Расчет барботажного биореактора

      

 

      Рисунок 1 – Основные виды барботеров: а – прямоугольный, б – кольцевой, в – лучевой 
 
 
 

      2.5 Тепловой баланс биореактора. Расчет конструкции теплообменника 

      Расчет  теплообменных устройств ферментаторов  сводится к определению тепла, которое  необходимо отвести из аппарата, к  расчету поверхности теплообмена, определения конструкции теплообменного устройства (змеевика, рубашки и т.д.).

      

      Тепловой  баланс может быть представлен в виде:

      Q_С + Q_M + Q_Б + Q_1В = Q_ОХЛ + Q_И + Q_П + Q_2В + Q_КЖ,

      где Q_С, Q_КЖ - тепло, вносимое с питательной средой и отводимое с культуральной жидкостью;

      Q_Б - биологическое тепловыделение;

      Q_1В и Q_2B - тепло, вносимое с воздухом и отводимое с воздухом;

      Q_И - тепло, уносимое из ферментатора при испарении культуральной жидкости;

      Q_П - потери тепла в окружающую среду, составляют 2-4% от общего количества тепла;

      Q_M - тепловыделение при работе перемешивающего устройства.

      Q_C =V_C · C_C,

      Q_КЖ = V_КЖ · C_КЖ,

      где V_С и V_КЖ - расход питательной среды и отвод культуральной жидкости, м³/ч;

      С_С и С_КЖ - удельные теплоемкости питательной среды и культуральной жидкости, кДж/кг·°С.

      Q_Б = V_р · q или Q_Б = G_а.с.б. · α_q,

      где V_p - объем рабочей культуральной жидкости в ферментаторе, м³;

      q - тепло, выделяемое микроорганизмами, кДж/м³· ч;

      G_а.с.б. - производительность ферментатора по абсолютно сухой микробной биомассе;

      α_q - расходный коэффициент по теплу, кДж/кг АСБ.

      Q_Б = 5,2_. · 10,0 = 52

      Q_1В = V_1В · ρ_1В · С_1В, Q_2В = V_2В · ρ_2В · С_2В,

      

      где V_1В и V_2B - приход и выход воздуха, м³/ч ;

      ρ_В - плотность воздуха, кг/м³;

      С_В - теплосодержание 1 м³ воздуха.

      Q_И = G_И · r,

      где г - теплота испарения, кДж/кг.

      Q_M = q_М · V_р,

      где q_M - удельное тепловыделение от перемешивающего устройства (удельная рабочая мощность мешалки), составляет 3600-11000 кДж/м³· ч.

      Q_M = 3600 · 2,1 = 7560

      Величины Q_1В, Q_2B, Q_П, Q_И обычно невелики, и ими можно пренебречь.

      Принимаем Q_С = Q_КЖ, и их также можно не учитывать.

      Тогда

      Q_ОХЛ = Q_M + Q_Б,

      Q_ОХЛ = 52 + 7560 = 7612,

      Q_ОХЛ = G_В· С_В(t_к – t_н).

      Необходимое количество воды для отвода тепла:

      

,

      

      Коэффициент теплопередачи рассчитываем по следующей формуле:

      

,

      где α_г и α_х - коэффициенты теплоотдачи для горячего и холодного теплоносителя, Вт /м³·К;

      δ - толщина теплопередающей стенки, м;

      λ - коэффициент теплопроводности, Вт/мс;

      φ - коэффициент, учитывающий использование поверхности теплообмена; 0,7-0,8 - при редкой чистке, 0,4-0,6 - при частой чистке в связи с интенсивным загрязнением поверхности теплообмена.

      Коэффициент используется, когда неизвестны толщины  и теплопроводности слоев загрязнения  по обе стороны стенки.

      

      Коэффициенты теплоотдачи для ферментаторов с механическим перемешиванием от культуральной жидкости к спиральному змеевику или рубашке производится по следующей формуле:

      

.

      Критерий  Нуссельта при небольших нагрузках на теплообменное устройство определяется по следующей формуле:

      

,

      где Re - критерий Рейнольдса;

      Рr - критерий Прандтля;

      μ_CТ - динамический коэффициент вязкости суспензии при температуре стенки змеевика или рубашки;

      μ - динамический коэффициент вязкости суспензии при температуре среды, которая определяется по уравнению: ;

      Г = D/d_M,

      где D - диаметр аппарата, d_M - диаметр мешалки, м.

      Для аппаратов с рубашками С = 0,36, m = 0,67.

      Для аппаратов со змеевиками С = 0,87, m = 0,62 .

      Для аппаратов c D=1,5 м и Г=2,5-4.

      Г = 1,54/0,3 = 5,1

      Ферментационные процессы многотоннажных производств, т.е. в эрлифтных ферментаторах, протекают в условиях малого изменения газожидкостной системы при температуре 35-42°С. Для расчета теплоотдачи в любой зоне ферментатора можно воспользоваться следующей эмпирической зависимостью:

      

, Вт/м²· К,

      где ω_П - приведенная скорость пены в циркуляционной или барботажной трубе, м/с;

      φ_ц - газосодержание, циркулирующей газожидкостной смеси, принимается 0,6;

      

      φ_г - дополнительное газосодержание в барботажной трубе;

      n - показатель степени, рассчитывается по формуле n=l,43(l-φ_ц).

      При расчете α - в циркуляционной трубе φ_г=0, в барботажной трубе

      

.

      После расчета коэффициента теплопередачи  рассчитывают поверхность теплообмена из уравнения теплопередачи:

      Q_расч = К · F · Δt_ср,

      

      

= 3 м² 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      3 Конструкция турбовоздуходувок 

      Воздух  в ферментаторы подается по трубам от воздухонагнетательных машин различных систем и марок.

      Напор воздуха, выходящего из турбовоздуходувки, определяется необходимостью преодоления столба жидкости в ферментаторе и потерь в системе воздуховодов. Имеющиеся на предприятиях ферментаторы поддерживают уровень 3,5-4,0 мм вод.ст. Сечение воздуховодов обеспечивает минимальные потери напора. Скорости воздуха в трубах принимаются невысокие (10-15 м/с) с целью уменьшения потерь напора.

      Целесообразно для каждого аппарата иметь свою воздуходувку.

      Типичные  характеристики воздуходувок представлены в таблице 1.

      Таблица 1 – Характеристики воздуходувок

      

      

      Для обеспечения заданной производительности целесообразно использование воздуходувки марки ТВ-175-1,6 производительностью 12000-14000 м³/час и мощностью электродвигателя 325 кВт. 

      

      

      Библиографический список используемой литературы 

      1. Виестур У.Э. Системы ферментации  [Текст]. – Рига: Знание, 1986. – 367 с.

      2. Гапонов К.П. Процессы и аппараты  микробиологических производств  [Текст]. – М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981. – 240 с.

      3. Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию [Текст]. - М.: Химия, 1991. – 496 с.

      4. Кафаров В.В. Моделирование биохимических реакторов [Текст]. – М.: Лесная промышленность, 1979. – 287 с.

      5. Кропачев Д.А. Основы проектирования  и оборудование предприятий биотехнологических  производств: Учебное пособие  по курсовому проектированию  [Текст]. – Киров: Изд-во ВятГУ, 2008. – 68 с.

      6. Павлов К.Ф. Примеры и задачи  по курсу процессов и аппаратов химических технологий: Учеб. пособие для вузов [Текст]. – Л.: Химия, 1987. – 575 с.

      7. РД РТМ 26-01-127-80. Ферментеры для производства микробиологического синтеза [Текст]. – 1980. – 65 с.

      8. Сидоров М.Д. Справочник по воздуходувным и газодувным машинам [Текст]. – М.: Машгиз, 1962