Изучение работы ферментатора

Цель работы: изучить устройство, правила эксплуатации ферментатора, определить конструктивные и технологические параметры устройства, произвести расчеты, сделать анализ и выводы.

Общие положения

Ферментаторы используются для глубинного выращивания микроорганизмов. Они подразделяются на группы: по способу культивирования (аппараты непрерывного и периодического действия), стерильности (на герметичные и негерметичные), по конструктивным признакам (на ферментаторы с диффузором и турбиной, вращающимися аэраторами, механическими мешалками, с наружным циркуляционным контуром, колонные ферменататоры, с эжекционной системой аэрации).

В микробиологической промышленности практически все процессы культивирования продуцентов биологически активных веществ, за исключением дрожжей для получения БВК на парафинах, гидролизатах и сульфитных щелоках, проводятся периодическим способом в стерильных условиях.

Ферментатор с механической мешалкой и барботером (рисунок 2.1) представляет собой вертикальный аппарат цилиндрической формы с эллиптическими крышкой и днищем. На крышке аппарата расположен привод перемешивающего устройства и механического пеногасителя, штуцера для загрузки питательной среды, посевного материала, пеногасителя, подачи и вывода воздуха, смотровые окна, люки для погружения моющей механической головки, предохранительный клапан и штуцера для приборов визуального контроля.

1 – электродвигатель;

2 – редуктор; 3 – муфта;

4 – подшипник; 5 – сальник;

6 – вал; 7 – корпус;

8 –турбинная мешалка;

9 – змеевиковый теплообменник;

10 – муфта; 11 – труба для подвода

воздуха; 12 –лопастная мешалка; 13

– барботер; 14 – винтовая мешалка; 15 – опорный подшипник; 16 – штуцер для спуска; 17 – рубашка;

18 – загрузочный штуцер;

19 – штуцер для подачи воздуха

Рисунок 2.1 - Ферментатор с механическим перемешиванием барботажного типа вместимостью 63 м²

_{Для выгрузки культуры в днище аппарата} предусмотрен спускной штуцер. Внутри аппарата установлен вал с закрепленными на нем перемешивающими устройствами, расположенными в два яруса лопастными мешалками. Барботер расположен в днище аппарата и представляет собой разборный ромб из перфорированных труб с отверстиями, расположенными в шахматном порядке. Вал приводится во вращение от электродвигателя с частотой вращения 110-250 мин^-1.

Ферментатор оборудован паровой рубашкой, состоящей из 6…8 ярусов-секций.

Диаметр турбинной мешалки ферментатора рассчитывается по формуле

d _{м =} (0,3...0,33)D_вн ,

где D_вн - внутренний диаметр ферментатора, м.

Частота вращения мешалки, мин^-1:

^,

где ω-окружная скорость мешалки, м/с. Значение ее принимается из таблицы 2.1.

Таблица 2.1 – Параметры перемешивающих устройств

Перемешивающие устройства	Вязкость среды, Па.с	Окружная скорость мешалки, м/с
Лопастные,якорные, рамные	0,001…0,004 4…8 8…15	3,0…2,0 2,5…1,5 1,5…1,0
Турбинные	0,001…5 5…15 15…25	7…4,2 4,2…3,4 3,4…2,3
Пропеллерные	0,001…2	4,8…16

Потребляемая мощность без учета влияния вспомогательных устройств:

_,

где K_N-критерий мощности, зависящий от интенсивности перемешивания и характеризующийся центробежным критерием Рейнольдса;

ρ_с-плотность среды,

n-число мешалок, шт.,

d_м-диаметр мешалки, м.

,

где с - динамическая вязкость среды.

Расчетная мощность на валу мешалки:

где k₁ - коэффициент заполнения аппарата растущей культурой ;

k₂ – коэффициент, учитывающий увеличение потребляемой мощности из-за повышения сопротивления растущей культуры в процессе роста (k₂=1,1);

∑k-коэффициент, учитывающий увеличение потребляемой мощности на преодоление сопротивления, вызываемого вспомогательными устройствами.

^k₁ ^{= H}_ж ^{/ D}_вн ^,

где Н_ж-высота слоя перемешиваемой жидкости (для турбинных мешалок Н_ж=0,65 Н_ап).

^{∑ k = k}_п ^{+ k}_м ^{+ k}_{тр +} ^k_т ^,

где k_п-коэффициент сопротивления отражательных перегородок;

k_м - коэффициент сопротивления дополнительной мешалки

k_тр - коэффициент сопротивления трубы для подвода воздуха;

^k_т ^{- коэффициент сопротивления гильзы для термометра.}

^{Значения} k_п^, k_м, k_тр, ^k_т ^{в зависимости от типа мешалки} приведены в таблице 2.2.

Мощность на преодоление трения в сальнике вала:

где, n и d_в-частота вращения, мин^-1 и диаметр вала, м;

S_c – толщина набивки сальника вала, м;

Р-рабочее давление воздуха в аппарате над уровнем жидкости, Па;

h_с-высота набивки сальника, м (h_с=6 S_с).

^{Для определения N}_с ^{можно принять P=0,1 мПа.}

Определение диаметра приводного вала мешалки производят по приближенной формуле, исходя из прочности его на кручение:

,

^{где М}_кр^{-крутящий момент на валу мешалки, Н.м;}

^τ_доп.^{- допускаемое напряжение для материала вала} на кручение;

с_м-поправка на коррозию, эрозию и износ материала, м.

_{Крутящий момент на валу мешалки:}

^M _{кр =} ^0,163N_р ^{/ n,}

где N_р- передаваемая расчетная мощность на валу;

n - запас прочности.

С целью обеспечения жесткости полученную расчетную величину d_в умножают на коэффициент 1,25 и получают d_в1. Для определения диаметра участка вала, ^{расположенного выше нижней турбинки d}_в2, ^{величину d}_в1 умножают на коэффициент 1,07. Для определения диаметра участка вала, расположенного выше верхней турбинки d_в3 при проходе через сальник величину d_в1 умножают на коэффициент 1,14.

Вал обычно изготовляют из стали Ст.45. Предел прочности для Ст.45 на растяжение σ_в= 610 мН/м² (около 62 кг/мм²), запас прочности n_в=2,6. Допустимое напряжение на растяжение вычисляют путем деления величины предела прочности на растяжение на величину запаса прочности:

_.

Допустимое напряжение на кручение [ τ ] =0,6 [ σ ].

Допустимое напряжение для валов перемешивающих устройств

[ τ^’]= 0.5 [ τ ].

Толщина сальниковой набивки, мм:

_,

_{где dв2- диаметр вала, м.}

Затем определяют расчетную силу сжатия набивки :

^,

где р – допустимое давление в аппарате при стерилизации, Па.

Окончательную установленную мощность N_уст=[кВт] приводного электродвигателя мешалки вычисляют по формуле

^N _{уст =} ^1,15(N _{p +} ^N _c ^{) /η,}

_{где η- КПД редуктора привода.}

Затем по величине N_уст подбирают вертикальный привод, тип электродвигателя, его мощность и частоту вращения.

Определение теплового баланса ферментатора

В ферментаторе в процессе жизнедеятельности микроорганизмов выделяется тепло. При повышении температуры растущей культуры рост культуры замедляется, а затем возможна и гибель микроорганизма. Для предотвращения этого ферментаторы должны быть оборудованы теплосъемными устройствами (змеевики, рубашки, тепловые трубы).

Количество тепла, отводимого от растущей культуры, _{и расход охлаждающей воды определяют из теплового} баланса.

Приход тепла С питательной средой Q1= Gпcпtп Биологическое тепло, выделяющееся при росте культуры, Q2=qp С охлаждающей водой Q3=GBcBt1B С продуваемым воздухом ^Q4^=^Li1

Расход тепла С готовой культурой Q5= Gкcкtк С охлаждающей водой QB=GBcBt2B С продуваемым ^возд^у^хом ^Q7^=^Li Потери тепла в окружающую среду ^Q8^=^3600^α^Fa^∆^t

Здесь G_п, G_в, G_к- масса питательной среды, охлаждающей воды и готовой культуры, кг;

с_п, с_в и с_к - удельные теплоемкости питательной среды, охлаждающей воды и готовой культуры, кДж/(кг·К);

t_п, t_к, t_1в и t_2в - температуры питательной среды, готовой культуры, начальная и конечная охлаждающей воды, К;

q - среднее количество тепла, выделяющееся при приросте биомассы культуры микроорганизма; кДж/кг;

р- прирост биомассы организмов, кг/ч;

L- количество продуваемого воздуха, кг/ч;

i₁ и i₂- энтальпия свежего и отработавшего воздуха, кДж/кг;

α- коэффициент теплоотдачи от поверхности ферментатора в окружающую среду, кВт/(м²·К);

F_a - площадь поверхности ферментатора, м²;

∆t- средняя разность температур растущей культуры и окружающего ферментатор воздуха, К.

_{Уравнение теплового баланса ферментатора имеет вид}

Обозначим Q₁+Q₂- Q₅- Q₈- L(i₂-i₁)= Q, тогда расход охлаждающей воды (кг/ч):

Площадь поверхности теплопередачи ферментатора, м²:

где К- коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·К); ∆t- средняя разность температур растущей культуры и охлаждающей воды, ⁰С.

Величина теплоотдачи α₂ для воды определяется в зависимости от критерия Re. Определение величины теплоотдачи от стенки к растущей среде α₁ усложняется наличием в среде большого количества воздуха, раздробленного на мелкие пузырьки и ухудшающего условие теплоотдачи. Поэтому с определенной погрешностью можно воспользоваться эмпирическим уравнением для определения теплоотдачи от поверхности трубы к разным по плотности и вязкости растворам сахара и мелассы при естественной конвекции:

где t_ж и t_ст – температуры растущей культуры и стенки рубашки, ⁰С; µ- динамическая вязкость среды, Па·с.

Вязкость разбавленных мелассных растворов может быть вычислена по формуле

где В – концентрация раствора, %; t – температура раствора.

На основании опытных данных для ферментаторов, снабженных охлаждающими рубашками, с учетом загрязнения стенок можно принимать К=3000 Вт/(м²∙К). Расход воздуха на аэрирование растущей культуры находится в пределах 60-120 м³/(ч∙м³).

Лабораторная работа № 3