Занятие 5

План.

Расчет материально-энергетического баланса стадии ферментации.

Описание технологического процесса.

Выбор оборудования на основе материально-энергетического баланса.

Потребность в основных сырьевых и энергетических ресурсах для технологических нужд.

Экологическая безопасность производства – проблемы и решения.

Обоснование решений по применению малоотходных и безотходных технологий, повторному использованию тепла и регенерации материалов.

5.1. Расчет материально-энергетического баланса стадии ферментации.

Принимаем, что при биосинтезе кислород расходуется на 3 процесса – рост биомассы, биосинтез продукта и дыхание (образование СО₂ ).

Ориентировочно элементарный состав биомассы (X) – C₆ H_11.8 O₃N_1.2 M=148.6.

Рассмотрим расчет потребления кислорода на примере биосинтеза лизина (L). Тогда для перечисленных выше процессов, при условии, что источником углерода является сахароза (S), можно записать следующие молярные стехиометрические уравнения:

C₁₂H₂₂O₁₁ + 2.4 NH₃ – 1.1O₂ = 2 C₆ H_11.8 O₃N_1.2 + 2.8 H₂O

C₁₂H₂₂O₁₁ + 4.00 NH₃ + 1.50 O₂ + 2HCl = 2 C₆ H₁₄ O₂ N_{2 *} HCl + 10 H₂O

C₁₂H₂₂O₁₁ + 12 O₂ = 12 CO₂ + 11 H₂O

Примечание: по данным В.М.Кантере («Лимитирование и ингибирование микробиологических процессов». Сб., Пущино-на-Оке, 1980, с.93) усредненная стехиометрическая формула для биомассы бактерий - С₆Н₁₀О₃N_0.85P_0.25 М=149

При переходе к массовым соотношениям стехиометрические коэффициенты в этих уравнениях изменятся и они примут вид (в г/г сахарозы);

C₁₂H₂₂O₁₁ + 0.119 NH₃ – 0.103 O₂ = 0.869 C₆ H_11.8 O₃N_1.2 + 0.147 H₂O

C₁₂H₂₂O₁₁ + 0.199 NH₃ + 0.140 O₂ + 2HCl = 1.067 C₆ H₁₄ O₂ N_{2 *} HCl + 0.526 H₂O

C₁₂H₂₂O₁₁ + 1.123 O₂ = 1.544 CO₂ + 0.579 H₂O

Таким образом, если не учитывать образование побочных продуктов, то скорость потребления кислорода однозначно определяется скоростями биосинтеза, роста и потребления сахарозы. Эти скорости могут быть определены экспериментально или на основании математической модели. Можно также использовать данные по приросту биомассы и лизина и потреблению сахарозы за данный промежуток времени. Тогда мы получим количество потребленного за этот промежуток времени кислорода и оценим среднюю скорость его потребления в этом интервале.

Из вышеприведенных уравнений следует, что доли потребленной сахарозы S равны:

на процесс роста - _X = 0.869 X/S;

на процесс биосинтеза – _L =1.067L /S,

на дыхание - _m = 1 – (_X + _L)

отсюда следует, что количество потребленного кислорода

DО₂ = (0.103a_L – 0.168a_X + 1.123 (1 - a_X - a_L)) DS = 1.123 DS – 1.291DХ – 1.020DL

Дифференцируя это уравнение по t, получим

K_La_O2 (P^g- ^l) = 1.123 dS/dt - 1.291 dX/dt – 1.020 dL/dt

Аналогично мы можем прогнозировать потребление аммиака и выделение СО₂

DNH₃ = (0.119a_X + 0.199a_L) DS = 0.103X + 0.212DL

KLa_CO2 Pco₂ = 1.544 dS/dt - 1.342 dX/dt – 1.647 dL/dt

Можно, действуя аналогично, оценить и тепловыделение. Ориентировочные оценки (нет точных значений для теплот образования биомассы лизина) показывают, что тепловые эффекты соответственно реакций роста, биосинтеза и дыхания равны (ккал/кг) -50, 1080 и 4110.

Тогда скорость тепловыделения

dQ/dt = 4110 dS/dt –3622dX/dt – 3305 dL/dt

Используя полученные данные можно внести необходимые коррективы в выполненный выше расчёт материально-энергетического баланса.