2.2 Методика проведения эксперимента

Целью эксперемента является получение необходимых исходных данных, необходимых для построения математической модели массообмена в биореакторе. А так же апробация результатов математического моделирования на экспериментальном образце установки анаэробного сбраживания многокомпонентного сырья.

Для достижения поставленных целей необходимо решить следующие задачи: проследить интенсивность выхода биогаза из объема реактра; при перемешивании определить поля распределения метана по объему реактора, сделать выводы.

2.2.1 Описание эксперимента

Исследуемый процесс анаэробного сбраживания органического сырья является многофакторным. Ключевыми параметрами течения процесса биоконверсии являются: температура, давление, интенсивность перемешивания, и как следствие фазовый переход органической составляющей сырья в метан. Вследствие чего, важно иметь четкое представление о процессах и протекании реакций в аппарате анаэробного сбраживания. Анализ этих процессов усложняется многокомпонентностью исходного сырья и его неоднородностью. Биомасса в конечном итоге представляет собой три фазы различной плотности: твердый осадок, суспензия и водно-маслянистая эмульсия, а так же зоны перехода. И, несмотря на то, что реактор оснащен перемешивающим устройством, «идеальное» перемешивание не является возможным (рис.). Таким образом, для понимания физико-химической природы процесса необходимо построение математической модели массообмена.

Рисунок. Расслоение многокомпонентной системы на фракции

Для проведения эксперимента, с целью сравнения полученных данных с имеющимися, нами используется реактор анаэробного сбраживания (рис.) объемом 300 литров, оснащенный перемешивающим устройством, рубашкой обогрева и датчиками температуры и давления, а также пробоотборниками.

Рисунок. Реактор для получения биогаза:1 – корпус реактора, 2 – рубашка, 3 – мешалка; H₁ – твердый остаток, H₂ – суспензия,H₃ - водно-маслянистая эмульсия.

2.2.2 Подбор рецептур сырья

В ходе ранее проводившейся НИР были использованы отходы предприятия «КАРГИЛЛ»: соапсточные жиры, осадок со станции очистки соапсточных вод, отходы отбеливающей глины, сплав (осадок с фильтра очистки воды с солодовенного производства), кизельгур отработанный, отходы кукурузного экстракта, отходы кукурузного зародыша, мезга сырая (брак), мучка аспирационная (пыль кукурузная), пшеничные отходы (отсорт пшеницы, ячмень 2-го класса (брак)), фильтрат паточного сиропа (промои с пропарки), вода после флотатора на станции пропарки, комбикормовая пыль.

Нами по аналогии были подобраны модельные среды из четырех компонентов: кизельгур, отруби, вода и масло – которые по своим свойствам не будут отличаться от отходов предприятия «КАРГИЛЛ», и могут быть использованы для экспериментов. Для этих компонентов введем специальное обозначение, характеризующее их фазовый состав:

1 – масло;

2 – вода;

3 – твердая легкая фаза (отруби);

4 – твердая тяжелая фаза (кизельгур).

Для более полной картины сырье составляется в нескольких вариантах, с различным процентным содержанием воды, твердой фазы и масла.

Эксперимент проводится с десятью вариантами рецептур. Загружаем первую рецептуру. Определяем вязкость и плотность среды. Включаем перемешивающее устройство. Измеряем давление в каждом образовавшемся слое. Регистрируем выход газа. Выключаем перемешивающее устройство. Таким образом,исследуем все десять рецептур, устанавливая оптимальное соотношение для интенсификации протекания процесса.

Получив данные, мы сможем смоделировать процесс массобмена и на основе полученной модели обосновать уже имеющиеся данные по процессу получения биогаза методом анаэробной биоконверсии.

Процесс переработки многокомпонентного органического сырья сложен и требует тщательного анализа. К каждому комплексу отходов необходим индивидуальный подход и метод подбора рецептур.

В НИР, проводившейся ранее, процесс подбора рецептур осуществлялся в 3 этапа. Проанализируем полученные рецептуры.

Первый этап подбора рецептур

На первом этапе первоочередной задачей стояла утилизация отходов органического происхождения с целью снижения их опасности для окружающей среды. Что избавляло бы предприятие от затрат на захоронение или утилизацию отходов сторонними организациями. Так же проходила апробация рецептур на предмет выявления компонентов негативно сказывающихся на протекании процесса.

Рисунок. Диаграмма компонентов рецептур на первом этапе

Далее представленные диаграммы для большей наглядности будем представлять и в табличном виде.

Таблица 1 - Компоненты рецептур на первом этапе

Компоненты рецептур	01.11.2010	04.12.2010	23.12.2010
	Масса компонентов, г
Сплав	60	52	49
Соап.сток	1850	1704	1604
осадок со ст.оч.ст.вод	180	165	155
Отход отбелглины-подсолнечник	530	294	294
Отход отбелглины-тропик	3040	196	196
Фильтрат паточ.сиропа	680	2794	2630
Кизельгур	2770	1251	1766
Кукурузный экстракт	450	2544	2395
Кукурузный зародыш	330	0	0
Пшеничные отходы	270	306	88
Мезга сырая	360	249	234
Мучка аспирационная	120	334	314
Комбикормовая пыль	120	111	104
Свежая вода	0	0	0

На основе таблицы 1 составим модельные среды компонентов сырья на первом этапе. Для этого выясним фазовый состав каждого из компонентов и их процентное соотношение в сырье.

Общая масса сырья на первом этапе:

М_общ=∑М_i, (1)

где М_общ – общая масса сырья, г;

М_i – масса компонента сырья, г.

Общая масса сырья для модельной среды №1 (01.11.2010г.) на первом этапе:

г

Общая масса сырья для модельной среды №2 (04.12.2010г.) на первом этапе:

г

Общая масса сырья для модельной среды №3 (23.12.2010г.) на первом этапе:

г

Расчет модели №1

1. Соапсточные жиры

Содержание компонента в сырье К, %:

К=(М_i×100%)/М_общ (2)

Содержание соапстока в сырье К, %:

Масса фазового состава в сырье рассчитывается как:

М_j=(М_i×К_j)/100%, г, (3)

где М_j– масса фазового состава в сырье, г;

К_j– содержание фазового состава в компоненте, %.

В соапсточных жирах содержание воды – 50%, жиров – 20%, твердого остатка – 30%.

Масса воды:

Масса жиров:

Масса твердого остатка:

Содержание фазового состава в сырье рассчитывается как:

К_i=(М_j×К)/М_i, % (4)

Содержание воды:

Содержание жиров:

Содержание твердого остатка:

2. Отходы отбеливающей глины

2.1 Подсолнечник

Содержание подсолнечника в сырье К, %:

В подсолнечнике содержание воды – 15%, жиров – 25%, подсолнечника – 60%.

Масса фазового состава в сырье

Масса воды:

Масса жиров:

Масса подсолнечника:

Содержание фазового состава в сырье

Содержание воды:

Содержание жиров:

Содержание подсолнечника:

2. Тропик

Содержание тропика в сырье К, %:

В тропике содержание воды – 15%, жиров – 25%, тропика – 60%.

Масса фазового состава в сырье

Масса воды:

Масса жиров:

Масса тропика:

Содержание фазового состава в сырье

Содержание воды:

Содержание жиров:

Содержание тропика:

3. Отход кизельгура

Содержание кизельгура в сырье К, %:

В кизельгуре содержание воды – 42,4%, жиров – 13,5%, кизельгура – 44,1%.

Масса фазового состава в сырье

Масса воды:

Масса жиров:

Масса кизельгура:

Содержание фазового состава в сырье

Содержание воды:

Содержание жиров:

Содержание кизельгура:

4. Пшеничные отходы

Содержание пшеничных отходов в сырье К, %:

В пшеничных отходах содержание воды – 13,8%, жиров – 3%, отсорта пшеницы – 83,2%.

Масса фазового состава в сырье

Масса воды:

Масса жиров:

Масса отсорта пшеницы:

Содержание фазового состава в сырье

Содержание воды:

Содержание жиров:

Содержание отсорта пшеницы:

5. Осадок со ст. оч. ст. вод

Содержание осадка со ст. оч. ст. в сырье К, %:

В осадке со ст. оч. ст. вод содержание воды – 92%, жиров – 1%, твердого остатка – 7%.

Масса фазового состава в сырье

Масса воды:

Масса жиров:

Масса твердого остатка:

Содержание фазового состава в сырье

Содержание воды:

Содержание жиров:

Содержание твердого остатка:

6. Сплав

Содержание сплава в сырье К, %:

В сплаве содержание воды – 50%, частичек ячменных зерен, шелухи – 50%.

Масса фазового состава в сырье

Масса воды:

Масса частичек ячменных зерен, шелухи:

Содержание фазового состава в сырье

Содержание воды:

Содержание частичек ячменных зерен, шелухи:

На основе полученных данных составим таблицу модели №1.

Таблица 2 - Модель №1 компонентов сырья на первом этапе

№	Наименование сырья	Масса, г	Фазовый состав	Содержание компонента в сырье, %
1	Соапсточные жиры: 1.1 жиры 1.2 вода 1.3 твердый остаток	1850 370 925 555	1 2 3	17,19 3,44 8,6 5,157
2	Отходы отбеливающей глины 2.1 Подсолнечник: 2.1.1 жиры 2.1.2 вода 2.1.3 подсолнечник 2.2 Тропик: 2.2.1 жиры 2.2.2 вода 2.2.3 тропик	530 132,5 79,5 318 3040 760 456 1824	1 2 4 1 2 4	4,9 1,23 0,74 2,94 28,25 7,06 4,24 16,95
3	Отход кизельгура: 3.1 кизельгур 3.2 жиры 3.3 вода	2770 1221,57 373,95 1174,48	4 1 2	25,74 11,32 3,47 10,91
4	Пшеничные отходы: 4.1 отсорт пшеницы 4.2 вода 4.3 жиры	270 224,64 37,26 8,1	3 2 1	2,5 2,08 0,35 0,08
5	Осадок со ст.оч.ст.вод: 5.1 вода 5.2 жиры 5.3 твердый остаток	180 165,6 1,8 12,6	2 1 3	1,67 1,54 0,0167 0,12
6	Сплав 6.1 частички ячменных зерен, шелуха 6.2 вода	60 30 30	3 2	0,56 0,28 0,28
7	Отходы кукурузного экстракта	450	2	4,18
8	Кукурузный зародыш	330	3	3,07
9	Фильтрат паточного сиропа	680	2	6,32
10	Мезга сырая	360	3	3,35
11	Мучка аспирационная	120	3	1,12
12	Комбикормовая пыль	120	3	1,12
13	Свежая вода	0	2	0

Расчет модели №2

1. Соапсточные жиры

Содержание соапстока в сырье К, %:

В соапсточных жирах содержание воды – 50%, жиров – 20%, твердого остатка – 30%.

Масса воды:

Масса жиров:

Масса твердого остатка:

Содержание воды:

Содержание жиров:

Содержание твердого остатка:

2. Отходы отбеливающей глины

2.1 Подсолнечник

Содержание подсолнечника в сырье К, %:

В подсолнечнике содержание воды – 15%, жиров – 25%, подсолнечника – 60%.

Масса фазового состава в сырье

Масса воды:

Масса жиров:

Масса подсолнечника:

Содержание фазового состава в сырье

Содержание воды:

Содержание жиров:

Содержание подсолнечника:

2. Тропик

Содержание тропика в сырье К, %:

В тропике содержание воды – 15%, жиров – 25%, тропика – 60%.

Масса фазового состава в сырье

Масса воды:

Масса жиров:

Масса тропика:

Содержание фазового состава в сырье

Содержание воды:

Содержание жиров:

Содержание тропика:

3. Отход кизельгура

Содержание кизельгура в сырье К, %:

В кизельгуре содержание воды – 42,4%, жиров – 13,5%, кизельгура – 44,1%.

Масса фазового состава в сырье

Масса воды:

Масса жиров:

Масса кизельгура:

Содержание фазового состава в сырье

Содержание воды:

Содержание жиров:

Содержание кизельгура:

4. Пшеничные отходы

Содержание пшеничных отходов в сырье К, %:

В пшеничных отходах содержание воды – 13,8%, жиров – 3%, отсорта пшеницы – 83,2%.

Масса фазового состава в сырье

Масса воды:

Масса жиров:

Масса отсорта пшеницы:

Содержание фазового состава в сырье

Содержание воды:

Содержание жиров:

Содержание отсорта пшеницы:

5. Осадок со ст. оч. ст. вод

Содержание осадка со ст. оч. ст. в сырье К, %:

В осадке со ст. оч. ст. вод содержание воды – 92%, жиров – 1%, твердого остатка – 7%.

Масса фазового состава в сырье

Масса воды:

Масса жиров:

Масса твердого остатка:

Содержание фазового состава в сырье

Содержание воды:

Содержание жиров:

Содержание твердого остатка:

6. Сплав

Содержание сплава в сырье К, %:

В сплаве содержание воды – 50%, частичек ячменных зерен, шелухи – 50%.

Масса фазового состава в сырье

Масса воды:

Масса частичек ячменных зерен, шелухи:

Содержание фазового состава в сырье

Содержание воды:

Содержание частичек ячменных зерен, шелухи:

На основе полученных данных составим таблицу модели №2

Талица 3 - Модель №2 компонентов сырья на первом этапе

№	Наименование сырья	Масса, г	Фазовый состав	Содержание компонента в сырье, %
1	Соапсточные жиры: жиры вода твердый остаток	1704 340,8 852 511,2	1 2 3	17,04 3,41 8,52 5,11
2	Отходы отбеливающей глины 2.1 Подсолнечник: 2.1.1 жиры 2.1.2 вода 2.1.3 подсолнечник 2.2 Тропик: 2.2.1 жиры 2.2.2 вода 2.2.3 тропик	294 73,5 44,1 176,4 196 49 29,4 117,6	1 2 4 1 2 4	2,94 0,74 0,44 1,76 1,96 0,49 0,29 1,18
3	Отход кизельгура: 3.1 кизельгур 3.2 жиры 3.2 вода	1251 551,69 168,89 530,42	4 1 2	12,51 5,52 1,69 5,3
4	Пшеничные отходы: 4.1 отсорт пшеницы 4.2 вода 4.3 жиры	306 254,59 42,23 9,18	3 2 1	3,06 2,55 0,42 0,09
5	Осадок со ст.оч.ст.вод: 5.1 вода 5.2 жиры 5.3 твердый остаток	165 151,8 1,65 11,55	2 1 3	1,65 1,52 0,02 0,12
6	Сплав: 6.1 частички ячменных зерен, шелуха 6.2 вода	52 26 26	3 2	0,52 0,26 0,26
7	Отходы кукурузного экстракта	2544	2	25,44
8	Кукурузный зародыш	0	3	0
9	Фильтрат паточного сиропа	2794	2	27,94
10	Мезга сырая	249	3	2,49
11	Мучка аспирационная	334	3	3,34
12	Комбикормовая пыль	111	3	1,11
13	Свежая вода	0	2	0

Расчет модели №3

1. Соапсточные жиры

Содержание соапстока в сырье К, %:

В соапсточных жирах содержание воды – 50%, жиров – 20%, твердого остатка – 30%.

Масса воды:

Масса жиров:

Масса твердого остатка:

Содержание воды:

Содержание жиров:

Содержание твердого остатка:

2. Отходы отбеливающей глины

2.1 Подсолнечник

Содержание подсолнечника в сырье К, %:

В подсолнечнике содержание воды – 15%, жиров – 25%, подсолнечника – 60%.

Масса фазового состава в сырье

Масса воды:

Масса жиров:

Масса подсолнечника:

Содержание фазового состава в сырье

Содержание воды:

Содержание жиров:

Содержание подсолнечника:

2. Тропик

Содержание тропика в сырье К, %:

В тропике содержание воды – 15%, жиров – 25%, тропика – 60%.

Масса фазового состава в сырье

Масса воды:

Масса жиров:

Масса тропика:

Содержание фазового состава в сырье

Содержание воды:

Содержание жиров:

Содержание тропика:

3. Отход кизельгура

Содержание кизельгура в сырье К, %:

В кизельгуре содержание воды – 42,4%, жиров – 13,5%, кизельгура – 44,1%.

Масса фазового состава в сырье

Масса воды:

Масса жиров:

Масса кизельгура:

Содержание фазового состава в сырье

Содержание воды:

Содержание жиров:

Содержание кизельгура:

4. Пшеничные отходы

Содержание пшеничных отходов в сырье К, %:

В пшеничных отходах содержание воды – 13,8%, жиров – 3%, отсорта пшеницы – 83,2%.

Масса фазового состава в сырье

Масса воды:

Масса жиров:

Масса отсорта пшеницы:

Содержание фазового состава в сырье

Содержание воды:

Содержание жиров:

Содержание отсорта пшеницы:

5. Осадок со ст. оч. ст. вод

Содержание осадка со ст. оч. ст. в сырье К, %:

В осадке со ст. оч. ст. вод содержание воды – 92%, жиров – 1%, твердого остатка – 7%.

Масса фазового состава в сырье

Масса воды:

Масса жиров:

Масса твердого остатка:

Содержание фазового состава в сырье

Содержание воды:

Содержание жиров:

Содержание твердого остатка:

6. Сплав

Содержание сплава в сырье К, %:

В сплаве содержание воды – 50%, частичек ячменных зерен, шелухи – 50%.

Масса фазового состава в сырье

Масса воды:

Масса частичек ячменных зерен, шелухи:

Содержание фазового состава в сырье

Содержание воды:

Содержание частичек ячменных зерен, шелухи:

На основе полученных данных составим таблицу модели №3

Таблица 4 - Модель №3 компонентов сырья на первом этапе

№	Наименование сырья	Масса, г	Фазовый состав	Содержание компонента в сырье, %
1	Соапсточные жиры: жиры вода 1.3 твердый остаток	1604 320,8 802 481,2	1 2 3	16,32 3,26 8,16 4,9
2	Отходы отбеливающей глины 2.1 Подсолнечник: 2.1.1 жиры 2.1.2 вода 2.1.3 подсолнечник 2.2 Тропик: 2.2.1 жиры 2.2.2 вода 2.2.3 подсолнечник	294 73,5 44,1 176,4 196 49 29,4 117,6	1 2 4 1 2 4	2,99 0,75 0,45 1,79 1,99 0,5 0,3 1,19
3	Отход кизельгура: 3.1 кизельгур 3.2 жиры 3.3 вода	1766 778,81 238,41 748,78	4 1 2	17,97 7,92 2,41 7,62
4	Пшеничные отходы : 4.1 отсорт пшеницы 4.2 вода 4.3 жиры	88 73,22 12,14 2,64	3 2 1	0,9 0,75 0,12 0,03
5	Осадок со ст.оч.ст.вод: 5.1 вода 5.2 жиры 5.3 твердый остаток	155 142,6 1,55 10,85	2 1 3	1,58 1,45 0,02 0,11
6	Сплав: 6.1 частички ячменных зерен, шелуха 6.2 вода	49 24,5 24,5	3 2	0,5 0,25 0,25
7	Отходы кукурузного экстракта	2395	2	24,37
8	Кукурузный зародыш	0	3	0
9	Фильтрат паточного сиропа	2630	2	26,76
10	Мезга сырая	234	3	2,38
11	Мучка аспирационная	314	3	3,19
12	Комбикормовая пыль	104	3	1,06
13	Свежая вода	0	2	0

Наиболее удачной на данном этапе являлась рецептура №2. При ней уровень СЖК был в приделах нормы. Так же по завершению этапа была достигнута главная цель – переработка отходов с целью снижение их экологической. Более того, полученный шлам можно использовать в качестве удобрения благодаря высокой минерализация азота и снижению вредной микрофлоры.

Второй этап подбора рецептур

На втором этапе целью эксперимента стало получение биогаза и минеральных удобрений. Осуществлялся подбор оптимальных рецептур. Было предположено, что соапсток и кукурузный зародыш негативно влияют не процесс. Они были исключены из рецептур.

Рисунок 6 - Диаграмма компонентов рецептур на втором этапе

Таблица 5 - Компоненты рецептур на втором этапе

Компоненты рецептур	11.01.2011	17.01.2011
	Масса компонентов, г
Сплав	49	59
Соап.сток	0	0
осадок со ст.оч.ст.вод	155	185
Отход отбелглины-подсолнечник	294	330
Отход отбелглины-тропик	196	220
Фильтрат паточ.сиропа	2630	3123
Кизельгур	1766	2103
Кукурузный экстракт	2395	2852
Кукурузный зародыш	0	0
Пшеничные отходы	288	343
Мезга сырая	234	279
Мучка аспирационная	314	374
Комбикормовая пыль	104	124
Свежая вода	0	0

На основе таблицы 5 составим модельные среды компонентов сырья на втором этапе. Расчеты проводятся аналогичные, как для первого этапа. Из полученных данных составили таблицы модельных сред (таблицы 6 и 7).

Таблица 6 - Модель №1 компонентов сырья на втором этапе

№	Наименование сырья	Масса, г	Фазовый состав	Содержание компонента в сырье, %
1	Соапсточные жиры: жиры вода 1.3 твердый остаток	0	1 2 3	0
2	Отходы отбеливающей глины 2.1 Подсолнечник: 2.1.1 жиры 2.1.2 вода 2.1.3 подсолнечник 2.2 Тропик: 2.2.1 жиры 2.2.2 вода 2.2.3 тропик	294 73,5 44,1 176,4 196 49 29,4 117,6	1 2 4 1 2 4	3,49 0,87 0,52 2,1 2,33 0,58 0,35 1,4
3	Отход кизельгура: 3.1 кизельгур 3.2 жиры 3.3 вода	1766 778,81 238,41 748,78	4 1 2	20,96 9,24 2,83 8,89
4	Пшеничные отходы: 4.1 отсорт пшеницы 4.2 вода 4.3 жиры	288 239,62 39,74 8,64	3 2 1	3,42 2,85 0,47 0,1
5	Осадок со ст.оч.ст.вод: 5.1 вода 5.2 жиры 5.3 твердый остаток	155 142,6 1,55 10,85	2 1 3	1,84 1,69 0,02 0,13
6	Сплав: 6.1 частички ячменных зерен, шелуха 6.2 вода	49 24,5 24,5	3 2	0,58 0,29 0,29
7	Отходы кукурузного экстракта	2395	2	28,43
8	Кукурузный зародыш	0	3	0
9	Фильтрат паточного сиропа	2630	2	31,22
10	Мезга сырая	234	3	2,78
11	Мучка аспирационная	314	3	3,73
12	Комбикормовая пыль	104	3	1,23
13	Свежая вода	0	2	0

Таблица 7 - Модель №2 компонентов сырья на втором этапе

№	Наименование сырья	Масса, г	Фазовый состав	Содержание компонента в сырье, %
1	Соапсточные жиры: жиры вода 1.3 твердый остаток	0	1 2 3	0
2	Отходы отбеливающей глины 2.1 Подсолнечник: 2.1.1 жиры 2.1.2 вода 2.1.3 подсолнечник 2.2 Тропик: 2.2.1 жиры 2.2.2 вода 2.2.3 тропик	330 82,5 49,5 198 220 55 33 132	1 2 4 1 2 4	3,3 0,825 0,495 1,98 2,2 0,55 0,33 1,32
3	Отход кизельгура: 3.1 кизельгур 3.2 жиры 3.3 вода	2103 927,42 283,91 891,67	4 1 2	21,05 9,28 2,84 8,93
4	Пшеничные отходы: 4.1 отсорт пшеницы 4.2 вода 4.3 жиры	343 285,38 47,33 10,29	3 2 1	3,43 2,85 0,47 0,1
5	Осадок со ст.оч.ст.вод: 5.1 вода 5.2 жиры 5.3 твердый остаток	185 170,2 1,85 12,95	2 1 3	1,85 1,7 0,02 0,13
6	Сплав: 6.1 частички ячменных зерен, шелуха 6.2 вода	59 29,5 29,5	3 2	0,59 0,295 0,295
7	Отходы кукурузного экстракта	2852	2	28,54
8	Кукурузный зародыш	0	3	0
9	Фильтрат паточного сиропа	3123	2	31,26
10	Мезга сырая	279	3	2,79
11	Мучка аспирационная	374	3	3,74
12	Комбикормовая пыль	124	3	1,24
13	Свежая вода	0	2	0

Анализируя результаты второго этапа, было принято решение к третьему вернуть в питающую смесь все компоненты, изменив их пропорции.

Третий этап подбора рецептур

На третьем этапе главной целью стало получить наибольшее количество биогаза и выход процесса на стационарный режим.

Рисунок. Диаграмма компонентов рецептур на третьем этапе

Таблица 8 - Компоненты рецептур на третьем этапе

Компоненты рецептур	04.03.2011	18.03.2011	06.04.2011
	Масса компонентов, г
Сплав	36	35	47
Соап.сток	237	457	609
осадок со ст.оч.ст.вод	115	111	147
Отход отбел глины	342	329	438
Фильтрат паточ.сиропа	1946	1872	2496
Кизельгур	1742	1676	2234
Кукурузный экстракт	886	852	1136
Кукурузный зародыш	1	1	1
Пшеничные отходы	213	205	273
Мезга сырая	173	166	222
Мучка аспирационная	232	224	298
Комбикормовая пыль	77	74	99
Свежая вода	4000	4000	2000

На основе таблицы 8 составим модельные среды компонентов сырья на третьем этапе. Расчеты проводятся аналогично первому этапу, а полученные необходимые данные заносятся в таблицы 9-11.

Таблица 9 - Модель №1 компонентов сырья на третьем этапе

№	Наименование сырья	Масса, г	Фазовый состав	Содержание компонента в сырье, %
1	Соапсточные жиры: 1.1 жиры вода твердый остаток	237 47,4 118,5 71,1	1 2 3	2,37 0,47 1,185 0,715
2	Отходы отбеливающей глины: 2.1 жиры 2.2 вода 2.3 твердый остаток	342 85,5 51,3 205,2	1 2 4	3,42 0,855 0,513 0,21
3	Отход кизельгура: 3.1 кизельгур 3.2 жиры 3.3 вода	1742 768,22 235,17 738,61	4 1 2	17,42 7,68 2,35 7,39
4	Пшеничные отходы: 4.1 отсорт пшеницы 4.2 вода 4.3 жиры	213 177,22 29,39 6,39	3 2 1	2,13 1,77 0,29 0,06
5	Осадок со ст.оч.ст.вод: 5.1 вода 5.2 жиры 5.3 твердый остаток	115 105,8 1,15 8,05	2 1 3	1,15 1,06 0,01 0,08
6	Сплав: 6.1 частички ячменных зерен, шелуха 6.2 вода	36 18 18	3 2	0,36 0,18 0,18
7	Отходы кукурузного экстракта	886	2	8,86
8	Кукурузный зародыш	1	3	0,01
9	Фильтрат паточного сиропа	1946	2	19,46
10	Мезга сырая	173	3	1,73
11	Мучка аспирационная	232	3	2,32
12	Комбикормовая пыль	77	3	0,77
13	Свежая вода	4000	2	40

Таблица 10 - Модель №2 компонентов сырья на третьем этапе

№	Наименование сырья	Масса, г	Фазовый состав	Содержание компонента в сырье, %
1	Соапсточные жиры: жиры вода 1.3 твердый остаток	457 91,4 228,5 137,1	1 2 3	4,57 0,91 2,29 1,37
2	Отходы отбеливающей глины: 2.1 жиры 2.2 вода 2.3 твердый остаток	329 82,25 49,35 197,4	1 2 4	3,29 0,82 0,49 1,97
3	Отход кизельгура: 3.1 кизельгур 3.2 жиры 3.3 вода	1676 739,12 226,26 710,62	4 1 2	16,76 7,39 2,26 7,11
4	Пшеничные отходы: 4.1 отсорт пшеницы 4.2 вода 4.3 жиры	205 170,56 28,29 6,15	3 2 1	2,04 1,7 0,28 0,06
5	Осадок со ст.оч.ст.вод: 5.1 вода 5.2 жиры 5.3 твердый остаток	111 102,12 1,11 7,77	2 1 3	1,12 1,03 0,01 0,08
6	Сплав: 6.1 частицы ячменных зерен, шелуха 6.2 вода	35 17,5 17,5	3 2	0,35 0,175 0,175
7	Отходы кукурузного экстракта	852	2	8,52
8	Кукурузный зародыш	1	3	0,01
9	Фильтрат паточного сиропа	1872	2	18,72
10	Мезга сырая	166	3	1,66
11	Мучка аспирационная	224	3	2,24
12	Комбикормовая пыль	74	3	0,74
13	Свежая вода	4000	2	39,99

Таблица 11 - Модель №3 компонентов сырья на третьем этапе

№	Наименование сырья	Масса, г	Фазовый состав	Содержание компонента в сырье, %
1	Соапсточные жиры: жиры вода твердый остаток	609 121,8 304,5 182,7	1 2 3	6,09 1,218 3,045 1,827
2	Отходы отбеливающей глины: 2.1 жиры 2.2 вода 2.3 твердый остаток	438 109,5 65,7 262,8	1 2 4	4,38 1,095 0,657 2,628
3	Отход кизельгура: 3.1 кизельгур 3.2 жиры 3.3 вода	2234 985,19 301,59 947,22	4 1 2	22,34 9,85 3,02 9,47
4	Пшеничные отходы: 4.1 отсорт пшеницы 4.2 вода 4.3 жиры	273 232,6 37,67 8,19	3 2 1	2,73 2,33 0,38 0,08
5	Осадок со ст.оч.ст.вод: 5.1 вода 5.2 жиры 5.3 твердый остаток	147 135,24 1,47 10,29	2 1 3	1,47 1,35 0,01 0,1
6	Сплав: 6.1 частички ячменных зерен, шелуха 6.2 вода	47 23,5 23,5	3 2	0,47 0,235 0,235
7	Отходы кукурузного экстракта	1136	2	11,36
8	Кукурузный зародыш	1	3	0,01
9	Фильтрат паточного сиропа	2496	2	24,96
10	Мезга сырая	222	3	2,22
11	Мучка аспирационная	298	3	2,98
12	Комбикормовая пыль	99	3	0,99
13	Свежая вода	2000	2	20

Третий этап был самым удачным. Из всех предложенных рецептур заключительная оказалась самой приемлемой.

Поскольку нас интересует процесс массообмена, то мы выборочно проанализируем модели сырья. По первому этапу проанализируем модель №2 и модель №3; по второму этапу – модель №2; по третьему этапу – модель №1 и модель №3.

Первый этап

Модель №2

Поскольку эксперименты ранее проводившейся НИР проводились с разными массами исходного сырья, то для составления различных комбинаций рецептуры сырья, мы должны перейти к одной массе сырья. За единую массу примем 10000г. Следовательно, мы должны сделать пересчет суммарной массы и процентного содержания компонентов сырья для выбранных моделей. Для данной модели пересчет суммарной массы и процентного содержания не требуется.

1. Вода

1. Суммарная масса воды в сырье

∑Мв,

где ∑Мв – суммарная масса воды в сырье, г;

Мiв – масса воды в i-ом компоненте сырья, г.

2. Суммарное процентное содержание воды в сырье

∑Кiв,

где ∑Кв – суммарное процентное содержание воды в сырье, %;

Кiв – содержание воды в i-ом компоненте, %.

2. Масло

   1. Суммарная масса масла в сырье

∑Мм = ∑Мiм,

где ∑Мм – суммарная масса масла в сырье, г;

Мiм – масса масла в i-ом компоненте сырья, %.

2. Суммарное процентное содержание масла в сырье

∑Км = ∑Кiм,

где ∑Км – суммарное процентное содержание масла в сырье, %;

Кiм – содержание воды в i-ом компоненте, %.

3. Твердая легкая фаза

   1. Суммарная масса твердой легкой фазы в сырье

∑Мт.л. = ∑Мiт.л.,

где ∑Мт.л. - суммарная масса твердой легкой фазы компонента в сырье, г;

Мiт.л. – масса твердой легкой фазы в i-ом компоненте сырья, %.

3.2 Суммарное процентное содержание твердой легкой фазы в сырье

= ∑Кiт.л.,

где ∑Кт.л. – суммарное процентное содержание твердой легкой фазы в сырье, %;

Кiт.л. – содержание твердой легкой фазы в i-ом компоненте, %.

4. Твердая тяжелая фаза

4.1 Суммарная масса твердой тяжелой фазы в сырье

∑Мт.т. = ∑Мiт.т.,

где ∑Мт.т. - суммарная масса твердой тяжелой фазы компонента в сырье, г;

Мiт.т. – масса твердой тяжелой фазы в i-ом компоненте сырья, %.

4.2 Суммарное процентное содержание твердой тяжелой фазы в сырье

= ∑Кiт.т.,

где ∑Кт.т. – суммарное процентное содержание твердой тяжелой фазы в сырье, %;

Кiт.т. – содержание твердой тяжелой фазы в i-ом компоненте, %.

Модель №3

Поскольку общая масса сырья модели №3 составляет 9829г, то мы будем проводить пересчет суммарной массы и процентного содержания компонентов сырья.

1. Вода

   1. Суммарная масса воды в сырье

2. Суммарное процентное содержание воды в сырье

3. Пересчет суммарной массы воды в расчете на общую массу сырья в 10000г.

4. Пересчет процентного содержания воды в расчете на общую массу сырья в 10000г.

2. Масло

   1. Суммарная масса масла в сырье

2.2 Суммарное процентное содержание масла в сырье

2.3 Пересчет суммарной массы масла в расчете на общую массу сырья в 10000г.

4. Пересчет процентного содержания масла в расчете на общую массу сырья в 10000г.

3. Твердая легкая фаза

   1. Суммарная масса твердой легкой фазы в сырье

2. Суммарное процентное содержание твердой легкой фазы в сырье

3.3Пересчет суммарной массы твердой легкой фазы в расчете на общую массу сырья в 10000г.

4. Пересчет процентного содержания твердой легкой фазы в расчете на общую массу сырья в 10000г.

4. Твердая тяжелая фаза

   1. Суммарная масса твердой тяжелой фазы в сырье

2. Суммарное процентное содержание твердой тяжелой фазы в сырье

4.3 Пересчет суммарной массы твердой тяжелой фазы в расчете на общую массу сырья в 10000г.

4. Пересчет процентного содержания твердой тяжелой фазы в расчете на общую массу сырья в 10000г.

Второй этап

Модель №2

Поскольку общая масса сырья модели №2 составляет 9992г, то мы будем проводить пересчет суммарной массы и процентного содержания компонентов сырья.

1. Вода

   1. Суммарная масса воды в сырье

2. Суммарное процентное содержание воды в сырье

3. Пересчет суммарной массы воды в расчете на общую массу сырья в 10000г.

4. Пересчет процентного содержания воды в расчете на общую массу сырья в 10000г.

2. Масло

   1. Суммарная масса масла в сырье

2. Суммарное процентное содержание масла в сырье

3. Пересчет суммарной массы масла в расчете на общую массу сырья в 10000г.

4. Пересчет процентного содержания масла в расчете на общую массу сырья в 10000г.

3. Твердая легкая фаза

   1. Суммарная масса твердой легкой фазы в сырье

2. Суммарное процентное содержание твердой легкой фазы в сырье

3. Пересчет суммарной массы твердой легкой фазы в расчете на общую массу сырья в 10000г.

4. Пересчет процентного содержания твердой легкой фазы в расчете на общую массу сырья в 10000г.

4. Твердая тяжелая фаза

   1. Суммарная масса твердой тяжелой фазы в сырье

2. Суммарное процентное содержание твердой тяжелой фазы в сырье

3. Пересчет суммарной массы твердой тяжелой фазы в расчете на общую массу сырья в 10000г.

4. Пересчет процентного содержания твердой тяжелой фазы в расчете на общую массу сырья в 10000г.

Третий этап

Модель №1

Поскольку общая масса сырья модели №3 составляет 10040г, то мы будем проводить пересчет суммарной массы и процентного содержания компонентов сырья.

1. Вода

   1. Суммарная масса воды в сырье

2. Суммарное процентное содержание воды в сырье

3. Пересчет суммарной массы воды в расчете на общую массу сырья в 10000г.

4. Пересчет процентного содержания воды в расчете на общую массу сырья в 10000г.

2. Масло

   1. Суммарная масса масла в сырье

2. Суммарное процентное содержание масла в сырье

3. Пересчет суммарной массы масла в расчете на общую массу сырья в 10000г.

4. Пересчет процентного содержания масла в расчете на общую массу сырья в 10000г.

3. Твердая легкая фаза

   1. Суммарная масса твердой легкой фазы в сырье

2. Суммарное процентное содержание твердой легкой фазы в сырье

3. Пересчет суммарной массы твердой легкой фазы в расчете на общую массу сырья в 10000г.

4. Пересчет процентного содержания твердой легкой фазы в расчете на общую массу сырья в 10000г.

4. Твердая тяжелая фаза

   1. Суммарная масса твердой тяжелой фаза в сырье

2. Суммарное процентное содержание твердой легкой фазы в сырье

3. Пересчет суммарной массы твердой тяжелой фазы в расчете на общую массу сырья в 10000г.

4. Пересчет процентного содержания твердой тяжелой фазы в расчете на общую массу сырья в 10000г.

Модель №3

Для данной модели пересчет суммарной массы и процентного содержания не требуется.

1. Вода

   1. Суммарная масса воды в сырье

2. Суммарное процентное содержание воды в сырье

2. Масло

   1. Суммарная масса масла в сырье

2. Суммарное процентное содержание масла в сырье

3. Твердая легкая фаза

   1. Суммарная масса твердой легкой фазы в сырье

2. Суммарное процентное содержание твердой легкой фазы в сырье

4. Твердая тяжелая фаза

   1. Суммарная масса твердой тяжелой фазы в сырье

2. Суммарное процентное содержание твердой тяжелой фазы в сырье

На основе полученных данных составим таблицу 12.

Таблица 12. Массовое и процентное содержание различных фаз в модельных средах

Наименование фазы	Суммарное содержание компонента в сырье
	1 этап									2 этап						3 этап
	Модель 2			Модель 3					Модель 2						Модель 1						Модель 3
	г		%	Г		%		Г			%			Г			%			Г			%
1. Масло	643,02		6,44	697,83		7,09		433,9			4,34			374,11			3,73			542,55			5,423
2. Вода	7013,95		70,14	6947,32		70,69		7201,96			72,08			7767,53			78,62			7108,16			71,077
3. Тв. легкий	1497,34		14,98	1263,37		12,86		1105,71			10,99			694,59			7,54			1069,09			10,692
4. Тв. Тяжелый	845,29		8,46	1091,47		11		1258,46			12,59			969,54			9,69			1247,99			12,479

Для проведения экспериментальных исследований процесса массообмена в процессе биосинтеза мы будем использовать:

• в качестве модельной среды для компонента 1 (жиров) – масло с минимальным его содержанием с сырье 3,73% и максимальным – 7,09%;

• для компонента 2 (воды) – воду с минимальным ее содержанием 70,14% и максимальным – 78,62%;

• для компонента 3 (твердый легкий) – отруби с минимальным содержанием 7,54% и максимальным – 14,98%;

• для компонента 4 (твердый тяжелый) – кизельгур с минимальным содержанием 8,46% и максимальным – 12,59%.

Зная максимальное и минимальное содержание веществ с сырье, мы составили таблицу с различными комбинациями процентных содержаний веществ, представленную в приложении. Опытным путем мы можем узнать, при какой комбинации гидравлическое сопротивление среды наиболее благоприятно для процесса массообмена. Таблица составлена из десяти вариантов рецептур в расчете на 10 кг загрузки сырья, так как в предыдущей НИР загрузка сырья осуществлялась последовательно по 10 кг. В данной НИР мы загружаем сырье в полном объеме. Поскольку экспериментальный биореактор имеет объем 300 л, то требуется пересчет массы всех десяти вариантов таблицы рецептур с учетом настоящего объема.

Расчет массы вариантов рецептур

Формула для расчета массы , кг:

где – полезный объем биореактора, м³;

– плотность рецептуры, кг/м³.

Полезный объем биореактора , м³ можно найти по формуле:

где – объем биореактора, м³.

Плотность рецептуры , кг/м³ можем определить по формуле:

где , , , – массовые доли масла, воды, отрубей и кизельгура в смеси;

, , , – плотности масла, воды, отрубей и кизельгура, кг/м³.

Подставив значения формул (6.2.2) и (6.2.3) в формулу (6.2.1), получим массу рецептуры. Массу отдельного компонента рецептуры , кг можно определить по формуле:

где – массовая доля i-го компонента.

Поскольку мы имеем десять рецептур, то и расчет проводим десять раз для каждой рецептуры соответственно.

6.2.1 Расчет массы рецептуры №1.

Найдем полезный объем биореактора по формуле (6.2.2):

Определим плотность рецептуры №1, используя формулу (6.2.3) и таблицу рецептур (Приложение):

Подставив полученные значения в формулу (6.2.1), получим массу рецептуры №1:

Найдем массы отдельных компонентов рецептуры №1 , кг, используя формулу (6.2.4):

- для масла:

- для воды:

- для отрубей:

- для кизельгура:

Аналогичным образом просчитываются остальные варианты рецептур, и данные сводятся в таблицу, указанную в приложении (Приложение). Полученную таблицу можно использовать в эксперименте.