Расчет барботажного биореактора

      

      2) аппараты с поверхностным культивированием;

      3) с иммобилизованными системами.

      Аппараты  первой группы классифицируют по признаку использования воздуха: 1.1 с использованием воздуха - аэробное культивирование; 1.2 без использования воздуха - анаэробное культивирование. Аппараты второй группы классифицируют в зависимости от агрегатного состояния питательного субстрата:

      2.1 с использованием жидких питательных сред;

      2.2 с использованием сыпучих и пастообразных субстратов.

      Ферментаторы  группы 1.1 классифицируются в зависимости от конструкции аэрирующих и перемешивающих устройств, т.е. от способа подвода энергии:

      1.1.1 с подводом энергии газовой фазой (группа ФГ);

      1.1.2 с подводом энергии жидкой фазой (группа ФЖ);

      1.1.3 с подводом энергии жидкой и газовой фазами (группа ФЖГ).

      Для ферментаторов группы ФГ общим признаком является ввод энергии газовой фазой. Их отличает простота конструкции, эксплуатационная надежность.

      Для ферментаторов группы ФЖ характерным  признаком является ввод энергии  жидкой фазой. Обычно энергия передается жидкой фазе самовсасывающей мешалкой или насосом. Для ферментаторов группы ФЖГ основным конструктивным элементом является наличие перемешивающего устройства, обеспечивающего высокую степень диспергирования газа, нерастворимых субстратов и гомогенизацию среды.

      Ферментаторы  группы 1.2 используют для процессов  брожения: получения этанола, вин, органических растворителей (ацетона, бутанола), органических кислот, пива, а также для очистки жидких отходов (метановое брожение в метантенках). Известны три типа анаэробных биореакторов глубинного культивирования: контактный реактор, разновидностью которого является аппарат для спиртового брожения; реактор с неподвижным слоем биомассы (ила); реактор с псевдоожиженным слоем клеток микроорганизмов (ила).

      

      Биореакторы группы 2 с использованием жидких сред применяют для производства лимонной кислоты, для культур тканей животного  и растительного происхождения; с использованием пастообразных сред применяют для производства ферментов, компостов, кормовых добавок, биогаза, этанола и др. 

      2.2 Расчет основных параметров процесса  ферментации

      2.2.1 Расчет производительности ферментатора  по объему 

      Исходные  данные:

• объем ферментатора – V_ф = 6000 л = 6 м³;
• концентрация биомассы в культуральной жидкости – Х = 40 г/л = 40 кг/м³;
• влажность биомассы – W = 75%;
• скорость обмена среды в аппарате D = 0,25 ч^-1;
• константа сродства к субстрату К_s = 45,0;
• экономический коэффициент при росте на глюкозе для дрожжей Y_s = 0,51;
• коэффициент заполнения К_з = 0,35;
• максимальная скорость роста культуры для дрожжей µ_max = 0,87 ч^-1.

      Расчет  величин процесса ферментации:

      1. Рабочий объем, м³:

      V_р = V_ф· К_з = 6 · 0,35 = 2,1

      2. Скорость подачи питательного субстрата, м³/ч:

      V_с = D · V_р = 0,25 · 2,1 = 0,52

      3. Часовой отбор биомассы, производительность  по АСБ, кг/ч:

      G = V_c · X(100-75)/100 = 0,52 · 40(100-75)/100 = 5,2

      4. Удельная производительность по  АСБ, кг/м³· ч:

      Х = G/V_p = 5,2/2,1 = 2,5

      5. Стационарная концентрация субстрата, кг/м:

      S = K_s · D/(µ_max – D) = 45 · 0,25/(0,87-0,25) = 18,15

      6. Удельная скорость потребления  субстрата, кг/м³· ч:

      ΔS = X/Y_s = 2,5/0,51 = 4,9

      7. Запас АСБ в аппарате, кг:

      m = V_p· X/D = 2,1 · 2,5/0,25 = 21 

      2.2.2 Расчет конструктивных размеров ферментатора по производительности 

      Исходные  данные:

• производительность по АСБ – 5,2 кг/ч;
• концентрация биомассы в культуральной жидкости Х=40 кг/м³;
• влажность биомассы W=75%;
• скорость обмена среды в аппарате Д=0,25 ч^-1;
• коэффициент заполнения К_з=0,35;
• соотношение Н:Д=2;
• аппарат с сегментным днищем и h=Д_ф/4;
• диаметр мешалки d_м=0,3 м

      Расчет  величин процесса ферментации:

1. Расход  культуральной жидкости, м³/ч:

      2. Объем культуральной жидкости  в аппарате, м³:

      

      

      3. Геометрический объем, м:

      

      

      4. Диаметр ферментера, м:

      

      5. Объем днища, м:

      

      6. Объем цилиндрической части с  культуральной жидкостью, м³:

      V_ц = V_р – V_дн = 2 - 0,14 = 1,86

      7. Высота жидкости в цилиндрической части, м:

      

      8. Высота жидкости в аппарате, м:

      Н_ж = h + Н_ц = 0,385 + 1,54 = 1,92

      9. Высота жидкости над мешалкой, м:

      Н = Н_ж – d_м = 1,92 – 0,3 = 1,62

      10. Объем цилиндрической части ферментатора, м:

      V_ц = V_ф – V_дн = 5,7 - 1,86 = 3,84

      11. Высота цилиндрической части,  м:

      

 

      2.3 Барботажный биореактор (ФГБ) 

      Барботажные ферментаторы относят к аппаратам  сравнительно небольших объемов  и в настоящее время используют при получении чистых культур  микроорганизмов и в производстве пищевых дрожжей. Ферментаторами барботажного типа больших объемов являются аэротенки, которые широко применяются при биологической очистке сточных вод.

      

      Барботажные ферментаторы для получения чистых культур микроорганизмов и пищевых дрожжей представляют собой вертикальные емкости цилиндрической формы, на дне которых расположены барботеры различных конструкций. Внутри аппарата также помещаются теплообменники для отвода тепла и механические пеногасители. Барботеры изготовляют из тонкостенных (1-2 мм) металлических трубок диаметром 20-30 мм, на верхней поверхности которых имеются отверстия диаметром 0,3-2 мм и шагом 5-7 мм с общим числом отверстий до 1000 шт. на 1 м поперечной площади ферментатора. При такой конструкции барботеров на каждый метр столба жидкости аппарата необходимо иметь давление воздуха в системе не менее 0,013 МПа. Для значительного увеличения коэффициента использования кислорода воздуха в качестве барботирующих систем используют керамические пористые трубы с размером пор до 30 мкм. Но пока они имеют ограниченное применение.

      Недостатками  таких аппаратов являются низкая интенсивность массообмена по кислороду (коэффициент сорбции кислорода 1-2 кгс/м³∙час) и невысокая кратность вертикальной циркуляции, что приводит к неравномерному распределению биомассы по всей высоте среды в аппарата. Для интенсификации массообмена увеличен уровень среды в аппарате: отношение Н/Д = 2.

      Расчет  мощности, необходимой для привода воздуходувки при пневматическом перемешивании, ведут по формуле:

      

,

      где Q_B - количество подаваемого воздуха, м³/с, определяемое из условия необходимого его количества на биосинтез в ферментаторе;

      ΔР - гидравлическое сопротивление системы, МПа;

      η - КПД воздуходувки.  

      

      

      Гидравлическое  сопротивление определяется из формулы:

      

,

      где Р₀ - давление над ферментационной средой, Па;

      ω - скорость воздуха в трубопроводе, м/с;

      ρ_г, ρ_ж - плотность газа и жидкой среды, кг/м;

      ∑ζ - сумма коэффициентов трения в местных сопротивлениях;

      g - ускорение свободного падения, м/с;

      h - высота столба жидкости в  ферментаторе, м.

      Расчет  биореактора.

      Исходные  данные:

• диаметр аппарата Д_ф = 1,54 м;
• высота аппарата Н_ф = 3,08 м;
• приведенная скорость воздуха в трубе ω_г= 20 м/с;
• расход воздуха, поступающего в ферментатор - 0,46 м³/с;
• характеристика среды - р_ж = 1020 кг/м³;
• диаметр отверстий - 5 мм;
• толщина стенки h_B - 3 мм.

     Рассчитаем  давление в нижнем сечении ферментатора при коэффициенте его заполнения К_з, = 0,35:

      ΔР = Р₀ + Н_ф· ρ_ж ·g ∙К_з = 9,81∙10⁴ + 3,08∙1020∙9,81∙0,35 = 1,09∙10⁵ Па.

      При этом давлении и температуре среды 32 ^оС плотность воздуха:

      

 кг/м³.

      Рассчитаем  диаметр трубы:

      

      

 м².

      

      

      Рассчитаем  скорость движения воздуха через отверстия барботера:

      

      Для этого рассчитаем высоту газового слоя, образующегося в трубе:

      h_г = h_в + D + 0,01 = 0,03 + 0,171 + 0,01 = 0,211 м;

 м/с.

      Число отверстий:

q_б = ω_об ∙ S_б,

,

 отв.

      Шаг размещения отверстий при двухрядном их расположении:

      

 м,

      l = π · D_в = 3,14 ∙ 1,966 = 6,173 м.

      2000 – 34 = 1966 мм – диаметр витка трубы для подачи воздуха.

      34 = 17 · 2 – расстояние от стенок аппарата до барботера.

      Рассчитываем  мощность для привода воздуходувки.

      Гидравлическое  сопротивление:

      

 Па,

      

      Высота  столба жидкости – Н_ж:

      

 м³.

      V_р = V_ф · К_з = 5,7 · 0,35 = 2,0 м³.

      

 м

      

        кВт 

      2.4 Барботажная воздухораспределительная система 

      Барботажное устройство представляет из себя трубы различной конфигурации с отверстиями d = 0,1-1 мм. Конструкции их представлены на рисунке 1. Барботеры выполняются в виде спирали или в виде параллельно уложенных труб, соединенных коллектором, к которому подведена вертикальная труба. Для максимального соприкосновения воздуха с жидкостью была применена следующая конструкция воздухораспределения. Вместо мелких отверстий на барботажных трубах укреплялись пористые керамические свечи, имеющие цилиндрическую форму. На ряде заводов в аэротенках использованы керамические трубы.