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

      

, где

      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:

      

г,

      где 180 - молекулярная масса глюкозы.

      Для углекислого газа стехиометрический  коэффициент считаем следующим образом:

      

г - вес углерода в глюкозе,

      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.