Глутамінова кислота (аміноглутарова) є однією з найважливіших амінокислот рослинних і тваринних білків

• Название: Глутамінова кислота (аміноглутарова) є однією з найважливіших амінокислот рослинних і тваринних білків
• Анкор: pz_S_6_STORINKI.docx
• Дата: 11.08.2018
• Размер: 0.57 Mb.
• Имя файла: pz_S_6_STORINKI.docx
• Тип: Документы; #22814
• страница: 3 из 4

5.4 Тепловий розрахунок.

5.4.1 Тепловий баланс
Вихідні дані:

Температура процесу: .

Час процесу: τ = 120 год.

Температура поживного середовища: .

Густина поживного середовища: .

Коефіцієнт теплопровідності поживного середовища: .

Динамічна в’язкість поживного середовища: .
Питома теплоємність поживного середовища: .

Поверхневий натяг поживного середовища: .

Температура посівного матеріалу: .

Густина посівного матеріалу: .

Коефіцієнт теплопровідності посівного матеріалу: .

Динамічна в’язкість посівного матеріалу: .

Питома теплоємність посівного матеріалу: .

Поверхневий натяг посівного матеріалу: .

Питома теплоємність повітря: .

Температура повітря: .

Прийнявши, що у ферментер вносять 10% посівного матеріалу, розрахуємо витрату посівного матеріалу:

(5.21)

.

Тоді витрата поживного середовища буде така:

. (5.22)

.

Для забезпечення процесу біосинтезу глутамінової кислоти за технологією необхідна хороша аерація середовища у ферментері. Тому приймаємо витрати повітря із розрахунку 1 м³ повітря на 1 м³ середовища за 1 хвилину.



Баланс надходжень розрахуємо за наступними формулами:

1. Теплова енергія, що надходить з посівним матеріалом:

(5.23)
2. Теплова енергія, що надходить з поживним середовищем:

(5.24)

3. Теплова енергія, що надходить з повітрям:

(5.25)

4. Дисипативна енергія, що надходить з перемішуючим пристроєм:

(5.26)

5. Дисипативна енергія, що надходить від руху повітря через рідину:

(5.27)

6. Енергія, що утворюється під час згорання цукрів:

(5.28)

Надходження теплової енергії:

(5.29)

Розрахуємо теплову енергію, що надходить з посівним матеріалом:

.

Розрахуємо теплову енергію, що надходить з поживним середовищем:

.

Для розрахунку теплової енергії, що надходить з повітрям необхідно знати витрати повітря. Витрати повітря розрахуємо за формулою:

, (5.30)







Отже, теплова енергія, що надходить з повітрям:

.

Для визначення дисипативної енергії, що надходить з перемішуючим пристроєм розрахуємо φ:

, (5.32)



с = 0,026, n = 0,26 при A > 18 і с = 0,094, n = 0,62 при A ≤ 18.



A > 18, значить с = 0,026, n = 0,26:

.

Отже, дисипативна енергія, що надходить з перемішуючим пристроєм:



Різниця тиску на поверхні рідина-газ:

(5.34)



Дисипативна енергія, що надходить від руху повітря через рідину:



Приймемо, що у поживному середовищі 10% цукрів, що повністю витрачаються мікроорганізмами Corynebacterium gtutamicum . Теплота згорання цукрів



Надходження:



Баланс витрат розрахуємо за наступними формулами.

1. Теплова енергія, що виноситься з культуральною рідиною:

(5.35)

2. Теплова енергія, що виділяється з повітрям:

(5.36)
3. Теплота, що виділяється з парою:

(5.37)

4. Втрати теплоти:

. (5.38)

.

Витрати теплової енергії:

(5.39)

Розрахуємо теплову енергію, що виноситься з культуральною рідиною:



Для розрахунку теплової енергії, що виділяється з повітрям, необхідно знати густину повітря при температурі t = 29⁰C, яку розрахуємо за формулою:





Тоді теплова енергія, що виділяється з повітрям:



Розрахуємо теплову енергію, що виділяється з парою. Питома теплота пароутворення культуральної рідини r = 2400 кДж/кг.





Втрати теплоти:



Витрати теплової енергії:




Теплоносій.

(5.40)

- теплове навантаження теплообмінних пристроїв ферментера. (5.41)

– зміна температури теплоносія. (5.42)

У даному процесі біосинтезу антибіотика необхідно охолоджувати реакційне середовище, тому теплоносій – вода – буде нагріватись, значить

Температуру кінцеву теплоносія приймаємо з розрахунку:

(5.43)



Температура початкова теплоносія:

,

де приймаємо .

.

Витрати теплоносія розрахуємо за формулою:







Об’ємні витрати теплоносія:



– густина теплоносія.


Орієнтовна поверхня теплообміну:



де – коефіцієнт теплопередачі,

.

Приймаємо , .


5.4.2 Уточнення коефіцієнта тепловіддачі

Для апаратів з перемішуючим пристроєм в умовах барботажу коефіцієнт тепловіддачі від середовища до внутрішньої стінки апарату визначають з наступної формули:



Звідки коефіцієнт тепловіддачі:



Критерій Нуссельта розраховуємо за формулою:










Розрахуємо швидкість газу:


Критерій Рейнольдса:



Критерій Прандтля:



Критерій Фруда:



Критерій Нуссельта:



Отже, коефіцієнт тепловіддачі від середовища до внутрішньої стінки апарату:



Коефіцієнт тепловіддачі теплоносія в сорочці визначають з наступної формули:



Звідки коефіцієнт тепловіддачі:



Критерій Нуссельта розраховуємо за формулою:

, (5.56)

де при 10³ < < 10⁹ c = 0,76, n = 0,25;

при > 10⁹ c = 0,15, n = 0,33.

У даному процесі в якості теплоносія використовується вода, значить добуток можна розрахувати по наступній спрощеній залежності:

. (5.57)
Приймаємо, що початкова температура теплоносія , а кінцева температура теплоносія .

Тоді середня температура теплоносія:



Температура стінки:



Коефіцієнт B визначаємо за середньою температурою теплоносія:

В = 10,25*10⁹.



> 10⁹ , значить c = 0,15, n = 0,33.

.





Коефіцієнт тепловіддачі розраховуємо за формулою:





Розрахуємо реальну площу поверхні теплообміну за формулою:


Середня різниця температур розраховується за формулою:


Розрахуємо середню різницю температур:

,

.

.



Реальна площа поверхні теплообміну:



Оскільки орієнтовна поверхня теплообміну більша за поверхню сорочки, тепловий режим не забезпечується підведенням теплоносія в сорочку. Необхідні додаткові теплообмінні елементи - змійовики.
5.4.3 Розрахунок змійовиків
Для забезпечення ефективного відводу теплової енергії у період максимального синтезу глутамінової кислоти в апараті додатково встановлюють змійовики.

Приймаємо, що зовнішній діаметр труби змійовика , а внутрішній діаметр , труба змійовика 59×4,5 мм. Приймаємо, що необхідна кількість змійовиків – з діаметром витка і з кроком t = 100 мм. Висота змійовика H = 3000 мм.

Кількість витків змійовика розрахуємо за формулою:



z = 30 + 1 = 31 виток.

Загальна довжина труби змійовика:



Загальна довжина усіх труб змійовика:

(5.65)

Площа поверхні теплообміну, яку будуть забезпечувати змійовики:

(5.66)

Отже, в період максимального синтезу глутамінової кислоти відвід тепла забезпечать змійовики та сорочка апарата із загальною площею поверхні теплообміну F_заг = 114 м².

5.5 Розрахунок барботеру

Для даного процесу обираємо роз'ємний барботер квадратного типу, його конструкція зображена на рисунку 5.3.



Рисунок 5.6. Квадратний барботер.

Приймаємо, що швидкість повітря на виході з отвору барботера Діаметр отвору барботера . Крок отворів t = 14 мм.

Площа поперечного перерізу всіх отворів барботера:



Діаметр труби барботера розрахуємо за формулою:




Із стандартного ряду приймаємо, що труба барботера буде з такими розмірами: 180×5 мм.

Число отворів на барботері розрахуємо за формулою:



Число отворів:



Довжину сторони барботера приймаємо L = 560 мм. Необхідно розмістити 656 отворів на 4 сторонах барботера довжиною L = 560 мм з кроком

t = 14 мм. Число отворів на одній стороні барботера в одному ряду:





Розмістимо усі 656 отворів у 4 ряди на чотирьох сторонах барботера по 41 отвору в кожному ряду. Перевірка:

Отже, саме така конструкція барботеру і розрахована кількість отворів забезпечать оптимальну аерацію середовища у даному ферментері.
5.6 Розрахунок масообмінного процесу

Для апаратів з механічними декількома відкритими турбінними мішалками і барботером для розрахунку об’ємного коефіцієнта масопереносу кисню у середовище рекомендують застосовувати таку формулу:



де – сумарна дисипація енергії. (5.72)



Величину сумарної дисипації енергії приймаємо у кВт.
Розрахуємо



Розрахуємо :



Розрухуємо



Розрахуємо коефіцієнт масопереносу:


_{βv – коефіцієнт масо переносу, віднесений до об’єму рідини, с}^-1 _[3].