一种储能回热微生物发酵系统及方法与流程

本发明设计了一种储能回热微生物发酵系统及方法，属于发酵工程领域。

背景技术：

1、生物发酵技术是一种利用微生物进行溶剂发酵生产各种工业溶剂和化工原料的技术，是目前应用最广泛的生物技术之一。工业生产中常用发酵罐作为微生物发酵的装置，但现有的发酵罐尤其是大型发酵罐，常常会因为混合不均氧气无法有效地分散在液体中，进而影响溶氧量和发酵质量。

2、公告号为cn 213475831 u的专利文献公开了一种肥料发酵罐，其主要针对现有技术存在的混合不均匀的技术问题，提出了一种肥料发酵罐，其通过增加两个垂直的搅拌杆，增加了搅拌效率，但是该装置无法实现对物料温度的均匀控制，同时结构上较为复杂。

3、此外，发酵过程中需要消耗大量的蒸汽往往直接排出至大气，造成了能源浪费。因此，实现高效控温供氧，提高发酵质量和能效，是目前亟需解决的问题。

技术实现思路

1、本发明针对现有发酵罐内加热混合与溶氧不均问题以及发酵系统消毒过程中的蒸汽浪费，提出一种储能回热微生物发酵系统及方法。

2、一种储能回热微生物发酵系统，包括：

3、至少设有出气口、进料口和出料口的发酵罐；

4、装有储能材料的储能罐，内部设有空气换热管和蒸汽换热管；其中所述空气换热管入口与空压机相连；所述蒸汽换热管入口通过带有阀门的蒸汽出气管与发酵罐的蒸汽出气口相连；

5、设于发酵罐内的搅拌器；

6、所述搅拌器由带有进气通道的空心搅拌叶片和传动轴以及驱动装置组成，所述空心搅拌叶片上同时设有与进气通道相通的进气通孔；所述传动轴的进气通道入口通过带有阀门的管路分别与蒸汽进气管和空气换热管的出口相连。

7、进一步的，所述空心搅拌叶片安装在发酵罐内，用于混合发酵罐内的介质或者物料(气体/液态)。传动轴一方面实现对空心搅拌叶片的安装定位，更重要的是将驱动装置的驱动力传输给空心搅拌叶片，实现空心搅拌叶片的高速旋转。传动轴顶端与空心搅拌叶片固定，同时与驱动装置(一般可选择驱动电机等)传动连接，底端通过旋转接头与对应的进气(蒸汽或空气)管路连接。

8、进一步的，所述传动轴为中空结构的轴件，其中的空腔构成传动轴的进气通道；所述空心搅拌叶片一般包括两部分，分别为中空结构的安装座以及固定在安装座顶部四周的中空叶片，其中中空叶片的空腔均与安装座的空腔导通，形成其对应的进气通道。传动轴、安装座、叶片中空腔依次相连，构成了完整的进气通道。

9、作为优选，还包括设于发酵罐内的空心导流筒，该空心导流筒的筒壁为中空夹层结构，该夹层结构的出水口通过管路与所述蒸汽换热管的入口相连，该夹层结构的进水口通过设有水泵的管路与所述蒸汽换热管出口相连，构成水循环回路。

10、作为一种实施方式，所述空心导流筒为圆柱形筒结构。作为更进一步优选，所述空心导流筒内径为发酵罐内径的30～70％。

11、作为优选，所述搅拌器设于发酵罐底部，且空心搅拌叶片与空心导流筒同轴设置。搅拌状态下，物料或者蒸汽(水蒸气)在搅拌作用下自下沿着发酵罐内壁向上移动，到达顶点后通过空心导流筒的腔体回落至发酵罐底部，进一步增加了物料的混合效率。同时利用空心导流筒可以更加均匀稳定的实现对物料的温度控制。

12、作为优选，所述发酵罐上还设有温度变送器和溶氧监测仪，实时监测发酵罐内物料温度和溶氧量，根据溶氧量控制空气进入管路上的调节阀开度大小；根据温度信号可以控制水泵的开启和关闭。具体讲，温度变送器和溶氧监测仪分别监测发酵罐内温度和溶氧量。发酵阶段，当氧含量低于设定值时，可增大空气进气管上调节阀阀门开度，增加空气流量；当氧含量高于设定值时，可减小调节阀阀门开度，减少空气流量。当温度低于某一设定值时，开启水泵，利用储能罐中的热水对空心导流筒进行加热，最终实现对物料的加热。

13、作为优选，所述空心导流筒为导热性能较好的金属材质。

14、作为优选，所述储能材料为相变储能材料，其相变温度高于发酵温度5-10℃。

15、另外，除了上述介绍的部件和结构外，在需要完成某些常规功能和目的时，同时会包括实现该功能常见的结构等，比如对于发酵罐，还包括尾气排放口等等，以排出反应后的空气。又比如，在需要完成自动控制时(比如根据发酵罐内物料溶氧量控制空气进气调节阀时，或者需要根据发酵罐内物料温度控制热水水泵时)，可以引入控制器或者现有的计算机，通过简单的运算实现自动控制。

16、作为优选，所述相变储能材料包括但不限于有机类相变储能材料或复合类相变储能材料。

17、本发明同时提供了一种储能回热微生物发酵方法，采用上述任一项技术方案所述的发酵系统，包括：

18、(1)打开蒸汽(指水蒸气)进气管上的阀门，蒸汽通过搅拌器的进气通道进入到发酵罐内，对发酵罐完成消毒过程；

19、(2)完成消毒后，打开蒸汽出气管上的阀门，蒸汽进入到储能罐内的蒸汽换热管进行换热，完成蒸汽余热的回收和储存，关闭蒸汽进气管和蒸汽出气管；

20、(3)开启空压机，空气经过储能罐内的空气换热管进行预热，然后通过搅拌器的进气通道进入到发酵罐内，同时进料口进料，搅拌器同时工作，完成发酵，最后出料口出料。

21、作为优选，当发酵罐内温度低于设定温度时，开启水泵，蒸汽换热管的热水进入到空心导流筒的中空夹层结构内，对发酵罐内部料液进行加热，实现热量回用；放热后的水利用管路回流至所述储能罐内的蒸汽换热管内进行加热。

22、作为优选，发酵过程中，实时检测发酵罐内部料液的温度和溶氧量，根据溶氧量控制进入空气的量；根据温度控制水泵的启停。

23、更为具体的，一种储能回热微生物发酵系统，该系统主要包括空压机、储能罐、空气截止阀、排污阀、蒸汽截止阀、调节阀、旋转接头、驱动装置、发酵罐、第一阀门、第二阀门以及水泵；上述储能罐内部填料为相变储能材料，罐内分别布置了空气换热管和热水换热管；上述发酵罐内部安装了空心导流筒，空心导流筒由固定梁固定在罐体中心；空心导流筒下方，发酵罐底部中心位置安装了搅拌器；发酵罐罐体中部安装有温度变送器和溶氧监测仪；发酵罐顶部设有进料口，底部设有出料口；空心导流筒内部为空心结构，筒壁侧边上下设有两个开孔(分别是进水口和出水口)与储能罐热水换热管管道连接，下端为热水进口(进水口)，上端为热水出口(出水口)；发酵罐内搅拌器，由空心搅拌叶片和传动轴组成，传动轴贯穿发酵罐底部，上接空心搅拌叶片，下接旋转接头。

24、上述空压机出口与储能罐内空气换热管进口相连，空气换热管出口与空气截止阀进口相连，空气截止阀出口与调节阀进口相连，调节阀出口旋转接头进口相连，旋转接头出口与传动轴进口(进气通道入口/进口)相连，传动轴(进气通道)出口与空心叶片(进气通道)相连；发酵罐出料口与第一阀门进口及第二阀门进口相并联，第二阀门出口与储能罐内热水换热管进口相连，热水换热管出口与水泵进口及排污阀进口相并联，水泵出口与发酵罐空心导流筒下端进口相连，发酵罐空心导流筒上端出口与第二阀门出口管道并联，一同与储能罐热水换热管进口相连；第一阀门出口为发酵液出口，排污阀出口与大气相通；空气截止阀出口与调节阀进口相连的支路上还并联着由蒸汽截止阀控制的蒸汽支路，且蒸汽截止阀出口与调节阀进口相连；驱动装置与传动轴相连，提供搅拌器动力；储能罐内部填料为相变储能材料，根据相变温度高于发酵温度5-10℃进行选择；发酵罐的温度变送器和溶氧监测仪，实时监测发酵罐内温度和溶氧量，可根据温度和溶氧量控制调节阀。

25、所述的一种储能回热微生物发酵系统的工作方法，包括以下工作过程：

26、消毒阶段：首先关闭空气截止阀、排污阀、第一阀门和第二阀门，打开蒸汽截止阀和调节阀，蒸汽依次通过调节阀、旋转接头、传动轴、空心搅拌叶片，进入发酵罐进行消毒，同时打开驱动装置；罐内压力稳定一段时间后，打开第二阀门，蒸汽进入储能罐内的热水换热管，此时储能罐吸收蒸汽热能达到相变温度，蒸汽则冷却为冷凝热水储存于管内；随后关闭蒸汽截止阀和第二阀门，完成消毒及消毒阶段蒸汽热能回收。

27、发酵阶段：关闭排污阀、蒸汽截止阀、第一阀门和第二阀门，打开空气截止阀和调节阀，启动空压机，空气经储能罐空气换热管预热后，依次通过调节阀、旋转接头、传动轴、空心搅拌叶片，进入发酵罐；同时将发酵物料从进料口打入发酵罐，打开驱动装置，发酵液在搅拌器和空心导流筒作用下做轴向循环运动，空气通过搅拌器传动轴直接从空心搅拌叶片的气孔进入发酵罐底部，在叶片切向力的作用下，空气与发酵液充分接触达到强化混合提升溶氧量的效果；当发酵罐内温度低于发酵温度时，启动水泵，将储能罐内冷凝热水打入空心导流筒内，对发酵液进行加热保温，降温后的冷凝热水回到热水换热管吸收储能罐热能升温，如此循环保证发酵罐温度稳定控制在发酵温度，进而达到提高发酵质量的效果。

28、本发明的有益效果是：

29、1.在发酵罐内部安装空心导流筒，筒内可通冷凝热水用于发酵罐加热保温，底部设有搅拌器，发酵液在搅拌器和空心导流筒作用下做轴向循环运动，搅拌器的空心叶片和传动轴相通，发酵阶段空气通过搅拌器传动轴直接从空心叶片的气孔进入发酵罐底部，在叶片切向力的作用下，空气与发酵液充分接触，可有效提升发酵液混合效果和溶氧量。

30、2.空心导流筒除了导流作用外，内部可通热水具有加热发酵液的作用，轴向运动的流体，强化了发酵液与导流筒壁间的对流换热，加热效果显著，能够快速稳定罐内温度，提升发酵质量。

31、3.系统增设了储热罐,将蒸汽的高品位热能转为储能罐内相变材料的低品位热能，作为发酵系统的保温热源，提升了系统用能效率。

32、4.整个发酵罐内部结构简单，容易清洗，卫生死角少，且蒸汽通过搅拌器传动轴直接从空心叶片的气孔进入发酵罐底部，蒸汽在旋转叶片的带动下，向四周均匀喷射，扩大消毒范围，保证了消毒杀菌的效果。

33、综上，本发明依据相变储能和强化传热传质原理，通过增设储能系统和新供气结构的发酵罐，提升了发酵系统的能量利用效率和发酵质量。本发明将发酵罐内蒸汽的高品位热能转为储能罐内相变材料的低品位热能，作为发酵系统的保温热源，解决了发酵系统在消毒过程中的蒸汽浪费。同时发酵罐内部的空心导流筒和搅拌器可以使得空气与发酵液充分接触，改善了发酵罐内能流分布与溶氧不均状况。整套系统可实现高效控温供氧，发酵质量高，符合国家节能减排及可持续发展战略的目标。