Материальный баланс стадии тп.3 выращивания вегетативного посевного материала в посевном аппарате

Уравнение материального баланса стадии:

m _{ст. п. ср.} + m _инок. + m _{ст. пен.} + m _Опотр = m _{пос. мат.} + m _СО+m _брызг + m _влаги

где: m _{ст. п. ср.} – масса стерильной питательной среды в посевном аппарате, кг;

m _инок. – масса инокулюма, загружаемая в посевной аппарат, кг;

m _{ст. пен.} – масса стерильного пеногасителя, кг;

m_Опотр – масса кислорода, потребленного из воздуха при выращивании посевного материала, кг;

m _влаги - масса влаги, принесенной воздухом, кг;

m _{пос. мат.} – масса выращенного посевного материала, кг;

m _СО - масса диоксида углерода, выделившегося при выращивания посевного материала, кг.

1. Масса стерильной питательной среды, кг:

m _{ст. п. ср.} =553,48 кг (из материального баланса стадии приготовления и стерилизации питательной среды для посевных аппаратов, стр. ).

2. Масса инокулюма, загружаемая в посевной аппарат, кг:

m _{пос. мат.} = 53,903 кг (из материального баланса стадии выращивания инокулема, стр.).

3. Масса стерильного пеногасителя, кг:

При выращивании посевного материала добавляют только синтетический пеногаситель (жировой пеногаситель добавляют при приготовлении питательной среды).

Синтетический пеногаситель добавляют в минимальных количествах, так как они ядовиты; их добавляют пропорционально сечению посевного аппарата (S₁).

3,2 м³: m _{син. пен.} = 1 кг ; [по д.з]

1,0 м³: m _{син. пен.} = Х кг.

3,2 м³ – 1 кг — S₁

1 м³ – Х кг — S₂

3,2 м³: — S₁ = ;

где: d – диаметр посевного аппарата, м, (по каталогу);

1,0 м³: — S₂ = ;

S₁ – 1,54 – 1 кг;

S₂ – 0,785 – Х кг.

Х = кг

4. Расчет поглощенного кислорода и выделившегося углекислого газа:

Для определения количества потребленного кислорода и выделившегося диоксида углерода в процессе выращивания посевного материала необходимо предварительно рассчитать тепловой эффект жизнедеятельности Q_б/за, кДж:

Q_б/с = q_s - q_m - 2 q_р,

где: g_s – теплота сгорания субстратов, кДж;

g_m – теплота сгорания вновь образованного мицелия, кДж;

g_р – теплота сгорания целевого продукта, кДж.

Т.к. при выращивании посевного материала еще не образуется целевой продукт, то уравнение теплового эффекта реакции будет иметь вид:

Q_б/с = q_s - q_m

1. Теплота сгорания субстратов:

Таблица 11.9

Наименование компонента	Удельная теплота сгорания Н,кДж/кг	Масса энергет. компонента на 1 загрузку, кг	Теплота сгорания компонента, кДж
Кукурузный экстракт	16,5 ∙ 10^3	1,52	25,08∙ 10^3
Кукурузная мука	17,5 ∙ 10^3	12,2	213,5∙ 10^3
Итого			238,58 ∙ 10^3

2. Теплота сгорания вновь образованного мицелия, кДж:

q_m = Н_{м. кон} ∙ m _{миц. кон.} - Н_{м. нач.} ∙ m _{миц. нач.},

где: Н_{м. кон} – удельная теплота сгорания мицелия в конце выращивания посевного материала, кДж/кг;

Н_{м. кон} = 5200ккал/кг = 21788 кДж/кг;

Н_м.нач. = 4750 ккал/кг = 19902,5 кДж/кг.

• Масса мицелия в начале процесса, кг:

m_{сух.миц.} = 1,6 кг ( стр, из материального баланса стадии выращивания инокулема).

• Масса мицелия в конце процесса, кг:

m _{сух. миц.} =

где: С = 15% - содержание мицелия в посевном аппарате в конце процесса выращивания посевного материала;

15 г — 100 мл

х г ― V_{пос. мат}

m _{сух. миц.} = кг

q_m = 18 × 21788 – 1,6 × 19902,5 = 392184 – 31844 = 36,034∙ 10³ кДж

Q_б/за = q_s - q_m = (238,58 – 36,034) × 10³ = 202,546× 10³ кДж

Массу всех углеродсодержащих компонентов среды, в результате окисления которых получен тепловой эффект Q_б/c, можно выразить через эквивалентное количество одного наиболее энергоемкого углеродсодержащего соединения, входящего в компонентный состав среды:

m _{экв. крахм.} = кг,

где: Н_{экв. крахм.} = 17,5 ∙ 10³ кДж – удельная теплота сгорания эквивалентного компонента, кДж. В качестве наиболее энергоемкого углеродсодержащего компонента используем крахмал.

C₆ H₁₀ O₅ + 6 O₂ → 6СО₂ + 5 Н₂О

m 11,6 Х кг у кг

М_m 162 6 × 32 6 × 44

Х_О= кг

кг

5. Масса брызг, кг:

В процессе выращивания посевного материала некоторое количество влаги уносится из посевного аппарата в виде брызг. Объём брызг принимается по данным завода. Он составляет 5% от рабочего объёма посевного аппарата:

где: V_бр.- объём брызг, м³;

ρ_бр – плотность брызг берется как средняя между плотностью среды и выращенного посевного материала, кг/м³.

V_бр. = 0,04 ∙ V_{загр.пос.апп..} = 0,04 ∙ 0,6 = 0,024 м³

ρ_бр = кг/м³

кг

6. Масса влаги, унесенной (принесенной) воздухом, кг:

Воздух, поступающий в ферментатор, может приносить с собой либо уносить из ферментатора определенное количество влаги.

Масса влаги, уносимая (приносимая) воздухом, зависит от его среднегодовой влажности, температуры, давления и расхода и может быть рассчитана по уравнению:

m_влаги = m_возд (х_вх – х_вых),

где: m_возд – масса воздуха, подаваемого в посевной аппарат за период выращивания посевного материала, кг;

х – влагосодержание воздуха, поступающего х_вх и уходящего из посевного аппарата, кг вод. пара/кг сух. возд.

m_возд = V_возд ∙ ρ_возд,

где: V_возд – объём воздуха, подаваемого в посевной аппарат, м³;

ρ_возд - плотность воздуха, кг/м³,

ρ_возд=1,293 кг/м³. [1,стр. 513]

Таблица расхода воздуха:

Таблица 11.10

Время процесса, ч	Расход воздуха, об/об. мин	Расход воздуха	Расход воздуха за период, м^3
48ч	0,8	0,8∙0,6=0,48	0,48 ∙48∙60=1382,4

m_возд = 1382,4 ∙ 1,293 = 1787,44 кг.

где: - содержание кислорода в воздухе,%.

= 0,2315 [3]

кг

Проектируем завод в городе Пенза.

Влагосодержание воздуха:

X = 0,622∙,,

где: 0,622 – соотношение молекулярных масс водяного пара и воздуха;

φ = 50% - влажность воздуха при t= 55, показывает сколько кг влаги может содержать 1 кг воздуха так, чтобы из него не выпала влага на фильтрах очистки воздуха;

Р_нас- давление насыщенного водяного пара в воздухе, принимается по температуре стерильного воздуха, подаваемого в посевной аппарат, атм.

П- общее давление паровоздушной смеси, атм.

Для расчета Х необходимо определить относительную влажность воздуха φ_, общее давление паровоздушной смеси П и давление насыщенного водяного пара Р_нас в зависимости от условий, в которых находится воздух.

При расчете влагосодержания наружного воздуха X_нар. эти величины надо принять по среднегодовой температуре и относительной влажности воздуха того города, для которого разрабатывается проект (г. Пенза).

Средняя температура и относительная влажность атмосферного воздуха в городе Пенза:

Январь: t = -12,5; φ = 85%

Июль: t = 20; φ = 66%; [1,стр.538]

Свойства насыщенного водяного пара в зависимости от температуры: [1,стр.548]

• при t = 55, Р_нас = 0,1605 атм;

• при t = 3,75 (средняя температура воздуха в г.Пенза), Р_нас = 0,0079 атм;

• при t = 28(температура выращивания вегетативного мицелия в посевном аппарате), Р_нас = 0,037 атм.

Влагосодержание регламентного воздуха при температуре подаваемого воздуха 55:

,

где: 2,2 – давление подаваемого воздуха под крышку аппарата, атм. [по д.з.] Влагосодержание наружного атмосферного воздуха при средней температуре воздуха 3,75:

,

где: 1,0 – атмосферное давление, атм. [по д.з.]

Влагосодержание воздуха, выходящего из посевного аппарата при температуре 28

где: 1,5 – давление в посевном аппарате, атм. [по д.з.]

0,95 – влажность воздуха на выходе из посевного аппарата, %

Т. к. Х_регл > Х_нар (0,038 > 0,0037), следовательно, за Х_вх принимаем наружное влагосодержание воздуха:

Х_нар = Х_вх = 0,0037

m_влаги = 1787,44 ∙ (0,0037 – 0,015) = -21,04 кг

Делаем вывод о том, что в процессе выращивания посевного материала происходит влагоунос.

7. Масса выращенного посевного материала, кг:

Определяется из уравнения материального баланса:

m _{пос.мат.} = m _{ст. п. ср.} + m _инок. + m _{ст. пен.} + m _Опотр. - m _{вл. возд.} - m _СО-m _брызг =

= 553,48 + 53,903 + 0,51 + 13,7 – 21,04 – 18,9 – 24,42 = 557,23кг

Таблица материального баланса стадии ТП.3 выращивания вегетативного посевного материала в посевном аппарате

Таблица 11.11

Израсходовано на стадии
Наименование п/прод. и сырья	Активность, Ед/мл	Масса		Объём, м^3	Плотность кг/м^3
		кг	Общая активность, млрд.Ед
А. П/продукты
1. Стерильная пит. среда		553,48		0,548	1010
2.Вегетативный посевной материал из инокулятора (инокулюм)		53,903		0,0523	1030
3.Стерильный пенагаситель		0,51
4. Кислород		13,7
Итого		621,59
Получено на стадии
А.П/продукт
1.Посевной материал		557,23		0,544	1025
2. Брызги		24,42
Б. Отходы
2.Влагоунос		21,04
3.Выделившийся СО2		18,9
В. Потери в т.ч.
Итого		621,59