專利名稱：無水冷卻、全熱回收、高溫連續(xù)滅菌方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是微生物發(fā)酵工業(yè)中的培養(yǎng)基滅菌方法，特別是一種無水冷卻、熱量全部回收的高溫連續(xù)滅菌方法。此方法也適宜于食品工業(yè)中流體的連續(xù)滅菌過程及釀酒生產(chǎn)的蒸煮工藝過程。
背景技術(shù)：
在微生物發(fā)酵工業(yè)中，培養(yǎng)基滅菌的方法有很多種，可歸納為物理方法、化學(xué)方法和機(jī)械方法等幾類，這些方法因各自具有不同的特點而適用于不同的滅菌對象和過程。在大生產(chǎn)中，發(fā)酵罐培養(yǎng)基滅菌均采用蒸汽濕熱滅菌法，即利用低壓水蒸汽將培養(yǎng)基的溫度升高，使菌體蛋白質(zhì)凝固變性而死亡的滅菌方法。采用濕熱滅菌法，蒸汽來源容易，潛熱大，穿透力強(qiáng)，滅菌效果好，無附加污染，操作費用低，具有簡便和經(jīng)濟(jì)的特點。濕熱滅菌法有分批滅菌和連續(xù)滅菌兩種方式，此二種方式通常被稱為實消和連消。實消是在發(fā)酵罐中進(jìn)行培養(yǎng)基滅菌的，這種方法不需要專一的滅菌設(shè)備，操作簡單，但容積較大時，加熱和冷卻時間較長，培養(yǎng)基營養(yǎng)成分損失較大，水和蒸汽負(fù)荷高峰難以均衡，常影響其它工序的生產(chǎn)。連消是采用專一的滅菌設(shè)備，在向已空消合格的發(fā)酵罐供應(yīng)培養(yǎng)基的過程中，連續(xù)不斷地進(jìn)行加熱，維持和冷卻的滅菌方法。與實消相比，這種方法的優(yōu)點是培養(yǎng)基受熱時間短，營養(yǎng)損失少，發(fā)酵罐利用率高，便于實現(xiàn)節(jié)能措施，便于自動控制等。目前，國內(nèi)外微生物發(fā)酵工業(yè)采用的連消流程大體可分為五種。
一、連消器--噴淋冷卻連消流程 該流程是經(jīng)典的連續(xù)滅菌流程，目前我國應(yīng)用仍較普遍，該流程的工作過程是將需滅菌的培養(yǎng)基用泵打入連消器(也稱連消塔)內(nèi)，與蒸汽直接混合，使其快速達(dá)到滅菌溫度，然后進(jìn)入維持罐維持一定時間后，經(jīng)噴淋冷卻器冷卻至所需溫度，進(jìn)入發(fā)酵罐。流程中的連消器有套管式、一段混合式、二段混合式、雙進(jìn)汽式、噴射式等形式?？闪⑹桨惭b，也可臥式安裝。該流程的缺點是維持罐的高徑比遠(yuǎn)不能達(dá)到或接近活塞流的要求，易發(fā)生返混現(xiàn)象，要達(dá)到同樣的滅菌程度(N/N(10-15)，必須增加維持時間，造成營養(yǎng)成分的破壞。且流程中的噴淋冷卻器耗水量非常大，通過噴淋后的冷卻水溫度只能升高10-15℃，水資源的利用率極低，該流程投資大，營養(yǎng)損失多，能耗、水耗最高。
二、連消器--螺旋板換熱器連消流程 該流程由噴淋冷卻連消流程改進(jìn)而來，采用兩只螺旋板換熱器代替噴淋冷卻器，在冷卻熱培養(yǎng)基的同時，也將冷培養(yǎng)基預(yù)熱，此流程比流程1節(jié)水、節(jié)能50-70％，但維持罐營養(yǎng)成分的損失仍然沒有得到改善，且還需冷卻用水，節(jié)汽還有潛力。
三、噴射加熱--真空冷卻連消流程 該流程利用蒸汽直接噴射加熱培養(yǎng)基，因此培養(yǎng)基可瞬時上升到預(yù)定的滅菌溫度，通過管道維持滅菌時間后，由節(jié)流閥進(jìn)入真空冷卻器，而急速冷卻至70-80℃，此流程加熱和冷卻在瞬時間完成，可采用高溫短時間滅菌方法，因此營養(yǎng)損失少，采用管道維持管，可避免反混現(xiàn)象，但由于采用真空冷卻方式，培養(yǎng)基被處理后，不能自然流入發(fā)酵罐，需加裝出料泵輸送。出料泵及真空冷卻器密封須達(dá)到非常高的要求，否則培養(yǎng)基極易產(chǎn)生二次污染。若將真空冷卻器置于離發(fā)酵罐液面10m以上的高空，可不需出料泵，卻又給滅菌操作帶來不便。該流程雖然不需要冷卻用水，但只能將物料冷卻到70-80℃，還需在發(fā)酵罐中繼續(xù)冷卻，不僅熱能沒有得到絲毫回收利用，而且還需增加真空系統(tǒng)的能耗和水耗，并增加了投資和生產(chǎn)成本。
四、噴射加熱--板式冷卻器連消流程 該流程的加熱、維持方法與流程3相同，所不同的是該流程采用板式冷卻器代替了真空冷卻器，同樣沒有回收熱能，沒有節(jié)水措施。
五、板式換熱器連消流程 該流程為間接加熱方式，可以保證培養(yǎng)基初糖濃度，尤其適合高糖發(fā)酵工藝。由于熱培養(yǎng)基的冷卻過程同時也預(yù)熱了冷培養(yǎng)基，所以節(jié)約了部分蒸汽和冷卻水的用量，流程中用維持管代替維持罐，可最大限度地避免反混現(xiàn)象，是目前最為合理的連消流程。但該流程仍需部分冷卻水，帶走部分熱能，同時其加熱、冷卻維持時間長，此外還存在板式換熱器的密封邊長，靜泄漏點多等缺點。

發(fā)明內(nèi)容
上述五種流程均存在著某些不足之處，如能耗高、用水量多、培養(yǎng)基的營養(yǎng)損失較大等，這些問題有待解決。本發(fā)明的主要目的是設(shè)計一個營養(yǎng)損失少，熱效率高，不需冷卻用水，節(jié)能、可靠的培養(yǎng)基連消滅菌方案。為實現(xiàn)這一方案，本發(fā)明采用在同一個換熱器內(nèi)用冷培養(yǎng)基對熱培養(yǎng)基進(jìn)行冷卻，同時冷培養(yǎng)基回收了熱培養(yǎng)基的全部余熱而被預(yù)熱，熱培養(yǎng)基不用水冷卻，即去掉現(xiàn)有的水冷卻裝置，預(yù)熱后的冷培養(yǎng)基進(jìn)入連消器或維持器進(jìn)行高溫滅菌。
本發(fā)明的首選方案是包括換熱器、維持器和連消器三個裝置，蒸汽通過維持器進(jìn)入連消器，與通過換熱器而預(yù)熱后的冷培養(yǎng)基進(jìn)行混合，并將預(yù)熱后的冷培養(yǎng)基瞬時加熱至140-150℃，進(jìn)入維持器的另一通道，維持一定滅菌時間后，重新進(jìn)入換熱器，冷卻至發(fā)酵所需溫度后輸出。
維持器首選采用的是螺旋板換熱器，螺旋板換熱器的結(jié)構(gòu)緊湊，可減少散熱損失，并可最大限度地避免返混現(xiàn)象。
維持器也可以采用維持管代替，這種維持器較適合連消溫度要求較高的工藝，若連消溫度較低，則管道及保溫的投資和熱損失都將增加。
換熱器優(yōu)先采用螺旋板換熱器，它在冷卻熱培養(yǎng)基的同時，冷培養(yǎng)基也被預(yù)熱至所需的溫度，因此，只需少量的蒸汽，就可以維持系統(tǒng)的正常運行，同時可以不需冷卻用水。螺旋板換熱器也可以用一個或若干個板式換熱器串聯(lián)組成逆流換熱系統(tǒng)，此方案也能達(dá)到類似的效果。
連消器首先采用的是噴射式連消器，其它任何類型的連消器均可使用。采用間接的方式加熱時，可以不用連消器。
本發(fā)明所產(chǎn)生的積極效果，從以下幾個方面進(jìn)行描述(一)、由于采用高溫短時間工藝，滅菌效果好，營養(yǎng)損失少。
用濕熱滅菌的方法處理培養(yǎng)基，在加熱滅菌的同時，培養(yǎng)基中的糖、氨基酸及維生素等營養(yǎng)成分也將受到破壞，因此，在工程上既要達(dá)到一定的滅菌要求，又要保證培養(yǎng)基營養(yǎng)成分的破壞程度在許可的范圍內(nèi)。因為營養(yǎng)成分的損失，不僅直接影響產(chǎn)品的成本，甚至關(guān)系到發(fā)酵生產(chǎn)的正常進(jìn)行，因此，選擇合理的培養(yǎng)基滅菌的工藝條件尤為重要。
微生物的生存都需要適宜的溫度范圍，當(dāng)溫度超過一定的限度時，細(xì)胞中的原生質(zhì)膠體和酶的基本成分--蛋白質(zhì)就會發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的凝固變性，導(dǎo)致微生物死亡。微生物對熱的抵抗能力比一般生物要強(qiáng)，不同的微生物對熱的抵抗能力也各不相同，這種抵抗能力稱為熱阻。一般地講，營養(yǎng)細(xì)胞熱阻小，細(xì)菌的芽胞的熱阻大，所以，工程上均以殺死細(xì)菌芽胞的程度作為衡量滅菌效果的標(biāo)準(zhǔn)。
雜菌雖然是一個復(fù)雜的高分子體系，但其受熱死滅的主要原因是蛋白質(zhì)高溫變性所致，這種反應(yīng)屬于單分子反應(yīng)。實驗證明，在一定的溫度下，雜菌營養(yǎng)細(xì)胞及孢子的均相熱死滅動力學(xué)符合化學(xué)反應(yīng)的一級反應(yīng)動力學(xué)，即微生物減少的速率-dN/dt與任一時刻殘存的活菌濃度N成正比，其關(guān)系式可表示為-dNdt=KN---(1)]]>上式中，N—任一時刻的微生物殘留濃度(個/m3)t—時間(s)k—速度常數(shù)，也稱比熱死滅速率常數(shù)(s-1)設(shè)t＝0時，N＝No將式(1)移項積分∫NoNdNN=-k∫0tdt]]>得lnNoN=Kt---(2)]]>從式(2)可知，在一定的溫度下，當(dāng)微生物殘留濃度N→0時，將有滅菌時間t→∝，這對于實際生產(chǎn)是無意義的。也就是說，要使培養(yǎng)基達(dá)到絕對無菌程度，不是不可能的，而是不合理的。在工程設(shè)計中，一般控制殘留濃度N≤10-3個/罐，或使No/N為10-15～10-17，就可以滿足生產(chǎn)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性要求。
式(2)中，1nNo/N與滅菌時間t為直線關(guān)系，直線斜率為速度常數(shù)k，k除了決定于菌體的種類及其存在形式外，還是溫度T的函數(shù)。溫度T、微生物熱死滅活化能E與速度常數(shù)K的關(guān)系可用Arrhenius方程表示K＝A·e-E/RT(3)式中A——Arrhenius常數(shù) (s-1)E——熱死滅活化能E(J/mol)R——氣體普適常數(shù)(J/K·mol)T——絕對溫度(K)將式(3)兩邊取對數(shù)得lnK=-ERT+lnA---(4)]]>將式(4)對T微分得dlnkdT=ERT2---(5)]]>從上述系列關(guān)系式可以得出濕熱滅菌的時間t與溫度T、活化能E之間的理論關(guān)系，尤其從式(5)可以得出一個重要結(jié)論在濕熱滅菌過程中，活化能E越高，dlnk/dT越大，也即滅菌溫度T的變化對速度常數(shù)K的影響越大。因此，我們可以根據(jù)雜菌孢子與培養(yǎng)基中營養(yǎng)成分的活化能E的不同，合理選擇濕熱滅菌的條件，達(dá)到既滿足滅菌要求，又能有效保護(hù)培養(yǎng)基營養(yǎng)成分的目的。在濕熱滅菌過程中，除了微生物的死亡外，營養(yǎng)成分的破壞，也符合化學(xué)反應(yīng)中一級反應(yīng)動力學(xué)，所不同的是，營養(yǎng)成分熱破壞反應(yīng)的活化能E遠(yuǎn)小于雜菌孢子熱死滅反應(yīng)的活化能E(參見表1)，由式(5)可知，E越高，T對K的影響越大，因此，適當(dāng)提高濕熱滅菌的溫度T，對雜菌孢子的死滅速率的影響要比營養(yǎng)成分的破壞速率的影響大得多，從而可顯著縮短滅菌時間，其結(jié)果使?fàn)I養(yǎng)成分的熱破壞量大為減少。表2是將培養(yǎng)基中的嗜熱脂肪芽孢桿菌孢子殺滅至N/No＝10-16時，不同滅菌溫度下滅菌所需要的時間和營養(yǎng)成分(以維生素B1為基準(zhǔn))受熱破壞的數(shù)據(jù)。
在實際生產(chǎn)中，濕熱滅菌的時間和溫度還受培養(yǎng)基的質(zhì)量、成分、PH值及雜菌濃度和種類等因素的影響，目前的連消流程一般控制連消溫度為105--130℃，維持5--25分鐘之間，而我國企業(yè)普遍采用的工藝條件是連消溫度為105--110℃，維持6--8分鐘。由表2的實驗數(shù)據(jù)可知，在該工藝條件下，不僅營養(yǎng)成分損失嚴(yán)重，而且滅菌的維持時間明顯不足，使發(fā)酵生產(chǎn)存在污染雜菌的威脅。
采用高溫短時間濕熱滅菌法，早已得到微生物發(fā)酵行業(yè)的普遍認(rèn)可，但目前現(xiàn)有的技術(shù)水平，提高滅菌溫度T，縮短滅菌時間t，將增加蒸汽和冷卻水的耗量，經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益將受到損失。尤其對帶有維持罐的流程，由于培養(yǎng)基在與流動方向相垂直的截面上存在著不同的流速分布，將產(chǎn)生微團(tuán)間的軸向混合，使培養(yǎng)基在反應(yīng)器中的滅菌時間不一致，而發(fā)生局部過熱或滅菌不足的現(xiàn)象，即返混現(xiàn)象。連消溫度越高，維持時間越短，返混造成的后果就越嚴(yán)重。由式3可知，不論是雜菌孢子，還是營養(yǎng)成分，其速度常數(shù)K均隨溫度T的升高而增大，即雜菌孢子的死亡與營養(yǎng)成分的破壞都將加快，(區(qū)別只是在于加快的程度不同)。因此，滅菌溫度T越高，對滅菌時間t控制的準(zhǔn)確度要求就越高。根據(jù)表2可知，當(dāng)滅菌溫度T為110℃時，維持時間t為75分鐘，當(dāng)滅菌溫度T為140℃時，其維持時間t僅須6.5秒即可，若維持時間同樣波動1秒的誤差，其相對誤差分別為1.33％和934.58％，其結(jié)果可想而知。所以，進(jìn)一步提高滅菌溫度，縮短滅菌時間，發(fā)酵生產(chǎn)的風(fēng)險性及能耗、水耗將隨之增加。本發(fā)明在培養(yǎng)基進(jìn)入噴射連消器之前，已被快速預(yù)熱至125℃，因此，噴射連消器在瞬時即可把培養(yǎng)基加熱到滅菌溫度(≥140℃)，采用螺旋板換熱器或維持管，可以最大限度地避免返混現(xiàn)象，而保證理想的維持時間。本發(fā)明可圓滿地解決培養(yǎng)基預(yù)熱、升溫、維持、降溫全過程對時間準(zhǔn)確控制的要求，從而使高溫短時間的連消方案得以實施，將培養(yǎng)基營養(yǎng)成分的損失降到3％以下。
(二)、節(jié)能、節(jié)水節(jié)約能源、水資源，實行清潔生產(chǎn)，關(guān)系到人類文明的可持續(xù)發(fā)展。節(jié)能、節(jié)水不僅關(guān)系到社會環(huán)境效益，而且直接關(guān)系到企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。不僅如此，節(jié)能、節(jié)水連消工藝有利于發(fā)酵企業(yè)的生產(chǎn)穩(wěn)定。一般情況下，發(fā)酵企業(yè)中其它工段的耗汽、耗水負(fù)荷是連續(xù)均衡的，而連消是一種分批間歇性操作，現(xiàn)有的工藝方法，需要高強(qiáng)度的供汽、供水負(fù)荷，但企業(yè)中的供汽供水系統(tǒng)，一般比較適合連續(xù)均衡的負(fù)荷，并且大都供應(yīng)不足。因此，連消時，常影響整體的正常生產(chǎn)，甚至導(dǎo)致生產(chǎn)減量以保證連消的運行。本發(fā)明最大限度地減少連消工段的用汽負(fù)荷，并省去了冷卻用水。采用本發(fā)明，將給企業(yè)帶來系列的連鎖效益。
本發(fā)明與經(jīng)典的連消器--噴淋冷卻連消流程(流程一)相比，節(jié)能節(jié)水的效果是非常明顯的。
1.節(jié)約蒸汽設(shè)滅菌加熱過程中蒸汽壓力P為0.4MPa(表壓)，比焓為I＝2748KJ/Kg；冷培養(yǎng)基為20℃，比熱為C，流程1的滅菌溫度為120℃，維持6分鐘降至35℃，冷卻水由20℃升高到35℃；本發(fā)明采用高溫短時間滅菌方法，滅菌溫度為140℃，維持7秒鐘，然后降至35℃。(計算中不計設(shè)備的散熱損失)，流程1每千克培養(yǎng)基滅菌用蒸汽量D1D1=(120-20)C2748-504=0.0446C Kg]]>本發(fā)明在培養(yǎng)基進(jìn)入連消器前，已使培養(yǎng)基在換熱器中快速預(yù)熱，設(shè)預(yù)熱后的溫度為t2，熱培養(yǎng)基的流量為M1，放熱量為Q1，冷培養(yǎng)基流量為M2，吸熱量為Q2，則Q1＝CM1Δt1Q2＝CM2Δt2∵Q1＝Q2M1≈M2∴Δt2≈Δt1＝140-35＝105℃∴t2＝20+105＝125℃則本發(fā)明每千克培養(yǎng)基滅菌所需用汽量為DD=(140-125)C2748-548=0.000695C]]>與流程1相比，D/D1＝0.156可節(jié)約蒸汽為ηη=D1-DD1=84.42%]]>以年產(chǎn)萬噸味精廠為例，每年可節(jié)約蒸汽為Da，Da＝1.77×104噸折標(biāo)煤2408噸，按每噸蒸汽50元計算，年可節(jié)約資金88.5萬元。
通過上述計算可知，流程1的蒸汽用量是本發(fā)明蒸汽用量的6.4倍，因此，本發(fā)明可有效避免負(fù)荷高峰，使生產(chǎn)處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)。
2.節(jié)約水流程1每千克培養(yǎng)基的用水量為W1W1=(120-35)C(35-20)×4.18=1.35566C]]>設(shè)培養(yǎng)基(淀粉質(zhì)原料)干物質(zhì)濃度為15％，比熱為Co＝1.55KJ/Kg.K則培養(yǎng)基的比熱C為 則W1＝1.35566C＝5.132Kg
以年產(chǎn)萬噸味精廠為例，年可節(jié)水WaWa＝6.375×105M3折標(biāo)準(zhǔn)煤91噸，按每噸循環(huán)水運轉(zhuǎn)費用0.2元計算，年可節(jié)約資金12.75萬元。
3.安全可靠，投資及運行更經(jīng)濟(jì)除上述優(yōu)點外，本發(fā)明流程還具有泄漏點少、簡單可靠、容易操作、管理方便、無二次污染、環(huán)境清潔、事故及維修量少、投資少、占地少、安裝方便等優(yōu)點。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)中連消器--噴淋冷卻連消流程2為現(xiàn)有技術(shù)中連消器--螺旋板換熱器連消流程3為現(xiàn)有技術(shù)中噴射加熱--真空冷卻連消流程4為現(xiàn)有技術(shù)中噴射加熱--板式冷卻器連消流程5為現(xiàn)有技術(shù)中板式換熱器連消流程6為本發(fā)明第一種實施例的流程7為本發(fā)明第二種實施例的流程8為本發(fā)明第三種實施例的流程9為本發(fā)明第四種實施例的流程10為本發(fā)明第五種實施例的流程圖
具體實施例方式圖1--10中給出了現(xiàn)有技術(shù)及本發(fā)明實施例的流程圖，為能詳細(xì)說明本發(fā)明，下面結(jié)合流程圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的介紹圖1為連消器--噴淋冷卻連消流程，該流程將需滅菌的冷培養(yǎng)基1用泵打人連消器2內(nèi)，與蒸汽3直接混合，使其快速達(dá)到滅菌溫度，然后進(jìn)入維持罐4維持一定時間后，經(jīng)噴淋冷卻器5冷卻至所需溫度后輸出。
圖2為連消器--螺旋板換熱器連消流程，該流程由兩只螺旋板換熱器a1、a2代替噴淋冷卻器，在換熱器a2冷卻熱培養(yǎng)基6的同時，將冷培養(yǎng)基1預(yù)熱，經(jīng)預(yù)熱后的冷培養(yǎng)基1與蒸汽3混合達(dá)到滅菌溫度后進(jìn)入維持罐4內(nèi)維持一定的滅菌時間，經(jīng)換熱器a2冷卻后再經(jīng)換熱器a1被水7冷卻至發(fā)酵所需溫度后輸出。
圖3為噴射加熱--真空冷卻連消流程，該流程利用蒸汽3直接噴射加熱冷培養(yǎng)基1，冷培養(yǎng)基1達(dá)到預(yù)定的滅菌溫度后，通過維持管8維持滅菌時間，由節(jié)流閥9進(jìn)入真空冷卻器10，急速冷卻至70-80℃，滅菌后的培養(yǎng)基被處理后，由出料泵11輸出。
圖4為噴射加熱--板式冷卻器連消流程，該流程將冷培養(yǎng)基1打人連消器2利用蒸汽3加熱，滅菌后的培養(yǎng)基進(jìn)入維持管8維持一定時間后，進(jìn)入板式冷卻器12內(nèi)用水7冷卻后輸出。
圖5為板式換熱器連消流程，該流程采用間接加熱方式，保證了培養(yǎng)基初糖濃度，尤其適合高糖發(fā)酵工藝。冷培養(yǎng)基1首先進(jìn)入換熱器b2進(jìn)行預(yù)熱，并同時冷卻了熱培養(yǎng)基6，然后在換熱器b3中被間接加熱到滅菌溫度，進(jìn)入維持管8維持一定滅菌時間，再進(jìn)入換熱器b2預(yù)熱冷培養(yǎng)基，然后進(jìn)入換熱器b1，被水7間接冷卻至發(fā)酵溫度后輸出。
圖6為本發(fā)明第一種實施例的流程圖，冷培養(yǎng)基1通過換熱器13預(yù)熱后，進(jìn)入連消器2，與通過維持器14的低壓水蒸汽3進(jìn)行混合，并瞬時被加熱至140-150℃，進(jìn)入維持器14的另一通道，維持一定時間，然后重新進(jìn)入換熱器13，冷卻至發(fā)酵所需溫度后輸出。
圖7為本發(fā)明第二種實施例的流程圖，該流程中采用維持管式維持器，很適合滅菌溫度T≥140℃的滅菌流程。冷培養(yǎng)基1通過換熱器13預(yù)熱后，進(jìn)入噴射式連消器2，被水蒸汽3瞬時加熱至滅菌溫度后，進(jìn)入維持管8維持相應(yīng)的時間，再進(jìn)入換熱器13，冷卻至發(fā)酵所需溫度后輸出。
圖8為本發(fā)明第三種實施例的流程圖，用2只(或多只)薄板式換熱器13組成逆流換熱系統(tǒng)，冷培養(yǎng)基1通過換熱器13預(yù)熱后，進(jìn)入連消器2，與通過維持器14的水蒸汽3進(jìn)行混合，并瞬時加熱至140-150℃，進(jìn)入維持器14維持一定時間后，重新進(jìn)入換熱器13，冷卻至發(fā)酵所需溫度后輸出。
圖9為本發(fā)明第四種實施例的流程圖，該流程省去了連消器，其優(yōu)點是可保持培養(yǎng)基的濃度不變，同時可以保證滅菌的效果。冷培養(yǎng)基1通過換熱器13預(yù)熱后，進(jìn)入維持器14，在維持器14中被加熱至滅菌溫度并維持一定時間后，進(jìn)入換熱器13，冷卻至發(fā)酵所需溫度后輸出。
圖10為本發(fā)明第五種實施例的流程圖，該流程采用薄板式換熱器和維持管式維持器，冷培養(yǎng)基1通過換熱器13預(yù)熱后，進(jìn)入連消器2，被水蒸汽3瞬時加熱至滅菌溫度后，進(jìn)入維持管8維持相應(yīng)的時間后，再進(jìn)入換熱器13，冷卻至發(fā)酵所需溫度后輸出。
酒精工業(yè)中，在發(fā)酵培養(yǎng)基進(jìn)入發(fā)酵罐以前，均需將培養(yǎng)基進(jìn)行“蒸煮--糖化”處理，其目的是將培養(yǎng)基中的淀粉水解為可發(fā)酵性糖，其中蒸煮工藝的目的是通過高溫或淀粉酶的作用，使原料植物組織和細(xì)胞壁徹底破裂，使內(nèi)含的淀粉糊化和液化，同時對原料進(jìn)行充分滅菌。
蒸煮方法有很多種，以生產(chǎn)方式不同，可分為間歇式、半連續(xù)式和連續(xù)式。目前，連續(xù)式蒸煮工藝已被廣泛應(yīng)用。常用的有罐式、管式、柱式等幾種連續(xù)蒸煮流程。這些流程雖然設(shè)備形式不同，但其工藝過程都是相同的，均沒有采取熱能回收技術(shù)。若采用酶法中(低)溫蒸煮，雖然可以節(jié)約部分蒸汽，但培養(yǎng)基達(dá)不到充分滅菌的效果，往往影響酒精發(fā)酵產(chǎn)率及質(zhì)量。
無論是中溫(低溫)蒸煮還是高溫蒸煮，蒸汽用量均很大，約占全廠消耗量的1/3以上。其次，這些方法，同樣存在蒸煮時間過長造成培養(yǎng)基損失的問題。有關(guān)實驗表明，快速升溫，高溫短時間蒸煮對淀粉的液化同樣有利。因此若將本發(fā)明方法用于酒精發(fā)酵培養(yǎng)基的蒸煮過程，可以節(jié)省大量蒸汽，保證滅菌效果，減少培養(yǎng)基的營養(yǎng)損失。
表1細(xì)菌孢子和B族維生素?zé)崞茐姆磻?yīng)的活化能E受熱物質(zhì) E(J/mol)維生素B1296232維生素B1鹽酸鹽 92048嗜熱脂肪芽孢桿菌孢子 283259肉毒梭菌孢子 343088枯草桿菌孢子 317984表2滅菌溫度和時間對營養(yǎng)成分破壞的影響溫度(℃)滅菌時間(秒) 物質(zhì)破壞量(％)100 843 99.99110 7589120 7.6 27130 0.851 10140 0.107 3150 0.015 權(quán)利要求
1.一種無水冷卻、全熱回收、高溫連續(xù)滅菌方法，其特征在于在同一個換熱器內(nèi)用冷培養(yǎng)基對熱培養(yǎng)基進(jìn)行冷卻，同時冷培養(yǎng)基回收了熱培養(yǎng)基的全部余熱而被預(yù)熱，熱培養(yǎng)基不用水冷卻，即去掉現(xiàn)有的水冷卻裝置，預(yù)熱后的冷培養(yǎng)基進(jìn)入連消器或維持器進(jìn)行高溫滅菌。
2.按照權(quán)利要求1所述的高溫連續(xù)滅菌方法，其特征在于包括換熱器(13)、維持器(14)和連消器(2)三個裝置，蒸汽(3)通過維持器(14)進(jìn)入連消器(2)，與通過換熱器(13)而預(yù)熱后的冷培養(yǎng)基(1)進(jìn)行混合，并將預(yù)熱的冷培養(yǎng)基(1)瞬時加熱至140-150℃，進(jìn)入維持器(14)的另一通道，維持一定滅菌時間后，重新進(jìn)入換熱器(13)，冷卻至發(fā)酵所需溫度后輸出。
3.按照權(quán)利要求2所述的高溫連續(xù)滅菌方法，其特征在于維持器采用螺旋板換熱器。
4.按照權(quán)利要求2所述的高溫連續(xù)滅菌方法，其特征在于維持器采用維持管。
5.按照權(quán)利要求2、3、或4所述的高溫連續(xù)滅菌方法，其特征在于換熱器采用螺旋板換熱器。
6.按照權(quán)利要求2、3或4所述的高溫連續(xù)滅菌方法，其特征在于換熱器用一個或若干個板式換熱器串聯(lián)組成逆流換熱系統(tǒng)。
7.按照權(quán)利要求5所述的高溫連續(xù)滅菌方法，其特征在于連消器采用噴射式連消器。
8.按照權(quán)利要求6所述的高溫連續(xù)滅菌方法，其特征在于連消器采用噴射式連消器。
9.按照權(quán)利要求1所述的高溫連續(xù)滅菌方法，其特征在于采用間接的加熱方式，去掉連消器，只采用換熱器(13)、維持器(14)二個裝置，冷培養(yǎng)基(1)通過換熱器(13)預(yù)熱后，進(jìn)入維持器(14)，在維持器(14)中被加熱至滅菌溫度并維持一定時間后，進(jìn)入換熱器(13)，冷卻至發(fā)酵所需溫度后輸出。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種無水冷卻、全熱回收、高溫連續(xù)滅菌方法，它是在同一換熱器內(nèi)用冷培養(yǎng)基對熱培養(yǎng)基進(jìn)行冷卻，同時冷培養(yǎng)基回收了熱培養(yǎng)基的全部余熱而被預(yù)熱，熱培養(yǎng)基不用水冷卻，即去掉現(xiàn)有的水冷卻裝置，預(yù)熱后的培養(yǎng)基進(jìn)入連消器或維持器進(jìn)行高溫滅菌。本發(fā)明既適宜于微生物發(fā)酵工業(yè)中的培養(yǎng)基滅菌，也適宜于食品工業(yè)中流體的連續(xù)滅菌過程及釀酒生產(chǎn)的蒸煮工藝過程。本發(fā)明營養(yǎng)損失少，熱效率高，不需冷卻用水，節(jié)能、可靠，既可用于新上設(shè)備，也可對原有的老設(shè)備進(jìn)行改造。
文檔編號C12N1/00GK1428174SQ0114281
公開日2003年7月9日 申請日期2001年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月23日
發(fā)明者張孝寬 申請人:張孝寬