Материальный баланс стадии тп.2 выращивания вегетативного посевного материала в инокуляторе

Уравнение материального баланса стадии:

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

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

m_{пос.мат. колб} – масса инокулюма из колб, загружаемая в инокулятор, кг;.

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

m_Опотр – масса кислорода, потребленного из воздуха в процессе выращивания инокулема, кг;

m_влаги. – масса влаги, принесенной воздухом, кг;

m _{к. ж.} – масса выращенного инокулема, кг;

m_СО - масса диоксида углерода, выделившегося в процессе выращивания инокулема, кг;

m _брызг – масса жидкости, унесенной из инокулятора в виде брызг, кг.

1. Масса стерильной питательной среды,кг:

m _{ст. п. ср.} = 60,6 кг (из материального баланса стадии приготовления и стерилизации питательной среды для инокуляторов, стр. ).

2. Масса инокулюма из колб, кг:

m_{инок.колб}=V_{инок. колб} ∙ ρ_{инок.колб}

где: ρ_{инок.колб}—плотность инокулюма из колб, кг/м³;

ρ_{инок. колб}=1000 кг/м³;

m_{инок.колб}=0,5 ∙ 10^-3 ∙ 1000=0,5 кг.

3. Масса стерильного пеногасителя, кг:

Пеногаситель добавляют при приготовлении питательной среды, поэтому при выращивании инокулюма его не учитываем.

3. Расчет массы поглощенного кислорода и выделившегося углекислого газа, кг:

0. Масса входящего воздуха

Таблица 11.3

Время, ч	Расход воздуха, об.возд./ об.мин	Расход воздуха, м3/мин	Расход воздуха за период, м3
50	0,65	0,02	60

m _возд = V_возд ∙ ρ_возд ,

где: V_возд - объем подаваемого воздуха;

ρ_возд - плотность воздуха. [1,стр.513]

m _возд = 60 ∙ 1,293 = 77,58 кг

5. Масса кислорода, содержащегося в подаваемом воздухе, кг:

m_О= m _возд ∙ α _О,

где: α _О- содержание кислорода в воздухе, равное 23,15%

m_О= 77,58 ∙ 0,2315 = 17,96 кг

Масса углекислого газа:

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

Расчет проводится по закону Гесса: тепловой эффект реакции не зависит от ее пути, а зависит от начального и конечного состояния системы.

Q_б/с = q_s - q_m - 2 q_р,

где: q_m – теплота сгорания вновь образованного мицелия, кДж;

q_р – теплота сгорания целевого продукта, кДж.

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

Q_б/с = q_s - q_m

1. Теплота сгорания субстратов, кДж:

q_s = ∑ H_i ∙ m_i ,

где: H_i – удельная теплота сгорания компонентов питательной среды, кДж/кг;

m_i – масса соответствующих компонентов питательной среды, кг.

Таблица 11.4

Компоненты питательной среды	Масса энергоемких компонентов на одну загрузку, кг	Удельная теплота сгорания компонентов Н, кДж/ кг	Теплота сгорания компонентов, qs = m ∙ Н, кДж
1. Кукурузная мука 2. Кукурузный экстракт Итого:	2,02 0,23	17,5 × 103 16,5 × 103	35,350× 103 3,795× 103 39,145× 103

2. Теплота сгорания вновь образованного мицелия, кДж:

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

где: Н_{миц. кон} и Н_{миц. нач} – удельные теплоты сгорания мицелия в конце и в начале процесса, кДж/кг;

Н_{миц. кон} = Н_{миц. нач} = 4750 ккал/кг

Н_{миц. кон} = Н_{миц. нач} = 4750 ∙ 4,19 = 19902,5 кДж/кг;

m _{миц. кон} и m _{миц. нач.} – масса сухого мицелия в начале и в конце процесса, кг.

Масса мицелия в начале процесса равна 0.

Масса мицелия в конце процесса:

m_{миц.кон.} =

где: С = 8% - содержание мицелия в инокуляторе в конце процесса выращивания инокулема;

m _{миц.кон.} = кг

где: C _миц = концентрация влажного мицелия, равна 8% ( по д.з.);

φ _миц – влажность мицелия ( по д.з)

10⁶ – перевод м³ в мл.

q_m = 19902,5 ∙ 1,6 = 31,844 ∙ 10³ кДж

Вычислим общее тепло, выделившееся в процессе биосинтеза леворина:

Q_б/с = 39,145 ∙ 10³ – 31,844 ∙ 10³ = 7,301 ∙ 10³ кДж\

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

m _{экв. крахм.} = кг,

где: Н_{экв. крахм.} = 17,5 ∙ 10³ кДж – удельная теплота сгорания эквивалентного компонента, кДж. [2,стр. 429 ]

В качестве наиболее энергоемкого углеродсодержащего компонента используем крахмал.

Уравнение горения крахмала выглядит следующим образом:

C₆ H₁₀ O₅ + 6 O₂ → 6СО₂ + 5 Н₂О

m 0,42 Х кг Y кг

М 162 6 × 32 6 × 44

Х_О= кг,

кг.

3. 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 инокулятор за период выращивания инокулема, кг;

х_вх, х_вых – влагосодержание воздуха, поступающего и уходящего из инокулятора, кг вод. пара/кг сух. возд.

m_возд = V_возд ∙ ρ_возд,

где: V_возд – объём воздуха, подаваемого в инокулятор, м³;

ρ_возд - плотность воздуха, кг/м³,

ρ_возд=1,29 кг/м³. [1,стр. 513]

Таблица расхода воздуха:

Таблица 11.5

Время выращивания инокулема, ч	Расход воздуха, об/об. мин	Расход воздуха, м3/мин	Расход воздуха за период выращивания инокулема, м3
0-50	0,65	0,65 ∙ 0,1 = 0,065	0,065 ∙ 50 ∙ 60 = 195

m_возд = 195 ∙ 1,29 = 251,55 м³

где: - содержание кислорода в воздухе в %, справочная величина;

= 0,2315 [3]

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 инокулятор, 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%; [1,стр.538]

Свойства насыщенного водяного пара в зависимости от температуры:

• при t = 55, Р_нас = 0,1605 атм; [1, стр. 548]

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

• при t = 28(температура выращивания вегетативного мицелия в инокуляторе), 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 инокулятора при температуре 28

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

0,95 – влажность воздуха на выходе из инокулятора, %

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 = 251,55 ∙ (0,0037 – 0,015) = -2,96 кг

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

3. Масса брызг, кг:

В процессе выращивания инокулема некоторое количество влаги уносится из инокулятора в виде брызг. Объём брызг принимается по данным завода. Он составляет 4% от рабочего объёма инокулятора:

где: V_бр.- объём брызг, равный 4% от загрузочного объема инокулятора, м³; ( по д.з)

ρ_бр – плотность брызг берется как средняя между плотностью среды и культуральной жидкости, кг/м³.

V_бр. = 0,04 ∙ V_{загр. инок.} = 0,04 ∙ 0,1 = 0,004 м³,

ρ_бр = = 1012,25 кг/м³

Тогда:

3. Масса инокулема, кг:

Определяется из уравнения материального баланса:

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

= 60,6 + 0,5 + 0,497 – 2,96 – 0,684 – 4,05 = 53,903 кг

Таблица материального баланса выращивания вегетативного посевного материала в инокуляторе стадии ТП.2

Таблица 11.6

Израсходовано на стадии
Наименование п/прод. и сырья	А Ед/мл	Масса		Объём, м3	Плотность кг/м3
		кг	Общая активность
А. Полупродукты:
1. Стерильная пит. среда		60,6		0,06	1010
2.Посевной материал из колб		0,5		0,5 ∙ 10-3	1000
3. Кислород		0,497
Итого:		61, 597
Получено на стадии
А.Пполупродукт
1.Инокулюм		53,903		0,053	1015
2.Брызги		4,05
Б. Отходы
2.Влагоунос		2,96
3.Выделившийся СО2		0,684
В. Потери в т.ч.
Итого:		61,597