- •Задание на расчетную работу 1 «Расчет ферментера»
- •1. Элементный баланс процессов микробиологического синтеза
- •2. Потребность в кислороде и тепловой эффект реакции
- •3. Выбирается геометрия аппарата, и устанавливаются его размеры.
- •4. Определяется высота жидкости в аппарате, степень утилизации кислорода.
- •5. Выполняется материальный баланс процесса, и определяются его важнейшие показатели – съем целевого продукта и расход воздуха на аэрацию
- •6. Определяется кратность аэрации и время цикла культивирования
- •7. Назначаются тип аэрирующего устройства и тип мешалки, и выполняется расчет аэрирующего устройства и расчет мощности привода.
- •8. Составляется тепловой баланс процесса и определяется тепловая нагрузка.
- •9. Назначается конструкция теплообменных устройств и выполняется расчет теплообменников.
4. Определяется высота жидкости в аппарате, степень утилизации кислорода.
4.1. Объем жидкости в аппарате:
Vж=V = 20 . 0,7 = 14 (м3),
где V - объем аппарата
- коэффициент заполнения аппарата.
11. Высота уровня жидкости Нж вычисляется по формуле
(M)
где VДн и HДн – Обьем и высота днищ
Vж - Объем жидкости в аппарате
D – внутренний диаметр аппарата
4.2. Степень утилизации кислорода
Степень утилизации кислорода в аппарате данного типа |
= 0,05 - 0,3 (зависит от конструкции аппарата) |
5. Выполняется материальный баланс процесса, и определяются его важнейшие показатели – съем целевого продукта и расход воздуха на аэрацию
Рис. 1. Схема потоков. V - объем, м3 или объемный расход, м3/ч; - плотность, кг/м3; С - концентрация, кг/м3; U - объемная доля компонента в смеси. Индексы: S - субстрат; X - биомасса; Y - компонент питания; G - воздух аэрирующий; А - отработанный воздух.
Исходные данные для расчета.
Таблица 0. Общие для всех заданий данные и величины физических констант для раздела 2 работы 1
Величины |
Значения |
Элементный состав биомассы: - массовые доли основных компонентов и макроэлементов в биомассе. |
=0,485; =0,285; =0,094; =0,073; =0,028; =0,002; =0,0004; =0,003; =0,0001; =0,0002. |
Концентрации остаточного субстрата и компонентов питания в микробной суспензии, не снижающие активности роста культуры - и |
=0,5 кг/м3; =0,05; =0,05; =0,018; =0,009; =0,017; =0,008; =0,006 кг/м3 . |
Степень утилизации субстрата s |
s = 0,99 |
Степень утилизации кислорода в аппарате данного типа |
= 0,132 (зависит от конструкции аппарата) |
Доли кислорода и углекислого газа в аэрирующем воздухе |
= 0,21; = 0,0003. |
Плотности субстратов, биомассы, воздуха, кислорода, углекислого газа и компонентов питания [4]: кг/м3 |
= 1562 кг/м3; =770 кг/м3; = 780 кг/м3; =780 кг/м3; = 1588 кг/м3; X=1050 кг/м3; B=1,29 кг/м3; =1,43 кг/м3; =1,98 кг/м3; =1130 кг/м3; =1870 кг/м3; = 1990 кг/м3; = 1900; = 1680; = 2090; = 1970 кг/м3. |
Массовые доли компонентов (элементов) питания во вспомогательном материале - кгYi/кг ВМi |
|
Концентрация вспомогательных материалов в питательной смеси в объеме смеси питательных веществ , кг/м3 |
=200; =730; =20; =20 =20 =20 =20 |
Последовательность расчета
5.1. Концентрация субстрата в питательной среде
(кг/м3)
5.2. Концентрация биомассы в микробной суспензии
= (50 – 0,5 ) . 0,5 = 24,75 (кг/м3)
5.3. Производительность аппарата по биомассе
АХ=VF = 14 . 24,75 = 346,5 (кг).
Где VF = Vж – Обьем биомассы на выходе
5.4. Остаточные концентрации питательных веществ в суспензии
.
= 0,06 + 0,156 + 0,034 + 0,045 + 0,175 + 0,035 + 0,026 = 0,531 (кг/м3)
= + + + + + + = 3,11 . 10-4
5.5. Плотность микробной суспензии
Где = = 1588 (кг/м3)
5.6. Расход питательной среды на ферментацию (без учета потери влаги на испарение)
V0 = VF = 14 (м3)
5.7. Концентрации компонентов питания в питательной среде
=24,75 . 0,094 + 0,05 = 2,377 (кг/м3)
=24,75 . 0,028 + 0,05 = 0,743 (кг/м3)
=24,75 . 0,002 + 0,018 = 0,068 (кг/м3)
=24,75 . 0,0004 + 0,009 = 0,019 (кг/м3)
=24,75 . 0,003 + 0,017 = 0,091 (кг/м3)
=24,75 . 0,0001 + 0,008 = 0,011 (кг/м3)
=24,75 . 0,0002 + 0,006 = 0,011 (кг/м3)
5.8. Концентрация питательных веществ в питательной среде
.
= 2,864 + 2,322 + 0,128 + 0,095 + 0,91 + 0,048 + 0,048 = 6,415 (кг/м3)
= + + + + + + = 4,48 . 10-3
5.9. Плотность питательной среды
.
Где = СХн = 4 (кг/м3) - Начальная концентрация биомассы
5.10. Расход субстрата
.
5.11. Концентрация компонентов питания в объеме смеси питательных веществ .
5.12. Расход питательных веществ на ферментацию
.
5.13. Плотность смеси питательных веществ
.
= 200 + 730 + 20 +20 +20 + 20 + 20 = 1030 (кг/м3)
5.14. Расход посевного материала
.
5.15. Расход О2 и выделение СО2 на 1 кг биомассы рассчитывается исходя из стехиометрических соотношений в уравнении суммарной реакции биосинтеза по основным ее элементам
СHmOl + X1 NH3 + X2 O2 = X3 CHрОnNq + X4 CO2 + X5 H2O ,
С + NH3 + O2 = СН1,77О0,49N0,16 + CO2 + H2О
где m, l, р, n, q -число атомов O, H, N, приходящихся на 1 атом углерода в субстрате и биомассе:
где - массовые доли C, H, О и N в биомассе.
5.16. Расход воздуха на аэрацию
.
5.17. Расход выходящего газа
.
5.18. Доля О2 в выходящем газе
.
5.19. Доля СО2 в выходящем газе
.
5.20. Плотность выходящего газа
.
Где ρG = ρB – плотность воздуха
5.21. Расход технологической воды
.
Результаты расчета сводятся в таблицу материального баланса.
Таблица 2. Таблица материального баланса
Наименование сырья и компонентов |
Объем, м3 |
Плотн., кг/м3 |
Масса, кг |
Наименование продуктов |
Объем, м3 |
Плотн., кг/м3 |
Масса, кг |
1.Субстрат |
0,44 |
1588 |
698,72 |
|
|
|
|
2.Посевная биомасса |
0,053 |
1050 |
55,65 |
|
|
|
|
3.Смесь питательных веществ, в т.ч.
|
1,105 |
1030 |
1138,15 |
1.Микробная суспензия, в т.ч. дрожжи
|
14
|
1001,58 |
14022,1 |
4.Технологическая вода |
12,31 |
1000 |
12310 |
2.Испаряемая влага |
……. |
……. |
……. |
5.Аэрирующий воздух |
7115,38 |
1,29 |
9178,8 |
3.Отходящий газ |
7147,39 |
1,31 |
9363,1 |
Итого: |
|
|
23381,3 |
Итого: |
|
|
23385 |