РАСЧЁТ БИОРЕАКТОРА С ТРЕМЯ МНОГОЯРУСНЫМИ
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Иркутский государственный технический университет
Кафедра машиностроительных технологий и материалов
Допускаю к защите_______________
Руководитель А.А. Тур
Расчёт биореактора с тремя многоярусными
перемешивающими устройствами
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к курсовой работе по дисциплине:
«Современное оборудование пищевых производств»
Выполнил студент группы ПИм-13-1 __________________Н.В. Максименко
Нормоконтроль _______________________________
Курсовая работа защищена с оценкой __________________________
Иркутск 2014 г.
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Иркутский государственный технический университет
Кафедра машиностроительных технологий и материалов
ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ
По курсу: «Современное оборудование пищевых производств»
Студент гр. ПИм-13-1 Максименко Н.В.
Тема проекта: «Расчёт биореактора с тремя многоярусными перемешивающими устройствами
Исходные данные: Рабочим объемом и скоростью сорбции кислорода
Рекомендуемая литература:
1.Лащинский А.А. Конструирование сварных химических аппаратов. Справочник – Л.: Машиностроение, 1981. –382с.
|
|
|
2.ГОСТ 9931-85. Корпусы вертикальных аппаратов
Графическая часть на _____________ листах.
Дата выдачи задания “__15__” _______марта_______________2014г.
Дата представления проекта руководителю “______” ___________20__ г.
Руководитель курсовой работы____________________ (Тур А.А)
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ. 4
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ. 6
РАСЧЁТ БИОРЕАКТОРА С ТРЕМЯ МНОГОЯРУСНЫМИ.. 15
ПЕРЕМЕШИВАЮЩИМИ УСТРОЙСТВАМИ.. 15
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 21
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.. 22
ВВЕДЕНИЕ
Биореакторы (ферментаторы) составляют основу биотехнологического производства. Масса аппаратов, используемых, например, в микробной биотехнологии, различна, и требования здесь определяются большей частью экономическими соображениями. Применительно к ферментаторам различают следующие типы их: лабораторные емкостью 0,5—100 л, пилотные емкостью 100л—10 м3, промышленные емкостью 10—100 м3 и более.
При масштабировании добиваются соответствия важнейших характеристик процесса, а не сохранения принципа конструкции.
Применяемое в биотехнологии оборудование должно вносить определенную долю эстетичности в интерьер цеха или отделения ("ласкать глаз"). В ходе его эксплуатации и вне ее оборудование должно быть легко доступным, содержащимся и функционирующим в определенных рамках требований гигиены и санитарии.
|
|
|
В случае замены каких-либо частей или деталей в аппарате, смазки и чистки узлов при текущем ремонте, и т. д., загрязнения не должны попадать внутрь биореакторов, в материальные поточные коммуникационные линии, в конечные продукты.
Техническую вооруженность биотехнологических процессов целесообразно условно ограничить аппаратурным оформлением производств, базирующихся на культивировании: 1) бактерий и грибов, 2) клеток и тканей растений, 3) клеток и тканей животных организмов и человека. Такое подразделение обусловлено тем, что бактерии и грибы в большинстве своем выращивают в однотипных биореакторах, имеющих почти однотипную обвязку, в которую входят: ферментатор, многокорпусный вентиль стерильный (для подачи питательной среды, посевного материала, подпитки и пр.), системы регулирования рН, 1°, подачи иеногасителя, система контроля расхода воздуха, пробоотборник, электродвигатель.
Растительные клетки, имеющие клеточную стенку (также как бактерии и грибы) растут, размножаются и развиваются значительно дольше, чем большинство бактерий и грибов, а это вносит определенные коррективы в аппаратурное оформление соответствующих биотехнологических процессов.
|
|
|
Культуры клеток животных и человека, не имеющие клеточных стенок, являются более ранимыми и требовательными к условиям своего существования, чем клетки других эукариот и прокариот. Поэтому оборудование для них можно отнести к разряду "тихоходного", обеспечивающего нежное обращение с биообъектами.
Несомненно, в отдельных случаях допустимы исключения, например, когда возможно культивирование в глубинных условиях некоторых растительных клеток (суспензионная культура женьшеня), используя ферментационное оборудование, рассчитанное на выращивание, например, бактерий или грибов.
Аппараты с мешалками широко используются в химической и многих других отраслях промышленности. В аппаратах этого типа проводятся многие гидромеханические и массообменные процессы в одно – и многофазных средах (растворах, эмульсиях, суспензиях). В качестве рабочей среды используются вещества с различными свойствами, в том числе агрессивные, взрывопожароопасные и токсичные. Процессы обычно проводятся при повышенных температурах, при избыточном давлении или вакууме. Перемешивание обеспечивает интенсификацию процессов тепло – и масса - обмена и часто является необходимым условием эффективного течения химических реакций. Конструкция аппарата должна обеспечивать его надёжную работу в заданном технологическом режиме в течении заданного срока службы. Химически аппараты подлежат периодическим проверкам и планово – предупредительным ремонтам.
|
|
|
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
В 1982 г. К. Шюгерль предложил подразделить биореакторы на 3 основные группы согласно способу потребления энергии для перемешивания и диспергирования г стерильного воздуха (газа):
- в биореакторах I типа энергия расходуется на механическое движение внутренних устройств;
- в биореакторах II типа энергия расходуется на работу внешнего насоса, обеспечивающего рециркуляцию жидкости и/или газа;
- в биореакторах III типа энергия расходуется на сжатие и подачу газа в культуралъную жидкость.
Рисунок – Биореакторы для аэробных процессов: с расходом
энергии на механическое движение внутренних устройств
Где, а — 1, 2. 3; с расходом энергии на работу насоса, обеспечивающего рециркуляцию культуральной жидкости б — 4; с расходом энергии на сжатие и подачу газовой фазы в — 5 (г — газ. ж — жидкая фаза, д — двигатель).
Человек с древнейших времен эмпирически применял дрожжевые организмы в примитивных по аппаратурному оформлению биотехнологических процессах (хлебопечение, виноделие и пр.). Развитие промышленности антибиотиков продвинуло далеко вперед проблему создания специальной аппаратуры для культивирования микробов — продуцентов БАВ (аминокислот, антибиотиков, полисахаридов, витаминов, ферментов и других соединений). Были предложены различного типа биореакторы для выращивания микроорганизмов, однако все конструкции ферментаторов (ферментеров) оставались в основном сходными по большинству параметров и, усредненно, их можно подразделить на 2 типа: без подводки стерильного воздуха (для анаэробов) и с подводкой его (для аэробов). Аэрируемые биореакторы могут быть с мешалками и без них.
Рисунок 2 – Ферментатор периодического действия
Где, 1 — турбинная трсхярусная мешалка, 2 — охлаждающий змеевик. 3 — секционная рубашка. 4 — отражательная перегородка. 5 - барботер. П-пар;
I—XI — материальные и вспомогательные трубопроводы с запорно-регулирующими устройствами (I — посевная линия. I —подача стерильного сжатого воздуха. III — подача пара, IV — удаление отработанного воздуха. V — загрузочная линия, VI — линия введения добавок, VII подача пеногаситсля, VIII — подача моющего раствора. IX — пробоотборник. X -выдача продукта, XI — выдача в канализацию через нижний спуск).
В последние годы апробированы мембранные биореакторы, биореакторы с полыми волокнами и некоторые другие.
При расчете и конструировании биореакторов необходимо учитывать время протекания различных биологических процессов у представителей различных групп организмов.
Некоторые технические характеристики промышленного биореактора в сравнении с пилотным и лабораторным приведены в таблице 1:
Таблица 1 – Технические характеристики промышленного биорактора
| Характеристика | Показатели для аппаратов | ||
| промышленного на 100 м3 | пилотного на 150 л | лабораторного на 10 л | |
| Внутренний диаметр, мм | 3600 | 420 | |
| Высота, мм | 15715 | 1140 | |
| Рабочий объем, л | 1 | 100 | 2-6 |
| Диаметр турбин, мм | 900 | 140 | |
| Число турбин | 1-2 (диаметр | 3 | 2 |
| рабочего колеса | |||
| 960 мм) | |||
| Число отбойников | 4 | 4 | ± |
| Частота вращения вала мешалки, об/мин | 173 | 125-990 | 200-1500 |
| Мощность | |||
| электродвигателя | |||
| мешалки, кВт | 160 | 2,2 | Не более 2 |
| Мощность | |||
| электродвигателя | |||
| пеногасителя, кВт | 4 | 0,73 | |
| Максимальное | |||
| количество | |||
| отработанного | |||
| пеногасителем газа. | |||
| м3/мин | 100-110 | 0,3 | |
| Частота вращения вала | |||
| пеногасителя. об/мин | 725 | 3000 | |
Размеры ферментаторов определяются соотношением внешнего диаметра к высоте, который варьирует обычно в пределах от 1:2 до 1:6. Почти универсальными и чаще используемыми являются ферментаторы для анаэробных и аэробных процессов. Эти ферментаторы в свою очередь классифицируют по способу ввода в аппарат энергии для перемешивания газовой фазой (ФГ), жидкой фазой (ФЖ), газовой и жидкой фазами (ФЖГ).
Таблица 2 – классификация ферментаторов
| Ферментаторы | Характеристика конструкции аппарата | Тип аппарата |
| ФГ с подводом энергии газовой фазой | Простота конструктивного осрормления и высокая надежность в связи с отсутствием движущихся узлов и деталей | Барботажный. барботажно-эрлифтный. колоночный (колонный), форсуночный |
| ФЖ с подводом энергии жидкой фазой | Обычно энергия передастся жидкой фазе самовсасынающсй мешалкой или насосом | Эжекционный. с циркуляционным контуром, с нсасывающей мешалкой |
| ФЖГ (комбинированные) | Основным конструктивным элементом является перемешивающее устройство, обеспечивающее высокую интенсивность растворения кислорода и высокую степень диспергирования газа. В то же время энергия газовой фазой выводится обычным способом | Барботажный с механическим перемешиванием |
С использованием указанных выше классификаций удается разработать единые методы инженерных расчетов основных конструктивных элементов и режимов работы ферментаторов.
Ферментаторы указанных трех групп имеют большое количество общих элементов. Различие же состоит в конструкциях аэрирующих и перемешивающих устройств. Примером конструктивного оформления ферментатора группы ФГ может быть аппарат с эрлифтом вместимостью 63 м3. В аппарате отсутствует механическое перемешивание, поэтому проще поддерживать асептические условия. Воздух для аэрации среды подастся по трубе, расположенной вертикально в ферментаторе. Аэратор, конструкция которого обеспечивает вихревое движение выходящего воздуха, расположен в нижней части диффузора и насыщает питательную среду воздухом. Газожидкостная смесь поднимается по диффузору и перемешивается через его верхние края. В этой же зоне часть воздуха уходит из аппарата, и более плотная среда опускается вниз в кольцевом пространстве между корпусом ферментатора и диффузором. Так происходит многократная циркуляция среды в ферментаторе. Для отвода биологического тепла внутри ферментатора установлен змеевик, а также аппарат снабжен секционной рубашкой. Недостатком этих аппаратов является низкая интенсивность массообмсна по кислороду. Известны ферментаторы этого типа объемом 25, 49, 63 и 200м3.
Рисунок 3 – Ферментатор с эрлифтом
Где, 1 — штуцер для слива, 2 — аэратор, 3 — змеевик, 4 — штуцер для загрузки. 5 — люк, 6 — корпус аппарата, 7 — диффузор, 8 — рубашка, 9 — труба передавливания.
Широкое распространение в производстве кормового белка получили ферментаторы с самовсасывающими мешалками (рис. 91). Это ферментаторы из группы ФЖ. Для выращивания чистой культуры дрожжей созданы ферментаторы вместимостью 0.32, 3.2 и 50 м3. Ферментатор представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат, снабженный циркуляционными, теплообменными и аэрирующими устройствами. В качестве циркуляционных устройств использованы системы направляющих диффузоров, разграничивающих восходящие и нисходящие потоки. Теплообменные устройства выполнены в виде трубок, установленных в трубных решетках диффузоров.
Рисунок 4 – Ферментатор с самовсасывающей мешалкой
непрерывного действия
Где, 1 — корпус, 2 — диффузор, 3 — самовсасывающая мешалка. 4 — теплообменник, 5 — фильтр.
На предприятиях микробиологической промышленности при выращивании дрожжей в средах с жидкими парафинами также применяют ферментаторы с самовсасывающими мешалками непрерывного действия. Емкость его 800 м3 (рабочий объем 320 м3) разделена на 12 секций. Ферментационная среда последовательно проходит все секции, и из последней выходит культуралъпая жидкость с минимальным содержанием н-парафинов и максимальной концентрацией биомассы. В каждой секции установлено перемешивающее и аэрирующее устройство и змеевики для отвода тепла. Ферментаторы периодического действия из групп ФЖГ применяют с 1944 г. в
промышленности для получения антибиотиков, витаминов и других биологически активных веществ (см. рис. 88). Его конструкция обеспечивает стерильность ферментации в течение длительного времени (нескольких суток) при оптимальных условиях для роста и жизнедеятельности продуцента. Ферментаторы такой конструкции изготавливают на 1,25; 2,0; 2,5; 3,2; 4,0; 5,0; 6,3; 10,0; 16,0; 20,0; 32,0; 50,0; 63,0; 100,0 и 160,0 м3. Как видно из рисунка, это цилиндрический вертикальный аппарат со сферическим днищем, снабженный аэрирующим, перемешивающим и теплопередающим устройствами. Воздух для аэрации поступает в ферментатор через барботер, установленный под нижним ярусом мешалки. С точки зрения эффективности диспергирования воздуха конструкция барботера принципиальной роли не играет при наличии мешалки, однако, с точки зрения эксплуатации, наиболее удобным является квадратный барботер, который получил наибольшее распространение. Отверстия в барботере направлены вниз, во избежание засорения биообъектами. Общая площадь отверстий должна быть на 25% больше площади поперечного сечения трубопровода, подводящего воздух. Барботер по своим размерам должен соответствовать диаметру мешалки, чтобы выходящий из него воздух попадал в зону ее действия.
Эффективность работы ферментатора определяется прежде всего необходимой интенсивностью перемешивания. Перемешивающие устройства служат для сохранения равномерного температурного поля по всему объему аппарата, своевременного подвода продуктов питания к клеткам и отвода от них продуктов метаболизма, а также интенсификации массопередачи кислорода. Для создания в ферментаторе условий "полного отражения", во избежание образования вращательного контура, который резко снижает интенсивность перемешивания, в аппарате устанавливают отражательные перегородки (отбойники). Ширина их составляет (0,1—0,12) dM. Обычно рекомендуют устанавливать 4 отражательных перегородки, несколько отступая от стенок ферментатора.
Важным элементом в конструкции ферментатора являются теплообменные устройства. Применение высокопродуктивных штаммов биообъектов, концентрированных питательных сред, высокий удельный расход мощности на перемешивание — все эти факторы сказываются на существенном возрастании тепловыделений, и для отвода тепла в ферментаторе устанавливают наружные и внутренние теплообменные устройства. Промышленные ферментаторы, как правило, имеют секционные рубашки, а внутри аппарата — четыре змеевика.
Разработчики аппаратуры в нашей стране и за рубежом постоянно совершенствуют конструкции биореакторов. Так, например, фирма New Brunswick Scientific Co., Inc. (США) предложила следующие типы ферментаторов: Био-Фло III — для периодического и непрерывного культивирования микробных, животных и растительных клеток, совмещенный с микропроцессором и персональным компьютером; Микрос I — для культивирования микроорганизмов (совмещен с микропроцессором) и промышленные ферментаторы емкостью от 40 до 4000 литров и более (совмещены с микропроцессорами). В Датской мультинациональной компании Gist-Brocades в 1987 г. сконструирован и изготовлен самый большой промышленный ферментатор для производства пенициллина (200 м3).
РАСЧЁТ БИОРЕАКТОРА С ТРЕМЯ МНОГОЯРУСНЫМИ
ПЕРЕМЕШИВАЮЩИМИ УСТРОЙСТВАМИ
Задание:Рассчитать биореактор с тремя многоярусными перемешивающими устройствами рабочим объемом 200м3 и скоростью сорбции кислорода 13кгО2/м3.ч
1. Исходные данные
| Рабочий объем аппарата, м3 | Vр | 200 |
| Заданное значение скорости сорбции кислорода, кг/м3×ч | М | 13 |
| Критерий расхода газа | Q | 41 |
| Время перемешивания, с | t | 240 |
| Параметрический критерий | k1 | 0.18 |
| Удельный объемный расход воздуха при рабочих условиях, м3/м3×с | VV | 27,7×10-3 |
| Показатель адиабаты | Ka | 1,4 |
| Плотность кислорода, кг/м3 | rО2 | 1.43 |
| Константа фазового равновесия (Генри), Па×м3/кг | mрс | 23×105 |
2. Расчет аппарата с тремя многоярусными перемешивающими устройствами
| Наименование и единицы измерения величин | Обозначение и расчетная формула | Числовое значение | |
| Расчетные величины | |||
| Начальная концентрация кислорода в воздухе, объемная доля |
Yн | 0.21 | |
| Плотность жидкости, кг/м3 | r | 1000 | |
| Давление воздуха на выходе из аппарата, Н/м2 | Рвых | 105 | |
| Коэффициент, учитывающий механические потери | kм | 0,95 | |
| Коэффициент | l¢ | 2 | |
| Коэффициент заполнения | k | 0,5 | |
| Коэффициент мощности турбинной мешалки |
| 5,5 | |
| Коэффициент мощности мешалки-диспергатора |
| 2,3 | |
| Рабочий объем условного модуля, прорабатываемого одной многоярусной мешалкой, м3 | Vр ус | 67 | |
| Число многоярусных перемешивающих устройств | m = Vр/Vр ус | 200/67 = 2.985 | |
| Общий объемный расход воздуха при рабочих условиях, м3/с | Vг = VV×Vp | 27.7×10-3×200 = 5,54 | |
| Общий объемный расход воздуха при рабочих условиях для одного модуля, м3/с |
Vг ус = VV×Vp/m | 27.7×10-3×200/3 = 1,856 | |
| Число ярусов |
| 
| |
| Расстояние между соседними мешалками | l = l¢×dм | l = 2dм 2×1.129=2.257 | |
| Коэффициент | K2 = 0,785k1-2×l¢ | 0,785(0,18)-2×2 = 48,457 | |
| Диаметр мешалки, м |
| 
| |
| Частота вращения мешалки, с-1 | n = Vг ус×102/Q*dм3 | 1,85×102/41(0,77)3 = 3.148 | |
| Высота монолитной жидкости, м | Нж = l¢×dм×mя | 2×0,77×3 = 6.48 | |
| Давление воздуха на входе в аппарат, Н/м2 | Рвх=[Ра+(0,1Нж)]×105 | [1+(0,1×4,62)] 105= 1,648×105 | |
| Относительная мощность, соответствующая Q | No=0,65(Q-1)0,14 | 0,65(41-1)0,14=0,386 | |
| Удельная мощность, затрачиваемая на перемешивание газовой фазой, кВт/м3 |
| [1,4/(1,4-1)]×1,462×105×27,7×10-3´ ´[(1,462×105/1×105)(1,4-1)/1,4-1]´10-3 =2.451 | |
| Удельная мощность, потребляемая на перемешивание турбинными мешалками, кВт/м3 |
| [0,38×5,5×3×103×9,83´ (0,77)5×3×10-3] /200 = = 1.743 | |
| Удельная мощность, потребляемая на перемешивание мешалкой - диспергатором, кВт/м3 |
| [0,38×2,3×103×9,83´ (0,77)5×10-3] /200 = = 0.729 | |
| Общая удельная мощность, потребляемая на перемешивание, кВт/м3 |
| 2,451+1,743+0,729=4.924 | |
| Объемный коэффициент массопередачи кислорода, с-1 |
| 0,82∙(10,64)^0,53∙ (9,8)^0,2×(3)^0,5 ∙(0,24)^1,5=0,478 | |
| Среднее давление, Па | Рср=[(Рвх+Ра)/2]×105 | [(1,462+1)/2]×105= 1.324×105 | |
| Движущая сила процесса массопередачи, кг/м3 |
| [(27,7×10-3×0,21×3600- М /1,43)//(27,7×10-3 ×3600-М/1,43)]´ ´1,324×105/23×105= =(20,9-0,7Mp/99,7-0,7Mp) ´0,058 =(1,21-0,04Mp -–99,7-0,7Mp) | |
| Расчетная скорость сорбции кислорода, кгО2/м3ч | Мр = KLa×Dc | Мр = 0.478×3600´ ´(1,21-0,04 Мр/99,7- -0,7 Мр; 0.7Мр2 -168,5 Мр + +2082,17=0; Мр=13,07 | |
| Диаметр аппарата, м | D=(4Vр/pНж)0,5 | (4×200/3,14×4,62)0,5=6.269 | |
| Полный объем аппарата, м3 | Vф = Vp/k | 200/0,5 = 400 | |
| Высота аппарата, м | Нф = Нж/k | 4,62/0,5 = 12.959 | |
| Мощность электродвигателя для одного перемешивающего устройства, кВт | Nдв 1 = NVм×Vp/kм×m | 10,64×200/0,95×3 @ 174 | |
| Общая мощность электродвигателей для 3-х перемешивающих устройств, кВт | Nдв 1× m | 174*2 = 520 | |
| Удельные энергозатраты на растворение кислорода, кВт ч/кгО2 |
| 4,924/13,07=0,377 | |
Рассчитанные ведичины основных размеров биореактора с тремя многоярусными перемешивающими устройствами показаны на рисунке 5.
Рисунок 5 – Биореактор с многоярусными мешалками и нижним приводом
Где, 1 - корпус; 2 –мешалка.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной работе были рассчитаны основные параметры биореактора с тремя многоярусными перемешивающими устройствами рабочим объемом 200м3 и скоростью сорбции кислорода 13кгО2/м3. В том числе геометрические параметры, мощность электродвигателя, удельные энергозатраты.
Дата добавления: 2018-04-05; просмотров: 1181; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!