Расчет барботажного биореактора

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Вятский  государственный университет» 

Биологический факультет 

Кафедра биотехнологии 
 

Пояснительная записка

Курсовой проект по дисциплине

«Основы проектирования и оборудование предприятий биотехнологических производств»

ТПЖА.361570.007 ПЗ 

Тема проекта: «Расчет барботажного биореактора»

    Разработал  студент гр. БТу-08__________________Зубарева И.А. 

Руководитель: _______________________________ Кропачев Д.А. 

    Работа  защищена с оценкой «__________» «___»_________2011 г. 

Члены комиссии: /___________/ ______________  

                              /___________/_______________  
 

Киров - 2011

Реферат 

     Зубарева, И.А. Барботажный биореактор, ТПЖА.361570.007, курсовой проект, Вятский Государственный Университет, кафедра биотехнологии, руководитель Кропачев, Д.А. – Киров: 2011. - 29 с., 1 рис., 8 источников. 

     Ферментация, барботажный биореактор, барботажная воздухораспределительная система, тепловой баланс биореактора, турбовоздуходувка 

     Объект  исследования: барботажный биореактор, применяемый в биохимической промышленности. 

     Цель  работы: рассчитать барботажный биореактор и вспомогательное оборудование, построить чертеж ферментера. 

     Теоретическая часть содержит конструктивный расчет, материальный и энергетический балансы процесса роста, тепловой баланс, расчет вспомогательного оборудования. 

     Графическая часть содержит чертеж ферментера. 
 
 
 
 
 
 
 
 

Содержание

Введение…………………………………………………………………..………….4

1 Процесс ферментации…………………………………………………..…….…...5

1.1 Материальный  баланс процесса роста микроогранизмов…………………….5

1.1.1 Методы  расчета стехиометрических коэффициентов………………………5

1.1.2 Массопередача  кислорода в процессе биосинтеза………………………….9

1.2 Энергетический  баланс…………………………………………..…………….12

2 Конструктивный расчет барботажного биореактора……………………….….15

2.1 Классификация  биореакторов…………………………………...…………….15

2.2 Расчет  основных параметров процесса  ферментации…………………….....17

2.2.1 Расчет  производительности ферментатора  по объему……………...……..17

2.2.2 расчет  конструктивных размеров ферментатора по производительности.18

2.3 Барботажные  биореакторы (ФГБ)…………………………………………….19

2.4 Барботажная  воздухораспределительная система………………...…………23

2.5 Тепловой  баланс биореактора. Расчет конструкции  теплообмена………….24

3 Конструкция турбовоздуходувок…………………………………………….….28

Библиографический список используемой литературы…………………………29 
 
 
 
 

      Введение 

      Продукция предприятий микробиологического  производства (кормовые дрожжи, органические кислоты, антибиотики, ферменты и т.д.) имеет широкое применение в медицине, в сельском хозяйстве и других отраслях промышленности. В зависимости от вида продукции, способа производства, применяемого сырья различаются процессы ферментации и типы биореакторов (ферментеров).

      Ферментация – это метаболический процесс, протекающий с выделением энергии, в результате которого молекулы сахара и крахмала без поступления воздуха разлагаются на углекислый газ и этанол (как при анаэробном дыхании). Этот процесс катализируется при помощи энзимов. Обычно он протекает в микроорганизмах (прежде всего в дрожжах). Ферментация (иначе называемая брожением) применяется при изготовлении теста для хлеба, в виноделии и пивоваренном деле, а также для выдержки сыра.

      Ферментатор является не единственным, но основным элементом производства микробиологического синтеза. В связи с исключительным разнообразием сырья и продуктов микробного синтеза классификацию ферментаторов производят в зависимости от осуществляемых в них процессов.

      В курсовом проекте рассмотрены расчеты материально-энергетического баланса процесса ферментации и различных типов ферментационных процессов, ферментационного оборудования (барботажный биореактор для глубинной ферментации с использованием воздуха) и систем его воздухораспределения. 
 
 
 
 

      1 Процесс ферментации

      1.1 Материальный баланс процесса  роста микроорганизмов

      1.1.1 Методы расчета стехиометрических коэффициентов 

      Любой процесс, включающий в качестве основной стадии химическое превращение, может  быть описан так называемым стехиометрическим  уравнением, связывающим массы исходных веществ и продуктов и основанным на законе сохранения массы.

      Согласно  закону сохранения массы, изменение  общей массы всех участников реакции  – dm_общ при любых процессах в изолированных и открытых системах равно нулю, т.е.

      где y_i – стехиометрический коэффициент;

      i – компонента в рассматриваемой реакции;

      М – молекулярная масса;

      dζ – изменение степени полноты реакции.

      Поскольку dζ ≠0, то  , и данное уравнение - стехиометрическое уравнение простой химической реакции.

      Стехиометрическое уравнение для  общего  случая микробиологического процесса, когда популяция микроорганизмов растет за счет основного субстрата и вспомогательных веществ, выделяя при этом ряд продуктов, имеет вид:

      где S_i - питательные вещества субстрата;

      P_j - продукты;

      АСБ - абсолютно сухая биомасса.

      Так как биомасса не имеет молекулярного веса, то уравнение включает определенное количество АСБ, чаще для этого используют 1 г биомассы.

      Для составления стехиометрических  уравнений биосинтеза кроме состава  потребляемого субстрата, элементного  состава биомассы, состава образующихся продуктов необходимо знать расходные  коэффициенты выхода для продуктов, которые определяются экспериментально.

         Расходный коэффициент для субстрата α_i равен отношению потребляемого субстрата - ΔS к приросту биомассы - ΔХ

      Экономический коэффициент по данному исходному  веществу (Y_j) определяется соотношением

      Коэффициент выхода продукта рассчитывается по отношению к потребляемому субстрату, обычно к источнику углерода

      ΔР - количество образовавшегося продукта;

      ΔS - количество потребленного вещества субстрата.

      Для определения расходных коэффициентов  при биосинтезе продуктов в идеальном  варианте необходимо составить балансовое уравнение на основании экспериментальных  данных и сведений о количественном составе субстратов и продуктов  обмена. Рассмотрим общее балансовое уравнение, отражающее культивирование микроорганизмов на углеродсодержащих субстратах с целью получения биомассы:

      где - расходные коэффициенты, выражающие соответственно количество (кг) израсходованных углеродсодержащих S, азотистых N₂ субстратов, кислорода О₂ и других i компонентов питания на биосинтез 1 кг биомассы;

        - коэффициенты, которые выражают соответственно количество (кг) выделенных в ферментационную среду СO₂, Н₂O, продуктов метаболизма и тепла (кДж) при биосинтезе 1 кг абсолютно сухой биомассы.

      Рассчитаем  стехиометрические коэффициенты для  уравнения биосинтеза биомассы дрожжей  с использованием в качестве источника углерода в потребляемом субстрате - глюкозы.

      Исходные  данные:

• условное уравнение:

;

• экономический коэффициент - 0,51, т.е. на 1 г а.с.б. тратится г глюкозы;
• состав биомассы дрожжей: 46,0% - С; 6,8% - Н; 8,8% - N; 33,1% - О, что соответствует простейшей формуле CH_1,78N_0,16O_0,54.

      Для глюкозы стехиометрический коэффициент считаем по количеству глюкозы:

      где 180 - молекулярная масса глюкозы.

      Для углекислого газа стехиометрический  коэффициент считаем следующим образом:

      где 12 - атомная масса углерода;

      6 - количество атомов углерода  в глюкозе.

      Вес углерода в АСБ - 0,46 г, избыток углерода: 0,7843-0,46 = 0,3243 г.

      Стехиометрический коэффициент СO₂: .

      Для азота стехиометрический коэффициент считаем следующим образом:

      где 0,088 - вес азота в 1 г АСБ;

      14 - атомная масса азота. 

Для воды считаем стехиометрический  коэффициент следующим образом: г - вес водорода в глюкозе;

      0,0063·5·1,008 = 0,0318 г - вес водорода в NH₄OH;

0,1318 + 0,0318 = 0,1636 г - общий вес водорода  в исходных компонентах; 0,1636 - 0,068 = 0,0956 г- количество водорода в воде,

где 0,068 - вес водорода в АСБ.

      Стехиометрический коэффициент: .

      Рассчитаем  стехиометрический коэффициент  для кислорода следующим образом:

      0,331 г - вес кислорода в 1 г АСБ,

      0,0109·16·6 = 1,0464 г - вес кислорода в глюкозе;

      0,0063·16 = 0,1008 г - вес кислорода в NH₄OH;

      0,027·32 = 0,864 г - вес кислорода в СО₂;

      0,048·16 = 0,768 г - вес кислорода в воде.

      Итого: 1,0464 + 0,1008 - 0,864 - 0,768 - 0,331 = 0,8158 г.

      Стехиометрический коэффициент для кислорода: .

      Стехиометрическое уравнение биосинтеза выглядит следующим  образом:

      Расчет  материального баланса.

      Рассчитываем  расходные коэффициенты по формуле:

      α_i = y_i · M_i .

Расходный коэффициент по глюкозе: = 0,01089·180 = 1,9062 г/г а.с.б. Расходный коэффициент по NH₄OH: = 0,0063·35 = 0,2205 г/г а.с.б. Расходный коэффициент по кислороду: = 0,027·32 = 0,832 г/г а.с.б. Расходный коэффициент по углекислому газу: =0,027·44=1,188 г/г а.с.б;

Расходный коэффициент по воде: = 0,048·18 = 0,864 г/г а.с.б.

      Составляем  общее балансовое уравнение биосинтеза:

      1,9608 + 0,2205 + 0,832 = 1 + 1,188 + 0,864 + 3,01 = 3,05

      Так как расхождение составляет 1,33 % (не более 3%), то баланс удовлетворительно сходится. 

      1.1.2 Массопередача кислорода в процессе биосинтеза 

      Материальный  баланс ферментатора по кислороду.

      Для реализации аэробных процессов культивирования микроорганизмов необходимым условием является аэрация культуральной жидкости сжатым воздухом, в результате чего она насыщается растворимым кислородом. Максимальная растворимость кислорода в питательной среде зависит от ряда факторов: состава и рН среды, температуры, интенсивности перемешивания и т.д. Если в чистой воде равновесная концентрация растворенного кислорода составляет 7-8 мг/л, то в культуральной жидкости – 4-7 мг/л. С увеличением концентрации минеральных, питательных солей, вязкости среды растворимость кислорода снижается.

      Основное  уравнение массопередачи для абсорбции кислорода при аэрации культуральных жидкостей в культиваторах малого объема имеет следующий вид:

      M = K_об· (C_р - C) · V_р,

      где М - количество кислорода, передаваемого  через межфазовую поверхность в единицу времени, кг/ ч;

      К_об - объемный коэффициент массопередачи, ч^-1;

      V_p - рабочий объем ферментатора, м³;

      С_р - равновесная концентрация кислорода в жидкости, г/дм³ ;

      С - концентрация растворенного кислорода  в жидкости, г/дм³.

      где - парциальное давление кислорода в выходящем воздухе, Па;

      Е - константа Генри, г/л·Па.

      Кислород, растворенный в культуральной жидкости, потребляется микроорганизмами. В зависимости от соотношения скоростей двух процессов: абсорбции кислорода питательной средой и потреблением кислорода микроорганизмами в культуральной жидкости - устанавливается определенная концентрация растворенного кислорода. Материальный баланс культиватора по кислороду рассчитывается по следующему уравнению, которое учитывает скорость адсорбции кислорода - , и скорость потребления кислорода - :

      где r - дыхательная активность или удельная скорость поглощения кислорода в единицу времени, кг O₂ на 1 кг АСБ в час;

      X - концентрация микроорганизмов, г/ л.

      Удельная  скорость поглощения кислорода рассчитывается по следующей формуле:

      где - расходный коэффициент по кислороду;

      µ - скорость роста микроорганизмов, ч.

      Скорость  потребления кислорода зависит от штамма микроорганизма, физиологической активности и возраста культуры, состава питательного субстрата, концентрации биомассы, условий культивирования и изменяется в процессе культивирования.

      Но  для осуществления не лимитированного кислородом роста микроорганизмов величина К_об·С должна быть больше или равна (г·Х )_max.

      Кислород  вследствие его низкой растворимости является лимитирующей субстанцией в развитии популяции микроорганизмов в аэробных условиях. Поэтому при конструировании ферментаторов основное внимание уделяется вопросам организации интенсивного переноса кислорода к клеткам. В связи с этим к одним из главных показателей, которые дают значительную информацию о ферментаторах, следует отнести коэффициент массопередачи по кислороду (К_об = К_L·а, ч^-1), скорость сорбции кислорода ( , кг О₂/м³·ч), степень использования кислорода ( ), затраты энергии на единицу переданного кислорода ( , кВт·ч/кг О₂).

      Материальный  баланс ферментатора по кислороду.

      Исходные  данные:

• расходный коэффициент по кислороду = 0,8 кг О₂/кг АСБ;
• удельная скорость роста µ = Д = 0,25 ч^-1;
• концентрация биомассы в культиваторе X = 40 кг АСБ/м³;
• равновесная концентрация кислорода в жидкости

      С_р = 7 мг/л = 7·10^-3 кг/м³;

• объемный коэффициент массопередачи К_об = 1200 ч^-1.

      Скорость  потребления кислорода:

      Расчетные величины. Составляем уравнение материального баланса культиватора по кислороду:

      К_обΔС ≥ 8,0

      1200·ΔС ≥ 8,0

      Рассчитываем  предельную концентрацию растворенного  кислорода:

      С = 7·10^-3 - 6,7·10^-3 =0,3·10^-3 кг/м³. 

      1.2 Энергетический баланс процесса  биосинтеза 

      Материальный  баланс не дает достаточного представления  об эффективности процесса роста  микроорганизмов, так как органические субстраты используются микроорганизмами не только как источник углерода для наращивания биомассы, но и как источник энергии. Энергию микроорганизмы получают за счет окислительно-восстановительных реакций, которые лежат в основе процессов дыхания и брожения. Потребность микроорганизмов в питательных веществах тем выше, чем менее совершенным оказывается окисление энергетических веществ.

      Энергия, которая высвобождается при превращении  органических веществ субстрата, теряется частично в виде тепла, что служит необходимым условием того, чтобы реакция могла протекать самопроизвольно в термодинамическом смысле этого слова. Свободная энергия системы при этом уменьшается вследствие рассеивания тепла.

      Делаются  попытки оценки энергетических процессов при биосинтезе различными способами. Мы рассмотрим их на основе законов термодинамики.

      Стандартное изменение свободной энергии  при протекании биохимических реакций  находят по уравнению, аналогичному закону Гесса,

      где - свободная энергия образования исходных компонентов и продуктов реакции;

      у_j, y_i - стехиометрические коэффициенты.

      В микробиологических процессах соответствующее  расчетное уравнение можно написать с учетом теплоты образования  биомассы:

      Согласно  данным технической литературы, условная теплота образования биомассы дрожжей  и бактерий колеблется от -2,78 до -2,76 кДж/г АСБ. Удельный тепловой эффект при спиртовом брожении составляет 0,75 кДж/г АСБ дрожжей, при гликолизе - 1,88 кДж/г АСБ для бактерий, при культивировании продуцентов ферментов - 1,1-8,3 кВт/м³, антибиотиков - 15 кВт/м³, кормовых дрожжей - 10-13 кДж/кг АСБ.

      Расчет  теплового эффекта реакции окисления глюкозы.

      Исходные  данные:

• энергия образования твердой глюкозы - 902,9 кДж/моль;
• активность насыщенного водного раствора – α_нас = 16,6;
• стандартная свободная энергия для СО₂ (газ) - 394,1 кДж/моль;
• стандартная свободная энергия жидкой воды – 286,25 кДж/моль;
• стандартная свободная энергия газообразного кислорода – 0,00 кДж/моль.

     Для реакции окисления глюкозы С₆Н₁₂О₆  + 6О₂ → 6СО₂ + 6Н₂О рассчитаем свободную энергию образования глюкозы в стандартном растворе:

     Рассчитаем  тепловой эффект:

     Рассчитаем тепловой эффект реакции биосинтеза дрожжей.

     Исходные  данные:

• теплота образования биомассы дрожжей - 2,76 кДж/моль;
• теплота образования глюкозы - 909,9 кДж/моль;
• теплота образования аммиака - 69,87 кДж/моль;
• теплота образования жидкой воды - 286,25 кДж/моль;
• теплота образования СО₂ - 394,1 кДж/моль.

0,0109∙С₆Н₁₂О₆ + 0,0063∙NH₄OH + 0,026∙O₂ → АСБ(1г) + 0,027∙СО₂ + 0,048∙Н₂О

      Молярная  масса дрожжей CH_1,78N_0,16О_0,54 = 24,66.

      Количество молей - 1 г: 24,66 = 0,0406. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      2 Конструктивный расчет барботажного биореактора

      2.1 Классификация биореакторов 

      Ферментатор является не единственным, но основным элементом производства микробиологического синтеза. В связи с исключительным разнообразием сырья и продуктов микробного синтеза классификацию ферментаторов производят в зависимости от осуществляемых в них процессов, которые по технологическим характеристикам делят на следующие основные группы:

      1) аэробные, анаэробные;

      2) периодические, непрерывные, (полунепрерывные, приточные, отборно-приточные и т.д.);

      3) стерильные, условно стерильные, нестерильные;

      4) целевой продукт находится в клетках, вне клеток, нужна биомасса;

      5) глубинные, поверхностные (жидкие, твердофазные), с    иммобилизоваными системами;

      6) идеального перемешивания, промежуточного состояния перемешивания, идеального вытеснения, батарейные схемы, секционные аппараты для циклических процессов;

      7) глубинные процессы на растворимых и с содержанием нерастворимых (жидких или твердых) субстратов;

      8) глубинные процессы для различных групп микроорганизмов (бактерий, дрожжей, микроскопических грибов, растительных и тканевых клеток и др.) с учетом реологии;

      9) лабораторные (исследовательские), пилотные, промышленные.

      Учитывая технологические характеристики ферментационных процессов, ферментаторы классифицируют по трем признакам, от которых зависит их конструкция:

      1) аппараты с глубинным культивированием;