CN1428174A - 无水冷却、全热回收、高温连续灭菌方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无水冷却、全热回收、高温连续灭菌方法，它是在同一换热器内用冷培养基对热培养基进行冷却，同时冷培养基回收了热培养基的全部余热而被预热，热培养基不用水冷却，即去掉现有的水冷却装置，预热后的培养基进入连消器或维持器进行高温灭菌。本发明既适宜于微生物发酵工业中的培养基灭菌，也适宜于食品工业中流体的连续灭菌过程及酿酒生产的蒸煮工艺过程。本发明营养损失少，热效率高，不需冷却用水，节能、可靠，既可用于新上设备，也可对原有的老设备进行改造。

Description

无水冷却、全热回收、高温连续灭菌方法

技术领域：本发明涉及的是微生物发酵工业中的培养基灭菌方法，特别是一种无水冷却、热量全部回收的高温连续灭菌方法。此方法也适宜于食品工业中流体的连续灭菌过程及酿酒生产的蒸煮工艺过程。

背景技术：在微生物发酵工业中，培养基灭菌的方法有很多种，可归纳为物理方法、化学方法和机械方法等几类，这些方法因各自具有不同的特点而适用于不同的灭菌对象和过程。在大生产中，发酵罐培养基灭菌均采用蒸汽湿热灭菌法，即利用低压水蒸汽将培养基的温度升高，使菌体蛋白质凝固变性而死亡的灭菌方法。采用湿热灭菌法，蒸汽来源容易，潜热大，穿透力强，灭菌效果好，无附加污染，操作费用低，具有简便和经济的特点。湿热灭菌法有分批灭菌和连续灭菌两种方式，此二种方式通常被称为实消和连消。实消是在发酵罐中进行培养基灭菌的，这种方法不需要专一的灭菌设备，操作简单，但容积较大时，加热和冷却时间较长，培养基营养成分损失较大，水和蒸汽负荷高峰难以均衡，常影响其它工序的生产。连消是采用专一的灭菌设备，在向已空消合格的发酵罐供应培养基的过程中，连续不断地进行加热，维持和冷却的灭菌方法。与实消相比，这种方法的优点是培养基受热时间短，营养损失少，发酵罐利用率高，便于实现节能措施，便于自动控制等。目前，国内外微生物发酵工业采用的连消流程大体可分为五种。

一、连消器--喷淋冷却连消流程  该流程是经典的连续灭菌流程，目前我国应用仍较普遍，该流程的工作过程是：将需灭菌的培养基用泵打入连消器(也称连消塔)内，与蒸汽直接混合，使其快速达到灭菌温度，然后进入维持罐维持一定时间后，经喷淋冷却器冷却至所需温度，进入发酵罐。流程中的连消器有套管式、一段混合式、二段混合式、双进汽式、喷射式等形式。可立式安装，也可卧式安装。该流程的缺点是：维持罐的高径比远不能达到或接近活塞流的要求，易发生返混现象，要达到同样的灭菌程度(N/N(10^-15)，必须增加维持时间，造成营养成分的破坏。且流程中的喷淋冷却器耗水量非常大，通过喷淋后的冷却水温度只能升高10-15℃，水资源的利用率极低，该流程投资大，营养损失多，能耗、水耗最高。

二、连消器--螺旋板换热器连消流程  该流程由喷淋冷却连消流程改进而来，采用两只螺旋板换热器代替喷淋冷却器，在冷却热培养基的同时，也将冷培养基预热，此流程比流程1节水、节能50-70％，但维持罐营养成分的损失仍然没有得到改善，且还需冷却用水，节汽还有潜力。

三、喷射加热--真空冷却连消流程  该流程利用蒸汽直接喷射加热培养基，因此培养基可瞬时上升到预定的灭菌温度，通过管道维持灭菌时间后，由节流阀进入真空冷却器，而急速冷却至70-80℃，此流程加热和冷却在瞬时间完成，可采用高温短时间灭菌方法，因此营养损失少，采用管道维持管，可避免反混现象，但由于采用真空冷却方式，培养基被处理后，不能自然流入发酵罐，需加装出料泵输送。出料泵及真空冷却器密封须达到非常高的要求，否则培养基极易产生二次污染。若将真空冷却器置于离发酵罐液面10m以上的高空，可不需出料泵，却又给灭菌操作带来不便。该流程虽然不需要冷却用水，但只能将物料冷却到70-80℃，还需在发酵罐中继续冷却，不仅热能没有得到丝毫回收利用，而且还需增加真空系统的能耗和水耗，并增加了投资和生产成本。

四、喷射加热--板式冷却器连消流程  该流程的加热、维持方法与流程3相同，所不同的是该流程采用板式冷却器代替了真空冷却器，同样没有回收热能，没有节水措施。

五、板式换热器连消流程  该流程为间接加热方式，可以保证培养基初糖浓度，尤其适合高糖发酵工艺。由于热培养基的冷却过程同时也预热了冷培养基，所以节约了部分蒸汽和冷却水的用量，流程中用维持管代替维持罐，可最大限度地避免反混现象，是目前最为合理的连消流程。但该流程仍需部分冷却水，带走部分热能，同时其加热、冷却维持时间长，此外还存在板式换热器的密封边长，静泄漏点多等缺点。

发明内容：上述五种流程均存在着某些不足之处，如能耗高、用水量多、培养基的营养损失较大等，这些问题有待解决。本发明的主要目的是设计一个营养损失少，热效率高，不需冷却用水，节能、可靠的培养基连消灭菌方案。为实现这一方案，本发明采用在同一个换热器内用冷培养基对热培养基进行冷却，同时冷培养基回收了热培养基的全部余热而被预热，热培养基不用水冷却，即去掉现有的水冷却装置，预热后的冷培养基进入连消器或维持器进行高温灭菌。

本发明的首选方案是包括换热器、维持器和连消器三个装置，蒸汽通过维持器进入连消器，与通过换热器而预热后的冷培养基进行混合，并将预热后的冷培养基瞬时加热至140-150℃，进入维持器的另一通道，维持一定灭菌时间后，重新进入换热器，冷却至发酵所需温度后输出。

维持器首选采用的是螺旋板换热器，螺旋板换热器的结构紧凑，可减少散热损失，并可最大限度地避免返混现象。

维持器也可以采用维持管代替，这种维持器较适合连消温度要求较高的工艺，若连消温度较低，则管道及保温的投资和热损失都将增加。

换热器优先采用螺旋板换热器，它在冷却热培养基的同时，冷培养基也被预热至所需的温度，因此，只需少量的蒸汽，就可以维持系统的正常运行，同时可以不需冷却用水。螺旋板换热器也可以用一个或若干个板式换热器串联组成逆流换热系统，此方案也能达到类似的效果。

连消器首先采用的是喷射式连消器，其它任何类型的连消器均可使用。采用间接的方式加热时，可以不用连消器。

本发明所产生的积极效果，从以下几个方面进行描述

(一)、由于采用高温短时间工艺，灭菌效果好，营养损失少。

用湿热灭菌的方法处理培养基，在加热灭菌的同时，培养基中的糖、氨基酸及维生素等营养成分也将受到破坏，因此，在工程上既要达到一定的灭菌要求，又要保证培养基营养成分的破坏程度在许可的范围内。因为营养成分的损失，不仅直接影响产品的成本，甚至关系到发酵生产的正常进行，因此，选择合理的培养基灭菌的工艺条件尤为重要。

微生物的生存都需要适宜的温度范围，当温度超过一定的限度时，细胞中的原生质胶体和酶的基本成分--蛋白质就会发生不可逆转的凝固变性，导致微生物死亡。微生物对热的抵抗能力比一般生物要强，不同的微生物对热的抵抗能力也各不相同，这种抵抗能力称为热阻。一般地讲，营养细胞热阻小，细菌的芽胞的热阻大，所以，工程上均以杀死细菌芽胞的程度作为衡量灭菌效果的标准。

杂菌虽然是一个复杂的高分子体系，但其受热死灭的主要原因是蛋白质高温变性所致，这种反应属于单分子反应。实验证明，在一定的温度下，杂菌营养细胞及孢子的均相热死灭动力学符合化学反应的一级反应动力学，即微生物减少的速率-dN/dt与任一时刻残存的活菌浓度N成正比，其关系式可表示为 $-\frac{\mathrm{dN}}{\mathrm{dt}}=\mathrm{KN}---\left(1\right)$ 上式中，N—任一时刻的微生物残留浓度(个/m³)

    t—时间(s)

    k—速度常数，也称比热死灭速率常数(s^-1)设t＝0时，N＝N_o将式(1)移项积分 ${\∫}_{N_o}^N\frac{\mathrm{dN}}{N}=-k{\∫}_0^t\mathrm{dt}$ 得 $\ln \frac{N_o}{N}=\mathrm{Kt}---\left(2\right)$

从式(2)可知，在一定的温度下，当微生物残留浓度N→0时，将有灭菌时间t→∝，这对于实际生产是无意义的。也就是说，要使培养基达到绝对无菌程度，不是不可能的，而是不合理的。在工程设计中，一般控制残留浓度N≤10^-3个/罐，或使N_o/N为10^-15～10^-17，就可以满足生产的可靠性和经济性要求。

式(2)中，1nN_o/N与灭菌时间t为直线关系，直线斜率为速度常数k，k除了决定于菌体的种类及其存在形式外，还是温度T的函数。温度T、微生物热死灭活化能E与速度常数K的关系可用Arrhenius方程表示：

K＝A·e^-E/RT                          (3)

式中A——Arrhenius常数  (s^-1)

E——热死灭活化能E(J/mol)

R——气体普适常数(J/K·mol)

T——绝对温度(K)

将式(3)两边取对数得 $\ln K=-\frac{E}{\mathrm{RT}}+\ln A---\left(4\right)$ 将式(4)对T微分得 $\frac{d\ln k}{\mathrm{dT}}=\frac{E}{{\mathrm{RT}}^2}---\left(5\right)$

从上述系列关系式可以得出湿热灭菌的时间t与温度T、活化能E之间的理论关系，尤其从式(5)可以得出一个重要结论：在湿热灭菌过程中，活化能E越高，dlnk/dT越大，也即灭菌温度T的变化对速度常数K的影响越大。因此，我们可以根据杂菌孢子与培养基中营养成分的活化能E的不同，合理选择湿热灭菌的条件，达到既满足灭菌要求，又能有效保护培养基营养成分的目的。在湿热灭菌过程中，除了微生物的死亡外，营养成分的破坏，也符合化学反应中一级反应动力学，所不同的是，营养成分热破坏反应的活化能E远小于杂菌孢子热死灭反应的活化能E(参见表1)，由式(5)可知，E越高，T对K的影响越大，因此，适当提高湿热灭菌的温度T，对杂菌孢子的死灭速率的影响要比营养成分的破坏速率的影响大得多，从而可显著缩短灭菌时间，其结果使营养成分的热破坏量大为减少。表2是将培养基中的嗜热脂肪芽孢杆菌孢子杀灭至N/N_o＝10^-16时，不同灭菌温度下灭菌所需要的时间和营养成分(以维生素B₁为基准)受热破坏的数据。

在实际生产中，湿热灭菌的时间和温度还受培养基的质量、成分、PH值及杂菌浓度和种类等因素的影响，目前的连消流程一般控制连消温度为105--130℃，维持5--25分钟之间，而我国企业普遍采用的工艺条件是连消温度为105--110℃，维持6--8分钟。由表2的实验数据可知，在该工艺条件下，不仅营养成分损失严重，而且灭菌的维持时间明显不足，使发酵生产存在污染杂菌的威胁。

采用高温短时间湿热灭菌法，早已得到微生物发酵行业的普遍认可，但目前现有的技术水平，提高灭菌温度T，缩短灭菌时间t，将增加蒸汽和冷却水的耗量，经济效益、环境效益将受到损失。尤其对带有维持罐的流程，由于培养基在与流动方向相垂直的截面上存在着不同的流速分布，将产生微团间的轴向混合，使培养基在反应器中的灭菌时间不一致，而发生局部过热或灭菌不足的现象，即返混现象。连消温度越高，维持时间越短，返混造成的后果就越严重。由式3可知，不论是杂菌孢子，还是营养成分，其速度常数K均随温度T的升高而增大，即杂菌孢子的死亡与营养成分的破坏都将加快，(区别只是在于加快的程度不同)。因此，灭菌温度T越高，对灭菌时间t控制的准确度要求就越高。根据表2可知，当灭菌温度T为110℃时，维持时间t为75分钟，当灭菌温度T为140℃时，其维持时间t仅须6.5秒即可，若维持时间同样波动1秒的误差，其相对误差分别为1.33％和934.58％，其结果可想而知。所以，进一步提高灭菌温度，缩短灭菌时间，发酵生产的风险性及能耗、水耗将随之增加。本发明在培养基进入喷射连消器之前，已被快速预热至125℃，因此，喷射连消器在瞬时即可把培养基加热到灭菌温度(≥140℃)，采用螺旋板换热器或维持管，可以最大限度地避免返混现象，而保证理想的维持时间。本发明可圆满地解决培养基预热、升温、维持、降温全过程对时间准确控制的要求，从而使高温短时间的连消方案得以实施，将培养基营养成分的损失降到3％以下。

(二)、节能、节水

节约能源、水资源，实行清洁生产，关系到人类文明的可持续发展。节能、节水不仅关系到社会环境效益，而且直接关系到企业的经济效益。不仅如此，节能、节水连消工艺有利于发酵企业的生产稳定。一般情况下，发酵企业中其它工段的耗汽、耗水负荷是连续均衡的，而连消是一种分批间歇性操作，现有的工艺方法，需要高强度的供汽、供水负荷，但企业中的供汽供水系统，一般比较适合连续均衡的负荷，并且大都供应不足。因此，连消时，常影响整体的正常生产，甚至导致生产减量以保证连消的运行。本发明最大限度地减少连消工段的用汽负荷，并省去了冷却用水。采用本发明，将给企业带来系列的连锁效益。

本发明与经典的连消器--喷淋冷却连消流程(流程一)相比，节能节水的效果是非常明显的。

1.节约蒸汽

设灭菌加热过程中蒸汽压力P为0.4MPa(表压)，比焓为I＝2748KJ/Kg；冷培养基为20℃，比热为C，流程1的灭菌温度为120℃，维持6分钟降至35℃，冷却水由20℃升高到35℃；本发明采用高温短时间灭菌方法，灭菌温度为140℃，维持7秒钟，然后降至35℃。(计算中不计设备的散热损失)，流程1每千克培养基灭菌用蒸汽量D₁ $D_1=\frac{(120-20)C}{2748-504}=0.0446\mathrm{C\; Kg}$ 本发明在培养基进入连消器前，已使培养基在换热器中快速预热，设预热后的温度为t₂，热培养基的流量为M₁，放热量为Q₁，冷培养基流量为M₂，吸热量为Q₂，则

Q₁＝CM₁Δt₁

Q₂＝CM₂Δt₂

∵Q₁＝Q₂

M₁≈M₂

∴Δt₂≈Δt₁＝140-35＝105℃

∴t₂＝20+105＝125℃

则本发明每千克培养基灭菌所需用汽量为D $D=\frac{(140-125)C}{2748-548}=0.000695C$ 与流程1相比，D/D₁＝0.156可节约蒸汽为η $\mathrm{\η}=\frac{D_1-D}{D_1}=84.42\%$ 以年产万吨味精厂为例，每年可节约蒸汽为Da，

Da＝1.77×10⁴吨

折标煤2408吨，按每吨蒸汽50元计算，年可节约资金88.5万元。

通过上述计算可知，流程1的蒸汽用量是本发明蒸汽用量的6.4倍，因此，本发明可有效避免负荷高峰，使生产处于稳定平衡状态。

2.节约水

流程1每千克培养基的用水量为W₁ $W_1=\frac{(120-35)C}{(35-20)\×4.18}=1.35566C$ 设培养基(淀粉质原料)干物质浓度为15％，比热为C_o＝1.55KJ/Kg.K则培养基的比热C为

则W₁＝1.35566C＝5.132Kg

以年产万吨味精厂为例，年可节水Wa

Wa＝6.375×10⁵M³

折标准煤91吨，按每吨循环水运转费用0.2元计算，年可节约资金12.75万元。

3.安全可靠，投资及运行更经济

除上述优点外，本发明流程还具有泄漏点少、简单可靠、容易操作、管理方便、无二次污染、环境清洁、事故及维修量少、投资少、占地少、安装方便等优点。

附图说明：

图1为现有技术中连消器--喷淋冷却连消流程图

图2为现有技术中连消器--螺旋板换热器连消流程图

图3为现有技术中喷射加热--真空冷却连消流程图

图4为现有技术中喷射加热--板式冷却器连消流程图

图5为现有技术中板式换热器连消流程图

图6为本发明第一种实施例的流程图

图7为本发明第二种实施例的流程图

图8为本发明第三种实施例的流程图

图9为本发明第四种实施例的流程图

图10为本发明第五种实施例的流程图

具体实施方式：图1--10中给出了现有技术及本发明实施例的流程图，为能详细说明本发明，下面结合流程图对本发明作进一步详细的介绍

图1为连消器--喷淋冷却连消流程，该流程将需灭菌的冷培养基1用泵打人连消器2内，与蒸汽3直接混合，使其快速达到灭菌温度，然后进入维持罐4维持一定时间后，经喷淋冷却器5冷却至所需温度后输出。

图2为连消器--螺旋板换热器连消流程，该流程由两只螺旋板换热器a₁、a₂代替喷淋冷却器，在换热器a₂冷却热培养基6的同时，将冷培养基1预热，经预热后的冷培养基1与蒸汽3混合达到灭菌温度后进入维持罐4内维持一定的灭菌时间，经换热器a₂冷却后再经换热器a₁被水7冷却至发酵所需温度后输出。

图3为喷射加热--真空冷却连消流程，该流程利用蒸汽3直接喷射加热冷培养基1，冷培养基1达到预定的灭菌温度后，通过维持管8维持灭菌时间，由节流阀9进入真空冷却器10，急速冷却至70-80℃，灭菌后的培养基被处理后，由出料泵11输出。

图4为喷射加热--板式冷却器连消流程，该流程将冷培养基1打人连消器2利用蒸汽3加热，灭菌后的培养基进入维持管8维持一定时间后，进入板式冷却器12内用水7冷却后输出。

图5为板式换热器连消流程，该流程采用间接加热方式，保证了培养基初糖浓度，尤其适合高糖发酵工艺。冷培养基1首先进入换热器b₂进行预热，并同时冷却了热培养基6，然后在换热器b₃中被间接加热到灭菌温度，进入维持管8维持一定灭菌时间，再进入换热器b₂预热冷培养基，然后进入换热器b₁，被水7间接冷却至发酵温度后输出。

图6为本发明第一种实施例的流程图，冷培养基1通过换热器13预热后，进入连消器2，与通过维持器14的低压水蒸汽3进行混合，并瞬时被加热至140-150℃，进入维持器14的另一通道，维持一定时间，然后重新进入换热器13，冷却至发酵所需温度后输出。

图7为本发明第二种实施例的流程图，该流程中采用维持管式维持器，很适合灭菌温度T≥140℃的灭菌流程。冷培养基1通过换热器13预热后，进入喷射式连消器2，被水蒸汽3瞬时加热至灭菌温度后，进入维持管8维持相应的时间，再进入换热器13，冷却至发酵所需温度后输出。

图8为本发明第三种实施例的流程图，用2只(或多只)薄板式换热器13组成逆流换热系统，冷培养基1通过换热器13预热后，进入连消器2，与通过维持器14的水蒸汽3进行混合，并瞬时加热至140-150℃，进入维持器14维持一定时间后，重新进入换热器13，冷却至发酵所需温度后输出。

图9为本发明第四种实施例的流程图，该流程省去了连消器，其优点是可保持培养基的浓度不变，同时可以保证灭菌的效果。冷培养基1通过换热器13预热后，进入维持器14，在维持器14中被加热至灭菌温度并维持一定时间后，进入换热器13，冷却至发酵所需温度后输出。

图10为本发明第五种实施例的流程图，该流程采用薄板式换热器和维持管式维持器，冷培养基1通过换热器13预热后，进入连消器2，被水蒸汽3瞬时加热至灭菌温度后，进入维持管8维持相应的时间后，再进入换热器13，冷却至发酵所需温度后输出。

酒精工业中，在发酵培养基进入发酵罐以前，均需将培养基进行“蒸煮--糖化”处理，其目的是将培养基中的淀粉水解为可发酵性糖，其中蒸煮工艺的目的是通过高温或淀粉酶的作用，使原料植物组织和细胞壁彻底破裂，使内含的淀粉糊化和液化，同时对原料进行充分灭菌。

蒸煮方法有很多种，以生产方式不同，可分为间歇式、半连续式和连续式。目前，连续式蒸煮工艺已被广泛应用。常用的有罐式、管式、柱式等几种连续蒸煮流程。这些流程虽然设备形式不同，但其工艺过程都是相同的，均没有采取热能回收技术。若采用酶法中(低)温蒸煮，虽然可以节约部分蒸汽，但培养基达不到充分灭菌的效果，往往影响酒精发酵产率及质量。

无论是中温(低温)蒸煮还是高温蒸煮，蒸汽用量均很大，约占全厂消耗量的1/3以上。其次，这些方法，同样存在蒸煮时间过长造成培养基损失的问题。有关实验表明，快速升温，高温短时间蒸煮对淀粉的液化同样有利。因此若将本发明方法用于酒精发酵培养基的蒸煮过程，可以节省大量蒸汽，保证灭菌效果，减少培养基的营养损失。

表1细菌孢子和B族维生素热破坏反应的活化能E

受热物质                      E(J/mol)

维生素B₁₂                    96232

维生素B₁盐酸盐               92048

嗜热脂肪芽孢杆菌孢子          283259

肉毒梭菌孢子                  343088

枯草杆菌孢子                  317984

表2灭菌温度和时间对营养成分破坏的影响

温度(℃)        灭菌时间(秒)          物质破坏量(％)

100             843                   99.99

110             75                    89

120             7.6                   27

130             0.851                 10

140             0.107                 3

150             0.015                 1

Claims (9)

1、一种无水冷却、全热回收、高温连续灭菌方法，其特征在于：在同一个换热器内用冷培养基对热培养基进行冷却，同时冷培养基回收了热培养基的全部余热而被预热，热培养基不用水冷却，即去掉现有的水冷却装置，预热后的冷培养基进入连消器或维持器进行高温灭菌。

2、按照权利要求1所述的高温连续灭菌方法，其特征在于包括换热器(13)、维持器(14)和连消器(2)三个装置，蒸汽(3)通过维持器(14)进入连消器(2)，与通过换热器(13)而预热后的冷培养基(1)进行混合，并将预热的冷培养基(1)瞬时加热至140-150℃，进入维持器(14)的另一通道，维持一定灭菌时间后，重新进入换热器(13)，冷却至发酵所需温度后输出。

3、按照权利要求2所述的高温连续灭菌方法，其特征在于维持器采用螺旋板换热器。

4、按照权利要求2所述的高温连续灭菌方法，其特征在于维持器采用维持管。

5、按照权利要求2、3、或4所述的高温连续灭菌方法，其特征在于换热器采用螺旋板换热器。

6、按照权利要求2、3或4所述的高温连续灭菌方法，其特征在于换热器用一个或若干个板式换热器串联组成逆流换热系统。

7、按照权利要求5所述的高温连续灭菌方法，其特征在于连消器采用喷射式连消器。

8、按照权利要求6所述的高温连续灭菌方法，其特征在于连消器采用喷射式连消器。

9、按照权利要求1所述的高温连续灭菌方法，其特征在于采用间接的加热方式，去掉连消器，只采用换热器(13)、维持器(14)二个装置，冷培养基(1)通过换热器(13)预热后，进入维持器(14)，在维持器(14)中被加热至灭菌温度并维持一定时间后，进入换热器(13)，冷却至发酵所需温度后输出。

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