11.4 Материальный баланс стадии тп.3 выращивания вегетативного посевного материала в посевном аппарате

Уравнение материального баланса стадии:

m _{ст. п. ср.} + m _инок. + m _{ст. пен.} + m _Опотр = m _{пос. мат.} + m _СО+m _брызг + m _влаги

где: m _{ст. п. ср.} – масса стерильной питательной среды в посевном аппарате, кг;

m _инок. – масса инокулюма, загружаемая в посевной аппарат, кг;

m _{ст. пен.} – масса стерильного пеногасителя, кг;

m_Опотр – масса кислорода, потребленного из воздуха при выращивании посевного материала, кг;

m _влаги - масса влаги, принесенной воздухом, кг;

m _{пос. мат.} – масса выращенного посевного материала, кг;

m _СО - масса диоксида углерода, выделившегося при выращивания посевного материала, кг.

1. Масса стерильной питательной среды, кг:

m _{ст. п. ср.} =553,48 кг (из таблицы № 11.8 материального баланса стадии ТП.4.3 приготовления и стерилизации питательной среды для посевного аппарата ). [с.78]

2. Масса инокулюма, загружаемая в посевной аппарат, кг:

m _{пос. мат.} = 53,903 кг (из таблицы № 11.6 материального баланса стадии ТП.2 выращивания вегетативного посевного материала в инокуляторе). [с.74]

3. Масса стерильного пеногасителя, кг:

При выращивании посевного материала добавляют только синтетический пеногаситель (жировой пеногаситель добавляют при приготовлении питательной среды).

Синтетический пеногаситель добавляют в минимальных количествах, так как они ядовиты; их добавляют пропорционально сечению посевного аппарата (S₁).

3,2 м³: m _{син. пен.} = 1 кг ; [по д.з]

1,0 м³: m _{син. пен.} = Х кг.

3,2 м³ – 1 кг — S₁

1 м³ – Х кг — S₂

3,2 м³: — S₁ =

где: d – диаметр посевного аппарата, м. [7]

1,0 м³: — S₂ =

S₁ – 1,54 – 1 кг

S₂ – 0,785 – Х кг

Х = кг

4. Расчет поглощенного кислорода и выделившегося углекислого газа:

Для определения количества потребленного кислорода и выделившегося диоксида углерода в процессе выращивания посевного материала необходимо предварительно рассчитать тепловой эффект жизнедеятельности Q_б/за, кДж:

Q_б/с = q_s - q_m - 2 q_р,

где: g_s – теплота сгорания субстратов, кДж;

g_m – теплота сгорания вновь образованного мицелия, кДж;

g_р – теплота сгорания целевого продукта, кДж.

Т.к. при выращивании посевного материала еще не образуется целевой продукт, то уравнение теплового эффекта реакции будет иметь вид:

Q_б/с = q_s - q_m

1. Теплота сгорания субстратов:

Таблица 11.9

Наименование компонента	Удельная теплота сгорания Н,кДж/кг	Масса энергет. компонента на 1 загрузку, кг	Теплота сгорания компонента, кДж
Кукурузный экстракт	16,5 ∙ 103	1,52	25,08∙ 103
Кукурузная мука	17,5 ∙ 103	12,2	213,5∙ 103
Итого			238,58 ∙ 103

2. Теплота сгорания вновь образованного мицелия, кДж:

q_m = Н_{м. кон} ∙ m _{миц. кон.} - Н_{м. нач.} ∙ m _{миц. нач.},

где: Н_{м. кон} – удельная теплота сгорания мицелия в конце выращивания посевного материала, кДж/кг;

Н_{м. кон} = 5200ккал/кг = 21788 кДж/кг;

Н_м.нач. = 4750 ккал/кг = 19902,5 кДж/кг.

• Масса мицелия в начале процесса, кг:

m_{сух.миц.} = 1,6 кг (из материального баланса стадии ТП.2 выращивания вегетативного посевного материала в инокуляторе). [с.71]

• Масса мицелия в конце процесса, кг:

m _{сух. миц.} =

где: С = 15% - содержание мицелия в посевном аппарате в конце процесса выращивания посевного материала; [по д.з]

15 г — 100 мл

х г ― V_{пос. мат}

m _{сух. миц.} = кг

q_m = 18 ∙ 21788 – 1,6 ∙ 19902,5 = 392184 – 31844 = 36,034∙ 10³ кДж

Q_б/за = q_s - q_m = (238,58 – 36,034) ∙ 10³ = 202,546 ∙ 10³ кДж

Массу всех углеродсодержащих компонентов среды, в результате окисления которых получен тепловой эффект Q_б/c, можно выразить через эквивалентное количество одного наиболее энергоемкого углеродсодержащего соединения, входящего в компонентный состав среды:

m _{экв. крахм.} = кг,

где: Н_{экв. крахм.} = 17,5 ∙ 10³ кДж – удельная теплота сгорания эквивалентного компонента, кДж. В качестве наиболее энергоемкого углеродсодержащего компонента используем крахмал. [1,приложение №4, стр.50]

C₆ H₁₀ O₅ + 6 O₂ → 6СО₂ + 5 Н₂О

m 11,6 Х кг у кг

М_m 162 6 × 32 6 × 44

Х_О= кг

кг

5. Масса брызг, кг:

В процессе выращивания посевного материала некоторое количество влаги уносится из посевного аппарата в виде брызг. Объём брызг принимается по данным завода. Он составляет 5% от рабочего объёма посевного аппарата:

где: V_бр.- объём брызг, м³;

ρ_бр – плотность брызг берется как средняя между плотностью среды и выращенного посевного материала, кг/м³.

V_бр. = 0,04 ∙ V_{загр.пос.апп..} = 0,04 ∙ 0,6 = 0,024 м³

ρ_бр = кг/м³

кг

6. Масса влаги, унесенной (принесенной) воздухом, кг:

Воздух, поступающий в ферментатор, может приносить с собой либо уносить из ферментатора определенное количество влаги.

Масса влаги, уносимая (приносимая) воздухом, зависит от его среднегодовой влажности, температуры, давления и расхода и может быть рассчитана по уравнению:

m_влаги = m_возд (х_вх – х_вых),

где: m_возд – масса воздуха, подаваемого в посевной аппарат за период выращивания посевного материала, кг;

х – влагосодержание воздуха, поступающего х_вх и уходящего из посевного аппарата, кг вод. пара/кг сух. возд.

m_возд = V_возд ∙ ρ_возд,

где: V_возд – объём воздуха, подаваемого в посевной аппарат, м³;

ρ_возд - плотность воздуха, кг/м³,

ρ_возд=1,293 кг/м³. [14,стр. 513]

Таблица расхода воздуха:

Таблица 11.10

Время процесса, ч	Расход воздуха, об/об. мин	Расход воздуха	Расход воздуха за период, м3
48ч	0,8	0,8∙0,6=0,48	0,48 ∙48∙60=1382,4

m_возд = 1382,4 ∙ 1,293 = 1787,44 кг.

где: - содержание кислорода в воздухе,%.

= 0,2315 [7]

кг

Проектируем завод в городе Пенза.

Влагосодержание воздуха:

X = 0,622∙,,

где: 0,622 – соотношение молекулярных масс водяного пара и воздуха;

φ = 50% - влажность воздуха при t= 55, показывает сколько кг влаги может содержать 1 кг воздуха так, чтобы из него не выпала влага на фильтрах очистки воздуха;

Р_нас- давление насыщенного водяного пара в воздухе, принимается по температуре стерильного воздуха, подаваемого в посевной аппарат, атм.

П- общее давление паровоздушной смеси, атм.

Для расчета Х необходимо определить относительную влажность воздуха φ_, общее давление паровоздушной смеси П и давление насыщенного водяного пара Р_нас в зависимости от условий, в которых находится воздух.

При расчете влагосодержания наружного воздуха X_нар. эти величины надо принять по среднегодовой температуре и относительной влажности воздуха того города, для которого разрабатывается проект (г. Пенза).

Средняя температура и относительная влажность атмосферного воздуха в городе Пенза:

Январь: t = -12,5; φ = 85%

Июль: t = 20; φ = 66%; [14,стр.538]

Свойства насыщенного водяного пара в зависимости от температуры: [14,стр.548]

• при t = 55, Р_нас = 0,1605 атм;

• при t = 3,75 (средняя температура воздуха в г.Пенза), Р_нас = 0,0079 атм;

• при t = 28(температура выращивания вегетативного мицелия в посевном аппарате), Р_нас = 0,037 атм.

Влагосодержание регламентного воздуха при температуре подаваемого воздуха 55:

,

где: 2,2 – давление подаваемого воздуха под крышку аппарата, атм. [по д.з.] Влагосодержание наружного атмосферного воздуха при средней температуре воздуха 3,75:

,

где: 1,0 – атмосферное давление, атм. [по д.з.]

Влагосодержание воздуха, выходящего из посевного аппарата при температуре 28

где: 1,5 – давление в посевном аппарате, атм. [по д.з.]

0,95 – влажность воздуха на выходе из посевного аппарата, %

Т. к. Х_регл > Х_нар (0,038 > 0,0037), следовательно, за Х_вх принимаем наружное влагосодержание воздуха:

Х_нар = Х_вх = 0,0037

m_влаги = 1787,44 ∙ (0,0037 – 0,015) = -21,04 кг

Делаем вывод о том, что в процессе выращивания посевного материала происходит влагоунос.

7. Масса выращенного посевного материала, кг:

Определяется из уравнения материального баланса:

m _{пос.мат.} = m _{ст. п. ср.} + m _инок. + m _{ст. пен.} + m _Опотр. - m _{вл. возд.} - m _СО-m _брызг =

= 553,48 + 53,903 + 0,51 + 13,7 – 21,04 – 18,9 – 24,42 = 557,23кг

Таблица материального баланса стадии ТП.3 выращивания вегетативного посевного материала в посевном аппарате

Таблица 11.11

Израсходовано на стадии
Наименование полупрод. и сырья	Активность, Ед/мл	Масса		Объём, м3	Плотность кг/м3
		кг	Общая активность, млрд.Ед
А. Полупродукты
1. Стерильная пит. среда		553,48		0,548	1010
2.Вегетативный посевной материал из инокулятора (инокулюм)		53,903		0,0523	1030
3.Стерильный пенагаситель		0,51
4. Кислород		13,7
Итого		621,59
Получено на стадии
А.Полупродукт
1.Посевной материал		557,23		0,544	1025
2. Брызги		24,42
Б. Отходы
2.Влагоунос		21,04
3.Выделившийся СО2		18,9
В. Потери в т.ч.
Итого		621,59