Оборудование процессы микробиологических производств

ГОУ ВПО СПб  НИУ ИТМО

Институт холода и биотехнологии

 

 

 

Кафедра процессов и аппаратов 

пищевой промышленности

 

 

 

Курсовая работа

 по дисциплине: «Оборудование  процессы 

микробиологических производств  »

 

 

 

Выполнил:

студент *-го курса

факультета заочного обучения и экстерната

специальности  *******

****** ****** ******

№ студенческого билета: *******

 

 

Санкт-Петербург

2013 

Оглавление

Вариант задания 3

Введение 4

1. Классификация конструкций ферментаторов 4

2. Ферментаторы барботажного типа. 5

2.1. Выбор типа ферментатора 6

2.2. Основные преимущества и недостатки барботажных ферментаторов. 6

2.3. Требования, предъявляемые к ферментаторам при проектировании 7

3. Разработка и проектирование ферментатора. 8

3.1. Предварительные расчеты требуемых тепло- и массообменных характеристик ферментатора 8

3.1.1. Определение требуемой массообменной характеристики проектируемого ферментатора 8

3.1.2. Расчет значений биологического тепла Q_б 11

3.2. Расчет гидродинамических характеристик барботажного аппарата 12

3.3. Тепловой расчет ферментатора 15

3.3.1. Составление теплового баланса 15

3.3.2. Определение площади теплопередающей поверхности 18

3.4. Разработка и расчет трубчатого газораспределителя для пустотелых барботажных аппаратов 19

Список использованной литературы 24

 

 

Вариант задания

 

Таблица 1. Технологический режим выращивания товарных дрожжей

Показатели	Интервал , час
	0	0-1	1-2	2-3	3-4	4-5	5-6	6-7	7-8	8-9
Набор воды, м3
Засев дрожжей: м3
Засев дрожжей:  кг
Меласа ( 40% сахара) : %	5,22	6,78	7,56	7,75	8,50	9,30	10,10	11,25	11,25	11,25
Меласа ( 40% сахара) : кг	127,0	167,0	180,0	190,0	200,0	220,0	240,0	277,0	277,0	277,0
Диамонийфосфат: %	9,10	9,10
Диамонийфосфат: кг	2,30	2,30
Сернокислый амоний: %	4,15	4,15	8,35	8,35	8,35	8,35	12,50	12,50	12,50	12,50
Сернокислый амоний: кг	3,00	3,00	6,00	6,00	6,00	6,00	9,50	9,50	9,50	10,00
Хлористый калий, кг
Дестибиотин,г
Концентрация среды, %СВ	2,20	2,40	2,80	3,10	3,40	3,70	4,20	4,70	5,20	5,70
Формальное число см3 0.1 н. раствора щелочи	2,50	2,50	2,50	2,50	2,20	2,00	1,40	0,80	0,60	0,60
Набор в аппарате, м3	16,60	16,90	17,20	17,50	17,80	18,20	18,70	19,10	19,60	20,00
Концентрация дрожжей, г/дм3	26,50	29,70	33,20	37,20	41,60	46,40	51,40	57,40	63,60	70,00
Биомасса, кг	456	511	588	664	750	818	958	1083	1223	1400
Коэффициент часового прироста	1,15	1,12	1,15	1,13	1,13	1,13	1,13	1,13	1,13	1,14
Воздух, м3/ч на аппарат	1550	2500	2500	2500	2500	2500	2500	2500	2500	2000

 

Введение

 

Культивирование микроорганизмов  осуществляют с целью получения большего их количества (биомассы), как в случае, дрожжевого производства, так и в случае получения продуктов их метаболизма (жизнедеятельности), например, пива, этилового спирта, органических кислот или ферментов.

 Производство биомассы осуществляется при проведении аэробного культивирования, т.е. в условиях аэрации культуральной жидкости воздухом (аэробное культивирование).

Производство продуктов  метаболизма обычно проводится в условиях отсутствия аэрации воздухом (анаэробное культивирование). Анаэробные процессы часто называют процессами брожения.

Аэробное культивирование  микроорганизмов, в промышленном масштабе, получило широкое развитие при производстве хлебопекарных и кормовых дрожжей, а также для производства чистой культуры пивных и винных дрожжей.

Процесс аэробного культивирования  микроорганизмов осуществляется в специальных аппаратах - ферментаторах.

С точки зрения процессов, происходящих при культивировании микроорганизмов, ферментатор-эго тепло-массообменный аппарат, который должен обладать требуемыми теплообменными и массообменными характеристиками, которые количественно определяются коэффициентами теплопередачи К_т и массопередачи К_м .

1. Классификация конструкций ферментаторов

 

Из научно-технической  и патентной литературы известно большое число конструкций ферментаторов. Однако в промышленности нашло применение лишь ограниченное число конструкций  ферментаторов. Некоторые из них  будут приведены ниже. До сих пор  не существует общепринятой классификации  ферментаторов, поэтому ниже представлены лишь некоторые нашедшие отражение  в отраслевой литературе.

 

Конструкции ферментаторов  классифицируют:

1. по принципу организации процесса:

• периодического действия;

• непрерывного действия;

2. по гидродинамическому режиму:

• реакторы идеального (полного) перемешивания;
• реакторы идеального (полного) вытеснения;
• реакторы с промежуточным гидродинамическим режимом;

3. по типу геометрии конструкции:

• горизонтальные (H < D);
• вертикальные (Н > D);
• шаровые;

4. по способу ввода энергии в аппарат:

• с газовой фазой;
• с жидкостной фазой;
• с газовой и жидкой фазами;
• с механическими перемешивающими устройствами;
• комбинированные.

В последнее время принято  классифицировать все конструкции  ферментаторов по способу ввода  энергии в аппарат.

2. Ферментаторы барботажного типа.

 

Конструкции ферментаторов данной группы основан на принципе подачи энергии с газовой фазой. Конструктивной особенностью этих аппаратов является расположение газораспределительного устройства в их нижней части. В свою очередь, входящие

в эту группу конструкции  можно разделить на два вида: барботажные и эрлифтные. Принципиальным отличием их друг от друга является то, что в барботажных аппаратах движение жидкостной фазы в рабочем объеме неорганизованное и турбулизация ее,

осуществляется за счет хаотического подъема газовых пузырьков. Основным недостатком барботажных аппаратов, как и всех аппаратов этой группы, является необходимость применения газонагнетательных машин, что неизбежно повышает капитальные затраты на создание производства (турбовоздуходувки, маслоотделители, воздухоохладители, воздуховоды и т.п.) и эксплуатационные затраты, связанные с обслуживанием этих машин (зарплата рабочего персонала, затраты на содержание, текущий и капитальный ремонт оборудования и коммуникаций).

Другой причиной неэффективной  работы этих аппаратов является

то, что в результате коалесценции пузырьков газа, активная зона массообмена ограничена областью непосредственно прилегающей к газораспределительному устройству. В этой области газожидкостная смесь представляет собой мелкодисперсную среду с малым диаметром пузырей. Основная же часть рабочего объема ферментатора заполнена

более крупными пузырьками, т.к. энергии подводимой с газом не хватает для поддержания мелкомасштабной турбулентности жидкой фазы во всем рабочем объеме аппарата. Более того, в случае нарушения равномерности подачи газа и его диспергирования возникает эффект “ байпасирования” , т.е. основная часть подаваемой газовой фазы образует фактически локальный газовый поток внутри рабочей

жидкости, что приводит к  появлению застойных зон и  неэффективному

использованию подаваемого  газа.

Для исключения негативных эффектов “ байпасирования” и снижения последствий коалесценции пустотелые барботажные ферментаторы секционируют вертикальными или горизонтальными перегородками или, в некоторых случаях, размещают в рабочем объеме

аппарата статические  турбулизаторы сложной геометрической формы. Это в определенной степени позволяет интенсифицировать перемешивание жидкой фазы и увеличить время пребывания газовой фазы в аппарате, но резко снижает эффективность мойки и надежность стерилизации аппарата. Увеличение времени пребывания газовой фазы в пустотелых барботажных ферментаторах можно достигнуть путем увеличения

отношения высоты аппарата Н_А к его диаметру D_A, однако, увеличение высоты рабочего объема в свою очередь ведет к дополнительному увеличению гидростатического давления в зоне расположения газораспределителей, которое будет необходимо преодолевать воздухонагнетательному оборудованию. Обычно соотношение H_A/D_A принимают

в пределах 2-10.

1. Выбор типа ферментатора

 

Выбор необходимой конструкции  ферментатора для проведения конкретного  процесса культивирования требует  определенного опыта в осуществлении  конструкторских разработок, большой  информации о промышленном применении той или иной конструкции ферментатора в определенной технологической  схеме производства и

практических навыков  по составлению расчетных алгоритмов и их реализации.

 

 

Рис. 1 Пример схемы  технологического процесса выращивания  дрожжей.

 

 

2. Основные преимущества и недостатки барботажных ферментаторов.

 

Барбогажные пустотелые колонные ферментаторы представляют собой аппараты, в которых массообменные процессы между газом и жидкостью протекаю! в процессе прохождения газа в виде газовых пузырей (дискретная фаза) через слой жидкости или суспензии (сплошная фаза). При этом целевым компонентом переноса является кислород, содержащийся в воздухе.

Широкое применение барботажных  колонных реакторов обусловлено  рядом преимуществ по сравнению  с другими конструкциями аппаратов:

• простота конструкции;
• надежность в эксплуатации;
• высокая тепловая устойчивость:
• высокая надежность проведения процессов;
• отсутствие в реакционном пространстве движущихся частей;
• возможность размещения встроенных элементов (теплообменных, пеногасительных и др.).

К недостаткам относятся:

• существенное обратное перемешивание по обеим фазам;
• высокий перепад давления;
• высокий градиент температур;
• высокая степень коалесценции газовых пузырей;
• возможность ценообразования в зоне газосепарации;
• высокие затраты на компрессию газа.

3. Требования, предъявляемые к ферментаторам при проектировании

 

При конструировании ферментатора необходимо учитывать следующие требования, которые в первую очередь определяются проводимым технологическим режимом.

 

1. Геометрический объем аппарата должен быть таким, чтобы вместить в себя весь объем культуральной жидкости, который запланирован технологическим режимом на последний час работы, включая содержащийся в культуральной жидкости воздух и пену над ней.

 

2. Аппарат должен снабжен устройствами для подачи воздуха в культуральную жидкость, его эффективного диспергирования и перемешивания с целью равномерного распределения газовой фазы по всему объему.

 

3. Аппарат должен быть оснащен тепло обменными устройствами для поддержания требуемой температуры культуральной жидкости;

 

4. Внутренняя геометрия рабочего объема аппарата должна быть как можно более простой с целью надежной мойки и стерилизации рабочего объема аппарата.

 

Современные технологические  режимы культивирования предусматривают сбалансированный приток питательных веществ, в строг ом соответствии со скоростью размножения дрожжей, что обеспечивает получение продукции высокого качества с высоким выходом .

Для этого необходимо, чтобы  ферментаторы были оснащены:

 

• всеми необходимыми технологическими патрубками для подачи субстрата, растворов солей и ростовых веществ, подвода и отвода воздуха и т.п;

 

• системой контрольно-измерительных приборов, поддерживающих основные параметры процесса культивирования (температура, pH питательной среды и количество спирта, образующегося при сбраживании сахаров субстрата) в заданных пределах;

 

• смотровыми окнами для визуального наблюдения за рабочим процессом;

 

• 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.