Тепловой баланс процесса ферментации леворина

Технологические процессы протекают при определенных температурах, что требует для их поддержания подвода или отвода тепла.

Целью теплового расчета является определение количества теплоты, подводимой теплоносителем или отводимой хладоагентом, а также вычисление необходимой поверхности теплообмена аппарата.

Тепловой баланс процесса ферментации рассчитывается по уравнению:

Qферм. = Qб/за + Qпер. + Qвозд. – Qвл. – Qпот., кДж,

где: Qб/за – количество теплоты, выделяемое в процессе жизнедеятельности микроорганизма-продуцента, кДж;

Qпер. – количество теплоты, выделяемое за счет работы мешалки, кДж;

Qвозд. – количество теплоты, приносимое в ферментатор с поступающим воздухом, кДж;

Q вл. – количество теплоты, уносимое из ферментатора за счет испарения культуральной жидкости, кДж;

Qпот. – количество теплоты, теряемое в окружающую среду за счет Тепловой баланс процесса ферментации леворина лучеиспускания и конвекции, кДж.

1. Количество теплоты, выделяемое в процессе жизнедеятельности микроорганизма, кДж:

Qб/за = 11,18 ∙ 106 кДж (стр., из материального баланса ферментации леворина стадии ТП).

Увеличиваем количество выделяемого тепла на 30% из-за неравномерности тепловыделения:

1,3Qб/за = 1,3∙11,18 ∙106 = 14,53 ∙106 кДж

2. Количество теплоты, выделяемое за счет работы мешалки, кДж:

В процессе ферментации перемешивание должно обеспечивать диспергирование газовых пузырей, выходящих из барботера, воздействие на пузыри и колонии с помощью турбулентных пульсаций, уменьшающих диффузионные сопротивления, и равномерное распределение в жидкости газовых пузырей, биомассы, твердых взвешенных компонентов питательной среды. Создаваемое мешалкой турбулентное движение способствует массопередаче кислорода и питательных веществ внутрь колоний и выводу из колоний продуктов метаболизма.

Qпер. = Nг Тепловой баланс процесса ферментации леворина-ж ∙ τпер. ∙3600,

где: Nг-ж – мощность, затрачиваемая на перемешивание аэрируемой культуральной жидкости, Вт;

τпер. – время перемешивания культуральной жидкости, ч;

τпер. = τферм. = 115 ч – время работы мешалки, равно времени ферментации, т. к. мешалка в аэробных процессах работает постоянно.

3600 – перевод часов в секунды.

a. Принимаем диаметр мешалки, м:

b. Принимаем число оборотов мешалки, об/с:

nоб/мин = 60-140 об/мин (по каталогу);

Выбираем nоб/мин = 120 об/мин.

nоб/с = об/с

c. Проверяем окружную линейную скорость мешалки, м/с:

Vл = π ∙ ∙ nоб/с

Vл = = 3,14 ∙ 0,7 ∙ 2,17 = 5,11 м/с подходит в пределы окружной скорости Vокр = 6-8 м/с

d. Определяем критерий расхода воздуха, м3/с:

где: средний расход воздуха в процессе Тепловой баланс процесса ферментации леворина ферментации, м3/с;

Vвозд. – весь объём воздуха, подаваемый в ферментатор, м3;

Vвозд. = 182700 м3 (стр. ,из материального баланса ферментации леворина стадии ТП).

м3/с

где: локальное газосодержание аэрируемой культуральной жидкости в зоне движения мешалки (процент газовой фазы по отношению к жидкой фазе и зависит от частоты вращения мешалки, ее конструкции и от критерия расхода газа.)

Аэрирование культуральной жидкости приводит к уменьшению ее плотности, что сопровождается уменьшением потребляемой мощности на перемешивание. Для оценки величины этого снижения представлена эмпирическая зависимость вида:



при ;

e. Мощность, потребляемая i-м ярусом мешалки на перемешивание неаэрируемой жидкости, Вт:

Nж = KN∙ ρж ∙ n3 ∙ ,

где: KN – критерий Тепловой баланс процесса ферментации леворина мощности, безразмерная величина, зависит от типа мешалки;

KN = 5,5 – для турбинных мешалок;

ρж – плотность насыщенной воздухом культуральной жидкости, кг/м3.

ρж = 1040 кг/м3 [по д.з.]

Nж = 5,5 ∙1040 ∙(2,17)3 ∙(0,7)5 = 13870,16 Вт

f. Мощность, затрачиваемая на перемешивание неаэрируемой жидкости многоярусной мешалкой, Вт:

Nж = ,

где: n – число ярусов мешалки.

n = 2

Nж = Вт;

Nг-ж = 0,845 ∙ Nж = 0,845 ∙ 27740,32 = 23440,58 Вт = 23,44 кВт

g. Количественно интенсивность перемешивания оценивается показателем удельного вклада мощности на перемешивание, кВт/м3:

Nуд. =

где: Vж – объём жидкости в ферментаторе, м3.

Vж. = Vф ∙

Vж. = 10 ∙ 0,8 = 8 м3

Nуд. = Вт/м3 = 2,93 кВт/м3

По таблице Nуд полученное по расчетам и равное 2,93 кВт/м3 подходит к Nуд. орt = 3,0 кВт/м3 (для стрептомицетов). [2,стр.]

h. Проверяем Тепловой баланс процесса ферментации леворина мощность электродвигателя, кВт:

Nэл/дв. – Nхх. ≥ Nг-ж.

Nхх = 0,1 Nэл/дв.

Nэл/дв.= 22 кВт

Nэл/дв. – 0,1 Nэл/дв. ≥ 23440,58 Вт

0,9Nэл/дв ≥ 23,44 кВт

Nэл/дв. ≥ 26,05 кВт

Qпер. = 23,44 ∙ 115 ∙3600 = 9,7 ∙ 106 кДж

3. Количество теплоты, приносимое в ферментатор с аэрирующим воздухом, кДж:

Qвозд. = Vвозд. ∙ρвозд ∙ Cвозд. ∙ (tвх – tвых),

где: Vвозд. – объём вносимого воздуха в ферментатор, м3;

Vвозд. = 46860 м3 (стр. № ,из материального баланса ферментации леворина стадии ТП);

ρвозд =1,293 кг/м3 – плотность воздуха; [1, cтр. 513]

Cвозд. = 1,011 ∙103 – теплоемкость воздуха, Дж/кг ∙ К; [1, cтр. 513]

tнач = 55 оС – температура воздуха, подаваемого в ферментатор; [по д.з.]

tкон = 28 оС – температура воздуха на выходе из ферментатора, равна температуре ферментации (28 ). [по д.з.]

Qвозд. = 46860 ∙1,293 ∙1,011 ∙ (55 – 28) = 1,65 ∙ 106 кДж

4. Количество тепла, затраченное при Тепловой баланс процесса ферментации леворина испарении жидкости в ферментаторе и выносимое отработанным воздухом, кДж:

Qвл. = mвл ∙ r,

где: mвл – масса влаги, унесенной воздухом, кг;

mвл = 713,14 кг (стр. , из материального баланса ферментации леворина);

r – удельная теплота парообразования при температуре ферментации равной 28 оС, кДж/кг;

r = 2430,12 кДж/кг). [1, cтр. 549]

Qвл = 713,14 ∙ 2430,12 = 1,73 ∙ 106 кДж.

5. Qпот. = 0 – пренебрегаем,т.к. оно незначительно.

Тогда:

Qферм. = 14,53 ∙106 + 9,7 ∙ 106 + 1,65 – 1,73 ∙ 106 – 0 = 24,15 ∙ 106 кДж

Определение количества охлаждающей воды

Принемаем Qферм = Qохл – теплота охлаждения.

6. Масса воды на охлаждение, кг:

где: 4,19 – теплоемкость воды; [1, cтр. 537]

температура воды на выходе из ферментатора; [по д.з.]

температура воды на входе в ферментатор ( пода питьевая).

[по д.з.]

Вода, выходящая из рубашки нагревается на 3 оС.

кг

Объем воды

Среднечасовой объем воды

Рассчитываем скорость течения Тепловой баланс процесса ферментации леворина воды в рубашке:

W

где: n – число секций в рубашке; принимаем n = 3;

S – площадь живого сечения секций рубашки, м2.

W м/c

Следовательно, W подходит в пределы W = 0,3-0,8 м/с

Определение поверхности теплообмена

7. Расчетная поверхность теплообмена определяется из основного уравнения теплопередачи, м2:

где: Qохл – количество отводимого тепла, кДж;

К – коэффициент теплопередачи, Вт/м2 ∙ К; принимаем К = 360 Вт/м2 ∙ К;

охл = ферм =115ч – время охлаждения, сек; [по д.з.]

средняя разность температур между теплоносителем и охлаждающим агентом, оС;

3600 – перевод часов в секунды.

Схема температурного режима (установившийся)

tф = 28 оС tф = 28 оС

м2

Fт/о кат. = 18,5 м2 < 21,6 м2 поверхности теплообмена не хватает.

Возьмем более Тепловой баланс процесса ферментации леворина холодную воду (артезианскую) c t = 10-15 оС

Схема температурного режима (установившийся)

tф = 28 оС tф = 28 оС

м2

Fт/о =9,8 м2 < Fт/о кат. = 18,5 м2

Вывод: Для охлаждения ферментатора следует использовать артезианскую воду с


documentacwjcjh.html
documentacwjjtp.html
documentacwjrdx.html
documentacwjyof.html
documentacwkfyn.html
Документ Тепловой баланс процесса ферментации леворина