Оборудование процессы микробиологических производств

 

• монтажным люком, для проведения монтажных и ремонтных работ внутри ферментатора (аппараты геометрическим объемом более 30 м’ ).

3. Разработка и проектирование ферментатора.

1. Предварительные расчеты требуемых тепло- и массообменных характеристик ферментатора

 

Для проведения массообменных  расчетов ферментатора необходимо знать технологический режим культивирования хлебопекарных дрожжей и конструкцию ферментатора в котором предполагается его реализация.

Технологический режим и  конструкция ферментатора являются обязательными пунктами задания на курсовое проектирование, который выдает преподаватель, ведущий данную дисциплину.

1. Определение требуемой массообменной характеристики проектируемого ферментатора

 

Для определения требуемой  массообменной характеристики, которой должен обладать проектируемый ферментатор, необходимо вычислить максимальное значение объемного коэффициента массоотдачи в жидкой фазе, т.е. значение β_Vmax

 

 

Оценка необходимой подачи растворенного кислорода к клеткам  производится из условия равенства  скоростей переноса кислорода из газовой фазы в жидкость (скорость растворения М_Р) и потребления кислорода клетками М_П, т.е.

М_Р = М_П ,                                                                                      (1)

Скорость растворения  кислорода воздуха определяется из уравнения стационарной массоотдачи для случая плохо растворимых в жидкости газов, т.е.

М_Р =  β_ЖF (С*- С_Р ),                                                                              (2)

где М_Р - скорость растворения кислорода воздуха в культу раненой жидкости, кг/с; F - поверхность контакта газовой и жидкой фаз, м²;  С*- равновесная концентрация кислорода воздуха в культуральной жидкости, кгО₂/м³ ; Ср — требуемая концентрация растворенного кислорода в объем жидкости, кгО₂/

Учитывая, что параметр F (суммарная площадь поверхности  всех газовых пузырьков) не поддается  точному определению, то пользуются понятием удельной поверхности контакта фаз, α (м²/м³). Тогда уравнение (2) преобразовывается к следующему виду :

М_Р =  β_ЖαV_CM(С*- С_Р ),                                                                        (3)

 

 где V_CM - объем газожидкостной смеси в рабочем объеме аппарата.

V_CM = V_Г + V_Ж ,

 

V_Г и V_Ж - объемы газовой и жидкостной фазы, м³ .

Соотношение объемов V_Г и V_Ж часто выражают через объемное газосодержание  φ_г под которым понимают:

                                                                    (4)

Ввиду того, что нас интересует перенос кислорода в жидкую фазу, то в уравнении (3) величину V_СМ целесообразно выразить через  V_Ж, тогда:

                                                           (5)

 

Подставляя (5) в (2), получим:

 

                                                     (6)

 

 

Скорость потребления  кислорода клетками М_П определяется по уравнению:

М_П=АV_ЖХ_Н+ВV_Ж                                                  (7)

Интегрирование уравнения (7) в граничных условиях τ_н = () ;

X = Х_Н и τ_к = 1 час, X = Х_К дает следующее выражение:

М_П = (АY+ВZ)V_Ж                                                       (8)

где

                                             (9)

 

 

 

где Х_Н и Х_К - начальная и конечная концентрации дрожжей (биомассы) на начальный и конечный период рассчитываемого часа, соответственно; * - удельная скорость роста дрожжей, ч ^-1, , D_K и D_Н - количество дрожжей в аппарате на конечный и начальный расчетный час культивирования, соответственно; τ - время изменения

концентрации биомассы от Х_Н до Х_К в технологических режимах, данных в задании, эти изменения контролируются каждый час, поэтому, τ, в расчетах, принимают равной 1; α - коэффициент часового прироста биомассы, . Значения параметра Z определяются

 по уравнению:

 

                                           (10)

 

Подставляя (6) и (8) в (1), получаем:

                                         (11)

Откуда вычисляем значение *_Ж•А :

,                                                  (12)

 

где А - потребность в растворенном кислороде старых клеток, по данным из литературы значение А можно принять равным:

А=0,17 кгО2/кгД ;

B - Потребность в растворенном кислороде молодых клеток.

В = 0,28 кгО2/кгДч;

Произведение поверхностного коэффициента массоотдачи в жидкой фазе *_Ж на удельную поверхность контакта фаз α называют объемным коэффициентом массоотдачи, т.е.

*_Ж•α = *_V.                                                             (13)

В случае постоянного увеличения количества микроорганизмов в рабочем объеме жидкости в процессе культивирования β_V, очевидно, не может- быть постоянной. Поэтому в массообменных расчетах ферментатора необходимо ориентироваться на максимальное

значение β_Vmax.

В случае, если значения концентраций биомассы не даны в заданном технологическом режиме то их можно рассчитать по уравнению

                                                              (14)

D - количество биомассы на данный час культивирования, кг; V_Ж – объем жидкости в аппарате, м³.

Значения равновесной  концентрации кислорода С^* и рабочей концентрации Ср в жидкостном объеме субстрата можно считать заданными, т.к. значение равновесной концентрации на входе воздуха в ферментатор можно условно принять равной 5,2 мгО₂/л (это значение равновесной концентрации кислорода воздуха в культуральной жидкости при атмосферном давлении и температуре 30°С). Значение рабочей концентрации растворенного кислорода Ср принимаем из условия минимального значения при котором кислород не лимитирует скорость роста дрожжей. Из литературы известно, что при С_Р = 0,6 мгО₂/л лимитирования скорости роста по кислороду не происходит.

Поэтому обычно принимают С_Р > 0,6 мгО₂/л.

Рассчитав по формуле (12) значения β_V для каждого часа культивирования, данные расчетов сводятся в табл. 1.

2. Расчет значений биологического тепла Q_б

 

Зависимость тепловыделений при аэробном культивировании дрожжей от времени имеет экстремальный характер, так как интенсивность тепловыделений определяется количеством дрожжей в аппарате и их скоростью роста.

Для определения значения количества тепла выделяемого при жизнедеятельности клеток (биологическое тепло) Q_б , можно воспользоваться следующим соотношением:

                                                        (15)

где 3952 кДж/кгД - это количество тепла выделяемого в субстрат при выращивании 1 килограмма дрожжей △D с содержанием сухих веществ 25% в течение часа.

Учитывая, что прирост  биомассы △D дается в технологическом режиме из расчета на каждый час (где △D = D_K - D_H), то Q_б определяемое по уравнению (15), упрощается и приводится к следующему виду^

Q_б =3952△D.

Тогда Q_б имеет размерность кВт/час.

Так как часовой прирост дрожжей постоянно меняется, то Q₆ также имеет разную величину на каждый час культивирования. Поэтому для нахождения максимального значения Q6 необходимо определить это значение для каждого часа и выбрать для дальнейших расчетов наибольшее число. Это и будет максимальный теплоприток Q_б для заданного режима. Полученные результаты необходимо внести в таблицу 2.

Таблица 2

Номер часа	Х,  кг/м3	Y	Z	*, 1/ч	*V, 1/с	Qб, кВт
0-1	29,70	26,81	0,296	0,113	0,196	60,38
1-2	33,20	30,11	0,391	0,140	0,221	84,53
2-3	37,20	33,62	0,396	0,122	0,246	83,43
3-4	41,60	37,66	0,436	0,122	0,276	94,41
4-5	46,40	42,10	0,477	0,122	0,308	74,65
5-6	51,40	46,93	0,499	0,122	0,343	153,69
6-7	57,40	52,03	0,595	0,122	0,381	137,22
7-8	63,60	58,05	0,619	0,122	0,424	153,69
8-9	70	64,32	0,684	0,131	0,470	194,31

 

Для дальнейших расчетов принимаем  коэффициент массотдачи  *_Vmax = 0,470 1/ч и биологического тепла Q_бmax = 194.31 кВт. (максимальные значения из таблицы 2.)

2. Расчет гидродинамических характеристик барботажного аппарата

 

Определив максимальное значение объемного коэффициента массоотдачи необходимо рассчитать объемный расход воздуха подаваемого в аппарат Q_г, т.к. именно скорость движения газовой фазы определяет интенсивность перемешивания жидкостной фазы в пустотелых барботажных аппаратах, что, в свою очередь, определяет интенсивность переноса кислорода к клеткам.

Для того, чтобы перевести  концентрацию биомассы в культуральной  жидкости из массовых процентов в  кг/м³ можно воспользоваться следующим уравнением :

  Х = 40С ;                                                            (16)

Принимаем Х=70 ( 9 час процесса выращивания) :

С = = 1,75% = 0,0175

Рассчитываем плотность  культуральной жидкости:

ρ_ж = ρ_в(1+ О,32С)                                               (17)

Плотность воды при температуре 30°С  ρ_в = 995,76 кг/м³:

ρ_{ж =} 995,76 (1+0,32•0,0175) = 1001, 34 кг/м³

Коэффициент динамической вязкости определяется по уравнению:

       ;                                        (18)

Коэффициент динамической вязкости воды при t = 30^о С = 804 • 10^-6 Па•С

=0,000944 = 0,944•10^-3 Па•С

Приведённую скорость газов  находим из уравнения:

;                 (19)

= 0,238 м/с

Для этих же исходных данных определим коэффициент поверхностного натяжения культуральной жидкости σ_ж, приняв σ_в=0,0712 Н/м при 30 °С.

   ;  σ_ж                                           (20)

 

Объемное количество газа находящегося в культуральной жидкости косвенно оценивается из понятия  объемного газосодержания φ_г. Находим из уравнения:

                                                 

  = 0.2                                    (21)

 

S_A- площадь поперечного сечения рабочего объема ферментатора считается по формуле

                                                          S_А = = 0.785                                               (22)

D_A - внутренний диаметр рабочего объема ферментатора, м. Так как диаметр рабочего объема ферментатора неизвестен, то им необходимо задаться. Из заданного технологического режима (таблица ), по строке набор жидкости в аппарате, находим максимальное значение объема жидкости V_{ж max}. Учитывая, что ферментатор барботажного типа конструктивно представляет собой вертикальную цилиндрическую емкость, объем которой, как минимум, должен вместить всю накопившуюся за время культивирования жидкость, а это V_ж , то расчет его геометрического объема начинаем с этого значения.