通路发生变化，大肠杆菌会产生乙酸，导致整个发酵培养失败。因此在满足物料换热的同时不能使发酵反应器及换热管道中的物料pH值低于设定值的0.2。整体的在发酵反应器进出口安装pH在线电极显示。
温度控制过程：发酵培养开始后，当物料温度高于控制温度0.5℃时，打开不锈钢球阀，开动离心泵。发酵培养过程中通过循环水调节阀的开度来控制物料的温度。
温度控制如图10所示。从图10可以看出，发酵培养开始物料温度回升很快，0小时离心泵开启，此时循环水调节阀的开度在10％。随着发酵培养的进行，其发酵培养产生热量非常迅速，在28小时进入到顶峰，其时调节阀的开度在100％。从44小时开始，调节阀的开度开始下降，发酵培养产生热量开始下降。以上与氨糖氨酸的发酵培养过程是一致的。
实施例11：发酵生产100立方维生素C
种子培养基：酵母膏0.1％；硫酸镁0.05％；尿素0.05％；碳酸钙0.1％；玉米浆1％；泡敌0.05％；山梨糖1.5％；pH 7.3。
控制条件：培养好的种液以1％接种量接入一级种子培养基，29.5℃培养18-20小时，发酵反应器前空气压力≥0.2Mpa，通气比1：0.5，压力0.03Mpa。产酸达到5mg/ml时可以接入二级种子培养基。
二级种子培养基：硫酸镁0.05％；尿素0.05％；碳酸钙0.1％；玉米浆1％；泡敌0.01％。山梨糖1.5％。pH7.3。
控制条件：培养好的种液以10％接种量接入二级种子培养基，29.5℃培养12-14小时，发酵反应器前空气压力≥0.2Mpa(2公斤)，通气比1：0.5，罐压0.03Mpa。产酸达到5mg/ml时可以接入发酵培养基。
发酵培养基：硫酸镁0.01％；尿素0.1％；磷酸二氢钾0.05％；玉米浆1％；泡敌0.01％；山梨糖3％。pH7.3。
控制条件：培养好的二级种液以33％接种量接入发酵培养基，底糖30mg/ml，29.5℃培养，发酵反应器前空气压力≥0.2Mpa，通气比1：0.5，罐压0.02Mpa，随着发酵反应器物料体积的增加每两小时提高一次通风量，以确保达到上述通气指标。6-8小时开始流加山梨糖，残糖控制在30--40mg/ml，pH控制在7.3。发酵培养前6小时温度控制在29.5℃，从6小时后每两小时提高0.2℃,直至31℃为止。培养至36小时停糖，直至发酵培养结束。
热交换系统设备：实施例4提供的热交换系统。
板式换热器冷侧：循环水、进料t＝25℃；出料t＝25-30℃、p＝0.4Mpa、流量0-120m3/h，冷侧进、出口为DN125管道。热侧：发酵醪液、流量60m3/h、进料t＝30℃-31.5℃，出料t＝29.5℃-30℃p＝0.4Mpa，热侧进、出口为DN100管道。
板式换热器采用可拆式板式换热器，装配采用悬挂式结构，端板与夹紧螺栓联接处为开口式，便于拆卸；板片形式为单边流，设计压力：1.0MPa，板片件密封垫为EPDM，耐温范围：-20℃～160℃；板片材质使用316L不锈钢(材质执行国家牌号为：022Cr17Ni12Mo2)。
发酵反应器内物料通过DN100不锈钢管道、不锈钢卫生级球阀以及不锈钢卫生级离心泵，与板式换热器相连。经过板式换热器换热降温后用不锈钢管通过发酵反应器上部的管道回到发酵反应器中。热侧物料离心泵选用最大流量60m3/h、扬程60m、功率18.5kw定频无菌离心泵；冷侧循环水离心泵选用最大流量120m3/h、扬程40m、功率22kw定频离心泵。
温度控制过程：发酵培养开始后，当物料温度高于控制温度0.5℃时，打开卫生级球阀，开动热侧、冷侧离心泵。发酵培养过程中热侧卫生级离心泵的转速恒定，通过冷侧调节阀开度调节循环水的流速来控制物料的温度。
温度控制如图11所示。从图11可以看出，发酵培养开始4小时物料温度开始回升，卫生泵开启，此时循环水调节阀的开度在20％。随着发酵培养的进行，在26小时进入到顶峰，其时循环水调节阀的开度在90％。从32小时开始，调节阀的开度开始下降，发酵培养产生热量开始下降。以上与古龙酸的发酵培养过程是一致的。
实施例12：发酵生产100立方乳酸
发酵培养基:葡萄糖180g/L，酵母粉0.9g/L，磷酸氢二铵3.5g/L，硫酸锌0.17g/L，磷酸氢二钾0.85g/L，磷酸二氢钾0.85g/L，消泡剂0.05g/L，
使用前一个发酵反应器12～18小时的物料，按种后物料体积20％的种子液的量接种。
控制条件：温度52℃；30％(w/v)氢氧化钙调节pH6.5；适当通风；罐压0.01Mpa；转速：10～15Hz。待残葡萄糖降至0.05％以下、含量不再增长，停罐。
发酵培养每4h取样测样一次，检测指标包括：pH、OD、残糖、L-乳酸含量，在种后2h加测pH，以检测回校物料pH。在发酵培养结束前需要根据发酵培养实际情况增加测样频率。
放罐：发酵培养周期约30h，发酵培养结束需检测pH、OD、残糖、L-乳酸含量、D-乳酸含量、光学纯度、密度。将物料加热至70-80℃，输送至物料储罐。
热交换系统设备：实施例4提供的热交换系统。
板式换热器冷侧：循环水、进料t＝25℃；出料t＝25-35℃、p＝0.4Mpa、流量0-120m3/h，冷侧进、出口为DN125管道。热侧：物料、流量60m3/h、进料t＝52.5℃，出料t＝52℃p＝0.4Mpa，热侧进、出口为DN100管道。
板式换热器采用可拆式板式换热器，装配采用悬挂式结构，端板与夹紧螺栓联接处为开口式，便于拆卸；板片形式为单边流，设计压力：1.0MPa，板片件密封垫为EPDM，耐温范围：-20℃～160℃；板片材质使用316L不锈钢(材质执行国家牌号为：022Cr17Ni12Mo2)。
发酵反应器内物料通过DN100不锈钢管道、不锈钢卫生级球阀以及不锈钢卫生级离心泵，与板式换热器相连。经过板式换热器换热降温后用不锈钢管通过发酵反应器上部的管道回到发酵反应器中。热侧物料离心泵选用最大流量60m3/h、扬程60m、功率18.5kw定频无菌离心泵；冷侧循环水离心泵选用最大流量120m3/h、扬程40m、功率22kw定频离心泵。
温度控制过程：发酵培养开始后，当物料温度高于控制温度0.5℃时，打开卫生级球阀，开动热侧、冷侧离心泵。发酵培养过程中热侧卫生级离心泵的转速恒定，通过冷侧调节阀开度调节循环水的流速来控制物料的温度。
温度控制如图12所示。从图12可以看出，发酵培养开始0小时发物料温度回升很快，卫生泵开启，此时循环水调节阀的开度在50％，这与L-乳酸接种量大密切相关，发酵培养几乎没有迟滞期。随着发酵培养的进行，在16小时进入到顶峰，其时调节阀的开度在80％。在发酵培养第17小时，物料切掉30％接入下一个发酵反应器，因为物料体积由70立方下降到50立方，因此循环水用量从80％下降到65％。发酵培养在从26小时开始，调节阀的开度回复到80％，后续发酵培养产生热量缓慢降低至发酵结束。以上与L-乳酸的发酵培养过程是一致的。
虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.用于发酵反应的物料热交换系统，其特征在于，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；
所述热交换管道经过间壁式换热器实现发酵物料的热交换；
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。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，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之间设置过滤装置。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括与所述发酵物料流入管道平行设置的发酵物料回流管道，且所述发酵物料回流管道的出口与所述发酵反应器顶部的进料口相连。
4.根据权利要求1～3任意一项所述的系统，其特征在于，所述系统还包括外循环泵，用于推动发酵物料在管道中流动；
优选地，所述外循环泵选用容积泵、回旋泵、叶片泵、蠕动泵和离心泵；
优选地，所述外循环泵为卫生级泵。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述外循环泵还与放料管道相连；发酵反应结束后，所述外循环泵切换至放料泵模式，推动物料的排放。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述间壁式换热器为板式换热器、列管换热器或能够实现间壁式换热的自制装置；
优选地，所述间壁式换热器采用的冷/热介质选自水、蒸汽、冷媒和有机热载体。
7.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述发酵反应器内设置温度传感器，感应得到的温度信号经变送器传送至控制系统，由控制系统调节所述外循环泵的阀门，从而调节发酵物料的流动速度，实现发酵物料热交换过程中的温度调控；
优选地，所述外循环泵的阀门为自动调节阀，用于调节外循环泵的转速或频率。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述发酵反应器内设置温度传感器，感应得到的温度信号经变送器传送至控制系统，由控制系统调节所述冷/热介质的阀门或所述冷/热介质的循环泵，从而调节冷/热介质的流动速度，实现发酵物料热交换过程中的温度调控；
优选地，所述冷/热介质的阀门为自动调节阀，用于调节冷/热介质阀门的开度或者开关频率；所述冷/热介质的循环泵为变频循环泵。
9.利用权利要求1～8任意一项所述物料热交换系统进行发酵的方法；
优选地，所述发酵的目标产物包括但不限于柠檬酸、苹果酸、乳酸、赖氨酸、丙氨酸、氨基葡萄糖、维生素C。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在发酵反应前/后，对所述物料热交换系统进行消毒或灭菌，优选采用物理或化学方法进行消毒或灭菌。
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