Проект цеха по производству кормового концентрата триптофана

*Плотность суспензии посевного материала 1050 кг/м³ [5].

Из  приведенного в таблице материального  баланса следует, что плотность  ферментационной среды составит в среднем:

77226 : 70 = 1103,2 кг/м³                                            (3.1.40)

Учитывая  потери питательной среды в процессе ее подготовки и передачи на ферментацию, а также расход ее на нестерильные операции, общую потребность в  среде увеличивают на 20 % от расчетной.

3.1.2 Упаривание КЖ. На упаривание  поступает из ферментатора 64,4 м³, или 64,4 ∙ 1,1032 = 71,071 т КЖ, содержащей 644 кг триптофана.

Содержание  сухих веществ в КЖ 14 %, или 

71,071 ∙ 0,14 = 9,95 т                                                 (3.1.41)

КЖ  упаривается до концентрации сухих  веществ 45 %. Количество упаренной КЖ (УКЖ) составит:

9,95 : 0,45 = 22,111 т                                                 (3.1.42)

Требуется испарить влаги:

71,071 – 22,111 = 48,96 т                                             (3.1.43)

Количество  триптофана с учетом потерь при упаривании КЖ:

644 ∙ 0,94 = 605,36 кг                                                (3.1.44)

Содержание  триптофана в УКЖ:

605,36 ∙ 100 : 22,111 ∙ 10³ = 2,738 %                                     (3.1.45)

3.1.3 Сушка упаренной КЖ. Влажность УКЖ равна 55%.

Количество  сухих веществ в смеси 9,95 т.

Количество сухого кормового препарата  триптофана (ККТ) с влажностью 8 %:

9,95 : 0,92 = 10,815 т                                                  (3.1.46)

Требуется испарить влаги при сушке смеси:

22,111 – 10,815 =11,296 т                                                (3.1.47)

Количество триптофана с учетом потерь при сушке:

605,36 ∙ 0,96 = 581,15 т                                               (3.1.48)

Содержание  триптофана в товарном продукте:

581,15 ∙ 100 : 10815 = 5,377 %                                         (3.1.49)

Количество  товарного ККТ с учетом потерь при упаковке:

10,815 ∙ 0,99 = 10,707 т                                                (3.1.50)

Количество  триптофана в товарном продукте:

581,15 ∙ 0,99 = 575,34 т                                                (3.1.51)

Сводный материальный баланс производства ККТ  представлен в таблице 3.2.

 

Таблица 3.2 - Материальный баланс производства ККТ

Приход			Расход
Наименование компоненов	Количество компонентов,т		Наименование  компоненов	Количество компонентов,т
	на одну операцию	в сутки		на одну операцию	в сутки
ИПС	41,819	294,824	Испарение и каплеунос  при ферментации	6,155	43,393
Подпитка	35,407	249,62	Влага, испаренная при упаривании КЖ	48,96	345,168
			Влага, испаренная при сушке КЖ	11,296	79,637
			Потери товарного продукта при  упаковке	0,108	0,761
			Товарный продукт	10,707	75,484
Итого	77,226	544,443	Итого	77,226	544,443

 

3.2 Тепловой баланс

3.2.1 Ферментация. Уравнение теплового баланса процесса ферментации в общем виде можно представить выражением:

Q₁ + Q₂ + Q₃ = Q₄ + Q₅ + Q₆                                                                     (3.2.1)

где  Q₁, Q₂, Q₃ – количество  тепла,  вносимого в ферментатор соответственно за счет жизнедеятельности продуцентов триптофана (биологическое тепло), перемешивающим  устройством и со стерильным воздухом;

Q₄, Q₅ – количество  тепла,  отводимого  от  ферментатора отработанным воздухом и охлаждающей водой;

Q₆ – потери тепла в окружающую среду.

В расчете  на одну операцию

Q₁ = q ∙ V,                                                               (3.2.2)

где  q – тепловыделение в процессе биосинтеза:

  – для среды на сахарозе  максимальное тепловыделение q_max = 46 МДж/(м³∙ч),

V – объем среды в ферментаторе, м³.

Q₁ = 46 ∙ 70 = 3220 МДж/ч = 890 кВт

Количество  тепла, вносимого в ферментатор  перемешивающим устройством:

Q₂ = N ∙ h,                                                                  (3.2.3)

где  N – мощность привода перемешивающего устройства, кВт (зависит от объема ферментатора);

h – коэффициент полезного действия электропривода.

Q₂ = 160 ∙ 0,8 = 128 кВт

Количество тепла, вносимого в ферментатор воздухом:

Q₃ = m ∙ r₁ ∙ I,                                                          (3.2.4)

где  m – расход воздуха на ферментацию, м³/ч;

r₁ – плотность входящего воздуха, кг/м³;

I – теплосодержание входящего воздуха, кДж/кг сухого воздуха.

Влагосодержание воздуха и его энтальпию можно  определить по I-x – диаграмме Рамзина или рассчитать аналитически по уравнениям [1]:

I = (1,01 + 1,97 ∙ х) ∙ t + 2493 ∙ х,                                          (3.2.5)

                                                   (3.2.6)

где  х – влагосодержание воздуха, кг водяного пара / кг сухого воздуха;

t – температура воздуха, °С;

р_нас – давление насыщенного водяного пара при температуре воздуха t, Па;

П – общее давление воздуха, Па;

j – относительная влажность воздуха, масс. доли.

Плотность влажного воздуха определяют по уравнению:

r = (3,48∙10^-3 : T) ∙ (П – 0,378 ∙ j  ∙ р_нас),                                  (3.2.7)

где  Т – температура воздуха, К.

В качестве исходных данных принимаем  для расчета следующие параметры  входящего воздуха: t = 60°С = 333 К; j = 0,4;

р_нас = 19,92 кПа ( [1] при 60°С).

Тогда

I = (1,0 + 1,97 ∙ 0,021) ∙ 60 + 2493 ∙ 0,021 =  63,08 + 52,35 = 115,4 кДж/кг;

где  60 – расход воздуха на ферментацию, м³/(м³_∙ч);

70 – объем среды в ферментаторе, м³.

Отработанный воздух имеет следующие параметры:

температура t₂ = 30°С = 303 К; j = 1,0;

давление  воздуха на выходе из ферментатора П₂ = 20 кПа;

р_нас = 19,92 кПа ( [1] при 30°С).

Тогда

I = (1,01 + 1,97 ∙ 0,165) ∙ 30 + 2493 ∙ 0,165 = 451,4 кДж/кг;

Количество тепла, отводимого от ферментатора оборотной водой:

Q₅ = Q₁ + Q₂ + Q₃ – Q₄ –Q₆ = 890 + 128 + 336,6 – 110,6 – 40,6 = 1203,4 кВт        (3.2.8)

Потери  тепла в окружающую среду:

Q₆ = 0,03 ∙ (Q₁ + Q₂ + Q₃) = 0,03 ∙ (890 + 128 + 336,6) = 40,6 кВт              (3.2.9)

3.2.2 Упаривание КЖ. Производительность установки по выпариваемой воде равна

W = 345,168 т/сут = 14,382 т/ч, х_н = 14%, х_к = 45%, G_н = 501,05 т/сут = 20,877 т/ч, V_н = 454,02 м³/сут = 18,92 м³/ч.

Распределение концентраций раствора по корпусам установки зависит от соотношения нагрузок по выпариваемой воде в каждом аппарате. В первом приближении на основании практических данных принимают, что производительность по выпариваемой воде распределяется между корпусами в соответствии с соотношением:

ω₁: ω₂: ω₃ =1,0:1,1:1,2.                                             (3.2.10)

Тогда:

ω₁=1,0∙W:(1,0+1,1+1,2)=1,0∙W:3,3 = 1,0∙14,382 :3,3  = 4,358 т                 (3.2.11)

ω₂=1,1∙W:3,3 = 1,1∙14,382:3,3 = 4,794 т                                        (3.2.12)

ω₃= 1,2∙W:3,3 = 1,2∙14,382:3,3 = 5,23 т                                         (3.2.13)

Далее рассчитывают концентрации растворов в корпусах:

х₁= G_н∙х_н:(G_н- ω₁) = 20,877∙0,14:(20,877 – 4,358) = 0,1768 = 17,68 %               (3.2.14)

х₂= G_н∙х_н:(G_н- ω₁- ω₂) = 20,877∙0,14:(20,877 – 4,358– 4,794) = 0,249 = 24,9 %          (3.2.15)

x₃= G_н∙х_н:(G_н- ω₁- ω₂- ω₃) = 20,877∙0,14:(20,877 – 4,358 – 4,794– 5,230) = 0,45 = 45 %     (3.2.16)

Концентрация  раствора в последнем корпусе  х₃ соответствует заданной концентрации упаренного раствора х_к

Температура в конденсаторе равна t_к = 30 °С.

Обозначим температурную, гидростатическую и  гидродинамическую  депрессии соответственно через D', D'' и D'''.

Тогда температура  вторичного пара в третьем корпусе  равна:

t_вп3= t_к + D'''₃=30+1=31°С;                                                (3.2.17)

По температуре  определяем давление P_вп3 = 4,5 кПа

Определяем  гидростатическую депрессию. Давление в среднем слое  кипящего раствора P_ср равно:

P_ср=P_вп+rgh/4;                                                          (3.2.18)

где      r - плотность кипящего раствора, кг/м³; h – высота кипятильных труб в аппарате, м;

Определим плотность раствора по корпусам при  соответствующих концентрациях :

m₁ = G_н – ω₁                                                                    (3.2.19)

V₁ = V_н - ω₁                                                                    (3.2.20)

r₁ = m₁/ V₁,                                                                                              (3.2.20)

где       G_н = 20,877 т/ч,

            V_н = 18,92 м³/ч,

ω₁ = 4,358 т/ч = 4,358 м³/ч

m₁ = 20,877 – 4,358 = 16,519 т,

V₁ = 18,92 – 4,358 = 14,562 м³,

r₁= 16519 : 14,562 = 1134,4 кг/м³.

m₂ = m₁ – ω₂,                                                          (3.2.21)

V₂ = V₁ – ω_2,                                                           (3.2.22)

r₂ = m₂/ V₂,                                                                                          (3.2.23)

  где      ω₂ = 4,794 т/ч = 4,794 м³/ч

m₂ = 16,519 – 4,794 = 11,725 т,

V₂ = 14,562 – 4,794 = 9,768 м³,

r₂ = 11725 : 9,768= 1200,3 кг/м³.

m₃ = m₂ – ω₃,                                                          (3.2.24)

V₃ = V₂ – ω_3,                                                           (3.2.25)

r₃ = m₃/ V₃,                                                                                          (3.2.26)

где      ω₂ = 5,23 т/ч = 5,23 м³/ч

m₃ = 11,725 – 5,23 = 6,495 т,

V₃ = 9,768 – 5,23 = 4,538 м³,

r₃ = 6495 : 4,538 = 1431,2 кг/м³

Для выбранного типа аппарата (трубчатые пленочные с ниспадающей пленкой) производительность по испаряемой влаге 20 т/ч) h = 9,8 м.

Тогда P_3ср=P_вп3 +r₃gh/4 = 4,5 ∙10³ +1431,2 ∙ 9,8 ∙ 9,8 : 4 = 2,85∙10⁴  Па.              (3.2.27)

Этому давлению соответствует следующая  температура кипения и теплота  испарения растворителя [1]: t_3ср= 64,2°С;    r_вп3 = 2347 кДж/кг.

Тогда получим:

D''3= t_3ср- t_вп3= 64,2 – 31 = 33,2°С.                                          (3.2.28)

Температурная депрессия D' определяется по уравнению:

                                     D' =1,62∙10^-2(Т² : r_вп) ∙D'_атм.                                                      (3.2.29)

где       Т – температура паров в среднем слое кипятильных труб, К;

D'_атм – температурная депрессия при атмосферном давлении;

По справочной литературе [2]  определим D'_атм:  D'_атм3 = 4,5 °С;   D'_атм2 = 3,63 °С;    D'_атм1 = 2,6 °С;

Находим  значение D'₃ = 1,62∙10^-2(64,2+273)² : 2347 ∙ 4,5 = 3,53 °С

Тогда температура кипения раствора в третьем корпусе:

t_к3=t_к+D'₃+D''₃+D'''₃= 30+3,53+33,2+1=67,73°С                                    (3.2.30)