Министерство образования Российской Федерации
Московский Государственный Университет
Пищевых Производств
Л.А.Иванова И.С.Иванова
Методические указания
к выполнению курсового проекта по дисциплине
“Процессы и аппараты биотехнологии”
(для студентов специальности 070100)
Часть 2
Утверждено
методической комиссией
_________ 2002 года
Москва 2002
Расчет ферментатора
Известны различные конструкции отечественных и зарубежных промышленных ферментаторов, отличающихся объемом, производительностью, массообменными характеристиками и другими особенностями. Эти отличия часто связаны с тем, что при конструировании ферментатора учитывается ряд факторов, к которым относятся, например, специфические свойства субстратов, морфологические и физиологические особенности культивируемых микроорганизмов, способы культивирования (в асептических условиях или без соблюдения условий асептики в периодических и непрерывных условиях), физико-химические свойства ферментационных сред. Для культивирования микроорганизмов в асептических условиях предусмотрены ферментаторы объемом от 1 до 200 м3.
|
|
Конструкция ферментатора с геометрическим объемом 40 м3 представлена на рис. 1.
1.1. Расчет механической мешалки ферментатора
Vобщ ферментера = 40 м3, его Dвн = 3000 мм (Dвн – внутренний диаметр ферментатора).
Для интенсивного перемешивания культуральной жидкости рекомендуется применять турбинные мешалки.
Диаметр турбинной мешалки, согласно нормам:
dм = (0,3 ÷ 0,33) · Dвн = 0,3 · 3000 = 900 мм.
Dвн – внутренний диаметр ферментатора.
Для более эффективного перемешивания применяют сдвоенную шестилопастную турбинную мешалку (на одном конце вала – 2 мешалки) диаметром dм = 750 мм.
Для перемешивания среды вязкостью μ = 0,00133 Па · с рекомендуется окружная скорость мешалки w = 7 м/с (7, стр.225, табл. 15).
Число оборотов мешалки:
n = w/(π · dм) = 7/(3,14 · 0,75) = 2,97 об/с.
Т.к. среду растущих культур плесневых грибов требуется интенсивно перемешивать, то применяем n = 3 об/с = 180 об/мин.
По каталогу для мешалки с таким числом оборотов принимаем вертикальный редуктор типа ВО-VI40/180-1500.
Мощность, потребляемая одной мешалкой на перемешивание среды, без учета влияния вспомогательных устройств:
Nм = КN · ρс · n3 · dм5 = 1,045 · 1065 · 33 · 0,755 = 7,12 · 103 Вт,
где ρс – плотность среды, ρс = 1065 кг/м3;
n и dм – число оборотов и диаметр мешалки, n = 3 об/мин, dм = 0,75 м.
Критерий мощности КN зависит от интенсивности перемешивания, характеризующейся центробежным критерием Re:
КN = f(Reц).
Reц = ρс · n · dм2/μс = 1065 · 3 · 0,752/0,00153 = 1175000,
где ρс – плотность среды, кг/м3;
|
|
n – число оборотов, об/сек;
dм – диаметр мешалки, м;
μс – динамическая вязкость среды, μс = 0,00153 Па · с.
По графику нормали (7, стр. 226, рис 71) находим значение КN = f(Reц) для турбинной мешалки.
Из графика находим:
КN · [ g ]м = 1
(n2 · dм)
КN = 1/[ g ]м = 1/[ 9,81 ]-0,127 = 1,045,
(n2 · dм) (32 · 0,75)
где м = а – lgReц/в = 1 – lg 1175000/40 = - 0,127, где а и в – коэффициенты, а = 1, в = 40.
Расчетная мощность на валу мешалки:
Np = K1 · K2 · (∑K + 1) · Nм = 1,33 · 1,1 · (2,15 + 1) · 7,12 = 32,8 кВт,
где Nм – мощность, потребляемая одной мешалкой на перемешивание среды, без учета влияния вспомогательных устройств (рассчитана ранее);
К1 – коэффициент, учитывающий степень заполнения аппарата перемешиваемой средой:
К1 = Нж/Dвн = 4/3 = 1,33,
где Нж – высота слоя перемешиваемой жидкости, для турбинных мешалок:
Нж = 0,75 · Нап = 0,75 · 6,2 = 4,65 м (Нап – высота аппарата, 6,2 м).
Среда, применяемая для выращивания культур плесневых грибов, в период роста культуры образует пену. Во избежание выбрасывания пены принимаем Нж = 4 м. Коэффициент, учитывающий увеличение потребляемой мощности в результате повышения сопротивления среды в процессе развития культуры микроорганизмов, К2 = 1,1.
Сумму коэффициентов ∑К, учитывающих увеличение потребляемой мощности, вызываемое вспомогательными устройствами, находящимися внутри аппарата, принимаем из табл. 1.
― 4 отражающие перегородки шириной 0,08Dвн учитывает коэффициент Кп = 1,5;
― дополнительная мешалка: Км = 0,35;
― трубка для подвода воздуха: Ктр = 0,2;
― гильза для термометра: Кг = 0,1.
∑К = 1,5 + 0,35 + 0,2 + 0,1 = 2,15.
Мощность, необходимая для преодоления трения в сальнике:
Nс = 2 · n · dв2 · Sс · р · (е0,1 · [hс/Sс] – 1) = 2 · 3 · 0,082 · 0,012 · 0,1 · 106 ·
· (е0,1 · [0,072/0,012] – 1) = 38,2 Вт,
где n и dв – число оборотов и диаметр вала, n = 3 об/сек, dв = 0,08 м;
Sс – толщина набивки сальника вала, Sс = 0,012 м;
р – рабочее давление воздуха в аппарате над уровнем жидкости, р = 1,25 кгс/см2 = 0,25 · 98100 = 24520 Па;
hс – высота набивки сальника, hс = (6÷10)Sс, принимаем hс = 6Sс = 6 · 0,012 = 0,072 м.
Для определения Nс рекомендуется принимать р < 105 Па из-за возможности повышения давления сверх принятого, принимаем р = 0,1 · 106 Па;
Таблица 1
Значения коэффициентов К, учитывающих увеличение мощности мешалки из-за наличия в аппарате вспомогательных устройств
Вспомогательное устройство | Значения коэффициентов К для перемешивающих устройств | |||
лопастных | якорных и рамных | турбинных | пропеллерных | |
Четыре отражательные перегородки шириной В = 0,08 · Dвн, расположенные у стенок аппарата | ― | 1,5 | 0,5 | |
Одна дополнительная горизонтальная лопасть, равная по размеру лопасти основного перемешивающего устройства | 0,35 | ― | ― | ― |
Труба для передавливания раствора | 0,2 | 0,2 | 0,2 | 0,1 |
Гильза для термометра или поплавковый уровнемер | 0,1 | 0,1 | 0,1 | 0,05 |
Две вертикальные трубы, расположенные под углом, превышающим 90˚ (в плане) | 0,3 | 0,3 | 0,3 | 0,15 |
Змеевик с правой навивкой, расположенный вдоль цилиндрических стенок аппарата | 0,2 | ― | ― | ― |
Спиральный змеевик, установленный у дна аппарата, при диаметре труб (0,033 – 0,054) Dвн | 2,5-3,0 | ― | ― | ― |
Детали для крепления диффузора | ― | ― | ― | 0,05 |
dв – диаметр приводного вала мешалки, определяется по приближенной формуле, находя из его прочности на кручение:
dв = 1,71 Мкр + С = 1,71 1785 + 0,003 = 0,056 м
τ'доп 70 · 106
где С – прибавка на коррозию, эрозию и износ, С = 3 мм;
τ'доп – допускаемое напряжение для материала вала на кручение, τ'доп = 70 мН/м2;
Мкр – крутящий момент на валу мешалки, Мкр = 0,163 · Nр/n = 0,163 · 32800/3 = 1785 Н/м, Nр – передаваемая расчетная мощность на валу мешалки, Nр = 32,8 · 103 Вт.
Для обеспечения жесткости принимаем dв = 70 мм. Материалом вала принимаем сталь марки Ст 45. Для этого материала предел прочности на растяжение (ГОСТ 1050), σв = 610 Мн/м2 (около 62 кг/мм2). Принимаем запас прочности ив = 2,6.
|
|
Допустимое напряжение на растяжение:
σдоп = 610/2,6 = 234 Мн/м2 (около 23,8 кг/мм2).
Допустимое напряжение на кручение:
τдоп = 0,6 · σдоп = 0,6 · 234 = 140 Мн/м2 (около 14,25 кг/мм2).
Для валов перемешивающих устройств допустимое напряжение на кручение:
τ'доп = 0,5 · τдоп = 0,5 · 140 = 70 Мн/м2 (около 17,13 кг/мм2).
Толщина сальниковой набивки:
Sс = 0,044 · √d''в = 0,044 · √0,08 = 0,0124 м ≈ 12 мм,
где d''в – диаметр вала при проходе через сальник, принимаем d''в = 0,08 м.
Окончательная установочная мощность приводного электродвигателя мешалки:
Nуст = 1,15 · (Np + Ne) = 1,15 · (32,8 + 0,0382) = 39,8 кВт,
η 0,95
где η – к.п.д. редуктора привода, η = 0,95.
По нормали НИИХиммаша подбираем вертикальный привод ВО-VΙ40/180-1500 тип А. Выходной вал редуктора вращается со скоростью 180 об/мин, Nэл = 40 кВт, nэл = 1460 об/мин.
1.2. Тепловой расчет ферментатора
Рабочий объем ферментатора Vр = 25 м3, в состав питательной среды входит 6 % муки (25 · 60 кг = 1500 кг). В пересчете на сахар питательной среды при крахмалистости муки Ккр = 68 % получим:
крахмала 1500 · 0,68 = 1020 кг;
сахара 1,11 · 1020 = 1120 кг, где 1,11 – переводной коэффициент крахмала в глюкозу.
В процессе развития плесневых грибов происходит диссимиляция сахаров с выделением избыточного тепла:
С6Н12О6 + 6О2 = 6Н2О + 6СО2 + 674 ккал.
Следовательно, при сгорании 1 гмоль сахара выделяется 674 ккал тепла или 2820 кДж.
Масса 1 гмоль сахара составляет:
12 · 6 + 1 · 12 + 6 · 16 = 180 г = 0,18 кг.
Тепловыделение составит 2820/0,18 = 15670 кДж/кг сахара.
На основании экспериментальных данных полагаем, что усвоение сахара развивающейся культурой микроорганизмов происходит в течение 24 ч. Для упрощения расчетов принимаем, что тепловыделение в этот период происходит равномерно.
Тогда количество биологического тепла, выделяемого этой культурой:
Qсек = 1120 · 15670 · 103 = 2035 · 102 Вт.
24 · 3600
Во избежание перегрева среды выделяемое тепло отводят. Тепло отводится охлаждающей водой Qвод, воздухом Qвозд, подаваемым на аэрирование культуры, теплоизлучением Qп.
Тепловой баланс ферментатора:
Qсек = Qвод + Qвозд + Qп.
В расчетах Qвозд можно не принимать во внимание, т.к. величина его незначительна, поскольку воздух подают в аппарат с температурой, близкой к температуре среды: tср - 30 ºС.
|
|
Потери на теплоизлучение в окружающую среду принимаем 2 % от Q:
Qп = 0,02 · 2035 · 102 = 40,7 · 102 Вт.
Тепло, отводимое водой:
Qвод = Qсек – Qп = 2035 · 102 – 40,7 · 102 = 1994,3 · 102 Вт.
Расход воды для отвода тепла (охлаждения ферментатора):
Gвод = Qвод = 1994,3 · 102 = 6,8 кг/с
с · (t2 – t1) · 1000 4186 · (22 – 15)
где t1 и t2 – температура воды при входе в рубашку (t1 = 15 ºС) и при выходе из рубашки (t2 = 22 ºС).
Потребная поверхность охлаждения ферментатора:
F = Qвод/(К · ∆tср), где
К – коэффициент теплопередачи от охлаждающей воды к охлаждаемой среде:
Δtб = 30 – 15 = 15º
Δtм = 30 – 22 = 8º
Δtб/Δtv = 15/8 < 2
Для данного случая средняя разность температур теплоносителей:
Δtср = (Δtб + Δtм)/2 = (15 + 8)/2 = 11,5º
По таблице 2 принимаем значение К = 800 Вт/(м2 · К).
Загрязнение стенок отложениями в процессе эксплуатации приводит к ухудшению коэффициента теплопередачи, поэтому для расчета принимаем К = 700 Вт/(м2 · К).
Тогда:
F = 1994,3 · 102/(700 · 11,5) = 24,8 м2.
Таблица 2
Ориентировочные значения коэффициентов теплопередачи, Вт/(м2 · К)
Вид теплообмена | Вынужденное движение | Свободное движение |
От газа к газу (при невысоких давлениях) | 10 – 40 | 4 – 12 |
От газа к жидкости (газовые холодильники) | 10 – 60 | 6 – 20 |
От конденсирующегося пара к газу (воздухоподогреватели) | 10 – 60 | 6 – 12 |
От жидкости к жидкости (вода) | 800 – 1700 | 140 – 340 |
От жидкости к жидкости (углеводы, масла) | 120 – 270 | 30 – 60 |
От конденсирующегося пара к воде (конденсаторы, подогреватели) | 800 – 3500 | 300 – 1200 |
От конденсирующегося пара к органическим жидкостям (подогреватели) | 120 – 340 | 60 – 170 |
От конденсирующегося пара органических веществ к воде (конденсаторы) | 300 – 800 | 230 – 460 |
От конденсирующегося пара к кипящей жидкости (испарители) | ― | 300 – 2500 |
При диаметре корпуса ферментатора Dн = 3,02 м высота рубашки:
Нр = F = 24,8 = 2,62 м.
(π · Dн) (3,14 · 3,02)
1.3. Расчет дозатора для пеногасителя
Во избежание образования пены в ферментаторы вводят жидкие пеногасители в количестве 0,8-1,0 кг на 1 м3 среды. Предварительно пеногаситель стерилизуют в отдельном аппарате, из которого пеногаситель пропускают в сборник-дозатор. Одна установка может быть использована для пеногашения в 2-х ферментаторах. Vр 2-х ферментаторов = 50 м3, удельный расход пеногасителя в = 1 дм3/м3 за весь цикл роста τ = 24 ч. Пеногаситель готовят 1 раз в сутки.
Часовой расход масла на пеногашение:
Vм.ч = Vр · в/24 = 50 · 1/24 = 2,08 дм3/ч
Суточный расход масла на пеногашение:
Vм.сут = 24 · Vм.ч = 24 · 2,08 = 50 дм3 = 0,05 м3/сутки
Полный объем дозатора для пеногасителя принимаем из расчета вмещения в него суточной потребности при коэффициенте заполнения 0,8:
Vн = Vм.сут/0,8 = 50/0,8 = 62,5 дм3
Для стерилизации масла принимаем мерник стальной со змеевиком объемом 63 дм3.
Внутренний диаметр дозатора Dвн = 400 мм, высота его Н = 650 мм, днище сферическое, крышка съемная.
Стерилизация масла осуществляется путем его нагревания от t'м = 15 ºС до t''м = 130 ºС паром (р = 3 кгс/см2 = 2,94 · 105 Па) через змеевик из трубки диаметром 25/21 мм.
Количество тепла, затрачиваемое на стерилизацию суточной потребности пеногасителя (масла):
Qм = 1,03 ·Vм.сут · ρ · с · (t''м – t'м) = 1,03 · 0,05 · 910 · 2,093 · (130 – 15) = 11300 кДж
где ρ – плотность масла, ρ = 910 кг/м3;
с – теплоемкость масла, с = 2093 Дж/(кг · К);
1,03 – коэффициент, учитывающий потери тепла стерилизации в окружающую среду.
Расход пара на стерилизацию масла:
Gп = Qм = 11300 = 5,28 кг
(Ιп –Ιк) (2740 – 597)
где Ιп – энтальпия насыщенного пара, при р = 3 кгс/см2 Ιп = 2740 кДж/кг;
Ιк – энтальпия конденсата пара, при р = 3 кгс/см2 Ιк = 597 кДж/кг (9, стр. 549, табл. LVII).
Объемный расход пара на стерилизацию:
Vп = Gп · V' = 5,28 · 0,4718 = 2,48 м3
где V' – удельный объем пара, при р = 3 кгс/см2 V' = 0,4718 м3/кг.
Коэффициентом теплопередачи от пара к маслу зададимся из табл. 2, К = 65 Вт/(м2 · К).
Sст – толщина стенки змеевика, Sст = 0,002 м.
Поверхность нагрева змеевика определим по основной формуле теплопередачи:
F = Q = 6270 = 1,93 м2
(K · Δtср) (65 · 50)
где Q – количество тепла, передаваемого маслу от стенки змеевика при условии, что нагрев осуществляется в течение 0,5 ч.
Q = 11300 · 103 = 6270 Вт.
0,5 · 3600
Средняя логарифмическая разность температур:
Δtср = (tнас – tм') – (tнас – tм'') = (142,9 – 15) – (142,9 – 130) = 50 ºС
2,3 · lg (tнас – tм') 2,3 · lg (142,9 – 15)
(tнас – tм'') (142,9 – 130)
где tнас – температура конденсата пара при р = 3 кгс/см2 tнас = 142,9 ºС.
При диаметре трубок змеевика d = 0,025 м длина трубок змеевика:
L = F/(π · d) = 1,93/(3,14 · 0,025) = 24,6 м.
При диаметре змеевика D = 0,25 м число витков змеевика:
n = L/(π · D) = 24,6/(3,14 · 0,25) = 31,4 витка.
Принимаем n = 32 витка, тогда поверхность нагрева змеевика:
F = π · d · π · D · n = 3,14 · 0,025 · 3,14 · 0,25 · 32 = 2,05 м2.
Простерилизованное масло охлаждают в течение 30 мин в самом стерилизаторе до 35 ˚С путем подачи в змеевики воды. Количество тепла, отводимое водой, с учетом потерь 3 % на излучение:
Q' = (100 – 3) · Vм.сут · ρ · c · (tм'' – t2)/100 = 97 · 0,05 · 910 · 2,03 · (130 – 35)/100 = 8780 кДж или
Qсек' = 2 · Q'/3600 = 2 · 8780 · 104/3600 = 4875 Вт.
Расход воды на охлаждение масла:
Gв = Q' = 8780 = 210 кг
(t2-t1) · с (25-15) · 4,186
где t1 – температура воды на входе в змеевик, t1 = 15 ºС;
t2 – температура на выходе их змеевика, t2 = 25 ºС.
Коэффициент теплопередачи от масла к охлаждающей воде также принимаем 65 Вт/м2 · К (табл. 2).
Средняя логарифмическая разность температур:
Δtср = (130 – 25) – (35 – 15) = 51º.
2,3 · lg(130-25)/(35-15)
Потребная поверхность для охлаждения пеногасителя в течение 0,5 ч:
F = Qсек = 4875 = 1,47 м2.
К · Δtср 65 · 51
Расчетная поверхность змеевика 2,05 м2, обеспечивает также и охлаждение масла.